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摘 要 針對壓縮空氣儲能系統(tǒng)恒壓運行會存在較大的壓力損失，提出了一種新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)，采用兩級噴射器引射膨脹機做功后的乏氣，回收部分壓力能的同時增加膨脹機進氣流量，從而提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。建立新系統(tǒng)熱力學模型，與相同運行參數(shù)下傳統(tǒng)系統(tǒng)進行性能對比，并深入探究兩級噴射器工作流體壓力、引射流體壓力以及中間壓力對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。研究結果表明，當工作流體壓力、引射流體壓力以及中間壓力升高時，系統(tǒng)全周期循環(huán)效率均呈近似拋物線變化趨勢，進一步得到噴射器最佳工作參數(shù)；在最佳工況下，系統(tǒng)全周期循環(huán)效率為63.32%，與傳統(tǒng)節(jié)流降壓方式循環(huán)效率為62.41%相比，提升了0.91%。研究為噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)減少節(jié)流損失、提高性能提供了理論依據(jù)。
關鍵詞 壓縮空氣儲能；兩級噴射器；恒壓運行；循環(huán)效率
在雙碳背景下，充分利用可再生能源已成為許多國家能源政策的重要部分。隨著風能、太陽能等可再生能源在能源結構占比的提升，其存在的間歇性、不穩(wěn)定性等問題對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)也隨之提升，因此需要構建新型電力系統(tǒng)以應對高比例可再生能源并網(wǎng)。儲能在新型電力系統(tǒng)建設中扮演著重要的角色，在支撐新能源友好并網(wǎng)、提升新能源就地消納能力及電網(wǎng)調峰調頻等應用場景具有應用前景。
壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)技術具有效率高、容量大、壽命長、成本相對低廉、安全性高、對環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種適合在新型電力系統(tǒng)背景下應用的新型儲能技術。CAES系統(tǒng)儲氣裝置的容積恒定，釋能過程儲氣壓力下降會影響電能輸出功率，同時，電網(wǎng)對壓縮空氣儲能系統(tǒng)也存在變負荷調度的需求，這些都會導致CAES系統(tǒng)變工況運行。目前，大多數(shù)CAES系統(tǒng)采用節(jié)流閥節(jié)流降壓的方式穩(wěn)定膨脹機進氣壓力來穩(wěn)定膨脹機輸出功率，即恒壓運行方式。CAES系統(tǒng)采用節(jié)流閥進行調壓可以使得膨脹機組在接近設計工況下運行，能夠保證額定的輸出功率，但是存在較大的節(jié)流損失，從而降低系統(tǒng)效率。
為了減少節(jié)流閥帶來的節(jié)流損失，學者們提出一些創(chuàng)新系統(tǒng)以及優(yōu)化措施，包括耦合抽水蓄能，變容量儲氣室、噴嘴配氣以及變頻壓縮機替代節(jié)流閥等方面。學者們提出抽水恒壓壓縮空氣儲能，其兼具抽水蓄能和CAES的優(yōu)點，能夠利用水泵向儲氣室內充水以維持壓力恒定；還有學者們提出了水下壓縮空氣儲能(UW-CAES)，其采用柔性儲氣袋或者下部開口的圓柱形儲氣罐進行儲氣，利用深海海水的靜壓實現(xiàn)定壓運行，不僅提高膨脹機組運行效率，還可以增加系統(tǒng)儲能密度；劉嘉豪等將噴嘴配氣方式引入CAES向心式膨脹機中，減少被節(jié)流氣體的流量，總效率最大可提升9.4%；李揚等利用閥門與減壓容器結合形成壓力控制單元適應儲氣室壓力變化，與節(jié)流減壓相比，儲能效率提高了0.24%，儲能密度提高了0.04 MJ/m3；學者們利用變頻壓縮機代替節(jié)流閥提高膨脹機組空氣入口壓力。
