压缩空气储能系统透平负荷控制策略的研究与仿真实现

作者：赵峰 杨明成 郝宁 陈东 刘佳 陈逸伦

单位：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司

引用本文：赵峰, 杨明成, 郝宁, 等. 压缩空气储能系统透平负荷控制策略的研究与仿真实现[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(9): 3500-3508.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0367

本文亮点：（1）基于流体网络法和多学科仿真平台进行了10MW/110MWh非补燃式压缩空气储能系统透平仿真建模，与设计值相比，所建立了在变工况下系统模型关键参数误差小于1%，并且能够反应系统动态特性。（2）针对基于节流+补气配气方式的空气透平负荷控制策略，考虑到在全滑压范围内透平负荷稳定输出和系统气耗率，对比分析了透平负荷调节的分程控制和补气压力控制两种策略，相较于补气压力控制策略，应优先采用分程控制策略。

摘 要 针对压缩空气储能系统中空气透平面临的变工况调节问题，本工作对采用节流+补气配气方式的空气透平进行了变工况分析，对比了透平负荷调节的分程控制和补气压力控制两种策略。首先建立了某10 MW/110 MWh压缩空气储能系统全工况动态仿真模型，通过多学科仿真建模技术实现了热力系统动态特性与控制系统的统一平台实时求解，得到了透平变工况动态特性，进一步验证了不同透平负荷控制策略的调节效果。仿真实验结果表明：考虑到在全滑压范围内透平负荷稳定输出和系统气耗率因素，分程控制策略性能更优，当节流阀未达到全开时，应进一步增加节流阀开度至最大，在额定进气参数下，分程控制策略可降低0.35%气耗率。

关键词 透平负荷；分程控制；补气压力控制；多学科仿真；节流+补气；压缩空气储能

压缩空气储能是一种大容量、长时储能技术，它在储能阶段通过压缩机对空气进行压缩，并将高压空气输送至储气库中；在释能阶段放出储气库内高压空气，加热空气至一定温度后，将其输送至透平以驱动发电机发电。压缩空气储能具有能量密度高、寿命长、成本低等优点，在电力系统中具有广阔的应用前景。

压缩空气储能系统的空气透平配气方式有喷嘴配气和全周进气2种，其中全周进气的调节模式有全节流调节、全补气调节、节流+补气调节3种。由于高压空气一般存储在固定容积的储气库中，为了充分利用储气库空间，压缩空气储能系统通常设计为大范围滑压运行的方式。在释能阶段，随着透平的运行，储气库的压力会逐渐降低，导致单位质量工质的膨胀做功能力下降，而透平通常是定通流设计，为了保证机组在全滑压范围内均能实现额定出力，需要增加更多的工质流量以稳定功率输出。考虑到全运行工况下各段通流的压比变化，为了保证各缸效率，特别是高压缸的通流效率一直处于较高的水平，使得平均气耗率最低，透平一般采用全周进气节流+补气调节的方式。目前我国在建及投运工程的压缩空气储能系统的透平配气方式见表1。

表1   我国现有压缩空气储能项目透平配气方式

近年来，学者围绕透平配气方式选择、补气点压力优化等对系统气耗率的影响展开研究。Han等考虑了膨胀过程压力调控的不同模式，对比了定压-定压、定压-滑压、滑压-滑压运行模式下的释能特性，结果表明，系统效率在定压-定压运行模式下最小，在滑压-滑压运行模式下最大。Adams等以周期内收益最高为目标，分析了传统压缩空气储能系统的变工况运行策略，优化了压缩机及透平流量。郭欢等对比定压和滑压运行策略对TS-CAES系统变工况特性的影响，滑压运行相比定压运行可使系统效率提高2.08%。孙晓霞等开展了压缩空气储能系统不同运行模式特性的研究，得出在释能过程采取定压和滑压结合模式和扩大储气室压力变化范围可以提高TS-CAES系统效率和能量密度的结论。对于全周进气加补气阀的进气调节方式，王娟丽等对比1段补气、2段补气对经济性的影响，得出1段补气方案的补气点压力越大，平均气耗越小，2段补气方案可在平均气耗相对较低的情况下有效解决单个补气阀门补气量大的问题的结论；赫广迅等通过核算滑压范围内各个补气阀开启点压力对应的单位质量发电量，从而确定最佳的补气阀开启点，此时发电效率与纯补气方案相比提高了2.7%，与纯节流方案相比提高了12.6%。

