CAES電站儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究

高建強(qiáng)，莊緒增，敬 賽

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等可再生能源得到了快速發(fā)展。但由于可再生能源發(fā)電所固有的間歇性、不穩(wěn)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(tǒng)的波動(dòng)性、提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，規(guī)?；膬?chǔ)能技術(shù)已成為大規(guī)模利用可再生能源不可或缺的組成部分[1,2]。壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage,CAES)技術(shù)憑借其儲(chǔ)能容量大、響應(yīng)迅速、儲(chǔ)能效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展[3,4]。壓縮空氣儲(chǔ)能電站利用電網(wǎng)低品位電能或可再生能源電力驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室內(nèi)；在電網(wǎng)需求峰值時(shí)，壓縮空氣被釋放并加熱后進(jìn)入透平做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)“饋電”。

儲(chǔ)氣室是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中用于儲(chǔ)存壓縮空氣的設(shè)備，一般采用地下巖(鹽)洞、廢棄礦井、鋼制儲(chǔ)氣罐等；在中小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，一般采用地上鋼制儲(chǔ)氣容器作為儲(chǔ)存壓縮空氣的容器[5,6]。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度、壓力的變化規(guī)律不僅能保障其在安全狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)儲(chǔ)氣室的優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓氣機(jī)及透平等關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)化選型具有重要的影響[6]。

基于上述原因，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣室的熱力學(xué)性能。我國(guó)學(xué)者張遠(yuǎn)[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(chǔ)氣室熱力學(xué)模型，并基于熱力學(xué)定律對(duì)其在系統(tǒng)工作過(guò)程中的熱力學(xué)特性以及對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析；Mandhapati Raju[3]利用現(xiàn)有壓縮空氣儲(chǔ)能電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于質(zhì)量守恒與能量守恒定律擬合了系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，并將擬合結(jié)果與德國(guó)Huntorf電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；R. Kushnir[6]基于已提出的儲(chǔ)氣室熱力學(xué)模型，進(jìn)一步研究了儲(chǔ)氣室內(nèi)壁面的換熱系數(shù)、儲(chǔ)氣室儲(chǔ)層特性等不同參數(shù)對(duì)儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)溫度及壓力的變化規(guī)律；Xia[8]等提出了一種儲(chǔ)氣室簡(jiǎn)單傳熱分析解決方案，并假設(shè)儲(chǔ)氣室內(nèi)工質(zhì)的密度及儲(chǔ)氣室壁面溫度恒定的前提下，得到了儲(chǔ)氣洞穴的熱力學(xué)特性，并利用Huntorf電站的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。韓中合[9]等建立了壁面溫度恒定的非絕熱儲(chǔ)氣室模型，并分析了儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。綜上所述，現(xiàn)有研究主要針對(duì)地下礦洞類儲(chǔ)氣室進(jìn)行研究，針對(duì)采用鋼制容器作為儲(chǔ)氣室的系統(tǒng)涉及較少，且對(duì)涉及儲(chǔ)氣室本身結(jié)構(gòu)特征、內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)與外界環(huán)境共同作用下的儲(chǔ)氣室熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性的影響鮮有報(bào)道。

本文以壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中地上鋼制儲(chǔ)氣室為研究對(duì)象，將數(shù)值模擬應(yīng)用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣室的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性分析中，以詳細(xì)的物理數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用Gambit及ANSYS數(shù)值模擬軟件，分析壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種復(fù)雜因素影響下儲(chǔ)氣室及內(nèi)部工質(zhì)溫度、壓力的整體分布及變化規(guī)律，從而精確掌握儲(chǔ)氣室及內(nèi)部工質(zhì)的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。