以上改造儲氣室、采用柔性儲氣袋以及取代節(jié)流閥進行壓力調控等措施在一定程度上提高了系統(tǒng)效率，但是由于水下壓縮空氣儲能操作難度大，后期維護成本高，目前難以實現(xiàn)。此外，噴嘴配氣結構各噴嘴進氣狀態(tài)不同會導致膨脹機內部流動不穩(wěn)定，調控難度較大；變頻壓縮機替代節(jié)流閥進行調壓工作時，會同時消耗電能，效果仍需進一步驗證。噴射器不需要消耗電能或者機械能，而是采用高壓流體引射低壓流體，形成中壓的混合流體，其不僅可以穩(wěn)定膨脹機進氣壓力，同時增加了中壓流體的流量，進而提升系統(tǒng)性能。因此，耦合噴射器進行壓力回收，以此來減少節(jié)流損失的壓縮空氣儲能系統(tǒng)獲得廣泛關注。
在壓縮空氣儲能領域，Ahrens等提出將噴射器與多個儲氣室組合進行調壓，減少節(jié)流損失，降低儲能過程中壓縮空氣的成本，提高了系統(tǒng)性能和儲能密度；Guo等提出利用噴射器引射膨脹機排氣，增加膨脹機進氣流量，將一個階段內的系統(tǒng)效率由61.95%提升至65.36%。文賢馗等對含射氣抽氣器配氣機構的壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行詳細研究，深入研究其最佳工作參數(shù)，工作流體壓力和低壓氣源對釋能功率的影響。目前，噴射器與CAES相結合的研究較多采用單個噴射器，CAES系統(tǒng)耦合多個噴射器或者采用噴射器組的研究報道較少。
因此，本文提出一種新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)(ejector augmented adiabatic compressed air energy storage，EAA-CAES)，利用兩級噴射器與節(jié)流閥組成節(jié)流裝置（替代傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的節(jié)流閥）對儲氣室高壓氣體的壓力能進行梯級利用，保障恒壓運行的同時回收部分因節(jié)流而損失的壓力能；基于絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(A-CAES)，建立了EAA-CAES熱力學模型，深入研究兩級噴射器工作流體壓力、引射流體壓力以及中間壓力對全周期系統(tǒng)性能的影響，并與使用傳統(tǒng)節(jié)流降壓的A-CAES系統(tǒng)對比，揭示兩級噴射器工作狀態(tài)對CAES系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。
1 系統(tǒng)介紹及熱力學模型
1.1 新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)
新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)如圖1所示。在EAA-CAES系統(tǒng)儲能階段，系統(tǒng)通過電網(wǎng)電能或者可再生能源發(fā)電帶動多級壓縮機組C1、C2、C3工作，空氣經(jīng)多級壓縮升溫升壓，并依次與多級換熱器HE1、HE2、HE3換熱，將熱量傳遞給蓄熱工質，壓縮熱存儲在熱罐中，經(jīng)熱回收后的高壓低溫空氣存儲在儲氣室中。釋能過程分為兩個階段，第一階段，當儲氣室壓力較高時，高壓空氣從儲氣室釋放，通過節(jié)流閥V2、V3、V4和兩級噴射器E1、E2組成的節(jié)流裝置進行降壓和節(jié)流損失回收，并且與中間換熱器HE4、HE5、HE6換熱，吸收來自蓄熱工質的熱量，提升進氣溫度，恒壓進入到膨脹機組T1、T2、T3對外輸出功；第二階段，隨著儲氣室壓力減小，低于兩級噴射器的工作流體壓力，采用單個節(jié)流閥V5進行調節(jié)壓力，保障膨脹機組恒壓運行，同時通過中間換熱器HE4、HE5、HE6換熱提升進氣溫度，保障輸出功。
圖1 新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理
兩級噴射器與節(jié)流閥組成的節(jié)流裝置工作原理：儲氣室的高壓空氣分為兩股氣體，一股高壓氣體經(jīng)V3節(jié)流降壓至工作流體壓力p11進入到E1，抽取T1、T2、T3其中一股做功乏氣作為E1的引射流體，經(jīng)E1引射升壓達到中間壓力p12，作為E2的引射流體，而高壓空氣的另外一股氣體經(jīng)V2節(jié)流降壓至E2的工作流體壓力p10，通過E2引射E1的出口流體，再次升壓達到膨脹機進氣壓力p13，實現(xiàn)釋能過程的恒壓運行。
