300MW级盐穴压缩空气储能电站膨胀机安装技术研究与应用

300MW级盐穴压缩空气储能电站膨胀机安装技术研究与应用

车金金

中国电建集团核电工程有限公司  山东省济南市   250000

摘要：随着全球能源需求的不断增长，压缩空气储能系统作为一种新型储能技术，得到了广泛的关注。在双碳目标的背景下，构建与压缩空气储能相耦合的综合能源系统对于适应未来高比例可再生能源的接入具有重要的战略意义。如何充分发挥压缩空气储能在提升综合能源系统经济性、可再生能源消纳率、灵活性、能源梯级利用效率上的作用，也为其优化调度技术提出了更高的要求，因此，储能电站最核心设备的安装技术研究对于优化能源结构、提高可再生能源接入比例、提高系统安全性和经济性等方面有着重要意义。

关键词：压缩空气；储能系统；膨胀机

一、技术原理

压缩空气储能技术是一种新兴的能源储存方法，它通过在电力低谷时压缩空气并存储，在高峰时释放压缩空气以发电，从而解决可再生能源的平滑接入和电网调峰等问题。该技术的主要核心部件多级大功率膨胀机，膨胀机是百兆瓦级先进压缩空气储能电站的核心设备之一，其安装技术对于系统的性能和效率至关重要。

储能过程：在用电低谷时，利用电能将空气抽取并压缩到地下盐穴中，完成电能到空气压力能的转换。在此过程中，各级压缩机的压缩热通过间冷器换热回收并储存在蓄热介质中，回收热量后的蓄热介质储存在热罐中。

释能过程：当用电高峰到来时，释放空气驱动透平膨胀机做功发电，将电能回馈至电网，完成空气压力势能到电能的转换。在此过程中，来自热罐的蓄热介质通入各级膨胀机的级前换热器，加热各级膨胀机进口空气，释放完热量的蓄热介质储存到冷罐中。

二、技术特点

膨胀机组是先进压缩空气储能系统释能子系统的核心设备，额定发电功率300MW，功能是将储气装置内高压空气的内能以及蓄热装置内热水的热能一同转换为电能并输出给电网。释能子系统主要包含膨胀机、换热器、发电机、润滑油站、 EH 油站、顶轴油站、调节阀、旁路调节阀、弹簧快关蝶阀、热水泵等设备。

膨胀机的主要特点：双缸、全周进气、低压双分流对置；低压转子的支撑轴承为落地支撑，不受低压缸热膨胀的影响。高压缸包含3个膨胀段，缸内有8个压力级，低压缸包含1个膨胀段，缸内两侧各有2个压力级，各个膨胀段气前由换热器加热，进气口都位于气缸上半、排气口都位于气缸下半。

释能子系统的工艺流程如下图所示，工作介质为压缩空气，膨胀机组包含4个膨胀段，每个膨胀段入口的进气都经由独立的换热器加热，高压空气依次流经4个膨胀段做功后直接排入大气环境，发电机接收膨胀机的机械功并转换为电能输出到电网，完成储能系统的释能过程，具有高效率、启停迅速、可靠性高、绿色、无污染等优点。膨胀机为双缸、多轴、径向进气、轴向排气的透平，4个膨胀段都为多级轴流式结构。截止阀一般用于检修过程，调节阀用于调节膨胀机组的进气压力和流量，各个膨胀段入口设置的主气阀或弹簧快关蝶阀用于紧急情况（主要为甩负荷）下迅速截断膨胀机的各级入口进气，防止残存的有害容积内的气体继续冲转导致轴系超速过高。

三、技术研究

（一）研发轴承座压缩空气吹扫工装

膨胀机的内部防异物是安装过程控制的重中之重，提出了在膨胀机扣盖过程中对轴承座及缸内部件进行压缩空气吹扫以确保整体施工过程的防异物控制。在压缩空气储能系统中，轴承座的清洁度对于设备的长期稳定运行至关重要。压缩空气吹扫工装的设计原理在于利用高压、高速的压缩空气流，对轴承座内部及其连接的管道进行深度清洁，以去除积聚的尘埃、油渍、水分及可能存在的其他污染物，从而保持轴承座的润滑性能和减少磨损，提高储能系统的整体效率和可靠性。