1 研究對(duì)象

分布式電網(wǎng)的發(fā)展加速了儲(chǔ)能技術(shù)的步伐[10,11]，將地上儲(chǔ)氣容器作為儲(chǔ)氣室的中小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是適合分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能的重要技術(shù)之一[12,13]。在中小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過(guò)程中，地上儲(chǔ)氣容器內(nèi)溫度、壓力的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響尤為重要，采用合理的方法研究地上儲(chǔ)氣容器內(nèi)壓力、溫度的變化對(duì)系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化具有重要的意義。本文以課題組現(xiàn)有小型壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的地上鋼制儲(chǔ)氣室為研究對(duì)象，采用FLUENT數(shù)值模擬的方法，建立了儲(chǔ)氣室三維非穩(wěn)態(tài)模型，研究系統(tǒng)充氣儲(chǔ)能過(guò)程中外壁面整體溫度分布及內(nèi)部工質(zhì)溫度、壓力的變化規(guī)律。該小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)氣裝置為兩個(gè)1 m3的規(guī)則圓柱體儲(chǔ)氣罐，罐體直接放置于實(shí)驗(yàn)室地面上，儲(chǔ)氣罐外壁面無(wú)保溫措施且直接暴露于環(huán)境中，兩個(gè)儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)及材料完全相同，儲(chǔ)氣罐相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)氣室相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)儲(chǔ)氣室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及流動(dòng)特性，利用Gambit前處理軟件對(duì)儲(chǔ)氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。為提高儲(chǔ)氣室網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，將儲(chǔ)氣室罐體進(jìn)行分割，罐體上簡(jiǎn)單、規(guī)整的儲(chǔ)氣室主體及進(jìn)口管道等區(qū)域利用結(jié)構(gòu)化Cooper網(wǎng)格進(jìn)行劃分，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終劃分網(wǎng)格總數(shù)約為44萬(wàn)。儲(chǔ)氣室體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)氣室網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 計(jì)算方法

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型求解計(jì)算，并采用TECPLOT軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行圖像后處理。本文數(shù)值模擬采用三維非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型模擬湍流氣相流動(dòng)；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(dǎo)熱”的方法處理地上鋼制儲(chǔ)氣罐壁面與周圍環(huán)境的換熱，在充分考慮儲(chǔ)氣罐罐體熱阻的同時(shí)有效降低了網(wǎng)格數(shù)量、簡(jiǎn)化了模型；選取第五類Mixed邊界條件，充分考慮儲(chǔ)氣罐外壁面與周圍環(huán)境的對(duì)流與輻射換熱；由于儲(chǔ)氣罐底座安放于實(shí)驗(yàn)室地面上，需同時(shí)考慮儲(chǔ)氣罐底部與地面之間的熱傳導(dǎo)。由于完成一次充氣儲(chǔ)能過(guò)程需要耗時(shí)至少1.5 h，因此為確保在最大迭代步數(shù)內(nèi)收斂，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證后取0.01 s。此外，儲(chǔ)氣室初始換熱條件如表2所示。

表2 儲(chǔ)氣室初始換熱條件

儲(chǔ)氣罐外壁面與周圍環(huán)境空氣換熱時(shí)，環(huán)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(fā)生變化的模型能夠獲得更快的收斂速度，除了動(dòng)量方程中的浮力項(xiàng)，這種模型在其他的需要求解的方程中把密度視為常數(shù)。

(ρ-ρ0)·g≈-ρ0·β·(T-T0)·g

式中：ρ0為壓縮空氣的密度；T0為實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度；β為熱膨脹系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型正確性驗(yàn)證及儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性充氣全過(guò)程分析

在現(xiàn)有小型壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，利用K型熱電偶測(cè)量?jī)?chǔ)氣室距地面1 m處的外壁面溫度，利用安裝于儲(chǔ)氣室正上部的壓力表測(cè)量?jī)?nèi)部工質(zhì)的壓力。如圖2所示為系統(tǒng)充氣過(guò)程中，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在儲(chǔ)氣室距地面1 m處的外壁面溫度變化趨勢(shì)。由圖2可知，儲(chǔ)氣室各點(diǎn)處溫度模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)十分接近，因而數(shù)值模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確的反映儲(chǔ)氣室的外壁面溫度；在充氣儲(chǔ)能初始階段，儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度迅速上升，而后上升速度逐漸降低，最后儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度上升趨于平緩，且充氣儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)刻(約1.5 h)儲(chǔ)氣室內(nèi)工質(zhì)溫度最大值為331.06 K。