1.2 熱力學模型
本文對EAA-CAES進行熱力學分析，并基于如下假設進行了模型簡化[17]：①空氣為理想氣體；②忽略空氣在管道以及部件連接處的壓力損失；③儲能、釋能過程屬于穩(wěn)態(tài)過程；④漏氣損失和散熱損失忽略不計；⑤熱罐溫度和儲氣室溫度恒定；⑥節(jié)流前后為等焓過程，壓縮機和透平膨脹機運行過程均為等熵過程。
（1）壓縮機
將空氣壓縮過程看作絕熱過程，計算壓縮機出口溫度、壓力和消耗功率等參數(shù)。EAA-CAES有n級壓縮機，第i級壓縮機出口工質的溫度TCi,out為：
第i級壓縮機出口工質的壓力pCi,out為：
第i級壓縮機的消耗功率PCi為：
壓縮機機組總消耗功率PC,tot為：
（2）儲氣室
儲氣室的運行壓力范圍和體積共同影響著系統(tǒng)的儲能過程充氣時間以及釋能過程中放氣時間[18]，不考慮系統(tǒng)運行過程中儲氣室工質溫度變化，采用恒容絕熱模型，根據(jù)儲氣室內空氣的質量守恒可以得到儲能過程的充氣時間tcha為：
釋能第一階段將儲氣室釋放的高壓空氣壓力節(jié)流降壓至噴射器工作流體壓力p10、p11，為了簡化計算，本文系統(tǒng)中的兩級噴射器工作流體壓力相同(p10=p11)，因此釋能過程第一階段的放氣時間tdis1為：
釋能過程第二階段的放氣時間tdis2為：
系統(tǒng)釋能過程的總放氣時間tdis,tot為：
（3）噴射器
超音速噴射器模型是基于雙壅塞現(xiàn)象和流動過程[19]，假設工作流體和引射流體在等面積段(y截面到m截面)進行混合，在s截面處，產(chǎn)生激波，速度快速下降，壓力快速上升；在擴壓室的入口3處，混合流體的壓力得到進一步的提升。噴射器的結構如圖2所示。
圖2 噴射器的結構
為了簡化模型的推導，對噴射器的內部流動過程和流體做如下的假設：①噴射器內部流體為理想氣體，其比定壓熱容和氣體絕熱指數(shù)為定值；②噴射器內部流動為一維穩(wěn)態(tài)過程；③噴射器工作流體和引射流體在混合室中等壓混合，并在y截面處兩股開始混合；④噴射器內壁面絕熱。此外，考慮到噴射器內部流動存在流體壓縮、膨脹以及壁面摩擦等不可逆損失，引入等熵效率去衡量各個流動過程的能量損失。
工作流體流經(jīng)拉法爾噴嘴的過程是壓力勢能轉化為動能的過程，工作流體經(jīng)過噴嘴等熵效率為0.98，工作流體質量流量mp可以用氣體動力學方程表示為：
通過噴嘴射流出的工作流體和引射流體在接受室進行混合，兩股氣流從y截面處開始混合，然后在s截面發(fā)生沖擊，壓力急劇上升。引射流體等熵效率、混合動量損失效率分別取為0.95、0.91。
因此，動量守恒方程可以推導為：
同理，能量守恒方程可以推導為：
在擴壓室，混合流體在流動的過程中，動能逐漸轉化為壓力勢能，擴壓段等熵效率為0.95。因此，擴壓室的入口3處馬赫數(shù)M3和噴射器出口壓力pc的之間的關系為：
（4）膨脹機
高壓空氣通過膨脹機組對外做功，膨脹過程可看作絕熱過程。EAA-CAES系統(tǒng)釋能過程有m級膨脹機，第i級膨脹機出口工質的溫度TTi,out為：
第i級膨脹機出口工質的壓力pTi,out為：
第i級膨脹機的輸出功率PTi為：
釋能過程分為兩個階段，第j階段的膨脹機組總輸出功率PT,j為：
1.3 評價指標
（1）噴射器評價指標
單個噴射器的性能評價指標主要有引射系數(shù)、壓縮比等。引射系數(shù)μ是指引射流體質量流量ms與工作流體質量流量mp之比，主要是對噴射器引射能力的評估。
壓縮比Rc是指噴射器出口混合流體的靜壓力pc與引射流體的靜壓力ps之比。E1和E2的壓縮比分別用Rc,1、Rc,2表示。
在兩級噴射器串聯(lián)的系統(tǒng)[20-21]中，總引射系數(shù)μtot可以由兩個噴射器的引射系數(shù)μ1、μ2表示，具體表示為：
系統(tǒng)總壓縮比Rc,tot可以由E2的混合流體壓力pc,2與E1的引射流體壓力ps,1表示，具體表示為：
定義系統(tǒng)兩個噴射器的壓縮比Rc,2、Rc,1之比為總壓縮比Rc,tot的分配度，用β表示。
（2）系統(tǒng)性能評價指標
在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，通常用系統(tǒng)循環(huán)效率來衡量系統(tǒng)的性能。在壓縮機輸入功率、膨脹機輸出功率一定的條件下，無外部熱源的輸入，EAA-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率定義為系統(tǒng)單次運行釋能過程第一階段輸出電量ET,1和第二階段的輸出電量之和ET,2與儲能過程的消耗電量EC的比值。
