儲氣室熱力學(xué)特性對AA-CAES性能的影響

韓中合，龐永超

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儲氣室熱力學(xué)特性對AA-CAES性能的影響

韓中合，龐永超

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北保定 071003）

儲氣室是先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（AA-CAES）中主要的儲氣裝置，其特性對儲氣室內(nèi)空氣的溫度和壓力變化有重要影響。為了更加準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)運行過程中儲氣室內(nèi)空氣的熱力變化過程并探究儲氣室熱力學(xué)特性對系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，本文建立壁面溫度恒定的非絕熱儲氣室模型，聯(lián)合系統(tǒng)其他部件模型，求解AA-CAES系統(tǒng)熱力學(xué)模型。分析模型求解結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)下，儲能效率為0.5839，儲能密度為1.5954 kW·h/m3，在運行過程中儲氣室整體表現(xiàn)為對外放熱；絕熱模型下系統(tǒng)儲能效率最高，恒溫模型下系統(tǒng)儲能密度最大，在實際運行中系統(tǒng)性能參數(shù)較低，因此儲氣室熱力特性有待優(yōu)化；提高儲能和釋能功率可以使儲能效率提升，其中儲能功率變化對儲能效率的影響更大。

先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)；儲氣室；對流換熱系數(shù)；儲能效率

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，社會對能源的依賴程度不斷提高，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)和利用已經(jīng)引起高度關(guān)注。在2000—2010十年間，世界范圍內(nèi)風(fēng)電裝機容量約以每年28%的均速增加，截至到2014年末，全球風(fēng)電總裝機容量約為369.553GW[1-2]。但由于可再生能源具有間歇性與不穩(wěn)定性的特點，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電會對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此棄風(fēng)、棄光限電現(xiàn)象較為嚴(yán)重[3]。棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象造成大量可再生能源的浪費，使可再生能源的利用率降低，同時造成巨大的經(jīng)濟損失。大規(guī)模儲能技術(shù)能夠?qū)⒉▌有?、間歇性較強的新能源電力“拼接”起來，因此成為工程與學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點[4]。

AA-CAES是一種利用壓縮空氣存儲能量的技術(shù)，具有儲能容量大、安全系數(shù)高、響應(yīng)速度快、循環(huán)效率高等優(yōu)點[5]。儲氣室作為存儲高壓空氣的主要設(shè)備，其熱力學(xué)性能對AA-CAES有重要影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對儲氣室模型進行了研究。文獻[6]提出4種儲氣室模型，并分析在不同模型下儲能系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。但4種模型中假設(shè)儲氣室壁面絕熱或儲氣室內(nèi)溫度恒定，這與實際情況存在偏差。為了研究系統(tǒng)運行過程中儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化情況，文獻[7-9]基于能量和質(zhì)量守恒定律，建立了數(shù)值求解模型和近似解析計算模型，并且將計算結(jié)果與 Huntorf 電站實驗數(shù)據(jù)進行比較，以此驗證模型的準(zhǔn)確性。上述文獻對孤立的儲氣室模型進行了詳細研究，得到了儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化規(guī)律?；趦馐夷Ｐ偷难芯砍晒疚闹饕芯績馐覠崃W(xué)特性對AA-CAES系統(tǒng)性能的影響，為儲氣室的設(shè)計和優(yōu)化提供 參考。

1 儲氣室熱力學(xué)模型分析

儲氣室是AA-CAES系統(tǒng)中主要的儲氣裝置，其熱力學(xué)模型的建立對儲氣室內(nèi)空氣溫度、壓力等參數(shù)的計算有較大影響，進而對系統(tǒng)儲能效率、儲能密度等性能參數(shù)產(chǎn)生影響。儲氣裝置多為地下儲氣室或人工儲氣鋼瓶，對于大規(guī)模儲能的AA-CAES系統(tǒng)，可以選取天然或人工開鑿的鹽洞、天然氣田、地下蓄水層和廢棄的礦洞作為儲氣室。