圖2 充氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度變化

如圖3所示為系統(tǒng)充氣過(guò)程中，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在儲(chǔ)氣室內(nèi)部工質(zhì)壓力的變化趨勢(shì)。由圖3可知，儲(chǔ)氣室內(nèi)部工質(zhì)壓力的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)十分接近，因而數(shù)值模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映儲(chǔ)氣室內(nèi)部工質(zhì)的壓力；隨著充氣儲(chǔ)能過(guò)程的進(jìn)行，儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力近似線性上升，且上升幅值穩(wěn)定，充氣儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)刻(約1.5 h)儲(chǔ)氣室內(nèi)工質(zhì)壓力最大值為3.32 MPa。

圖3 充氣過(guò)程儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力變化

3.2 儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的瞬時(shí)分布云圖

對(duì)于本文所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于充氣儲(chǔ)能過(guò)程約耗時(shí)1.5 h，采用數(shù)值模擬方法可獲得儲(chǔ)氣室溫度、壓力等熱力學(xué)特性瞬時(shí)分布云圖，對(duì)精確掌握儲(chǔ)氣室熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性具有重要意義。

現(xiàn)以充氣儲(chǔ)能將要結(jié)束時(shí)刻展示儲(chǔ)氣室的壓力及外壁面溫度分布情況。圖4為充氣儲(chǔ)能將要結(jié)束時(shí)刻儲(chǔ)氣室內(nèi)壁面及X截面處壓力的瞬時(shí)分布云圖。各儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力分布均勻，儲(chǔ)氣室2內(nèi)工質(zhì)的壓力略高于3內(nèi)工質(zhì)壓力。造成兩個(gè)儲(chǔ)氣室內(nèi)工質(zhì)壓力存在些許差異的原因在于兩儲(chǔ)氣室之間的連接管道直徑較小，工質(zhì)在經(jīng)儲(chǔ)氣室2進(jìn)入3時(shí)存在少許的壓力損失，從而使儲(chǔ)氣室3內(nèi)壓力略低于儲(chǔ)氣室2。

圖4 儲(chǔ)氣室內(nèi)部壓力分布云圖

圖5為充氣儲(chǔ)能將要結(jié)束時(shí)刻儲(chǔ)氣室外壁面及X截面處溫度的瞬時(shí)分布云圖。儲(chǔ)氣室2、儲(chǔ)氣室3內(nèi)工質(zhì)的溫度整體分布呈現(xiàn)由上而下逐漸遞減的趨勢(shì)，儲(chǔ)氣室頂部與儲(chǔ)氣室底部溫度差值約為2 ℃左右。形成上述現(xiàn)象的原因在于儲(chǔ)氣室直接放置于實(shí)驗(yàn)室地面上，隨著充氣充能過(guò)程的進(jìn)行，儲(chǔ)氣室罐體溫度逐漸升高，儲(chǔ)氣室罐體底部通過(guò)儲(chǔ)氣室支撐腿向地面導(dǎo)熱，造成儲(chǔ)氣室體底部溫度較低；并且由于壓縮空氣由儲(chǔ)氣室2經(jīng)連接管道進(jìn)入儲(chǔ)氣室3時(shí)全過(guò)程都在向環(huán)境散熱，使得儲(chǔ)氣室2內(nèi)壓縮空氣及儲(chǔ)氣室2的罐壁溫度都略高于儲(chǔ)氣室3。

