何 青，付海倫，康浩強(qiáng)

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

我國(guó)大力推動(dòng)可再生能源的發(fā)展。然而，以水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生能源均存在間歇性這一顯著缺點(diǎn)。同時(shí)，電力需求的不斷變化使得峰谷差日益明顯[1-5]。為解決這些問題，電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

儲(chǔ)能技術(shù)既能彌補(bǔ)可再生能源電力運(yùn)行連續(xù)性差、功率輸出不穩(wěn)定等缺陷，又可以削峰填谷，提高可再生能源電力效率和經(jīng)濟(jì)性。電力儲(chǔ)能技術(shù)可以分為以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能為主要代表的物理形式儲(chǔ)能和以電池儲(chǔ)能為主要代表的化學(xué)形式儲(chǔ)能。抽水蓄能是目前一種較為成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage，CAES）與之相比，容量和循環(huán)次數(shù)都十分接近，但其運(yùn)行成本較低，經(jīng)濟(jì)性好，并且對(duì)地形要求不高，建設(shè)周期也比較短。因此，CAES是如今發(fā)展前景最好的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一[6-8]。

德國(guó)Huntorf 電站是第一個(gè)投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，其傳統(tǒng)CAES 存在需要補(bǔ)燃、對(duì)大型儲(chǔ)氣室比較依賴、運(yùn)行效率低、能量密度低等問題。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取了改變工質(zhì)或其狀態(tài)，對(duì)其熱力循環(huán)過程進(jìn)行優(yōu)化，與其他技術(shù)進(jìn)行耦合等方法，研發(fā)出了許多新型的CAES 技術(shù)，其中包括絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（adiabatic CAES，A-CAES）、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能、深冷液化空氣儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能以及耦合新能源的壓縮空氣儲(chǔ)能等[9-11]。其中，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（advanced A-CAES，AA-CAES）以其容量大、無需補(bǔ)燃等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，是目前各國(guó)學(xué)者研究的熱門方向之一。世界各國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目見表1。

表1 世界各國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目Tab.1 The demonstration projects of compressed air energystorage in various countries

效率是評(píng)價(jià)AA-CAES 系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而制約效率的因素很多。賈祥等[12]從儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮和膨脹過程的級(jí)數(shù)入手，計(jì)算并分析了級(jí)數(shù)對(duì)儲(chǔ)能效率的影響。另外，通過對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)級(jí)數(shù)的不同分配方案進(jìn)行比較，指出了在一定條件下的最理想的壓縮和膨脹級(jí)數(shù)的分配方案。韓中合等[13]從壓縮過程的壓力分配著手，在總壓縮比一定的條件下，對(duì)等壓比壓縮和非等壓比壓縮結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)在總壓縮比相同的情況下，等壓比壓縮結(jié)構(gòu)的AA-CAES 系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度會(huì)隨著壓縮級(jí)數(shù)的增加而減小，而儲(chǔ)能效率會(huì)隨著壓縮級(jí)數(shù)的增加而升高。Jubeh 等人[14]從參數(shù)出發(fā)，分析了總壓比對(duì)系統(tǒng)功率、能量比和效率的影響。李國(guó)慶等[15]基于變工況的要求，提出了一種新型變壓比的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并且對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行了相應(yīng)的研究和分析，為一定條件下運(yùn)行方式的選擇提供了參考，但沒有對(duì)膨脹過程的變壓比運(yùn)行方式進(jìn)行研究。

本文對(duì)變壓比的膨脹過程展開了研究，通過不斷改變膨脹機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了幾個(gè)典型膨脹級(jí)數(shù)下的變壓比運(yùn)行方式，建立了相應(yīng)膨脹過程的熱力學(xué)模型，并且將其和傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。最終從膨脹過程入手，來有效提升AA-CAES 系統(tǒng)的效率。

1 新型變壓比AA-CAES 系統(tǒng)