一般情況下，儲氣室為恒容且非絕熱的，其內(nèi)部空氣的熱力狀態(tài)變化過程可以分為3個階段：儲能階段、儲釋能間隔階段、釋能階段。在不同階段，由于空氣流入、流出以及空氣與儲氣室壁面的換熱，空氣狀態(tài)會發(fā)生變化。為了簡化模型，進行如下假設(shè)[9]：①空氣視為理想氣體，變化過程滿足理想氣體狀態(tài)方程；②忽略儲氣室在系統(tǒng)運行過程中的漏氣；③儲氣室壁面溫度恒定。

為了研究系統(tǒng)運行過程中儲氣室的熱力特性，取儲氣室空間為控制體CV（如圖1）。

在系統(tǒng)運行過程中，由熱力學(xué)第一定律可得：

式中，為儲氣室內(nèi)空氣與壁面換熱量；dCV為儲氣室空氣熱力學(xué)能變化；inout為進、出儲氣室空氣焓值；min、mout為進、出儲氣室的空氣質(zhì)量；為儲氣室內(nèi)空氣與環(huán)境交換的功量。

在儲能階段，沒有空氣流出儲氣室，儲氣室與外部亦無功量交換，即mout與均為0，則式(1)可簡化為式(2)。

式中，為儲氣室內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；為儲氣室內(nèi)單位質(zhì)量空氣熱力學(xué)能，J/kg；in為儲氣室入口空氣焓值，J/kg；為儲氣室內(nèi)空氣與壁面的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為儲氣室表面積，m2；rw為儲氣室壁面溫度，K；為儲氣室內(nèi)空氣溫度，K。

對流換熱系數(shù)可由式(3)求得[8]。

(4)

式中，eff為有效換熱系數(shù)，W/(m3K)；為儲氣室體積，m3；in、out為儲氣室進出口空氣流量，kg/s。

以環(huán)境溫度0時空氣焓值為基準(zhǔn)點，對于理想氣體有如下關(guān)系[6]，見式(5)～(7)。

(6)

(7)

式中，c為定壓比熱容，J/(kg·K)；c為定容比熱容，J/(kg·K)；g為空氣氣體常數(shù)；0為環(huán)境溫 度，K。

將式(5)、式(6)和式(7)代入式(2)可得儲能階段儲氣室內(nèi)壓力隨時間變化情況，如式(8)。

式中，為儲氣室內(nèi)空氣壓力；in為儲氣室入口空氣溫度，K。

式(7)兩邊同除以d可得式(9)。

將式(9)代入式(8)，可得儲能階段儲氣室內(nèi)溫度隨時間變化情況，見式(10)。

(10)

在儲釋能間隔階段，設(shè)持續(xù)時間為Δ，在此時間段內(nèi)壓氣機與膨脹機均不工作，但由于儲氣室內(nèi)空氣與壁面的換熱，仍需考慮溫度、壓力變化情況。式(2)可簡化為式(11)。

與儲能階段相似，儲釋能間隔階段儲氣室內(nèi)壓力、溫度與時間的關(guān)系如式(12) 、(13)。

(12)

釋能階段，儲氣室內(nèi)壓力、溫度與時間的關(guān)系如式(14)、(15)。

(14)

2 實例分析

以上述儲氣室模型為基礎(chǔ)，為了分析儲氣室熱力學(xué)特性對AA-CAES性能的影響，參考Huntorf電站主要運行參數(shù)對系統(tǒng)模型進行求解[10]。

以表1參數(shù)為例，結(jié)合分析得到的儲氣室熱力學(xué)模型，求解AA-CAES系統(tǒng)中壓氣機、膨脹機、蓄熱系統(tǒng)、儲氣室等主要設(shè)備的熱力學(xué)模型，可得系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如表2所示。AA-CAES系統(tǒng)儲能效率為0.5839，蓄熱系統(tǒng)儲熱效率為0.6104。儲氣室設(shè)計壓力為4.3～6.6MPa時，儲能密度為1.5954kW·h/m3。在運行過程中，儲氣室內(nèi)溫度和壓力變化情況如圖2所示。

儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化情況可以分為3個階段：儲能階段、儲釋能間隔階段和釋能階段。在儲能階段，空氣的溫度和壓力均升高，其中空氣壓力近似呈線性升高，溫度升高但趨勢逐漸變緩。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程g，儲氣室內(nèi)的空氣質(zhì)量近似呈線性增長，空氣溫度變化不大，儲氣體積維持不變，因此在儲能階段空氣壓力跟隨質(zhì)量近似呈線性增加。通過計算可得，儲氣室進口空氣溫度由385.1K逐漸升高到401.6K，均高于儲氣室內(nèi)空氣初始溫度323K，隨著高壓高溫空氣的進入，儲氣室內(nèi)的溫度逐漸升高。同時由于空氣與儲氣室壁面的溫差增大，空氣對外放熱的熱流量逐漸增大，導(dǎo)致溫度升高的趨勢逐漸變緩。在儲釋能間隔階段，由于空氣溫度高于儲氣室壁面溫度，空氣向壁面放熱，因此空氣溫度和壓力略有下降。在釋能階段，儲氣室內(nèi)空氣進入膨脹機做功，空氣質(zhì)量迅速降低，導(dǎo)致壓力和溫度也迅速降低。在結(jié)束時刻，空氣壓力恢復(fù)到初始值，溫度低于初始值。

表1 AA-CAES設(shè)計參數(shù)

表2 AA-CAES系統(tǒng)性能指標(biāo)

在運行過程中，儲氣室內(nèi)空氣與壁面的換熱情況如圖3所示。初始時刻，空氣溫度與壁面溫度相同，熱流量為0。隨著空氣流入，儲氣室內(nèi)空氣溫度逐漸升高，與壁面的溫差逐漸增大，空氣與儲氣室壁面的熱流量逐漸增大，在儲能結(jié)束時刻，熱流量最大。在儲釋能間隔階段，由于沒有空氣進出，儲氣室內(nèi)空氣流速降低，導(dǎo)致對流換熱系數(shù)減小，因此對外放熱的熱流量也迅速降低。并且，隨著空氣溫度的降低，與壁面的溫差減小，也會導(dǎo)致熱流量降低。在釋能階段，空氣流量迅速增大，對流換熱系數(shù)也迅速增大，熱流量隨之增大。但隨著儲氣室內(nèi)空氣溫度的降低，熱流量逐漸下降，當(dāng)空氣溫度降到壁面溫度以下時，儲氣室由放熱狀態(tài)變?yōu)槲鼰釥顟B(tài)。

3 結(jié)果與討論

儲氣室熱力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化情況[7-8]，通過分析影響儲氣室特性的因素，可以進一步研究儲氣室熱力學(xué)特性對AA-CAES系統(tǒng)的影響。

3.1 對流換熱系數(shù)對AA-CAES性能的影響

對流換熱系數(shù)是影響儲氣室內(nèi)空氣與壁面換熱的主要因素，在以往的研究中，通常假設(shè)儲氣室壁面絕熱（=0）或儲氣室內(nèi)溫度恒定（=∞）。在實際情況中，壁面是非絕熱的，空氣與壁面按照一定的對流換熱系數(shù)進行熱量傳遞。為了分析儲氣室壁面?zhèn)鳠崮芰ο到y(tǒng)性能的影響，通過改變的大小，得到系統(tǒng)性能隨的變化情況。

圖4、圖5表示在不同對流換熱系數(shù)時，儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力變化情況。當(dāng)壁面處于絕熱狀態(tài)（=0）時空氣與壁面不進行熱量交換。因此在儲能階段，空氣溫度和壓力上升最快，近似呈線性變化。在儲釋能間隔階段，空氣壓力和溫度保持不變，此階段的儲氣室與外界沒有能量和質(zhì)量交換。在釋能階段，絕熱模型下空氣溫度和壓力線性下降。此外，在運行結(jié)束時刻，儲氣室內(nèi)空氣壓力恢復(fù)到初始壓力，而空氣溫度高于初始溫度。

