CAES电站储气室热力学特性的数值模拟研究

高建强，庄绪增，敬 赛

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着全球能源结构的调整，风能、太阳能、水能等可再生能源得到了快速发展。但由于可再生能源发电所固有的间歇性、不稳定性等缺陷，使可再生能源的利用率一直处于较低水平；为更好地平滑可再生能源电力系统的波动性、提高系统运行的稳定性，规模化的储能技术已成为大规模利用可再生能源不可或缺的组成部分[1,2]。压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)技术凭借其储能容量大、响应迅速、储能效率高等优点得到了快速发展[3,4]。压缩空气储能电站利用电网低品位电能或可再生能源电力驱动压气机工作，将电能转化为压缩空气的内能储存于储气室内；在电网需求峰值时，压缩空气被释放并加热后进入透平做功，驱动发电机组发电，实现向电网“馈电”。

储气室是压缩空气储能系统中用于储存压缩空气的设备，一般采用地下岩(盐)洞、废弃矿井、钢制储气罐等；在中小型压缩空气储能系统中，一般采用地上钢制储气容器作为储存压缩空气的容器[5,6]。精准预测储气室内温度、压力的变化规律不仅能保障其在安全状态下稳定运行，而且对储气室的优化设计、压气机及透平等关键设备的优化选型具有重要的影响[6]。

基于上述原因，越来越多的国内外学者开始重点关注压缩空气储能系统的储气室的热力学性能。我国学者张远[7]建立了4种(恒温恒容、恒容绝热、恒温恒压以及恒压绝热)储气室热力学模型，并基于热力学定律对其在系统工作过程中的热力学特性以及对系统整体性能的影响进行了详细分析；Mandhapati Raju[3]利用现有压缩空气储能电站的运行数据，基于质量守恒与能量守恒定律拟合了系统相关参数，并将拟合结果与德国Huntorf电站的运行数据进行了对比分析；R. Kushnir[6]基于已提出的储气室热力学模型，进一步研究了储气室内壁面的换热系数、储气室储层特性等不同参数对储气洞穴内温度及压力的变化规律；Xia[8]等提出了一种储气室简单传热分析解决方案，并假设储气室内工质的密度及储气室壁面温度恒定的前提下，得到了储气洞穴的热力学特性，并利用Huntorf电站的实验数据进行了合理性验证。韩中合[9]等建立了壁面温度恒定的非绝热储气室模型，并分析了储气室热力学特性对先进压缩空气储能系统性能的影响规律。综上所述，现有研究主要针对地下矿洞类储气室进行研究，针对采用钢制容器作为储气室的系统涉及较少，且对涉及储气室本身结构特征、内部流动状态与外界环境共同作用下的储气室热力学动态特性的影响鲜有报道。

本文以压缩空气储能系统中地上钢制储气室为研究对象，将数值模拟应用于压缩空气储能系统储气室的热力学动态特性分析中，以详细的物理数学模型为基础，利用Gambit及ANSYS数值模拟软件，分析压缩空气储能系统实际运行过程中各种复杂因素影响下储气室及内部工质温度、压力的整体分布及变化规律，从而精确掌握储气室及内部工质的热力学动态特性。

1 研究对象

分布式电网的发展加速了储能技术的步伐[10,11]，将地上储气容器作为储气室的中小型压缩空气储能系统是适合分布式电网储能的重要技术之一[12,13]。在中小型压缩空气储能系统工作过程中，地上储气容器内温度、压力的波动对系统整体性能的影响尤为重要，采用合理的方法研究地上储气容器内压力、温度的变化对系统性能分析及优化具有重要的意义。本文以课题组现有小型压缩空气储能实验平台中的地上钢制储气室为研究对象，采用FLUENT数值模拟的方法，建立了储气室三维非稳态模型，研究系统充气储能过程中外壁面整体温度分布及内部工质温度、压力的变化规律。该小型压缩空气储能系统中储气装置为两个1 m3的规则圆柱体储气罐，罐体直接放置于实验室地面上，储气罐外壁面无保温措施且直接暴露于环境中，两个储气罐结构及材料完全相同，储气罐相关参数见表1。