新型變壓比AA-CAES 系統(tǒng)是基于在壓縮過程中儲(chǔ)氣室的壓力是線性增加的，所以可以采用階段性壓縮的方式，來降低壓縮過程的平均總壓比，采用等比壓縮的方式，使得壓縮過程向儲(chǔ)氣室輸送空氣的壓力始終大于儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力，從而無需一直維持壓縮過程的最終出口壓力始終大于儲(chǔ)氣室的最大工作壓力，據(jù)此能夠有效地降低壓縮過程的總耗功，進(jìn)而提升AA-CAES 系統(tǒng)的效率。而膨脹過程儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力是線性降低的，對(duì)于定壓比的膨脹系統(tǒng)，如果為了保障膨脹時(shí)間，則儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣將會(huì)通過調(diào)節(jié)閥降低到壓力較低的狀態(tài)，這樣會(huì)帶來大量的做功能力損失；而如果想維持儲(chǔ)氣室出口空氣在較高壓力水平，則膨脹時(shí)間會(huì)相應(yīng)地降低，進(jìn)而影響膨脹機(jī)組總輸出功?；诖?，本文提出了變壓比的AA-CAES 系統(tǒng)的膨脹過程，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。由圖1 可見：在壓縮過程，可以通過控制閥門的啟閉來控制每一級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣和輸送到儲(chǔ)氣室的情況，而且換熱器也可以通過閥門的啟閉來冷卻需要的壓縮機(jī)級(jí)后空氣，進(jìn)而達(dá)到在不同壓力要求下變壓比壓縮的目的；在膨脹過程中，原理基本和壓縮過程一致，通過閥門的啟閉來控制儲(chǔ)氣室輸送到每一級(jí)透平的情況以及透平自己的排氣情況，換熱器也同樣通過閥門的啟閉來配合加熱從儲(chǔ)氣室出來的空氣，最終達(dá)到變壓比膨脹的要求。在膨脹過程中，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力不斷下降。對(duì)于傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)，為了滿足總的膨脹比要求，對(duì)儲(chǔ)氣室出口空氣的壓力有較高的要求，使得這部分較高壓力的空氣不能釋放做功，造成做功能力的損失。而對(duì)于變壓比膨脹系統(tǒng)，則可以根據(jù)儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力大小，通過不同的串并聯(lián)方式來改變膨脹機(jī)的連接方式，調(diào)節(jié)膨脹比的大小，滿足不同壓力空氣做功的需要，充分利用這部分空氣的做功能力。

以4 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)為例，在膨脹過程初期，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力水平較高，采用4 級(jí)串聯(lián)膨脹，隨著儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力的降低，逐漸采用3 級(jí)串聯(lián)膨脹、2 級(jí)串并聯(lián)和1 級(jí)串并聯(lián)膨脹。通過這種方式，在滿足儲(chǔ)氣室放氣過程要求的同時(shí)，可以有效利用儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力水平較低的空氣，從而增加膨脹機(jī)組的總輸出功。此外，同一膨脹級(jí)數(shù)的變壓比膨脹過程具有不同變壓比膨脹運(yùn)行方式，且膨脹級(jí)數(shù)等于膨脹過程的階段數(shù)，膨脹級(jí)數(shù)越多，運(yùn)行方式也越多，本文分別對(duì)2、3、4 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)展開研究，并將其變壓比運(yùn)行方式列于表2。為了使表達(dá)更加清晰，特省去換熱器。由表2 可見：2 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)有2 種運(yùn)行方式，在第1 階段均為2 級(jí)膨脹，在第2 階段分別為1 級(jí)膨脹和2 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行；3 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)有3 種運(yùn)行方式，在第1 階段和第2 階段，運(yùn)行方式都一致，分別為3 級(jí)串聯(lián)膨脹和2 級(jí)串聯(lián)膨脹，在第3 階段才有不同的運(yùn)行方式，分別1 級(jí)膨脹、2 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行和3 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行；4 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)有8 種運(yùn)行方式，第1 階段和第2 階段的運(yùn)行方式，分別為4 級(jí)串聯(lián)和3 級(jí)串聯(lián)膨脹，在第3 階段，分別為2 級(jí)串聯(lián)膨脹和2 個(gè) 2 級(jí)膨脹并聯(lián)運(yùn)行，在第4 階段，分別為1 級(jí)膨脹、2 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、3 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行以及4 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