圖5 儲(chǔ)氣室溫度分布云圖

3.3 不同因素影響

3.3.1 環(huán)境溫度

如圖6所示，在相同的其他邊界條件下，將儲(chǔ)氣室置于不同環(huán)境溫度下，在充氣儲(chǔ)能完成時(shí)刻(耗時(shí)約1.5 h)，儲(chǔ)氣室距地面1 m處外壁面溫度及內(nèi)部工質(zhì)的壓力。充氣儲(chǔ)能完成時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，儲(chǔ)氣室外壁面溫度及內(nèi)部工質(zhì)的壓力均先不斷上升后趨于平緩。由于環(huán)境溫度升高，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入儲(chǔ)氣室的工質(zhì)溫度升高，導(dǎo)致儲(chǔ)氣室內(nèi)壓縮空氣溫度升高，在相關(guān)換熱條件不變的前提下，最終使得儲(chǔ)氣室外壁面溫度升高，內(nèi)部工質(zhì)壓力也隨之小幅提高。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)氣室外壁面溫度及內(nèi)部壓力的影響規(guī)律

3.3.2 儲(chǔ)氣室充氣流量

如圖7所示為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)充氣儲(chǔ)能過(guò)程中，充氣流量對(duì)儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度、壓力的影響規(guī)律。隨著充氣流量的增加，儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力成線性增加，儲(chǔ)氣室內(nèi)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(jī)做功增加，壓氣機(jī)排氣溫度有所提升，且充氣流量不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入儲(chǔ)氣室的壓縮空氣內(nèi)能不斷提升，儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度不斷升高。

圖7 充氣流量對(duì)儲(chǔ)氣室外壁面溫度及內(nèi)部壓力的影響規(guī)律

3.3.3 儲(chǔ)氣室表面狀況

儲(chǔ)氣室壁面外掠風(fēng)速、表面粗糙程度、臟污程度等表面狀況因素的變化均會(huì)使得其表面與周圍環(huán)境的換熱條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響儲(chǔ)氣室內(nèi)部工質(zhì)熱力學(xué)動(dòng)態(tài)特性。而上述表面狀況實(shí)際上改變了儲(chǔ)氣室外壁面的換熱系數(shù)、發(fā)射率等換熱參數(shù)，因此有必要對(duì)不同換熱系數(shù)及發(fā)射率對(duì)儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的影響進(jìn)行討論。

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

圖8 換熱系數(shù)對(duì)儲(chǔ)氣室外壁面溫度及內(nèi)部壓力的影響規(guī)律

如圖9所示，在相同的其他邊界條件下，僅改變儲(chǔ)氣室外壁面的發(fā)射率，在充氣儲(chǔ)能完成時(shí)刻(耗時(shí)約1.5 h)，儲(chǔ)氣室距地面1 m處外壁面溫度及內(nèi)部工質(zhì)的壓力。隨著發(fā)射率的提高，儲(chǔ)氣室外壁面溫度及內(nèi)部工質(zhì)壓力均有所降低；且發(fā)射率越大，對(duì)儲(chǔ)氣室外壁面溫度的影響作用逐漸減弱。且發(fā)射率對(duì)儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的作用機(jī)理與換熱系數(shù)類似，但相較于換熱系數(shù)對(duì)儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的影響更小。

圖9 發(fā)射率對(duì)儲(chǔ)氣室內(nèi)溫度、壓力的影響規(guī)律

4 結(jié)論

(1)以地上儲(chǔ)氣容器為研究對(duì)象，利用FLUENT模擬軟件建立了中小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)三維非穩(wěn)態(tài)模型，并對(duì)系統(tǒng)充氣儲(chǔ)能過(guò)程中儲(chǔ)氣室外壁面溫度分布及內(nèi)部工質(zhì)溫度、壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了正確性驗(yàn)證。

(2)研究了系統(tǒng)充氣儲(chǔ)能過(guò)程中，不同環(huán)境溫度、儲(chǔ)氣室充氣流量、表面狀況及儲(chǔ)氣室自身?xiàng)l件等因素對(duì)儲(chǔ)氣室熱力學(xué)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：環(huán)境溫度及儲(chǔ)氣室充氣流量對(duì)儲(chǔ)氣室的熱力學(xué)特性影響較為明顯，而儲(chǔ)氣室壁面的表面狀況對(duì)其熱力學(xué)特性的影響較小。