抽水蓄能電站壓水氣系統(tǒng)中壓儲(chǔ)氣罐排污工況致氣罐噪聲的數(shù)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(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

抽水蓄能技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為當(dāng)今最為成熟可靠、經(jīng)濟(jì)高效的物理儲(chǔ)能設(shè)施[1]。短期來看，抽水蓄能仍能以其低廉的成本、完善的運(yùn)營(yíng)機(jī)制，占領(lǐng)大規(guī)模大容量的儲(chǔ)能市場(chǎng)[2]。抽水蓄能電站通過在多種工況之間快速頻繁轉(zhuǎn)換，完成平滑負(fù)荷、削峰填谷的重要任務(wù)，大大提高了常規(guī)電力系統(tǒng)及能源系統(tǒng)的綜合利用效率和供電安全可靠性[3]。而壓水氣系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組實(shí)現(xiàn)調(diào)相運(yùn)行及水泵工況啟動(dòng)的核心，該系統(tǒng)通過在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)注入中壓壓縮空氣將水位壓至轉(zhuǎn)輪以下，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，機(jī)組得以快速啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行[4]。壓水氣系統(tǒng)的高壓空氣貯存于中壓儲(chǔ)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(chǎn)生一定程度的噪聲污染[7]，但尚不清楚針對(duì)壓水氣系統(tǒng)排污工況罐內(nèi)的流場(chǎng)及噪聲特征。圖1展示了中壓儲(chǔ)氣罐及其附屬設(shè)施的基本情況，壓水氣系統(tǒng)中壓儲(chǔ)氣罐排污工況，是指氣罐在定期維護(hù)時(shí)，短暫打開氣罐排污閥門，排出氣罐底部沉積雜質(zhì)的過程，該過程的特點(diǎn)是時(shí)間短、壓力高。在某抽水蓄能電站建設(shè)過程中，對(duì)中壓儲(chǔ)氣罐排污工況進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣罐噪聲強(qiáng)度極大，以至于附近工作人員產(chǎn)生明顯不適感。因此，本文對(duì)壓水氣系統(tǒng)中壓儲(chǔ)氣罐排污工況進(jìn)行數(shù)值模擬，探討氣罐流場(chǎng)、聲源位置及噪聲發(fā)生機(jī)理，為其后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖1 某電站中壓儲(chǔ)氣罐及其附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)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(jì)算聲學(xué)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(chǎng)，對(duì)大于分辨尺度的脈動(dòng)直接用N-S方程求解，而對(duì)小于分辨尺度脈動(dòng)建立模型封閉于求解方程組中。不同尺度流動(dòng)的區(qū)分依靠濾波來實(shí)現(xiàn)。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(biāo)分量；、為濾波后壓強(qiáng)為濾波后流速分量；為濾波后壓強(qiáng)；ρ、ν分別為流體密度和運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；為亞格子應(yīng)力。

由于SST湍流模型對(duì)模擬流速大范圍變化的問題具有良好的適應(yīng)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(dòng)能；Pκ為湍流生成速率；均為常數(shù)；ω為湍流頻率；F1為混合函數(shù)。

1.1.2 聲學(xué)基本概念

本文從聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)兩個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，由于人耳能聽到的聲強(qiáng)范圍很廣，用聲壓或者聲強(qiáng)的絕對(duì)值來判斷聲音的強(qiáng)弱非常不便，因此引入聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)。聲壓級(jí)的表達(dá)式為：

式中：Pe為測(cè)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(qiáng)級(jí)的表達(dá)式為：

式中：I為測(cè)得聲強(qiáng)；Iref為參考聲強(qiáng)，式中參考聲強(qiáng)取10-12W/m2。

1.2 模型設(shè)置與網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文對(duì)某抽水蓄能電站的壓水氣系統(tǒng)排污工況進(jìn)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(cè)墻體的全部管路結(jié)構(gòu)，并使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)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(wǎng)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(tǒng)壓力容器的內(nèi)流數(shù)據(jù)，通過校驗(yàn)文獻(xiàn)[10]中數(shù)據(jù)，驗(yàn)證湍流模型選擇的合理性。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中氣罐尺寸和排氣條件，分別使用節(jié)點(diǎn)數(shù)量為300萬、400萬、500萬、600萬個(gè)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，在罐內(nèi)氣壓力高于0.35MPa時(shí)，本文數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[10]較為擬合，但在氣體壓力小于0.35MPa時(shí)，數(shù)據(jù)偏差較大?？紤]到壓水氣系統(tǒng)的絕對(duì)壓力遠(yuǎn)高于低壓排氣范圍，且高壓區(qū)域數(shù)據(jù)高度一致，選擇將本文模擬方案用于模擬壓水氣系統(tǒng)的中高壓排氣工況。

另外，采用不用網(wǎng)格方案的模擬結(jié)果基本一致，說明使用500萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格，即可令此項(xiàng)驗(yàn)證工作滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。文獻(xiàn)[10]氣罐總體積為13.07L，使用500萬個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)壁面網(wǎng)格高度為0.01mm，邊界層網(wǎng)格增長(zhǎng)指數(shù)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?？紤]到壓水氣系統(tǒng)排氣壓水過程與此項(xiàng)驗(yàn)證模擬的問題屬性一致，認(rèn)為在模擬壓水氣系統(tǒng)時(shí)，使用以上網(wǎng)格分布規(guī)律，亦可滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。因此，最終模擬壓水氣系統(tǒng)使用的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量總計(jì)為605萬個(gè)。

