CAES電站儲氣室熱力學特性的數值模擬研究

高建強，莊緒增，敬 賽

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著全球能源結構的調整，風能、太陽能、水能等可再生能源得到了快速發展。但由于可再生能源發電所固有的間歇性、不穩定性等缺陷，使可再生能源的利用率一直處于較低水平；為更好地平滑可再生能源電力系統的波動性、提高系統運行的穩定性，規模化的儲能技術已成為大規模利用可再生能源不可或缺的組成部分[1,2]。壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage,CAES)技術憑借其儲能容量大、響應迅速、儲能效率高等優點得到了快速發展[3,4]。壓縮空氣儲能電站利用電網低品位電能或可再生能源電力驅動壓氣機工作，將電能轉化為壓縮空氣的內能儲存于儲氣室內；在電網需求峰值時，壓縮空氣被釋放并加熱后進入透平做功，驅動發電機組發電，實現向電網“饋電”。

儲氣室是壓縮空氣儲能系統中用于儲存壓縮空氣的設備，一般采用地下巖(鹽)洞、廢棄礦井、鋼制儲氣罐等；在中小型壓縮空氣儲能系統中，一般采用地上鋼制儲氣容器作為儲存壓縮空氣的容器[5,6]。精準預測儲氣室內溫度、壓力的變化規律不僅能保障其在安全狀態下穩定運行，而且對儲氣室的優化設計、壓氣機及透平等關鍵設備的優化選型具有重要的影響[6]。

基于上述原因，越來越多的國內外學者開始重點關注壓縮空氣儲能系統的儲氣室的熱力學性能。我國學者張遠[7]建立了4種(恒溫恒容、恒容絕熱、恒溫恒壓以及恒壓絕熱)儲氣室熱力學模型，并基于熱力學定律對其在系統工作過程中的熱力學特性以及對系統整體性能的影響進行了詳細分析；Mandhapati Raju[3]利用現有壓縮空氣儲能電站的運行數據，基于質量守恒與能量守恒定律擬合了系統相關參數，并將擬合結果與德國Huntorf電站的運行數據進行了對比分析；R. Kushnir[6]基于已提出的儲氣室熱力學模型，進一步研究了儲氣室內壁面的換熱系數、儲氣室儲層特性等不同參數對儲氣洞穴內溫度及壓力的變化規律；Xia[8]等提出了一種儲氣室簡單傳熱分析解決方案，并假設儲氣室內工質的密度及儲氣室壁面溫度恒定的前提下，得到了儲氣洞穴的熱力學特性，并利用Huntorf電站的實驗數據進行了合理性驗證。韓中合[9]等建立了壁面溫度恒定的非絕熱儲氣室模型，并分析了儲氣室熱力學特性對先進壓縮空氣儲能系統性能的影響規律。綜上所述，現有研究主要針對地下礦洞類儲氣室進行研究，針對采用鋼制容器作為儲氣室的系統涉及較少，且對涉及儲氣室本身結構特征、內部流動狀態與外界環境共同作用下的儲氣室熱力學動態特性的影響鮮有報道。

本文以壓縮空氣儲能系統中地上鋼制儲氣室為研究對象，將數值模擬應用于壓縮空氣儲能系統儲氣室的熱力學動態特性分析中，以詳細的物理數學模型為基礎，利用Gambit及ANSYS數值模擬軟件，分析壓縮空氣儲能系統實際運行過程中各種復雜因素影響下儲氣室及內部工質溫度、壓力的整體分布及變化規律，從而精確掌握儲氣室及內部工質的熱力學動態特性。

1 研究對象

分布式電網的發展加速了儲能技術的步伐[10,11]，將地上儲氣容器作為儲氣室的中小型壓縮空氣儲能系統是適合分布式電網儲能的重要技術之一[12,13]。在中小型壓縮空氣儲能系統工作過程中，地上儲氣容器內溫度、壓力的波動對系統整體性能的影響尤為重要，采用合理的方法研究地上儲氣容器內壓力、溫度的變化對系統性能分析及優化具有重要的意義。本文以課題組現有小型壓縮空氣儲能實驗平臺中的地上鋼制儲氣室為研究對象，采用FLUENT數值模擬的方法，建立了儲氣室三維非穩態模型，研究系統充氣儲能過程中外壁面整體溫度分布及內部工質溫度、壓力的變化規律。該小型壓縮空氣儲能系統中儲氣裝置為兩個1 m3的規則圓柱體儲氣罐，罐體直接放置于實驗室地面上，儲氣罐外壁面無保溫措施且直接暴露于環境中，兩個儲氣罐結構及材料完全相同，儲氣罐相關參數見表1。

