requestId:687f39f747d9c5.87952633.
作者:沈代兵 1,2 郝佳豪 1,2宋衍昌 1,2楊俊玲 1張振濤 1,3,4越云凱 1,3,4
單位:1. 中國科學院理化技術研討所低溫科學與技術重點實驗室; 2. 中國科學院年夜學; 3. 長沙博睿鼎能動力科技無限公司; 4. 河北省儲能產業技術 研討院
本文亮點:1、面向二氧化碳儲能循環所需的年夜膨脹比寬負荷透平膨脹機研討還較少。 2、針對儲能系統周期性發電和變工況特徵,剖析CO2向心透平內的非穩態流動也是很有需要的。
摘 要透平膨脹機是二氧化碳儲能系統的關鍵裝備,透平葉輪的結構參數優化有利于更好地進步透平膨脹機的整體機能。本文以某百千瓦級二氧化碳儲能系統向心透平為研討對象,起首通過氣動設計獲得該二氧化碳透平的重要結構參數,然后基于Numeca開展流場仿真,剖析了葉輪葉片數、葉輪進吵嘴和葉輪出吵嘴對流動特徵的影響規律,進一個步驟研討了葉頂間隙內的泄漏流和損掉,最后探討了非定常流動特徵下透平機能的變化規律。結果表白:隨著葉輪葉片數的增添,葉輪流道中的低馬赫數區域占比先下降后增添;葉輪進吵嘴和葉輪出吵嘴顯著影響透平內流動分離區域和渦面積分布,優化葉輪角后的透同等熵效力達83.65%,較初始設計進步了0.75%;透同等熵效力隨葉頂間隙的增添而減小,且近似呈線性變化;噴嘴尾跡流會惹起葉輪內的非定常流動,且透同等熵效力較定常工況時降落了0.57%。
關鍵包養詞二氧化碳儲能;透平膨脹機;結構參數;葉頂間隙泄漏;非定常流動
為應對化石動力可持續應用和溫室氣體排放帶來的動力和氣候問題,發展可再生動力已成為國內外的廣泛共識。但是,風電、光伏等可再生動力具有顯著的波動性和間歇性,年夜規模可再生動力電力并網會影響電網的穩定運行,而儲能技術被視為應對該問題的有用辦法之一。二氧化碳儲能是一種新型壓縮氣體儲能技術,可有用解決年夜規模長時儲能的地輿性依賴,且具有運行壽命長、儲能效力高、儲能密度年夜等技術優勢,是以遭到國內外學者的廣泛關注。
在二氧化碳儲能系統優化設計方面,Wang等提出了一種液態存儲型二氧化碳儲能系統,通過參數化剖析表白系統的往復效力可以達到56.64%。Liu等對比了采用兩個地下儲氣室的跨臨界和超臨界二氧化碳儲能系統,結果表白超臨界系統的結構布局更簡單,跨臨界系統的往復效力和?效力更高,分別為63.35%和53.02%。Li等將二氧化碳儲能系統與二氧化碳熱泵系統相結合,以進步數據中間能效,在儲能的同時實現制冷和生涯供熱。Liu等對跨臨界二氧化碳儲能系統進行了熱力學和先進?剖析,發現比擬于壓縮機效力,膨脹機效力對于系統機能的影響更為顯著。
從設備與系統關系上看,膨脹機是二氧化碳儲能系統的重要組成部件之一,直接影響系統穩定持續放電,對系統儲能效力具有主要影響。從透平情勢區分,速率型膨脹機重要包含向心透平膨脹機和軸流透平膨脹機。向心透平的單級膨脹比更高,且份量較輕,適用于小流量工況。Zhou等設計了1.5 MW超臨界二氧化碳(SCO2)向心透平,在設計工況下,一維結果與模擬結果基礎吻合,透平內無明顯的流動分離區域,在非設計工況下,兩者的相對誤差在5%以內。Lv等對SCO2透平的損掉關系式進行了篩選驗證,并應用序列二次規劃算法對設計參數進行優化,優化后透平在年夜部門工況下機能獲得晉陞。Uusitalo等剖析了功率標準和比轉速對SC包養甜心網O2向心透平設計和機能的影響,在0.1~3.5 MW范圍內,最佳比轉速范圍為0.5~0.6。隨著比轉速的增添,靜葉損掉所占份額減小,而葉頂間隙和出口動能損掉所占份額增添。Zhou等對包養故事SCO2布雷頓循環進行了參數優化,并對向心透平進行設計剖析,透平在設計工況和非設計工況下均能堅持較好的機能。施東波等提出了基于Gauss過程回歸的一維優化設計方式,優化后透平效力由83.68%進步至91.20%。
