抽水蓄能電站壓水氣系統中壓儲氣罐排污工況致氣罐噪聲的數值模擬研究

孫 遜，龍 哲，劉啟明，毛思宇

（1.浙江磐安抽水蓄能有限公司，浙江省金華市 322300；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

抽水蓄能技術經過多年的發展，已成為當今最為成熟可靠、經濟高效的物理儲能設施[1]。短期來看，抽水蓄能仍能以其低廉的成本、完善的運營機制，占領大規模大容量的儲能市場[2]。抽水蓄能電站通過在多種工況之間快速頻繁轉換，完成平滑負荷、削峰填谷的重要任務，大大提高了常規電力系統及能源系統的綜合利用效率和供電安全可靠性[3]。而壓水氣系統是抽水蓄能機組實現調相運行及水泵工況啟動的核心，該系統通過在轉輪室內注入中壓壓縮空氣將水位壓至轉輪以下，使轉輪在空氣中旋轉，機組得以快速啟動、平穩運行[4]。壓水氣系統的高壓空氣貯存于中壓儲氣罐之中，于排氣壓水工況及排污工況中快速膨脹釋放，使得罐體迅速降溫[5，6]，并且產生一定程度的噪聲污染[7]，但尚不清楚針對壓水氣系統排污工況罐內的流場及噪聲特征。圖1展示了中壓儲氣罐及其附屬設施的基本情況，壓水氣系統中壓儲氣罐排污工況，是指氣罐在定期維護時，短暫打開氣罐排污閥門，排出氣罐底部沉積雜質的過程，該過程的特點是時間短、壓力高。在某抽水蓄能電站建設過程中，對中壓儲氣罐排污工況進行調試時，發現氣罐噪聲強度極大，以至于附近工作人員產生明顯不適感。因此，本文對壓水氣系統中壓儲氣罐排污工況進行數值模擬，探討氣罐流場、聲源位置及噪聲發生機理，為其后續優化設計提供指導。

圖1 某電站中壓儲氣罐及其附屬設施結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of medium-pressure gas storage tank and its auxiliary facilities in a power station

1 模擬方案

1.1 湍流模型及計算聲學理論

1.1.1 湍流模型

大渦模擬的基本原理是以特定的分辨尺度分解湍流流場，對大于分辨尺度的脈動直接用N-S方程求解，而對小于分辨尺度脈動建立模型封閉于求解方程組中。不同尺度流動的區分依靠濾波來實現。將N-S方程在物理空間濾波得到的控制方程為[8]：

式中：xi、xj為坐標分量；、為濾波后壓強為濾波后流速分量；為濾波后壓強；ρ、ν分別為流體密度和運動黏性系數；為亞格子應力。

由于SST湍流模型對模擬流速大范圍變化的問題具有良好的適應能力，因此非常適合模擬可壓縮氣體充放氣問題[9]。SST模型的控制方程為：

式中：κ為湍動能；Pκ為湍流生成速率；均為常數；ω為湍流頻率；F1為混合函數。

1.1.2 聲學基本概念

本文從聲壓級和聲強級兩個角度對系統氣動噪聲進行分析，由于人耳能聽到的聲強范圍很廣，用聲壓或者聲強的絕對值來判斷聲音的強弱非常不便，因此引入聲壓級、聲強級。聲壓級的表達式為：

式中：Pe為測得聲壓；Pref為參考聲壓，式中參考聲壓取2×10-5Pa，為人耳能感知最低聲壓。

聲強級的表達式為：

式中：I為測得聲強；Iref為參考聲強，式中參考聲強取10-12W/m2。

1.2 模型設置與網格無關性驗證

本文對某抽水蓄能電站的壓水氣系統排污工況進行仿真，模擬所用流域建模如圖2所示。模擬采用全通道模型，保留了高壓氣罐到排氣側墻體的全部管路結構，并使用結構化網格進行空間離散，如圖3所示。

圖2 排污工況全通道模擬模型Figure 2 Full channel simulation model of sewage discharge condition

圖3 排空工況和排污工況全通道模擬網格Figure 3 Full channel simulation grid for emptying and discharging conditions

目前，由于缺乏抽水蓄能電站壓水氣系統壓力容器的內流數據，通過校驗文獻[10]中數據，驗證湍流模型選擇的合理性。根據文獻[10]中氣罐尺寸和排氣條件，分別使用節點數量為300萬、400萬、500萬、600萬個的結構化網格進行數值模擬，模擬結果顯示，在罐內氣壓力高于0.35MPa時，本文數據與文獻[10]較為擬合，但在氣體壓力小于0.35MPa時，數據偏差較大。考慮到壓水氣系統的絕對壓力遠高于低壓排氣范圍，且高壓區域數據高度一致，選擇將本文模擬方案用于模擬壓水氣系統的中高壓排氣工況。

另外，采用不用網格方案的模擬結果基本一致，說明使用500萬個節點的網格，即可令此項驗證工作滿足網格無關性要求。文獻[10]氣罐總體積為13.07L，使用500萬個結構化網格時壁面網格高度為0.01mm，邊界層網格增長指數為1.3，高速流域平均分辨率為4mm、低速流域平均分辨率為20mm。考慮到壓水氣系統排氣壓水過程與此項驗證模擬的問題屬性一致，認為在模擬壓水氣系統時，使用以上網格分布規律，亦可滿足網格無關性要求。因此，最終模擬壓水氣系統使用的網格節點數量總計為605萬個。