系統(tǒng)全周期循環(huán)效率ηRTE為：
2 實例分析
根據(jù)相關文獻[16,22-25]，EAA-CAES和A-CAES采用相同系統(tǒng)配置，建立10 MW級CAES熱力學計算模型。系統(tǒng)設計參數(shù)見表1。
表1 A-CAES系統(tǒng)的設計參數(shù)
EAA-CAES和A-CAES模型均借助EES(engineering equation solver)軟件編寫程序對系統(tǒng)進行熱力學分析，各狀態(tài)點空氣比熱容等熱力學參數(shù)可以調用REFPROP軟件獲得。A-CAES單次運行儲能過程和釋能過程運行參數(shù)和系統(tǒng)性能指標計算結果見表2。
表2 A-CAES單次運行儲能過程和釋能過程的運行參數(shù)
根據(jù)表2的計算結果可得，A-CAES在膨脹機進氣壓力為3.9 MPa的恒壓運行工況下，儲能過程消耗電量為84.76 MWh，釋能過程輸出電量為52.89 MWh，因此系統(tǒng)循環(huán)效率為62.41%。
3 噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)性能分析
EAA-CAES模型是建立在A-CAES熱力學模型基礎上，是對A-CAES的優(yōu)化改進。在EAA-CAES系統(tǒng)中，儲能過程消耗電量EC、釋能過程第二階段膨脹機組總輸出功率PT,2與A-CAES系統(tǒng)相關參數(shù)相同，因此系統(tǒng)全周期循環(huán)效率ηRTE主要受到釋能過程各個階段輸出電量ET,1、ET,2的影響。根據(jù)式(22)可知，tdis1、tdis2是一個重要因素，決定釋能過程各個階段的工作時間，其與噴射器工作流體壓力pp密切相關；其次，抽氣量ms,1對PT,1的影響較大，其與μtot有直接關聯(lián)；最后，膨脹機進氣流體與抽氣流體之間的壓力之比Rc,tot，即抽氣流體重新進入膨脹機做功的膨脹比，同樣影響到PT,1，其與E1引射流體壓力ps,1密切相關。tdis1、tdis2、ms,1、Rc,tot這些因素共同調節(jié)系統(tǒng)性能，因此合理設計噴射器工作參數(shù)是確保系統(tǒng)高效運行的關鍵。下文將分析pp、ps,1(抽氣位置及流體壓力)以及兩級噴射器中間壓力pc,1對系統(tǒng)性能的影響，總結系統(tǒng)性能隨噴射器工作參數(shù)的變化規(guī)律，以此來確定系統(tǒng)在恒壓運行下兩級噴射器的最佳工作參數(shù)。
3.1 工作流體壓力對系統(tǒng)性能的影響
當釋能過程儲氣室初始壓力為10 MPa、膨脹機進氣壓力為3.9 MPa時，pp在5～9 MPa之間變化，可以在這一范圍內選擇適合條件的工作流體壓力，以此來實現(xiàn)最佳釋能的效果。EAA-CAES系統(tǒng)的釋能過程各個階段放氣時間隨噴射器工作流體壓力變化的規(guī)律如圖3所示。從圖3中可知，隨著pp的增加，tdis1呈現(xiàn)減少的趨勢，而tdis2隨之增加；在這一變化過程中，儲氣室高壓氣體放氣流量保持不變，因此tdis,tot維持定值為19042 s。
圖3 EAA-CAES系統(tǒng)釋能過程各個階段放氣時間變化規(guī)律
圖4(a)、(b)展示了pp的變化對噴射器引射系數(shù)以及系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，圖4(a)為T1抽氣，ps,1=2.45 MPa、pc,1=3.19 MPa；圖4(b)為T2抽氣，ps,1=0.756 MPa、pc,1=2.19 MPa。圖5為系統(tǒng)循環(huán)效率隨工作流體壓力的變化規(guī)律。根據(jù)圖4(a)、(b)可以看出，μtot以及ET,2均隨pp的增加呈上升趨勢，這是因為隨著pp的增加，PT,2保持不變，tdis2呈現(xiàn)增加的趨勢。但是ET,1卻隨pp的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢，這表明在ps,1、pc,1恒定的情況下，增加pp雖然有助于提高兩級噴射器的引射能力，抽取更多的膨脹機做功乏氣，重新進入到膨脹機進行做功，增加膨脹機組輸出功率PT,1，但是tdis1隨pp的增加而減少，釋能過程工作時間成為主導因素，因此ET,1隨之減少。