在压缩空气储能释能过程仿真和控制策略研究方面，陈辉等建立了CAES释能过程的动态仿真模型，对启动过程、准同期并网过程、变工况过程进行仿真，分析了多种工况下运行参数及效率的变化规律。Guo等针对CAES系统的释能过程，分析了节流减压与喷射器减压对系统性能的影响，结果表明：采用喷射器后的储能效率提高了3.41%。李阳海等搭建了全工艺流程的300 MW级压缩空气储能系统，分析了空气透平在入口压力大幅变化情况下的运行特性和调节过程，并分析了透平入口温度对机组功率的影响和限制。但基于节流+补气调节方式的空气透平的负荷控制策略研究较少，尤其是在全滑压范围内透平负荷稳定输出与节流阀+多段补气阀流量分配方面的研究基本空白。针对以上问题，本工作以某压缩空气储能电站为例，通过伯努利多学科仿真MSP平台建立10 MW/110 MWh非补燃式压缩空气储能全工艺流程仿真系统，进行释能阶段透平模型与动态运行特性研究，分析透平在不同进气参数下节流阀与补气阀的流量分配关系，提出采用分程控制的方式实现透平负荷控制方法，为大容量空气透平的高效运行和有效调节提供数据支撑和科学依据。

1 控制策略设计

根据透平的运行特性，本工作针对分程控制策略及补气压力控制策略，在变工况条件下对比2种透平负荷控制方法。

1.1透平运行特性

透平控制原理是指通过控制节流阀和补气阀的开度来改变进气参数，最终实现机组的转速或负荷能力。控制方式主要包括转速闭环控制、阀位开环控制、功率闭环控制和保护控制。

本工作透平共设计3级膨胀透平并采用二次再热方式，分别由高压缸、中压缸和双流低压缸组成，全周进气+2路补气的配气方式确保在整个滑压运行过程中的高效率。透平额定功率为10 MW，设计进口温度为185 ℃，滑压范围为10.85~5.74 MPa。膨胀发电侧工艺系统如图1所示。透平在额定设计参数下运行阶段如下：

图1   膨胀发电侧工艺系统

（1）节流运行阶段：在进气10.85~8.0 MPa时采用节流运行方式来保证透平发出额定功率。

（2）1段补气运行阶段：在进气8.0~6.9 MPa时节流阀全开，通过1段补气阀来增加透平的总进气量，以保证透平发出额定功率。

（3）2段补气运行阶段：在进气6.9~5.74 MPa时，全开节流阀和1段补气阀，通过2段补气阀来增加透平的总进气量，以保证透平发出额定功率。

1.2分程控制策略

1.2.1 分程控制策略概述

分程控制是一种常见的工业控制策略，其核心思想是将一个控制器的输出信号分成多个区间，每个区间对应一个特定的控制阀或执行器。在压缩空气储能系统中，为了实现全范围滑压阶段透平负荷的稳定输出，采用分程控制将进气流量按顺序分配给透平节流阀和补气阀。基于分程控制的透平控制原理如图2所示。

图2   基于分程控制的透平控制原理

选择节流阀同向动作的分程控制系统进行设计，同向调节常用于扩大流量管路阀门可调范围及提高控制质量的应用，当调节器输出增大时各节流阀开度增大，当调节器输出减小时各节流阀开度减小。分程控制系统包含控制器输出、节流阀流量、1段补气阀流量、2段补气阀流量，共设置1/m₁和1/m₂两个分程点，具体如图3所示。

图3   分程控制原理

1.2.2 分程点的计算

分程点的确定是分程控制系统设计中的关键环节，其目的是确保在不同控制区间内，整个系统的流量特性曲线平滑且连续以避免流量突变，其主要与阀门的口径和流通能力有关。根据项目情况，透平节流阀、1段补气阀、2段补气阀为近似线性流量特性的阀门，其阀门流通能力与阀门开度的计算公式为：

(1)

式中，C为阀门流量系数；k为常数；l为阀门开度，取值为0~1；C₀为阀门最小可控流量。

根据线性可叠加原则，并联后管路的最大总流量为3个阀门的最大流量相加，最小总流量为单个阀门的最小可调节流量。其管路总流量定义如下：

(2)

式中，C(x)为总管路阀门流量系数，C_A为节流阀的流量函数，C_B为1段补气阀的流量函数，C_C为2段补气阀的流量函数；x为0~1之间的变量，对应管路总流量的0~100%；C_A(1)为节流阀的最大流量，C_B(1)为1段补气阀的最大流量；1/m₁为线性流量系统1段补气阀的分程点，1/m₂为线性流量系统2段补气阀的分程点。

