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當(dāng)前，全球能源模式正在加速變革，隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，電力系統(tǒng)迫切需要先進(jìn)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決可再生能源接入問(wèn)題，以提高電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)的效率、安全性及經(jīng)濟(jì)性。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是目前唯一可對(duì)標(biāo)抽水蓄能的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。

壓縮空氣儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)具有流量大、效率高、壓比高、溫升高、背壓變化大、頻繁啟停等特殊需求，與其他行業(yè)的壓縮機(jī)具有很大不同。2018年開始沈鼓集團(tuán)針對(duì)儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)開展了深入研究，立足于設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主化，突破關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)。并由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)齒輪壓縮機(jī)有限公司為主要牽頭單位完成了該研發(fā)項(xiàng)目的首臺(tái)套樣機(jī)——60MW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組的研制工作，該機(jī)組研制成功后，應(yīng)用于江蘇金壇60MW/300MWh鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電國(guó)家示范項(xiàng)目。

項(xiàng)目整體流程工藝為根據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰需求隨儲(chǔ)隨發(fā)，在用電低谷時(shí)壓縮機(jī)壓縮空氣到一定壓力存儲(chǔ)到儲(chǔ)氣系統(tǒng)當(dāng)中，在用電高峰時(shí)，釋放高壓空氣，與壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱量交換，推動(dòng)膨脹機(jī)發(fā)電，進(jìn)而達(dá)到用電調(diào)峰的作用。因此該套機(jī)組既滿足壓縮機(jī)段間排氣溫度處于高溫狀態(tài)，有利于壓縮熱高效儲(chǔ)存；又需滿足壓縮機(jī)注氣過(guò)程的寬背壓調(diào)節(jié)需求，壓縮機(jī)出口處于高壓狀態(tài)。根據(jù)以上要求，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)齒輪壓縮機(jī)有限公司設(shè)計(jì)了多機(jī)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓力儲(chǔ)能的多軸離心壓縮機(jī)組系統(tǒng)，適用于頻繁啟停工況要求。通過(guò)該機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)工程技術(shù)方案，驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)及裝備制造能力，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效提升以及未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

在儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)過(guò)程中，沈鼓集團(tuán)開發(fā)出儲(chǔ)能系列模型級(jí)并優(yōu)化了機(jī)組氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案，滿足了機(jī)組儲(chǔ)壓、儲(chǔ)熱、高效和調(diào)節(jié)范圍寬的要求。同時(shí)研究機(jī)組抗疲勞設(shè)計(jì)方法及高壓壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算方法，滿足了機(jī)組重復(fù)啟停萬(wàn)次的使用壽命要求。

該項(xiàng)目采用的多軸齒輪增速型離心壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多轉(zhuǎn)速運(yùn)行，每個(gè)葉輪都可以處于最佳效率點(diǎn)，機(jī)組本身具有效率高的優(yōu)點(diǎn)；此外通過(guò)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力性能，根據(jù)系統(tǒng)工作過(guò)程，針對(duì)多級(jí)壓縮、段間冷卻并存儲(chǔ)壓縮熱、儲(chǔ)氣放氣，再熱膨脹釋能等多個(gè)過(guò)程過(guò)別建立其熱力學(xué)計(jì)算模型，同時(shí)建立系統(tǒng)總效率與單元部件關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終通過(guò)多次熱力平衡迭代優(yōu)化和數(shù)值模擬分析，找到壓縮機(jī)最優(yōu)工藝方案，確保系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到60%以上。

由于該壓縮機(jī)啟動(dòng)到儲(chǔ)氣前以及卸載退出儲(chǔ)氣管網(wǎng)停車前的功耗均屬無(wú)用功耗，因此對(duì)壓縮機(jī)啟動(dòng)、加載、卸載停車的時(shí)間的控制是提高電站電電轉(zhuǎn)換效率的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。沈鼓研發(fā)團(tuán)隊(duì)為此構(gòu)建了智能仿真控制系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)充分利用物理、工藝、機(jī)械模型，集成多變量、多數(shù)據(jù)，在虛擬模型中完成整個(gè)空氣儲(chǔ)能裝置的完整映射，從而反映儲(chǔ)能壓縮機(jī)組的全生命周期過(guò)程。并利用該仿真系統(tǒng)技術(shù)對(duì)各過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，解決了多參量之間的耦合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的全自動(dòng)控制，滿足了機(jī)組啟停加載總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)30min的特殊技術(shù)要求。

葉輪作為壓縮機(jī)核心做功部件受到高轉(zhuǎn)速服役下的離心力和氣動(dòng)交變載荷作用力，機(jī)組的高頻次啟停需求，決定了葉輪從室溫到400℃區(qū)間的365次/年的熱機(jī)械疲勞和高溫蠕變性能是材料選擇的必要條件，同時(shí)，中高溫度段服役機(jī)組葉輪數(shù)量多，材質(zhì)硬度高難加工，必須開發(fā)高質(zhì)高效加工工藝。沈鼓研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了適合此特殊應(yīng)用場(chǎng)合的新型葉輪材料，并為此創(chuàng)建了難切削材質(zhì)葉輪適配加工工藝體系，解決了中高溫服役葉輪高質(zhì)高效加工難題。突破了新型材料葉輪加工技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高性能和經(jīng)濟(jì)性。

壓縮空氣儲(chǔ)能電站用壓縮機(jī)的成功研制，解決了壓縮空氣儲(chǔ)能電站核心動(dòng)力設(shè)備開發(fā)的難題，是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要里程碑。對(duì)促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)意義重大，為我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能乃至能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力支撐，助推了我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的國(guó)際領(lǐng)先地位。

目前，沈鼓研發(fā)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)已累計(jì)應(yīng)用到多個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站項(xiàng)目。

2019年，沈鼓集團(tuán)為江蘇金壇60MW/300MWh鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目，提供了壓縮側(cè)系統(tǒng)解決方案，金壇電站是世界首個(gè)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站。自并網(wǎng)以來(lái)，已響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度共完成了560余次儲(chǔ)發(fā)，實(shí)現(xiàn)累積調(diào)峰電量1.9億千瓦時(shí)，推動(dòng)了我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展。

2021年，沈鼓為中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)-烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目提供壓縮側(cè)系統(tǒng)解決方案，該項(xiàng)目在風(fēng)電、光電等用于新能源消納且需要寬范圍調(diào)節(jié)的源側(cè)壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域，具有重要的示范作用和意義。

2023年，沈鼓集團(tuán)為中國(guó)綠發(fā)投資建設(shè)的青海格爾木60MW/600MWh液態(tài)空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目提供優(yōu)異的壓縮側(cè)系統(tǒng)解決方案，建成后將成為液態(tài)空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)電功率世界第一、儲(chǔ)能規(guī)模世界最大的示范項(xiàng)目。

2024年，沈鼓集團(tuán)為江蘇國(guó)信蘇鹽(淮安)2×250MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目提供壓縮側(cè)系統(tǒng)解決方案，該項(xiàng)目采用“三元鹽”和“壓力水”作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 

原標(biāo)題：壓縮空氣儲(chǔ)能電站用離心壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用取得突破