在恒溫模型（=∞）下，儲氣室內(nèi)溫度在各個階段保持不變，空氣與壁面換熱良好。此時儲氣室內(nèi)壓力升高速度最慢，系統(tǒng)運行時間最長。在儲釋能間隔階段，由于空氣溫度與壁面溫度相等，沒有熱量傳遞，所以空氣壓力保持不變。

對于空氣與壁面按照一定的對流換熱系數(shù)進行熱量傳遞的情況，儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化隨的增大表現(xiàn)出漸變規(guī)律。在儲能階段，隨著增大，空氣與壁面的換熱效果增強，空氣溫度上升的速度逐漸變緩，當(dāng)足夠大時，儲能階段后期空氣溫度趨于平穩(wěn)。同時，隨著增大空氣壓力升高速度逐漸降低，壓力升高到設(shè)計最高壓力的時間也逐漸增加。在儲釋能間隔階段，由于向壁面釋放熱量，空氣壓力和溫度會略有降低。并且越大間隔階段結(jié)束時刻空氣溫度越接近儲氣室壁面溫度。與實際模型相比，由于忽略空氣流速對換熱系數(shù)的影響，導(dǎo)致溫度和壓力變化存在微小的偏差。在釋能階段，空氣溫度均降低，這是因為儲氣室內(nèi)空氣質(zhì)量減少，壓力降低，導(dǎo)致空氣膨脹降溫。但當(dāng)溫度低于壁面溫度323K時，隨著增大，溫度降低的速率逐漸變緩，這是由于壁面向空氣傳遞熱量，空氣由原來的放熱狀態(tài)變?yōu)槲鼰釥顟B(tài)。

對流換熱系數(shù)對系統(tǒng)儲能效率和儲能密度的影響如圖6所示。絕熱模型下系統(tǒng)儲能效率最高，可以達到0.69。在從0增大到26 W/(m2·K)的過程中，儲能效率迅速下降，最低為0.54。隨著進一步增大，儲能效率逐漸上升然后趨于穩(wěn)定值0.626。對流換熱系數(shù)的大小也會對儲能密度造成影響。在絕熱模型下，儲能密度較低，為1.594 kW·h/m3，隨著對流換熱系數(shù)的增大，儲能密度略有下降，當(dāng)大于6W/(m2·K)時，儲能密度開始升高，最終趨于穩(wěn)定值2.47kW·h/m3。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)對AA-CAES性能有很大影響。在理想的絕熱模型下，儲能效率達到最高值0.69，但此時系統(tǒng)儲能密度較低，僅為1.594kW·h/m3。在理想的恒溫模型下，儲能密度高達2.47kW·h/m3，但此時系統(tǒng)儲能效率只能達到0.626。在實際模型下，系統(tǒng)儲能效率為0.5839，儲能密度為1.5954kW·h/m3。對比兩種理想模型，AA-CAES在實際儲氣室模型下的儲能效率和儲能密度均偏低。因此在儲氣室優(yōu)化設(shè)計時，有兩種路徑可以選擇：絕熱儲氣室方向和恒溫儲氣室方向。在具體選擇儲氣室優(yōu)化方式時，還需要綜合考慮系統(tǒng)單位功率建設(shè)和運行成本以及儲氣室材料導(dǎo)熱性能等因素。

蘇秋琴將癩阿小從柳紅身上移開，見他無聲無息的，她就用腳踢踢他，也沒有動靜，蘇秋琴不免驚慌起來，這家伙不會被我砸死了吧？她叫柳紅，柳紅卻傻呆呆地坐在地上，兩眼朝著她放火。這鬼天氣，熱得人都發(fā)瘋了。蘇秋琴攀住柳紅的雙肩拼命地搖，柳紅嗖地站起身來，撿了一塊西瓜，狠狠地拍到癩阿小的臉上。

3.2 儲釋能功率對AA-CAES性能的影響

根據(jù)3.1節(jié)分析，對流換熱系數(shù)會影響AA-CAES性能。由式(3)、式(4)可知，在儲能和釋能階段對流換熱系數(shù)受到空氣流量的影響，而空氣流量與壓氣機和膨脹機的功率有關(guān)，因此需要分析儲釋能功率對AA-CAES性能的影響。圖7、圖8表示儲釋能功率改變時，儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化情況。當(dāng)壓氣機功率c變化時，膨脹機功率t=100MW，當(dāng)膨脹機功率t變化時，壓氣機功率c= 60MW。