为求取分程点，令式(2)中的函数C(x)在1/m₁和1/m₂处的左右导数相等，则有如下：

(3)

(4)

根据式(2)可得节流阀、1段补气阀、2段补气阀的流量函数如下：

(5)

(6)

(7)

式中，R为阀门可调比，C_A,max为节流阀最大流量，C_B,max为1段补气阀最大流量，C_C,max为2段补气阀最大流量。

对式(5)~式(7)函数进行求导，可得：

(8)

(9)

(10)

联合式(3)、式(4)、式(8)~式(10)可得分程点具体数据如下：

(11)

(12)

根据本工作示例工程项目的系统设计参数，所有阀门可调比R均为50，节流阀设计最大流量C_A,max为183.219，1段补气阀设计最大流量C_B,max为17.6217，2段补气阀设计最大流量C_C,max为31.3923，代入式(11)、式(12)中计算可得分程点1/m₁数值为78.89%，分程点1/m₂数值为86.42%。

1.3补气压力控制策略

根据透平的配气方式，其补气压力点是以系统运行最小气耗率选取的，补气压力点的变化与透平功率、透平进气温度、储气库压力参数有关。系统运行时，透平功率由节流阀控制，补气阀开度由补气压力进行控制。基于补气压力控制的透平控制原理如图4所示。

图4   基于补气压力控制的透平控制原理

其中，补气阀开度指令控制函数如下：

(13)

(14)

式中，x为透平进气压力，单位MPa；P₁为透平1段补气压力点，单位MPa；P₂为透平2段补气压力点，单位MPa；P_min为透平设计最低运行压力点，单位MPa；f₁(x)为1段补气阀门开度指令，量程0~100；f₂(x)为2段补气阀门开度指令，量程0~100。

2 热力系统模型

本工作通过构建压缩空气储能系统动态仿真工艺模型和控制模型，分析释能阶段非稳态工况中透平系统的调节特性，对透平控制策略进行全面测试和验证。

2.1系统建模

释能过程工艺主要包括透平发电、储热换热、储气库等多个系统。工艺仿真模型采用节点网络法求解描述系统运行的数学模型，主要设备包括调节阀、管道、换热器、透平、气库(容积节点)等，以下重点对透平模型进行描述。

空气透平的特性通过膨胀比、效率与流量转速的关系描述，方程如下：

(15)

(16)

式中，π_T为空气透平膨胀比；T_in为进口温度；P_in和P_out为透平进出口压力，kPa；G_in为透平的流量；η_T为透平效率；n_T为透平转速，r/min。

引入折合参数，则有：

(17)

(18)

式中，为透平的折合流量，为透平的折合转速。

透平进口焓值h_in和熵函数S_in用式(19)和式(20)表示：

(19)

(20)

理想情况下，膨胀过程为等熵膨胀，出口参数通过式(21)~式(23)计算：

(21)

(22)

(23)

式中，下标s表示等熵膨胀过程参数；P_out为出口压力。根据实际膨胀过程出口焓与效率的关系，可进一步求出实际压缩膨胀出口焓h_out和出口温度T_out。

(24)

(25)

式中，η_T为等熵效率。

透平的实际发电功率P_t为：

(26)

式中，η_em为发电机效率。

2.2模型校验

为了保证透平控制策略验证的准确性，对系统关键设备模型进行精度校验，表2表明在变工况下系统模型关键参数仿真值与设计值的误差小于1%，保证了动态仿真过程数据的连续性。

表2   系统模型关键参数仿真精度

3 动态仿真与验证

动态仿真技术在压缩空气储能中的应用已成为研究和工程实践的重要工具，动态仿真技术可用于展现系统动态过程，尤其适用于变工况过程中系统主要参数的动态特性求解。

3.1试验设计

为了更好地契合现实工程的应用场景，压缩空气储能系统在实际运行过程中会面临以下问题：

（1）透平以额定功率运行至补气压力点时，节流阀未全开，还具备调节余量，具体原因如下：

(a)在夏季运行，透平进气温度高于额定设计参数；

(b)节流阀在选型上考虑余量导致其CV值(流量系数)偏大；

(c)透平实际运行效率比设计值偏高。

（2）在冬季运行或换热器效率下降时，透平进气温度低于额定设计参数。

3.2结果分析

为了分析不同工况下透平负荷不同控制策略的特点和对系统的影响，设定透平以额定功率目标运行，储气库滑压范围值为10.85~5.74 MPa，对透平负荷控制策略进行动态仿真验证。其中工况1~工况6为透平节流阀CV值在额定设计参数下的工况，工况7、工况8为透平节流阀CV值大于额定设计参数下的工况，具体见表3。