表1 储气室相关参数

2 数值计算

2.1 网格划分

根据储气室的结构特点及流动特性，利用Gambit前处理软件对储气室结构进行建模和网格划分。为提高储气室网格划分的质量，将储气室罐体进行分割，罐体上简单、规整的储气室主体及进口管道等区域利用结构化Cooper网格进行划分，结构较为复杂的区域采用非结构化网格进行划分，最终划分网格总数约为44万。储气室体网格划分如图1所示。

图1 储气室网格划分示意图

2.2 计算方法

采用FLUENT软件进行数学模型求解计算，并采用TECPLOT软件对结果进行图像后处理。本文数值模拟采用三维非稳态模型进行计算，采用标准k-ε双方程模型模拟湍流气相流动；研究流体为可压缩流体，故采用基于分离求解器中压力的隐式算子分割算法(Pressure Implicit with Splitting of Operators，PISO算法)。利用“壳层导热”的方法处理地上钢制储气罐壁面与周围环境的换热，在充分考虑储气罐罐体热阻的同时有效降低了网格数量、简化了模型；选取第五类Mixed边界条件，充分考虑储气罐外壁面与周围环境的对流与辐射换热；由于储气罐底座安放于实验室地面上，需同时考虑储气罐底部与地面之间的热传导。由于完成一次充气储能过程需要耗时至少1.5 h，因此为确保在最大迭代步数内收敛，对时间步长进行独立性验证后取0.01 s。此外，储气室初始换热条件如表2所示。

表2 储气室初始换热条件

储气罐外壁面与周围环境空气换热时，环境空气的密度变化不大，因此可选择采用Boussinesq模型。采用Boussinesq模型比使用依赖于温度变化而密度发生变化的模型能够获得更快的收敛速度，除了动量方程中的浮力项，这种模型在其他的需要求解的方程中把密度视为常数。

(ρ-ρ0)·g≈-ρ0·β·(T-T0)·g

式中：ρ0为压缩空气的密度；T0为实验室的环境温度；β为热膨胀系数。

3 计算结果及分析

3.1 模型正确性验证及储气室热力学特性充气全过程分析

在现有小型压缩空气储能实验平台中，利用K型热电偶测量储气室距地面1 m处的外壁面温度，利用安装于储气室正上部的压力表测量内部工质的压力。如图2所示为系统充气过程中，模拟数据与实验数据在储气室距地面1 m处的外壁面温度变化趋势。由图2可知，储气室各点处温度模拟数据与实验所得数据十分接近，因而数值模拟结果能够较为准确的反映储气室的外壁面温度；在充气储能初始阶段，储气室内温度迅速上升，而后上升速度逐渐降低，最后储气室内温度上升趋于平缓，且充气储能结束时刻(约1.5 h)储气室内工质温度最大值为331.06 K。

图2 充气过程储气室内温度变化

如图3所示为系统充气过程中，模拟数据与实验数据在储气室内部工质压力的变化趋势。由图3可知，储气室内部工质压力的模拟数据与实验所得数据十分接近，因而数值模拟结果能够较为准确地反映储气室内部工质的压力；随着充气储能过程的进行，储气室内压力近似线性上升，且上升幅值稳定，充气储能结束时刻(约1.5 h)储气室内工质压力最大值为3.32 MPa。

图3 充气过程储气室内压力变化

3.2 储气室热力学特性的瞬时分布云图

对于本文所述实验系统来说，由于充气储能过程约耗时1.5 h，采用数值模拟方法可获得储气室温度、压力等热力学特性瞬时分布云图，对精确掌握储气室热力学动态特性具有重要意义。

现以充气储能将要结束时刻展示储气室的压力及外壁面温度分布情况。图4为充气储能将要结束时刻储气室内壁面及X截面处压力的瞬时分布云图。各储气室内压力分布均匀，储气室2内工质的压力略高于3内工质压力。造成两个储气室内工质压力存在些许差异的原因在于两储气室之间的连接管道直径较小，工质在经储气室2进入3时存在少许的压力损失，从而使储气室3内压力略低于储气室2。