當(dāng)儲能功率增大時，空氣流量增大，導(dǎo)致儲氣室內(nèi)對流換熱系數(shù)增大。由于流量增大，儲氣室內(nèi)空氣升溫升壓的速度加快，達到儲氣室壓力上限的時間縮短。雖然對流換熱系數(shù)增大，但空氣與儲氣室壁面的換熱時間縮短，空氣的熱量來不及向外界傳遞，因此在儲能階段結(jié)束時刻，儲氣室內(nèi)空氣溫度略有升高。在釋能階段，隨著釋能功率的增大，空氣流量逐漸增大，儲氣室溫度和壓力下降的速度也加快，釋能階段運行時間縮短。釋能階段運行時間縮短，導(dǎo)致向儲氣室壁面的散熱較少，結(jié)束時刻儲氣室溫度略有升高。

改變儲釋能功率會對儲氣室內(nèi)溫度和壓力變化產(chǎn)生影響，AA-CAES性能也隨之發(fā)生變化。圖9表示儲釋能功率對儲能效率的影響。可以看出，隨著儲能功率和釋能功率的升高，儲能效率也會稍有升高，同時儲能功率變化對儲能效率的影響更大。這是由于隨著功率的增大，儲能和釋能階段消耗的時間減少，雖然對流換熱系數(shù)變大，但在綜合影響下儲氣室內(nèi)高溫空氣向壁面散失的熱量降低，更多的能量用于在膨脹機中做功，因此儲能效率提升。

4 結(jié)論

本文對AA-CAES中儲氣室熱力學(xué)模型進行分析和求解，得到系統(tǒng)運行過程中儲氣室內(nèi)溫度和壓力的變化情況，并分析了對流換熱系數(shù)以及儲釋能功率對系統(tǒng)性能的影響，得到以下結(jié)論。

（1）系統(tǒng)經(jīng)過一次完整的儲釋能循環(huán)，儲能效率為0.5839，儲能密度為1.5954kW·h/m3，儲氣室內(nèi)空氣最高溫度為362.1K。在儲能和儲釋能間隔階段空氣向壁面放熱，在釋能階段空氣先向壁面放熱，當(dāng)空氣溫度低于壁面溫度時轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰釥顟B(tài)。

（2）對流換熱系數(shù)會影響儲氣室內(nèi)空氣溫度和壓力的變化規(guī)律，進而對AA-CAES儲能效率、儲能密度等性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。

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Influence of thermodynamic properties of air storage chamber on the performance of AA-CAES

HAN Zhonghe，PANG Yongchao

（Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment (North China Electric Power University)，Ministry of Education，Baoding 071003，Hebei，China）

Air storage chamber is the main gas storage device in the AA-CAES，and its properties have important impact on the variation of the air temperature and pressure. To describe the thermal variation of air during the operation process and accurately explore the influence of the thermodynamic properties on the system performance，a model of diabatic storage chamber with constant wall temperature was established in this paper. The results show that the designed chamber had the energy storage efficiency of 0.58 and has the energy storage density of 1.59kW·h/m3. The overall performance of the air storage chamber in the operation process is exothermic. Highest energy storage efficiency was obtained with the adiabatic model，and the energy storage density reached maximal under the constant temperature model. However the system performance parameters were lower in the actual operation，so the thermal properties of the air storage chamber need to be optimized. The energy storage efficiency can be improved by increasing the amount of energy storage and power released. It was found that the change of storage power had greater effect on storage efficiency.

AA-CAES；air storage chamber；convective heat transfer coefficient；energy storage efficiency

TK82

A

1000–6613（2017）01–0047–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.006

2016-05-23；修改稿日期：2016-05-29。

國家自然科學(xué)基金項目（51076044）。

韓中合（1964—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向為熱力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及新能源開發(fā)利用。E-mail：hanzhong_he@126.com。