表2 膨脹機(jī)組變膨脹比運(yùn)行方式Tab.2 The operation modes of variable pressure ratio for expander unit

2 熱力學(xué)模型

為了方便計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)做出以下假設(shè)：1）空氣視為理想氣體，滿足理想氣體方程，并且定壓比熱容保持不變；2）壓縮過程和膨脹過程均認(rèn)定為絕熱過程，絕熱效率保持不變；3）忽略儲(chǔ)熱介質(zhì)散熱，即儲(chǔ)熱罐的溫度恒定；4）儲(chǔ)氣室采用等溫定容模型，儲(chǔ)氣室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)恒定，壁面導(dǎo)熱系數(shù)無窮大。

2.1 壓縮機(jī)

在儲(chǔ)能過程中，假設(shè)壓縮機(jī)的工作過程是穩(wěn)定的，并且當(dāng)壓縮機(jī)入口空氣的壓力、溫度和壓縮比一定時(shí)，壓縮機(jī)出口空氣的溫度和壓力均保持不變。在AA-CAES 系統(tǒng)中，多級(jí)壓縮機(jī)和級(jí)間冷卻器相間布置，串聯(lián)組合構(gòu)成壓縮機(jī)組。壓縮機(jī)耗功為

壓縮機(jī)組的總耗功為

2.2 膨脹機(jī)

在釋能過程中，假設(shè)膨脹機(jī)的工作過程穩(wěn)定，并且當(dāng)膨脹機(jī)入口空氣的壓力、溫度和膨脹比一定時(shí)，膨脹機(jī)出口空氣的溫度和壓力均保持不變。

在AA-CAES 系統(tǒng)中，級(jí)間再熱器和多級(jí)膨脹機(jī)相間布置，串聯(lián)組合構(gòu)成膨脹機(jī)組。膨脹機(jī)輸出的軸功為

式中：me為空氣的質(zhì)量流量，kg/s；Tei,in為膨脹機(jī)入口的空氣溫度，K；為膨脹機(jī)絕熱效率；為膨脹機(jī)的壓比；M為膨脹機(jī)級(jí)數(shù)。

膨脹機(jī)組的總輸出軸功為

2.3 換熱器

級(jí)間冷卻器和級(jí)間再熱器的原理基本相同，都屬于換熱器，其效能為

式中：qm為流體質(zhì)量流量，kg/s；T為流體溫度，K；下標(biāo)1 和2 分別表示熱流體和冷流體；下標(biāo)in 和out 分別表示入口和出口。

空氣從壓縮機(jī)中流出后，經(jīng)級(jí)間冷卻器中儲(chǔ)熱物質(zhì)的冷卻后，級(jí)間冷卻器出口的空氣溫度為

式中：Tci,out為壓縮機(jī)出口空氣溫度，K；TH為儲(chǔ)熱介質(zhì)初始溫度，K。

空氣從膨脹機(jī)中流出后，經(jīng)級(jí)間再熱器中儲(chǔ)熱物質(zhì)再熱后，級(jí)間再熱器出口的空氣溫度為

式中：T1,in為級(jí)間再熱器熱流體的入口溫度，K；T2為冷流體入口的溫度，K。

2.4 儲(chǔ)氣室

2.4.1 儲(chǔ)氣過程

在環(huán)境溫度T0保持不變的條件下，等溫定容的儲(chǔ)氣室模型的基本特征是容積恒定、溫度不變，與外界環(huán)境沒有功量交換。假設(shè)進(jìn)入儲(chǔ)氣室的空氣溫度為Tin，壓力為p，忽略儲(chǔ)氣室的泄漏，根據(jù)能量守恒方程，有