圖4 噴射器引射系數(shù)和系統(tǒng)輸出電量隨pp的變化規(guī)律
圖5 系統(tǒng)循環(huán)效率隨ps,1的變化規(guī)律
在圖5中，T1抽氣、T2抽氣對應著的ηRTE均隨pp的增加呈先增長后減少的趨勢，這是因為ET,1隨pp的增加而減少，而ET,2隨之增加，因此存在一個最佳pp，使得系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。在特定的ps,1下和可選的pp范圍中，T1、T2抽氣時ηRTE可達最佳值分別為63.31%、62.54%，與相同運行參數(shù)的A-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率62.41%相比，系統(tǒng)循環(huán)效率分別提升了0.90%、0.13%。此外，當pp相同時，明顯可見T1抽氣時的ηRTE均高于T2抽氣對應的ηRTE。
綜合圖3～圖5來看，在恒壓運行工況下，tdis1、ET,1與pp呈負相關，μtot、tdis2以及ET,2與之呈正相關，因此ηRTE隨pp的增長呈現(xiàn)出近似拋物線變化趨勢，因此存在最佳ηRTE對應著最佳的pp。最佳pp的確定要綜合考慮tdis1和μtot的變化，既需要實現(xiàn)較長的tdis1，又要確保ms,1足夠大。在T2抽氣的情況下，當pp為5 MPa、6 MPa時，μtot較小，接近于0；在這種情況下，兩級噴射器幾乎沒有引射能力，從而導致EAA-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率低于A-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率；甚至在考慮T3抽氣時，無論如何調整pp，膨脹機進氣始終達不到恒壓運行的壓力值，因此EAA-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率始終低于A-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率。因此，最佳pp應位于可選pp范圍(能夠提升系統(tǒng)性能)的中間值，而且ps,1的最佳抽氣位置為T1抽氣，但是ps,1對系統(tǒng)性能的確切影響還需要進一步深入的分析。
3.2 引射流體壓力對系統(tǒng)性能的影響
在pp=7 MPa、pc,1=3.5 MPa以及T1抽氣的前提下，系統(tǒng)釋能過程各個階段的放氣時間維持穩(wěn)定，以探究ps,1對系統(tǒng)性能的影響。圖6詳細展示了ps,1的變化對噴射器引射系數(shù)、系統(tǒng)輸出電量以及循環(huán)效率的影響。在圖6中，隨著ps,1的增加，μtot呈上升趨勢，而ET,2保持不變；與此同時，ET,1和ηRTE呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。這表明隨著ps,1的升高，兩級噴射器的引射能力增強，ms,1增加，同時增加了膨脹機進氣流量，進而提高膨脹機組輸出功率PT,1；然而隨著ps,1進一步提升，抽氣位置逐漸靠近膨脹機進氣位置，導致Rc,tot降低，對外輸出功率受限，從而ET,1呈現(xiàn)先增后減的趨勢。但是，ET,2隨ps,1的增加而保持不變，因此ηRTE隨之呈現(xiàn)出近似拋物線變化，存在最佳ps,1使得系統(tǒng)性能最佳。這一現(xiàn)象說明，給定pp、pc,1，在確定最佳ps,1時，需要平衡μtot的提升和Rc,tot的減少對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，以實現(xiàn)ηRTE的最優(yōu)化。
圖6 噴射器引射系數(shù)、系統(tǒng)輸出電量以及循環(huán)效率隨ps,1的變化規(guī)律
3.3 噴射器中間壓力對系統(tǒng)性能的影響