文獻綜述表白,包養條件除葉輪熱力設計和流動損掉模子研討之外,鑒于透平內流體的三維流動特征,結構參數也會對透平機能產生顯著影響。是以,通過結構參數優化滿足設計工況包養行情下CO2向心透平的最佳機能,顯得尤為主要。此外,現有CO2向心透平研討多基于超臨界二氧化碳布雷頓循環,面向二氧化碳儲能循環所需的年夜膨脹比寬負荷透平膨脹機的研討還較少。針對儲能系統周期性發電和變工況特徵,進一個步包養一個月價錢驟剖析CO2向心透平內的非穩態流動也是很有需要地。
綜上所述,本文起首對二氧化碳儲能系統向心透平進行氣動設計,其次剖析了葉輪葉片數、葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴和葉頂間隙對透平機能的影響,最后剖析了透平非定常流動與透平整體機能的關系。
1 CO2向心透平設計及流場剖析
1.1CO2向心透平設計及建模
二氧化碳儲能系統通過將熱力學能、壓力勢能與電能進行彼此轉換,以此實現能量的存儲與釋放。作者地點團隊于2023年在河北廊坊建設了百千瓦級液態二氧化碳儲能示范驗證系統,并就系統工藝流程優化和關鍵設備開是縮成一團,微弱地哼叫著。發開展研討。該系統在典範工況下的理論儲能效力可達55%擺佈,系統的總體布局如圖1所示。CO2透平作為重要的做功部件,通過將高溫高壓的二氧化碳進行膨脹降壓并帶動發電機發電。該二氧化碳儲能系統向心透平的重要設計參數如表1所示。
圖1 百千瓦級二氧化碳儲能系統 (a) 及其透平膨脹機 (b)
表1 CO2透平的設計參數
起首對CO2向心透平進行一維設計,在設計時盡量保證透平效力最年夜,透平效力的表達式如式(1)所示。此外需求考慮噴嘴出口馬赫數、葉輪沖角、相對馬赫數等的限制,選擇合適的特徵比和反動度,并確定噴嘴速率系數、葉輪速率系數、輪徑比等參數的取值。該透平的重要設計結果如表2所示。
(1)
公式中,為特徵比;
為葉輪速率系數;
為噴嘴速率系數;
為葉輪進口絕對氣流角;
為葉輪出口相對氣流角;
為輪徑比;
為反動度。
表2 CO2透平的重要設計結果
根據一維設計結果,應用渦輪機械設計軟件Concepts NREC對透平進行模子構建,將天生的結構導進仿真軟件Numeca中進行數值剖析。在Autogird5中進行網格劃分,為捕獲邊界層內的流動,需求對近壁面網格進行加密,參照式(2)分別確定噴嘴長期包養和葉輪的近壁面網格寬度。
(2)
公式中,為參考速率,可以取進口速率,m/s;
為運動黏度,m2/s;
為參考長度,可以取葉輪直徑,m;
為無量綱參數,對于低雷諾數模子,普通取值為1~10。
網格劃分之后,需求設置邊界條件和流動模子,以模擬透平內的流動情況。進口邊界條件給定總溫、總壓和速率標的目的,出口邊界條件給定均勻靜壓。動靜接壤面采用混雜立體法,考慮計算的準確性和收斂速率,采用SA湍流模子。對網格進行無關性驗證,分歧網格數量的模擬結果如圖2所示。對于單流道的噴嘴和葉輪,當網格數量在第短期包養4組214萬時,透同等熵效力和輸出功率基礎不發生變化。此時噴嘴和葉輪的網格結構如圖3所示。
1.2CO2向心透平流場剖析