比焓與比內(nèi)能關(guān)系為

式中：u為空氣的比內(nèi)能，kJ/kg；h為空氣的比焓，kJ/kg；v為空氣的比體積，m3/kg。

將式(9)代入式(8)，可以得到

由此可見，為了讓儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的溫度保持不變，等溫定容模型下的儲(chǔ)氣室就必須和環(huán)境進(jìn)行一定的熱量交換。若入口空氣的溫度等于環(huán)境溫度，并結(jié)合理想氣體的狀態(tài)方程，則

式中V為空氣的體積，m3。

將式(11)代入式(10)可簡(jiǎn)化為

假設(shè)p1和p2分別為儲(chǔ)氣室的壓力下限和壓力上限，對(duì)式(12)積分后可得

因此，對(duì)于等溫定容的儲(chǔ)氣室模型，在儲(chǔ)氣過程中，外界環(huán)境與儲(chǔ)氣室進(jìn)行熱量交換的值和儲(chǔ)氣室的容積以及儲(chǔ)氣室的壓力上限和下限的差值相關(guān)。由于p1

2.4.2 放氣過程

在放氣過程中，儲(chǔ)氣室仍符合等溫定容模型的特征，所以能量守恒方程可以簡(jiǎn)化為

由于出口氣體溫度為T0，因此，式(15)可簡(jiǎn)化為

同樣，積分可得

由式(17)可以得知，對(duì)于定容等溫模型，在放氣過程中，也存在與外界環(huán)境有熱量交換現(xiàn)象，并且和儲(chǔ)氣過程中儲(chǔ)氣室與外界環(huán)境之間的換熱量相比，傳遞熱量的大小相等，但傳遞方向相反，儲(chǔ)氣過程向環(huán)境中釋放熱量，放氣過程從環(huán)境中吸收熱量。此外，在放氣過程中，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣質(zhì)量的表達(dá)式仍然為式(14)。

2.5 充放電效率

評(píng)價(jià)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)主要有儲(chǔ)能密度和充放電效率等。本文采用充放電效率作為對(duì)CAES 系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算式為

式中：te為膨脹時(shí)間，s；tc為壓縮時(shí)間，s。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

本文采用TICC-500 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示[16]。由圖2 可知：在壓縮階段，常溫常壓的空氣通過總壓縮比為124 的壓縮機(jī)組，然后在換熱器中被冷卻后再被輸送到儲(chǔ)氣室；在膨脹階段，儲(chǔ)氣室輸出空氣的壓力穩(wěn)定為3 MPa，經(jīng)過換熱器被加熱后再送入膨脹機(jī)做功。

本文利用AspenPlus 軟件對(duì)變壓比膨脹系統(tǒng)進(jìn)行建模和計(jì)算，得到釋能時(shí)長(zhǎng)和膨脹機(jī)組的輸出功率，然后再計(jì)算出系統(tǒng)的充放電效率，并與傳統(tǒng)的恒壓膨脹系統(tǒng)以及不同運(yùn)行方式的變壓比膨脹系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

為方便對(duì)不同運(yùn)行方式的區(qū)分，特使用數(shù)字代號(hào)進(jìn)行表示，具體方法如下：當(dāng)有幾個(gè)膨脹階段時(shí)，就用幾個(gè)數(shù)字來表示，每個(gè)階段如果只有串聯(lián)則表示為1，如果有并聯(lián)，幾級(jí)并聯(lián)則表示為數(shù)字幾，數(shù)字中間用“-”相連[15]。以2 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)為例，其運(yùn)行方式有1-1 型和1-2 型這2 種運(yùn)行方式。