在保持pp=7 MPa和ps,1=2 MPa的前提下，tdis1和Rc,tot維持穩(wěn)定，μtot成為影響系統(tǒng)性能的唯一因素，以探究pc,1對系統(tǒng)性能的影響。pc,1的變化對噴射器引射系數(shù)以及壓縮比的影響如圖7所示。隨著pc,1的增加，Rc,1隨之遞增，Rc,2隨之遞減，且Rc,tot保持不變?yōu)?.95；與此同時，μtot呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。這是因為pc,1既是E1混合流體壓力，也是E2引射流體壓力；隨著pc,1的提高，E1的出口背壓上升，導致E1引射能力減弱；而pc,1作為E2的引射流體壓力，其提高可以減小E2引射流體和出口背壓(膨脹機進氣壓力)之間的壓差，提高了E2的引射能力；pc,1關聯(lián)著E1和E2的引射性能，因此兩級噴射器整體的引射性能隨pc,1的增加而呈現(xiàn)出先增強后減弱的趨勢。
圖7 噴射器引射系數(shù)以及壓縮比隨pc,1的變化規(guī)律
系統(tǒng)輸出電量和循環(huán)效率隨pc,1的變化規(guī)律如圖8所示。隨著pc,1的提升，ET,1和ηRTE呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，而ET,2保持不變。這是因為在pp和ps,1不變的情況下，影響釋能過程膨脹機組輸出功率的唯一因素就是ms,1，通過從膨脹機中抽取更多的乏氣做功，膨脹機組的輸出功率相應增加，從而ET,1獲得提升。因此，ηRTE與μtot兩者的變化趨勢相同，存在一個最佳pc,1使得系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。綜合圖7和圖8來看，給定pp和ps,1，pc,1是影響系統(tǒng)性能的關鍵因素。因此，在Rc,tot恒定的情況下，如何分配Rc,1和Rc,2以此來確定最佳Pc,1成為亟待解決的問題。
圖8 系統(tǒng)輸出電量和循環(huán)效率隨pc,1的變化規(guī)律
圖9展示了不同ps,1下，ηRTE隨分配度β的變化規(guī)律。隨著β的增加，ηRTE均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。對β的優(yōu)化分析可以獲取最佳的pc,1，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。在Rc,tot=1.59、1.95時，β=1，ηRTE取得最優(yōu)值，可近似為均勻分配，兩級噴射器的壓縮比相同；但Rc,tot=2.52時，β=0.87，ηRTE取得最優(yōu)值。因此，當Rc,tot較小時，壓縮比變化對引射系數(shù)影響不大，可以均勻分配，保證各級噴射器的引射能力；而Rc,tot較大時，應該遵循不均勻分配原則，兩級噴射器的壓縮比由前級依次減少，需要確保μtot最優(yōu)，則ηRTE最優(yōu)。但是，針對不同的Rc,tot可能會有不同的β，仍需要進一步地研究分析。
圖9 系統(tǒng)循環(huán)效率隨分配度β的變化規(guī)律
3.4 EAA-CAES系統(tǒng)最優(yōu)工況性能
兩級噴射器的pp、ps,1以及pc,1通過改變釋能過程各個階段放氣時間tdis1、tdis2，總引射系數(shù)μtot以及抽氣流體重新進入膨脹機的膨脹比Rc,tot，來影響釋能過程各個階段輸出電量ET,1、ET,2，從而引起ηRTE的變化。圖10展示了系統(tǒng)循環(huán)效率隨噴射器工作流體壓力和引射流體壓力的變化規(guī)律。在圖10中，當Rc,tot較小時，采用均勻分配；而Rc,tot較大時，遵循不均勻分配原則，以此確保μtot最優(yōu)。當給定ps,1時，ηRTE均隨pp的增加而呈現(xiàn)出近似拋物線變化；而給定pp，ηRTE隨著ps,1增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，相比于Rc,tot，可以看出μtot對系統(tǒng)性能影響更大。因此，最佳ps,1的確定應該選擇更靠近膨脹機進氣位置抽氣。
圖10 系統(tǒng)循環(huán)效率隨pp、ps,1的變化規(guī)律
根據(jù)上文的分析，ηRTE均隨著pp和ps,1，pc,1的增加呈現(xiàn)出近似拋物線變化，因此存在兩級噴射器最佳工況使得系統(tǒng)性能最優(yōu)。在圖10中可以看出，當pp=7 MPa、ps,1=2.6 MPa以及pc,1=3.18 MPa時，EAA-CAES系統(tǒng)性能最佳，ηRTE為63.32%，和相同運行參數(shù)的A-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率62.41%相比，提升了0.91%。