應用Numeca的Euranus求解器對CO2向心透平進行流場模擬,模擬結果與設計計算結果的對好比表3所示,設計值與模擬值的誤差小于5%,表白該設計較為公道。兩者在等熵效力方面的誤差最年夜為4.15%,重要是因為一維設計時多采用經驗關系式對透平內的損掉進行估計,但透平內的流動是三維和黏性的,在流道中往往存在流動分離、回流和二次流等復雜流動,所以損掉預算時存在誤差。
表3 設計結果與模擬結果對比
在設計工況下,透平內的流場分布如圖4所示。透平內的流線分布較連續,無明顯的速率突變,沿著整個流道,CO2絕對速率逐漸下降。葉輪出口相對速率年夜于進包養網口相對速率,以確保不會產生回流。透平手部有渦存在,在噴嘴尾緣和葉輪吸力面輪蓋處存在漩渦,噴嘴尾緣渦的產生是由噴嘴吸力面和壓力面流體的匯聚惹起的,葉輪吸力面輪蓋處的渦是由葉頂間隙處的泄漏流惹起的。葉頂間隙處的泄漏流如圖5所示,壓力面的部門包養站長流體由葉頂間隙泄漏到吸力面,構成二次流動,進而影響主流流場并減小做功量。
該CO2透平內的靜壓、靜溫分布如圖6所示。CO2起首進進噴嘴流道,在噴嘴中溫度變化較快,由于葉片厚度的影響,噴嘴葉片尾緣處會產生高溫尾跡。之后工質流進葉輪流道,葉輪內的溫度變化重要集中在后半部門,由于泄漏流動的影響,葉輪輪蓋處會出現低溫區域。CO2透平內壓力的變化較為均勻,在葉輪葉片尾緣,由于壓力面與吸力面流體的匯流,產生擴壓效應使部分的壓力略高。總體來說該透平內溫度和壓力的變化較連續,沒有明顯突變區域。
圖6 設計工況下透平內靜溫 (a) 和靜壓 (b) 分布
噴嘴和葉輪分歧葉高處的靜壓分布如圖7所示。由于噴嘴采用的是直葉片,是以噴嘴內的流動較為均勻,分歧葉高處的靜壓分布基礎分歧,在吸力側0.2流向地位處,由于流動標的目的的轉變,沿流動標的目的的面積增添,出現擴壓段使得壓力稍微降低;在噴嘴尾緣處,由于邊界層的影響出現了壓力波動。葉輪分歧葉高處的壓力分布存在明顯的區別,隨著葉片高度的增添,壓力面和吸力面的壓差總體上是逐漸增添的;而沿著葉片流動標的目的,吸力面與壓力面的壓差逐漸減小,在葉輪進口處存在最年夜的壓力差;除葉片尾緣由于尾流渦形成壓力波動外,其余地位無明顯壓力波動包養感情。
包養圖7 噴嘴 (a) 和葉輪 (b) 分歧葉高處的靜壓分布
二氧化碳儲能系統運行工況的變化,會惹起透平的運行參數偏離設計值。為保證儲能系統的穩定運行,需求對CO2向心透平在非設計工況下的機能進行剖析。CO2向心透平變工況剖析重要包含變進口壓力、變進口溫度和變轉速,此中變進口壓力對于CO2向心透平的質量流量和輸出功率影響較年夜,且向心透平進口壓力重要通過影響質量流量的變化來影響輸出功率。是以本文堅持其他邊界條件不變,改變透平進口壓力,剖析其對該CO2向心透平機能的影響。該CO2向心透平在進口壓力低于1.7 MPa或高于12 MPa時,模擬結果不收斂,且變工況剖析凡是取偏離設計工況±50%的范圍,是以進口壓力的變化范圍取為1.8~4.2 MPa。進口壓力對于透平機能的影響如圖8所示,當進口壓力由1.8 MPa變化到4.2 MPa時,該CO2向心透平的等熵效力先增添后減小,在設計點四周達到最年夜等熵效力83.51%。對于每個向心透平,存在一個最佳的特徵比,當進口壓力變化時,特徵比偏離最佳值,導致透同等熵效力包養網下降。對于CO2向心透平,更關注其在偏離設計工況±20%范圍內的機能變化。該CO2向心透平在偏離設計工況20%(
0.6 MPa)的范圍內,透平的等熵效力高于82%,表白該透平的變工況機能較好。
發佈留言