3.1 儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力

對(duì)于傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)氣室出口空氣的流量和壓力確定后，膨脹系統(tǒng)的釋能時(shí)間隨即確定。以TICC-500 系統(tǒng)為例，當(dāng)儲(chǔ)氣室出口空氣的流量為2.124 kg/s、壓力為3 MPa 時(shí)，膨脹系統(tǒng)的釋能時(shí)間為3 600 s。然而，這樣處理的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致膨脹系統(tǒng)做功能力損失。實(shí)際上，在釋能過程中，當(dāng)儲(chǔ)氣室出口空氣的流量一定時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力隨著時(shí)間線性下降。所以如果想提高儲(chǔ)氣室出口空氣的壓力，以提高空氣的做功能力，這樣就會(huì)使得釋能時(shí)長(zhǎng)降低；而當(dāng)想提高釋能時(shí)長(zhǎng)，充分利用儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氣室出口空氣的壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致空氣的做功下降。正是基于這兩點(diǎn)，本文提出了新型的變壓比膨脹系統(tǒng)，通過讓儲(chǔ)氣室出口空氣的壓力階段性下降，盡可能地利用高壓空氣的做功能力，同時(shí)還能夠使得儲(chǔ)氣室內(nèi)低壓段的空氣能夠做功，進(jìn)而充分利用儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣。

圖3 分別為2 級(jí)傳統(tǒng)恒壓比膨脹過程、2 級(jí)變壓比膨脹的1-1 型和1-2 型的儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力和儲(chǔ)氣室出口經(jīng)調(diào)節(jié)閥的空氣壓力（即第1 級(jí)膨脹機(jī)的入口壓力）隨著釋能時(shí)間的變化關(guān)系。由圖3可以看出：對(duì)于2 級(jí)傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)，其儲(chǔ)氣室出口壓力為2.15 MPa，在儲(chǔ)氣室輸出空氣流量相等的情況下，釋能時(shí)間相應(yīng)地變化為4 035 s；1-1 型變壓比膨脹系統(tǒng)分為2 階段膨脹，第1 階段與傳統(tǒng)恒壓比膨脹相同，儲(chǔ)氣室出口的空氣壓力同為2.15 MPa，釋能時(shí)間也為4 035 s，第2 階段的儲(chǔ)氣室出口壓力變?yōu)?.46 MPa，釋能時(shí)間為869 s，所以總的釋能時(shí)間為4 904 s；1-2 型變壓比膨脹系統(tǒng)膨脹過程同樣分為2 個(gè)階段，而且第1 階段和1-1 型變壓比膨脹系統(tǒng)完全一致，但在第2 階段，其膨脹方式為2 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)，所以膨脹時(shí)間較1-1 型變壓比膨脹系統(tǒng)第2 階段的膨脹時(shí)間會(huì)減少434 s，總的釋能時(shí)間為4 470 s。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，變壓比膨脹系統(tǒng)的釋能時(shí)間較傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)增加，這是因?yàn)樽儔罕扰蛎浵到y(tǒng)能夠進(jìn)一步利用儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力水平較低的空氣。而且，在膨脹的每一個(gè)階段，儲(chǔ)氣室出口空氣的壓力始終低于儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力，滿足儲(chǔ)氣室放氣過程的要求。

3.2 膨脹機(jī)做功

圖4 為2 級(jí)傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)和2 級(jí)變壓比1-1 型和1-2 型膨脹系統(tǒng)的膨脹機(jī)組輸出功和釋能時(shí)間的關(guān)系。從圖4 可以看出：恒壓比膨脹系統(tǒng)輸出功的變化過程和變壓比膨脹系統(tǒng)的第1 階段重合，膨脹機(jī)組的輸出功線性增加；1-1 型變壓比膨脹系統(tǒng)第2 階段的膨脹機(jī)組輸出功的增加速率小于1-2 型變壓比膨脹系統(tǒng)的第2 階段，這同樣是因?yàn)?-2 型變壓比膨脹系統(tǒng)的第2 階段采用2 個(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)的方案。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，變壓比膨脹系統(tǒng)的膨脹機(jī)組總輸出功大于傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)，恒壓比膨脹系統(tǒng)的膨脹機(jī)組總輸出功為1.989 GJ，而1-1型和1-2 型變壓比膨脹系統(tǒng)的膨脹機(jī)組總輸出功分別為2.206 GJ 和2.205 GJ，兩者十分接近。