选用具备高压缩比、低能耗、稳定输出的空压机作为压缩空气源，确保提供足够压力和流量的清洁空气。设计合理的管道布局，采用耐腐蚀、耐压的材质，减少压降和泄漏，确保压缩空气能够高效、稳定地传输至吹扫点。根据轴承座的结构特点和清洁需求，设计定制化的吹扫喷嘴，通过调整喷嘴的形状、角度和喷射速度，实现精确、高效的吹扫效果。集成PLC、传感器等先进技术，实现对压缩空气流量、压力、温度及吹扫时间的精准控制，同时设置安全联锁保护机制，确保操作过程的安全可靠。

（二）研发低压转子吊装专用工装

膨胀机低压转子安装精度高、两端重量不均匀，同时保护叶轮避免吊装碰撞、防止落转子时碰伤汽封片。研发了专用的转子吊装装置将低压转子吊起，调准水平后缓慢落入到低压缸内。钢丝绳与转子接触处应进行保护以防损坏。

转子就位后进行初找中。转子膨胀机端落于工艺支承装置，电机端落于径向轴承。初找中主要是针对汽机端，因为转子电机端的位置是由径向轴承确定的。用内径千分尺确定转子与轴承油封档的相对位置（下、左、右）。

测量高、低压缸内通流径向和轴向间隙，底部径向间隙可用长塞尺进行测量，也可以重新落转子用压铅法测量。通流间隙测量的依据是膨胀机通流图中的各个转子间隙值。将转子按间隙图中" K "值的要求定位，然后根据通流图及转子间隙图要求测量各级轴向及径向通流间隙。轴向通流间隙用塞尺或塞尺加量块测量。径向通流间隙左、右用塞尺测量；顶部、底部采用压铅丝或胶布的方法进行测量。轴向及径向通流间隙至少测量转子在0°、90°两个位置。

（三）优化高压上缸模块吊装工艺

高压上缸模块在制造厂内完成整体装配后，直接发运至电厂现场。现场仅需进行整体安装就位。通过改进吊装工艺，利用厂供钢丝绳将整个上缸模块从运输支架中试吊起。在吊装过程中，运用水平仪精确监测模块的纵向和横向位置，确保其在空中达到最佳水平状态。在确认模块位置无误后，进行试扣工作，从而确保了安装过程的精准度和高效性。高压上缸模块吊装工艺是一个复杂且精细的过程，它涉及到多个环节和步骤，以确保吊装过程的安全性和准确性，这一系列优化措施不仅提高了安装效率，还降低了现场施工难度和风险。

在压缩空气储能技术领域，我们取得了一系列关键技术的突破。优化多级大功率膨胀机的安装技术，提升了膨胀机的集成度和安装效率，解决了在高负荷和大流量条件下运行的难题，确保了膨胀机能够在宽广的工况范围内稳定高效地运行。综上所述，储能电站膨胀机关键技术的研究涉及多个方面，包括膨胀机类型与选择、高效设计与优化、变工况调控技术、安全可靠性技术以及实验研究与验证等。通过不断的研究和创新，可以推动储能电站膨胀机技术的不断进步和发展。

四、技术应用和前景

膨胀机安装技术是一项复杂而重要的工作，需要综合考虑多个方面的因素。通过制定详细的安装方案、严格遵守操作规程和采取有效的技术措施，可以确保膨胀机的安装质量和运行效果。同时，随着科技的不断进步和工程实践的不断积累，膨胀机安装技术也将不断得到完善和发展。

关于先进压缩空气储能电站建造关键技术的研究，优化后的设备安装技术提高了压缩空气储能电站的整体效率，减少了能量在传输和转换过程中的损失，这不仅降低了能源消耗，还有助于提升整个能源系统的稳定性和可靠性，为经济社会的可持续发展提供有力支撑。

随着新能源装机的快速增长和“双碳”目标的推进，压缩空气储能作为一种较为成熟且经济高效的储能技术，具有广阔的发展前景。未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，盐穴先进压缩空气储能技术有望在能源领域发挥更加重要的作用。

参考文献

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