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(guān)閉，初始?jí)毫?MPa的壓縮空氣由高壓氣罐沿管路排至排氣側(cè)墻體中，通過墻體底部出口排入外界環(huán)境；氣罐外環(huán)境溫度為20℃，考慮外壁面的空氣自然對(duì)流，傳熱系數(shù)約為50W/（m2·K）。表1列出了排污工況模擬所用關(guān)鍵參數(shù)，模擬過程與邊界條件設(shè)置與實(shí)際情況保持一致（排空管路截止閥關(guān)閉，排污管路截止閥和電磁閥為全開狀態(tài)）。在模擬過程中添加interface面，通過設(shè)置interface的開關(guān)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(shù)設(shè)置列表Table 1 Sewage condition simulation parameter setting list

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)氣動(dòng)噪聲的求解，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）進(jìn)行聲源計(jì)算，然后采用有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）對(duì)內(nèi)部聲場(chǎng)進(jìn)行求解。其中，聲源計(jì)算采用LES大渦模擬，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.00002s，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為0.5s。聲場(chǎng)計(jì)算中，內(nèi)部流體物性參數(shù)同理想空氣，系統(tǒng)外殼物性參數(shù)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(nèi)每隔50Hz分析一次，600～6000Hz范圍內(nèi)每隔200Hz分析一次，6000～10000Hz每隔400Hz分析一次。

2 中壓儲(chǔ)氣罐排污工況數(shù)值模擬研究

2.1 氣罐測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為探究排污過程中壓縮空氣的流動(dòng)狀態(tài)，在系統(tǒng)中布置了若干數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，用于記錄氣罐數(shù)據(jù)變化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4所示，沿氣罐高度方向的軸線布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為350mm，記錄參數(shù)主要為壓力數(shù)據(jù)（P）、溫度數(shù)據(jù)（T）和密度數(shù)據(jù)（D）。

2.2 氣罐流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖5展示了排污工況下氣罐內(nèi)部測(cè)點(diǎn)以及氣罐出口截面的參數(shù)變化情況，其中，在排污時(shí)間內(nèi)氣罐內(nèi)壓力持續(xù)降低，排污工況結(jié)束時(shí)，氣罐平均壓力由初始的8MPa降為7.94MPa。從宏觀上看，同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值基本一致，說明在整個(gè)排空過程中，氣罐內(nèi)部沒有劇烈的壓力梯度產(chǎn)生，這意味著氣罐內(nèi)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(nèi)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(nèi)壓力分布仍存在一些空間上的差異：氣罐出口處測(cè)點(diǎn)的壓力最低，隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加，測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)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(shí)其余測(cè)點(diǎn)速度基本相同，根據(jù)伯努利定理，隨著高度升高，壓力會(huì)逐漸減小。排污過程中，除氣罐出口截面和靠近出口的測(cè)點(diǎn)1具有較高速度外，罐內(nèi)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(dòng)較為穩(wěn)定，保持極低速流動(dòng)狀態(tài)（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(chǎng)模擬結(jié)果分析

氣罐出口測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示，圖8為測(cè)點(diǎn)位置的聲強(qiáng)頻率響應(yīng)圖，由圖可見，聲強(qiáng)級(jí)在頻率150Hz時(shí)達(dá)到頂峰，其中，x軸方向聲強(qiáng)級(jí)為103.7dB，y軸方向的聲強(qiáng)級(jí)為106.8dB。

圖7 聲場(chǎng)計(jì)算中氣罐測(cè)點(diǎn)布置Figure 7 Gas tank measuring point arrangement in sound field calculation

圖8 氣罐出口測(cè)點(diǎn)聲強(qiáng)級(jí)Figure 8 Sound intensity level of gas tank outlet measuring point

通過圖9可知，氣罐出口聲壓級(jí)峰值頻率同樣為150Hz，聲強(qiáng)級(jí)達(dá)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(qiáng)級(jí)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(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)Figure 9 Sound pressure level at tank outlet measuring point

圖10 頻率150Hz下的氣罐聲強(qiáng)級(jí)云圖Figure 10 Cloud image of sound intensity level of gas tank at 150Hz

3 結(jié)論

本文通過對(duì)中壓儲(chǔ)氣罐及其附屬設(shè)施排污工況進(jìn)行全通道非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，使用近場(chǎng)噪聲分析方法探討了排污工況中儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣動(dòng)噪聲的分布。結(jié)果顯示，壓水氣系統(tǒng)排污工況運(yùn)行時(shí)，除氣罐出口附近外，其余位置均保持極低流動(dòng)狀態(tài)，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(yán)重，在150Hz頻率下的聲強(qiáng)級(jí)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(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作人員的安全構(gòu)成較大威脅，需要通過進(jìn)一步優(yōu)化解決上述問題。