储能技术是解决可再生能源消纳问题的有效途径,近年来受到越来越多的重视。压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)是一种适合大规模电力储能的技术,具有高可靠性、低成本、灵活布置以及无污染等优点,是最具发展潜力的储能技术之一。在与可再生能源发电相结合的应用场景中,变工况运行是CAES系统面临的一个关键问题。以储气压力变化和负荷需求波动为代表的多种变工况条件在系统运行过程中常常同时存在,对长期处于变工况运行状态的CAES系统效率和技术经济性都具有重要影响,从而对CAES系统的设计和运行提出了更高的要求和挑战。因此,本文以具有快速响应特性的低温绝热压缩空气储能系统(LTA-CAES)为研究对象,开展了包含储气压力变化和负荷波动的复杂变工况条件下的系统变工况性能分析及设计优化研究。主要研究内容和结论如下:(1)建立基于部件的LTA-CAES系统变工况分析模型,开展系统的变工况特性分析,揭示了包含储气压力变化和负荷波动的复杂变工况条件下系统关键参数的变化规律和系统能量的转化利用特性。研究结果表明,对于基于多级-间冷往复式压缩机组的储能过程,高压级压缩机的性能对运行工况的变化最敏感,但是复杂变工况条件下的储能过程有效能转化效率基本能够维持在不低于80%的较高水平;对于基于多级-再热透平膨胀机和阀门节流调节的释能过程,低压级膨胀机的性能受运行工况变化的影响最大,其中多级-再热透平膨胀机入口压力调节带来的储气系统节流损失会导致变工况条件下系统释能过程有效能转化率的显著降低,是影响LTA-CAES系统整体变工况性能的主要因素。(2)建立基于中面流动模型的向心透平性能预测模型,对采用基于喷嘴开度调节的负荷控制方式改善LTA-CAES系统变工况释能性能的可行性进行深入研究,并提出一种基于输出功率双向调节的多级向心透平喷嘴开度优化控制策略以及最优喷嘴开度组合方案的快速求解方法。研究结果表明,基于喷嘴开度优化控制策略的多级喷嘴开度组合调节可以在输出功率负向调节且调节幅度大于约40%的工况下,有效缓解由于喷嘴开度调节造成的多级向心透平性能恶化;与基于阀门节流的常规负荷控制方式相比,多级喷嘴开度组合调节通过牺牲向心透平效率消除了节流损失,可以显著提高LTA-CAES系统在低负荷工况下的释能效率。(3)针对变工况运行需求,开展了基于喷嘴开度调节的多级-再热向心透平设计优化研究。以设计性能为优化目标的整体参数设计分析结果表明,对于LTA-CAES系统的特定运行工况条件,蓄热温度对膨胀比分配设计的影响很小,但是透平级数的优化取值与蓄热温度密切相关。以变工况性能为优化目标的向心透平级初步设计研究表明,喷嘴出口气流角的设计取值是决定向心透平级的变工况性能的关键,尤其在变喷嘴开度工况下,不同设计喷嘴出口气流角会导致向心透平级的高效运行区间分布的显著差异。上述影响规律可以为从设计角度改善基于喷嘴开度调节的多级-再热向心透平的变工况性能提供理论指导。(4)结合本文在LTA-CAES系统性能分析和设计优化方面的研究成果与工程设计需求,为LTA-CAES系统的方案设计和仿真分析开发了一款专用设计软件,以帮助研究人员和工程设计人员更高效地开展相关工作。