3.3 分析與討論

分別對(duì)3 級(jí)傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)和3 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)、4 級(jí)傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)和4 級(jí)變壓比膨脹系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)得出的釋能時(shí)長(zhǎng)、膨脹機(jī)組總輸出功和充放電效率進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，得到不同膨脹級(jí)數(shù)下傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)和變壓比膨脹系統(tǒng)的主要參數(shù)匯總見表3。

表3 恒壓比膨脹系統(tǒng)與變壓比膨脹系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.3 Parameters of the expansion systems with constant pressure ratio and variable pressure ratio

從表3 可以看出，無論是幾級(jí)膨脹，變壓比膨脹系統(tǒng)的總輸出功都要大于傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)，也即變壓比膨脹系統(tǒng)的充放電效率均高于傳統(tǒng)的恒壓比膨脹系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)恒壓比膨脹系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)氣室出口空氣流量一定時(shí)，膨脹機(jī)組的總輸出功與儲(chǔ)氣室出口空氣壓力和釋能時(shí)間這2 項(xiàng)參數(shù)相關(guān)，而這2 個(gè)參數(shù)相互影響，所以存在1 個(gè)使系統(tǒng)總輸出功最大的點(diǎn)。對(duì)變壓比膨脹系統(tǒng)，隨著膨脹級(jí)數(shù)的增加，無論是哪種運(yùn)行方式，系統(tǒng)的總輸出功和充放電效率均逐漸提高。對(duì)于膨脹級(jí)數(shù)相同的變壓比膨脹系統(tǒng)，不同運(yùn)行方式下的變壓比膨脹系統(tǒng)的總輸出功和充放電效率都基本相同，但是釋能時(shí)間會(huì)由于膨脹機(jī)并聯(lián)的數(shù)目不同而有所差異。

4 結(jié) 論

1）變壓比膨脹系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力線性下降的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)膨脹機(jī)的串并聯(lián)方式來實(shí)現(xiàn)變壓比和分階段膨脹，同時(shí)還能使膨脹過程的每一個(gè)階段都始終小于儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣的壓力，滿足儲(chǔ)氣室的放氣過程的條件，從而充分利用儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣，進(jìn)而提高膨脹機(jī)組的總輸出功。

2）對(duì)于相同級(jí)數(shù)的變壓比膨脹系統(tǒng)，含有級(jí)數(shù)并聯(lián)的膨脹系統(tǒng)可以使其儲(chǔ)氣室出口空氣的流量成倍增加，進(jìn)而縮短釋能時(shí)間，但總的輸出功基本不變。所以如果想提高膨脹過程的平均輸出功率，宜采用含有級(jí)數(shù)并聯(lián)的膨脹系統(tǒng)；如果想使運(yùn)行控制方式簡(jiǎn)單，則串聯(lián)運(yùn)行方式更加適合。

3）對(duì)于不同級(jí)數(shù)的變壓比膨脹系統(tǒng)，級(jí)數(shù)越高，膨脹機(jī)組的總輸出功和系統(tǒng)的充放電效率也就越高。但膨脹級(jí)數(shù)也不能太多，否則會(huì)導(dǎo)致分階段膨脹的階段數(shù)過多和某一階段的釋能時(shí)間過短，進(jìn)而不利于機(jī)組的運(yùn)行和控制。