表1 儲氣室相關參數

2 數值計算

2.1 網格劃分

根據儲氣室的結構特點及流動特性，利用Gambit前處理軟件對儲氣室結構進行建模和網格劃分。為提高儲氣室網格劃分的質量，將儲氣室罐體進行分割，罐體上簡單、規整的儲氣室主體及進口管道等區域利用結構化Cooper網格進行劃分，結構較為復雜的區域采用非結構化網格進行劃分，最終劃分網格總數約為44萬。儲氣室體網格劃分如圖1所示。

圖1 儲氣室網格劃分示意圖

2.2 計算方法

采用FLUENT軟件進行數學模型求解計算，并采用TECPLOT軟件對結果進行圖像后處理。本文數值模擬采用三維非穩態模型進行計算，采用標準k-ε雙方程模型模擬湍流氣相流動；研究流體為可壓縮流體，故采用基于分離求解器中壓力的隱式算子分割算法(Pressure Implicit with Splitting of Operators，PISO算法)。利用“殼層導熱”的方法處理地上鋼制儲氣罐壁面與周圍環境的換熱，在充分考慮儲氣罐罐體熱阻的同時有效降低了網格數量、簡化了模型；選取第五類Mixed邊界條件，充分考慮儲氣罐外壁面與周圍環境的對流與輻射換熱；由于儲氣罐底座安放于實驗室地面上，需同時考慮儲氣罐底部與地面之間的熱傳導。由于完成一次充氣儲能過程需要耗時至少1.5 h，因此為確保在最大迭代步數內收斂，對時間步長進行獨立性驗證后取0.01 s。此外，儲氣室初始換熱條件如表2所示。

表2 儲氣室初始換熱條件

儲氣罐外壁面與周圍環境空氣換熱時，環境空氣的密度變化不大，因此可選擇采用Boussinesq模型。采用Boussinesq模型比使用依賴于溫度變化而密度發生變化的模型能夠獲得更快的收斂速度，除了動量方程中的浮力項，這種模型在其他的需要求解的方程中把密度視為常數。

(ρ-ρ0)·g≈-ρ0·β·(T-T0)·g

式中：ρ0為壓縮空氣的密度；T0為實驗室的環境溫度；β為熱膨脹系數。

3 計算結果及分析

3.1 模型正確性驗證及儲氣室熱力學特性充氣全過程分析

在現有小型壓縮空氣儲能實驗平臺中，利用K型熱電偶測量儲氣室距地面1 m處的外壁面溫度，利用安裝于儲氣室正上部的壓力表測量內部工質的壓力。如圖2所示為系統充氣過程中，模擬數據與實驗數據在儲氣室距地面1 m處的外壁面溫度變化趨勢。由圖2可知，儲氣室各點處溫度模擬數據與實驗所得數據十分接近，因而數值模擬結果能夠較為準確的反映儲氣室的外壁面溫度；在充氣儲能初始階段，儲氣室內溫度迅速上升，而后上升速度逐漸降低，最后儲氣室內溫度上升趨于平緩，且充氣儲能結束時刻(約1.5 h)儲氣室內工質溫度最大值為331.06 K。

圖2 充氣過程儲氣室內溫度變化

如圖3所示為系統充氣過程中，模擬數據與實驗數據在儲氣室內部工質壓力的變化趨勢。由圖3可知，儲氣室內部工質壓力的模擬數據與實驗所得數據十分接近，因而數值模擬結果能夠較為準確地反映儲氣室內部工質的壓力；隨著充氣儲能過程的進行，儲氣室內壓力近似線性上升，且上升幅值穩定，充氣儲能結束時刻(約1.5 h)儲氣室內工質壓力最大值為3.32 MPa。

圖3 充氣過程儲氣室內壓力變化

3.2 儲氣室熱力學特性的瞬時分布云圖

對于本文所述實驗系統來說，由于充氣儲能過程約耗時1.5 h，采用數值模擬方法可獲得儲氣室溫度、壓力等熱力學特性瞬時分布云圖，對精確掌握儲氣室熱力學動態特性具有重要意義。

現以充氣儲能將要結束時刻展示儲氣室的壓力及外壁面溫度分布情況。圖4為充氣儲能將要結束時刻儲氣室內壁面及X截面處壓力的瞬時分布云圖。各儲氣室內壓力分布均勻，儲氣室2內工質的壓力略高于3內工質壓力。造成兩個儲氣室內工質壓力存在些許差異的原因在于兩儲氣室之間的連接管道直徑較小，工質在經儲氣室2進入3時存在少許的壓力損失，從而使儲氣室3內壓力略低于儲氣室2。