1.3 排污工況邊界條件

在排污工況中，排污管路截止閥開啟，排空管路截止閥關閉，初始壓力為8MPa的壓縮空氣由高壓氣罐沿管路排至排氣側墻體中，通過墻體底部出口排入外界環境；氣罐外環境溫度為20℃，考慮外壁面的空氣自然對流，傳熱系數約為50W/（m2·K）。表1列出了排污工況模擬所用關鍵參數，模擬過程與邊界條件設置與實際情況保持一致（排空管路截止閥關閉，排污管路截止閥和電磁閥為全開狀態）。在模擬過程中添加interface面，通過設置interface的開關來模擬閥門的通斷。在排污管路截止閥出口添加interface面，將位于interface上游的管路命名為上游管路，位于interface下游的管路命名為下游管路。

表1 排污工況模擬參數設置列表Table 1 Sewage condition simulation parameter setting list

對于系統內氣動噪聲的求解，采用計算流體力學（computational fluid dynamic，CFD）進行聲源計算，然后采用有限元法（finite element method，FEM）對內部聲場進行求解。其中，聲源計算采用LES大渦模擬，計算時間步長為0.00002s，總計算時長為0.5s。聲場計算中，內部流體物性參數同理想空氣，系統外殼物性參數同304不銹鋼，其中，楊氏模量為194GPa，泊松比為0.3，密度為7.93g/cm3，厚度為5mm。分析頻率為0～10000Hz，其中，0～600Hz范圍內每隔50Hz分析一次，600～6000Hz范圍內每隔200Hz分析一次，6000～10000Hz每隔400Hz分析一次。

2 中壓儲氣罐排污工況數值模擬研究

2.1 氣罐測點設置

為探究排污過程中壓縮空氣的流動狀態，在系統中布置了若干數據監測點。其中，用于記錄氣罐數據變化的監測點如圖4所示，沿氣罐高度方向的軸線布置測點，測點間距為350mm，記錄參數主要為壓力數據（P）、溫度數據（T）和密度數據（D）。

2.2 氣罐流場模擬結果分析

圖5展示了排污工況下氣罐內部測點以及氣罐出口截面的參數變化情況，其中，在排污時間內氣罐內壓力持續降低，排污工況結束時，氣罐平均壓力由初始的8MPa降為7.94MPa。從宏觀上看，同一時刻各測點的測量值基本一致，說明在整個排空過程中，氣罐內部沒有劇烈的壓力梯度產生，這意味著氣罐內部氣體的膨脹過程十分平緩或膨脹程度有限。氣罐平均溫度略有降低，排污過程中氣罐的降溫速率約為0.09℃/s。由于氣罐內空氣密度主要受壓力影響，因此，在空間上氣罐的密度變化過程與壓力變化類似，在排污過程始末由初始的95.1kg/m3降為 94.5kg/m3。

而氣罐內壓力分布仍存在一些空間上的差異：氣罐出口處測點的壓力最低，隨著測點高度的增加，測點的壓力數據先增大，隨后緩慢下降。這是由于氣罐出口處截面縮小而使氣流降壓升速，同時其余測點速度基本相同，根據伯努利定理，隨著高度升高，壓力會逐漸減小。排污過程中，除氣罐出口截面和靠近出口的測點1具有較高速度外，罐內其余位置的速度幾乎為0。說明氣罐除出口附近的其他位置流動較為穩定，保持極低速流動狀態（見圖6）。

圖6 氣罐軸截面速度云圖Figure 6 Velocity cloud image of cylinder shaft section

2.3 氣罐聲場模擬結果分析

氣罐出口測點布置如圖7所示，圖8為測點位置的聲強頻率響應圖，由圖可見，聲強級在頻率150Hz時達到頂峰，其中，x軸方向聲強級為103.7dB，y軸方向的聲強級為106.8dB。

圖7 聲場計算中氣罐測點布置Figure 7 Gas tank measuring point arrangement in sound field calculation

圖8 氣罐出口測點聲強級Figure 8 Sound intensity level of gas tank outlet measuring point

通過圖9可知，氣罐出口聲壓級峰值頻率同樣為150Hz，聲強級達到139.1dB，頻譜在200～10000Hz頻段分布較為均勻。圖10為150Hz頻率下的氣罐總聲強級分布云圖，可以看出，氣罐出口處為氣罐主要噪聲源。

圖9 氣罐出口測點聲壓級Figure 9 Sound pressure level at tank outlet measuring point

圖10 頻率150Hz下的氣罐聲強級云圖Figure 10 Cloud image of sound intensity level of gas tank at 150Hz

3 結論

本文通過對中壓儲氣罐及其附屬設施排污工況進行全通道非穩態數值模擬，使用近場噪聲分析方法探討了排污工況中儲氣罐內氣動噪聲的分布。結果顯示，壓水氣系統排污工況運行時，除氣罐出口附近外，其余位置均保持極低流動狀態，氣罐平均溫度、壓力和密度略有降低，而氣罐噪聲問題較為嚴重，在150Hz頻率下的聲強級較高，其中氣罐出口處為氣罐主要噪聲源，排污工況氣罐的噪聲問題會對系統的穩定性和工作人員的安全構成較大威脅，需要通過進一步優化解決上述問題。