表3   不同工况下透平负荷控制试验结果

透平负荷采用不同控制策略的进气流量、透平发电功率、储气库压力、节流阀开度、1段补气阀开度、2段补气阀开度的仿真动态参数如图5~图9所示。

图5   不同工况下透平进气流量动态图

图6   不同工况下透平发电功率动态图

图7   不同工况下储气库压力动态图

图8   不同工况下节流阀开度动态图

图9   不同工况下1段补气阀开度动态图

透平负荷采用不同控制策略的系统释能时长、平均发电功率、平均耗气量、气耗率如表3所示。

（1）在额定设计参数下，由图5~图10可得，随着释能运行透平进气压力逐渐降低，节流阀逐渐开大；当储气库压力降至8.0 MPa时，节流阀全开，此后1段补气阀逐渐打开以保证透平保持额定发电功率；当储气库压力降低到6.9 MPa时，节流阀和1段补气阀全开，此后2段补气阀逐渐打开以保证透平保持额定发电功率，最终储气库压力降低至5.74 MPa时，2段补气阀处于全开状态，此时整个释能过程结束。

图10   不同工况下2段补气阀开度动态图

（2）根据图5~图10，并结合表3可得，透平在额定功率下，采用节流+补气调节方式的空气透平气耗率随着透平进口温度升高而降低，透平负荷采用分程控制相较于补气压力控制，气耗率更低。

(a)由图5可得，透平进气流量随着进口温度的升高而减小，处于分程控制和补气压力控制策略下的透平进气流量在补气阀未开之前保持一致；当补气阀打开后，进气流量随着进气压力的降低而逐渐增大；在相同进气温度下，采用分程控制策略的透平进气流量相较于补气压力控制策略更小。

(b)由图6可得，处于分程控制和补气压力控制策略下的透平负荷在补气阀未开之前保持一致；当补气阀打开后，在相同进气温度下，采用分程控制策略的透平负荷相较于补气压力控制策略更平稳。

(c)由图8可得，当补气阀打开后，处于补气压力控制策略下的透平负荷由调节阀和补气阀两个控制回路独立控制并且存在耦合关系，补气阀仅受补气压力控制，当补气阀调节时会导致调节阀处于振荡调节状态。

(d)在额定设计参数下，由表3可得，应优先采用分程控制策略。其相较于补气压力控制策略可降低0.22%气耗率。

(e)在额定设计参数下，当透平进气节流阀CV值选型偏大时，储气库压力降至补气压力点时，节流阀未全开，还具有调节能力，由表3可得，应优先采用分程控制策略，继续打开节流阀进行负荷调节，相较于补气压力控制策略可降低0.35%气耗率。

(f)当透平进气温度高于额定设计参数时，储气库压力降至补气压力点时，节流阀未全开，还具有调节能力，由表3可得，应优先采用分程控制策略，继续打开节流阀进行负荷调节，相较于补气压力控制策略可降低0.43%气耗率。

(g)当透平进气温度低于额定设计参数时，储气库压力还未降至补气压力点时，节流阀已全开，补气压力控制策略此时无法调节透平功率导致透平功率持续下降。由表3可得，应优先采用分程控制策略，其相较于补气压力控制策略可降低0.02%气耗率。

4 结 论

（1）本研究基于流体网络法和多学科仿真平台进行了10 MW/110 MWh非补燃式压缩空气储能系统透平仿真建模，对比分析了透平负荷调节的分程控制和补气压力控制两种策略，与设计值相比，所建立的系统模型在变工况下的关键参数误差小于1%，并且能够反映系统动态特性。

（2）当透平进气参数发生变化使系统压力降低至补气压力点时，若节流阀未全开且还具有调节能力，此时应继续打开节流阀进行负荷调节，相较于打开补气阀进行负荷调节的方式可降低系统气耗率。

（3）针对基于节流+补气配气方式的空气透平负荷控制策略，考虑到在全滑压范围内透平负荷稳定输出和系统气耗率，相较于补气压力控制策略，应优先采用分程控制策略。

第一作者：赵峰（1974—），男，硕士，高级工程师，从事长时物理储能的系统设计、集成及产业应用等方向研究；

通讯作者：杨明成，工程师，研究方向为压缩空气储能系统仿真与控制。