圖4 儲氣室內部壓力分布云圖

圖5為充氣儲能將要結束時刻儲氣室外壁面及X截面處溫度的瞬時分布云圖。儲氣室2、儲氣室3內工質的溫度整體分布呈現由上而下逐漸遞減的趨勢，儲氣室頂部與儲氣室底部溫度差值約為2 ℃左右。形成上述現象的原因在于儲氣室直接放置于實驗室地面上，隨著充氣充能過程的進行，儲氣室罐體溫度逐漸升高，儲氣室罐體底部通過儲氣室支撐腿向地面導熱，造成儲氣室體底部溫度較低；并且由于壓縮空氣由儲氣室2經連接管道進入儲氣室3時全過程都在向環境散熱，使得儲氣室2內壓縮空氣及儲氣室2的罐壁溫度都略高于儲氣室3。

圖5 儲氣室溫度分布云圖

3.3 不同因素影響

3.3.1 環境溫度

如圖6所示，在相同的其他邊界條件下，將儲氣室置于不同環境溫度下，在充氣儲能完成時刻(耗時約1.5 h)，儲氣室距地面1 m處外壁面溫度及內部工質的壓力。充氣儲能完成時，隨著環境溫度的升高，儲氣室外壁面溫度及內部工質的壓力均先不斷上升后趨于平緩。由于環境溫度升高，經壓氣機壓縮后進入儲氣室的工質溫度升高，導致儲氣室內壓縮空氣溫度升高，在相關換熱條件不變的前提下，最終使得儲氣室外壁面溫度升高，內部工質壓力也隨之小幅提高。

圖6 環境溫度對儲氣室外壁面溫度及內部壓力的影響規律

3.3.2 儲氣室充氣流量

如圖7所示為壓縮空氣儲能系統充氣儲能過程中，充氣流量對儲氣室內溫度、壓力的影響規律。隨著充氣流量的增加，儲氣室內壓力成線性增加，儲氣室內溫度先快速增加后增加幅度趨于平緩。充氣流量不斷增加，使壓氣機做功增加，壓氣機排氣溫度有所提升，且充氣流量不斷增加，單位時間內進入儲氣室的壓縮空氣內能不斷提升，儲氣室內溫度不斷升高。

圖7 充氣流量對儲氣室外壁面溫度及內部壓力的影響規律

3.3.3 儲氣室表面狀況

儲氣室壁面外掠風速、表面粗糙程度、臟污程度等表面狀況因素的變化均會使得其表面與周圍環境的換熱條件發生變化，進而影響儲氣室內部工質熱力學動態特性。而上述表面狀況實際上改變了儲氣室外壁面的換熱系數、發射率等換熱參數，因此有必要對不同換熱系數及發射率對儲氣室熱力學特性的影響進行討論。

如圖8所示，在相同的其他邊界條件下，僅改變儲氣室外壁面的換熱系數，在充氣儲能完成時刻(耗時約1.5 h)，儲氣室距地面1 m處外壁面溫度及內部工質的壓力。隨著換熱系數的增加，儲氣室內溫度及壓力均有小幅度的降低；且換熱系數越大，其影響作用也逐漸減弱。由于儲氣室外壁面與周圍環境的換熱系數增加，使得儲氣室的散熱量增加，導致儲氣室內工質的內溫度降低，儲氣室內工質的壓力也有所下降。

圖8 換熱系數對儲氣室外壁面溫度及內部壓力的影響規律

如圖9所示，在相同的其他邊界條件下，僅改變儲氣室外壁面的發射率，在充氣儲能完成時刻(耗時約1.5 h)，儲氣室距地面1 m處外壁面溫度及內部工質的壓力。隨著發射率的提高，儲氣室外壁面溫度及內部工質壓力均有所降低；且發射率越大，對儲氣室外壁面溫度的影響作用逐漸減弱。且發射率對儲氣室熱力學特性的作用機理與換熱系數類似，但相較于換熱系數對儲氣室熱力學特性的影響更小。

圖9 發射率對儲氣室內溫度、壓力的影響規律

4 結論

(1)以地上儲氣容器為研究對象，利用FLUENT模擬軟件建立了中小型壓縮空氣儲能系統三維非穩態模型，并對系統充氣儲能過程中儲氣室外壁面溫度分布及內部工質溫度、壓力的變化規律進行了模擬分析，并通過實驗的方法進行了正確性驗證。

(2)研究了系統充氣儲能過程中，不同環境溫度、儲氣室充氣流量、表面狀況及儲氣室自身條件等因素對儲氣室熱力學特性的影響規律。結果表明：環境溫度及儲氣室充氣流量對儲氣室的熱力學特性影響較為明顯，而儲氣室壁面的表面狀況對其熱力學特性的影響較小。