压缩空气储能中多压缩机串并联系统的匹配性能分析与优化控制研究

针对压缩空气储能(CAES)中多压缩机串并联系统面临的非设计工况复杂性和性能预测简化问题，研究人员基于二维(2D)通流方法开发了匹配分析工具，整合了SLC(流线曲率法)与1D管道模型，揭示了变转速和可调导叶(VGVs)对效率与失速边界的调控机制，提出了同步启停的准稳态控制策略，为大型CAES系统的设计与运行提供了高精度理论支撑。

　　

随着可再生能源占比提升，压缩空气储能(CAES)因其大容量、长寿命特性成为电网调峰的关键技术。然而，CAES核心部件——多压缩机串并联系统在变工况运行时面临严峻挑战：传统简化模型无法准确预测失速(stall)、堵塞(choking)等气动极限对系统效率的影响，且启停过程中的动态匹配问题长期缺乏有效解决方案。这一问题直接制约着大型CAES电站的可靠性与经济性，例如全球首个商业化CAES电站Huntorf的压缩机系统在非设计工况下效率波动高达15%。

为突破这一瓶颈，中国某高校的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地将航空发动机领域成熟的二维(2D)通流方法引入CAES系统分析。该团队开发的预测工具整合了轴向压缩机的流线曲率法(SLC)与管道一维(1D)模型，首次实现了对多压缩机串并联系统在全工况范围内的精确性能映射。研究揭示：通过协调变转速与可调导叶(VGVs)的联合调控，可使系统在50-60MW功率区间保持83%以上的等熵效率，同时将失速裕度扩大12%。更关键的是，提出的准稳态同步启停策略结合旁路泄放(bypass bleeding)技术，成功解决了高负荷压缩机在低转速阶段的级间失配难题。

关键技术方法包括：(1)基于SLC的2D通流算法，通过径向平衡方程求解子午面流场；(2)多压缩机串并联系统的1D管网耦合建模；(3)变转速/VGVs的联合控制参数优化；(4)启停过程的准稳态动态仿真。研究对象为典型100 kg/s级CAES压缩系统，涵盖四种串并联配置。

研究结果分为三部分：

1. 压缩系统配置分析
   通过对比单级压缩与三级串并联系统发现，后者在压力比>50时仍能维持稳定流场，且通过级间冷却可使等熵效率提升8%。轴向压缩机在100 kg/s流量下的最佳转速范围为3000-4500 rpm。

2. 匹配性能分析
   滑动压力操作下，系统存在三个关键工作窗口：(a)低压力比(π<20)时VGVs开度调节主导；(b)中压力比(20<π<40)需转速-vgvs协同控制；(c)高压力比(π>40)必须激活旁路泄放。研究首次绘制出考虑失速边界的操作可行性图谱。

3. 启停特性预测
   提出的"阶梯式转速同步"策略使三台压缩机启动时间差控制在15秒内，通过25%流量旁路泄放可避免低转速失速，启停过程效率损失<5%。

结论表明，该2D通流分析方法较传统零维模型将性能预测精度提高23%，尤其对失速边界的定位误差<3%。研究不仅为CAES压缩系统设计提供了新范式，其建立的SLC-1D耦合框架还可推广至其他多体能量转换系统。值得注意的是，该方法对小型活塞/螺杆压缩机系统的适用性仍需进一步验证，这将是未来研究的重要方向。