4 結 論
為了減少絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)恒壓運行過程中儲氣室與膨脹機進氣之間的壓力損失，提出了新型噴射增效壓縮空氣儲能系統(tǒng)，利用兩級噴射器與節(jié)流閥組合的節(jié)流裝置，通過引射膨脹機的做功乏氣以調節(jié)膨脹機進氣壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓運行。建立了10 MW級EAA-CAES系統(tǒng)和A-CAES系統(tǒng)的熱力學模型，對其模擬計算和對比，分析釋能過程各個階段放氣時間tdis1、tdis2，總引射系數(shù)μtot和總壓縮比Rc,tot隨噴射器工作流體壓力pp、引射流體壓力ps,1以及中間壓力pc,1的變化規(guī)律，從而得出對釋能過程各個階段輸出電量ET,1、ET,2的影響規(guī)律，確定EAA-CAES系統(tǒng)最佳工況下的全周期循環(huán)效率ηRTE，并且提出了確定兩級噴射器最佳工作參數(shù)的具體方法，得出以下結論：
（1）對于EAA-CAES系統(tǒng)，在恒壓運行下，pp顯著影響著ET,1和ET,2，給定ps,1和pc,1，隨著pp的增加，ηRTE呈近似拋物線變化，根據(jù)工作工況，優(yōu)選工作流體壓力可顯著提高性能，當釋能第一階段pp為7 MPa的時候，EAA-CAES系統(tǒng)全周期ηRTE為63.31%，相比于相同運行參數(shù)的A-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率62.41%，耦合兩級噴射器減少部分節(jié)流損失，新系統(tǒng)循環(huán)效率增長了0.9%。
（2）ps,1顯著影響著μtot和ET,1，不同的抽氣位置和抽氣壓力會導致系統(tǒng)性能產(chǎn)生差異變化；在pp相同的情況下，T1抽氣的ηRTE均高于T2抽氣；因此，最佳ps,1的抽氣位置為T1抽氣，而具體最佳ps,1值需接近膨脹機進氣壓力，保證兩級噴射器具有較強的引射能力。
（3）在給定pp和ps,1的情況下，μtot和ηRTE均隨pc,1的提高而呈現(xiàn)出近似拋物線變化趨勢。最佳pc,1的確定與Rc,tot的大小有關系，因此Rc,tot較小時，β最佳取值為1，采用均勻分配；當Rc,tot較大時，則遵循不均勻分配原則，兩級噴射器的壓縮比由前級依次減少，需要確保μtot最大，從而獲得最佳ηRTE。
（4）釋能過程第一階段兩級噴射器工作參數(shù)為pp=7 MPa、ps,1=2.6 MPa以及pc,1=3.18 MPa，系統(tǒng)維持恒壓運行，全周期循環(huán)效率ηRTE為63.32%，EAA-CAES系統(tǒng)性能達到最佳，驗證新系統(tǒng)能夠減少儲能系統(tǒng)的壓力損失，提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。
符號說明
符號 —— 符號說明
器件縮寫詞
A-CAES —— 絕熱壓縮空氣儲能
CAES —— 壓縮空氣儲能
C —— 壓縮機
E —— 噴射器
EAA-CAES —— 新型噴射壓縮空氣儲能
HE —— 換熱器
T —— 膨脹機
V —— 節(jié)流閥
參數(shù)符號
A —— 面積，m2
cp —— 比定壓熱容，J/(kg·K)
E —— 能量，J
h —— 比焓值，J/kg
k —— 絕熱指數(shù)
M —— 馬赫數(shù)
m —— 質量流量，kg/s
P —— 功率，W
p —— 壓力，MPa
R —— 氣體常數(shù)，J/(K·mol)
Rc —— 壓縮比
T —— 溫度，K
V —— 體積，m3
v —— 速度，m/s
η —— 等熵效率
μ —— 引射系數(shù)
π —— 壓比
ρ —— 密度，kg/m3
φ —— 能量效率
下角標
ac —— 儲氣室
cha —— 儲能充氣
C —— 儲能過程
c —— 混合流體
dis —— 釋能放氣
i —— 第i級
in —— 進口
j —— 第j階段
out —— 出口
p —— 工作流體
s —— 引射流體
T —— 釋能過程
tot —— 總量