图4 储气室内部压力分布云图

图5为充气储能将要结束时刻储气室外壁面及X截面处温度的瞬时分布云图。储气室2、储气室3内工质的温度整体分布呈现由上而下逐渐递减的趋势，储气室顶部与储气室底部温度差值约为2 ℃左右。形成上述现象的原因在于储气室直接放置于实验室地面上，随着充气充能过程的进行，储气室罐体温度逐渐升高，储气室罐体底部通过储气室支撑腿向地面导热，造成储气室体底部温度较低；并且由于压缩空气由储气室2经连接管道进入储气室3时全过程都在向环境散热，使得储气室2内压缩空气及储气室2的罐壁温度都略高于储气室3。

图5 储气室温度分布云图

3.3 不同因素影响

3.3.1 环境温度

如图6所示，在相同的其他边界条件下，将储气室置于不同环境温度下，在充气储能完成时刻(耗时约1.5 h)，储气室距地面1 m处外壁面温度及内部工质的压力。充气储能完成时，随着环境温度的升高，储气室外壁面温度及内部工质的压力均先不断上升后趋于平缓。由于环境温度升高，经压气机压缩后进入储气室的工质温度升高，导致储气室内压缩空气温度升高，在相关换热条件不变的前提下，最终使得储气室外壁面温度升高，内部工质压力也随之小幅提高。

图6 环境温度对储气室外壁面温度及内部压力的影响规律

3.3.2 储气室充气流量

如图7所示为压缩空气储能系统充气储能过程中，充气流量对储气室内温度、压力的影响规律。随着充气流量的增加，储气室内压力成线性增加，储气室内温度先快速增加后增加幅度趋于平缓。充气流量不断增加，使压气机做功增加，压气机排气温度有所提升，且充气流量不断增加，单位时间内进入储气室的压缩空气内能不断提升，储气室内温度不断升高。

图7 充气流量对储气室外壁面温度及内部压力的影响规律

3.3.3 储气室表面状况

储气室壁面外掠风速、表面粗糙程度、脏污程度等表面状况因素的变化均会使得其表面与周围环境的换热条件发生变化，进而影响储气室内部工质热力学动态特性。而上述表面状况实际上改变了储气室外壁面的换热系数、发射率等换热参数，因此有必要对不同换热系数及发射率对储气室热力学特性的影响进行讨论。

如图8所示，在相同的其他边界条件下，仅改变储气室外壁面的换热系数，在充气储能完成时刻(耗时约1.5 h)，储气室距地面1 m处外壁面温度及内部工质的压力。随着换热系数的增加，储气室内温度及压力均有小幅度的降低；且换热系数越大，其影响作用也逐渐减弱。由于储气室外壁面与周围环境的换热系数增加，使得储气室的散热量增加，导致储气室内工质的内温度降低，储气室内工质的压力也有所下降。

图8 换热系数对储气室外壁面温度及内部压力的影响规律

如图9所示，在相同的其他边界条件下，仅改变储气室外壁面的发射率，在充气储能完成时刻(耗时约1.5 h)，储气室距地面1 m处外壁面温度及内部工质的压力。随着发射率的提高，储气室外壁面温度及内部工质压力均有所降低；且发射率越大，对储气室外壁面温度的影响作用逐渐减弱。且发射率对储气室热力学特性的作用机理与换热系数类似，但相较于换热系数对储气室热力学特性的影响更小。

图9 发射率对储气室内温度、压力的影响规律

4 结论

(1)以地上储气容器为研究对象，利用FLUENT模拟软件建立了中小型压缩空气储能系统三维非稳态模型，并对系统充气储能过程中储气室外壁面温度分布及内部工质温度、压力的变化规律进行了模拟分析，并通过实验的方法进行了正确性验证。

(2)研究了系统充气储能过程中，不同环境温度、储气室充气流量、表面状况及储气室自身条件等因素对储气室热力学特性的影响规律。结果表明：环境温度及储气室充气流量对储气室的热力学特性影响较为明显，而储气室壁面的表面状况对其热力学特性的影响较小。