抽水蓄能电站压水气系统中压储气罐排污工况致气罐噪声的数值模拟研究

孙 逊，龙 哲，刘启明，毛思宇

（1.浙江磐安抽水蓄能有限公司，浙江省金华市 322300；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

抽水蓄能技术经过多年的发展，已成为当今最为成熟可靠、经济高效的物理储能设施[1]。短期来看，抽水蓄能仍能以其低廉的成本、完善的运营机制，占领大规模大容量的储能市场[2]。抽水蓄能电站通过在多种工况之间快速频繁转换，完成平滑负荷、削峰填谷的重要任务，大大提高了常规电力系统及能源系统的综合利用效率和供电安全可靠性[3]。而压水气系统是抽水蓄能机组实现调相运行及水泵工况启动的核心，该系统通过在转轮室内注入中压压缩空气将水位压至转轮以下，使转轮在空气中旋转，机组得以快速启动、平稳运行[4]。压水气系统的高压空气贮存于中压储气罐之中，于排气压水工况及排污工况中快速膨胀释放，使得罐体迅速降温[5，6]，并且产生一定程度的噪声污染[7]，但尚不清楚针对压水气系统排污工况罐内的流场及噪声特征。图1展示了中压储气罐及其附属设施的基本情况，压水气系统中压储气罐排污工况，是指气罐在定期维护时，短暂打开气罐排污阀门，排出气罐底部沉积杂质的过程，该过程的特点是时间短、压力高。在某抽水蓄能电站建设过程中，对中压储气罐排污工况进行调试时，发现气罐噪声强度极大，以至于附近工作人员产生明显不适感。因此，本文对压水气系统中压储气罐排污工况进行数值模拟，探讨气罐流场、声源位置及噪声发生机理，为其后续优化设计提供指导。

图1 某电站中压储气罐及其附属设施结构示意图Figure 1 Schematic diagram of medium-pressure gas storage tank and its auxiliary facilities in a power station

1 模拟方案

1.1 湍流模型及计算声学理论

1.1.1 湍流模型

大涡模拟的基本原理是以特定的分辨尺度分解湍流流场，对大于分辨尺度的脉动直接用N-S方程求解，而对小于分辨尺度脉动建立模型封闭于求解方程组中。不同尺度流动的区分依靠滤波来实现。将N-S方程在物理空间滤波得到的控制方程为[8]：

式中：xi、xj为坐标分量；、为滤波后压强为滤波后流速分量；为滤波后压强；ρ、ν分别为流体密度和运动黏性系数；为亚格子应力。

由于SST湍流模型对模拟流速大范围变化的问题具有良好的适应能力，因此非常适合模拟可压缩气体充放气问题[9]。SST模型的控制方程为：

式中：κ为湍动能；Pκ为湍流生成速率；均为常数；ω为湍流频率；F1为混合函数。

1.1.2 声学基本概念

本文从声压级和声强级两个角度对系统气动噪声进行分析，由于人耳能听到的声强范围很广，用声压或者声强的绝对值来判断声音的强弱非常不便，因此引入声压级、声强级。声压级的表达式为：

式中：Pe为测得声压；Pref为参考声压，式中参考声压取2×10-5Pa，为人耳能感知最低声压。

声强级的表达式为：

式中：I为测得声强；Iref为参考声强，式中参考声强取10-12W/m2。

1.2 模型设置与网格无关性验证

本文对某抽水蓄能电站的压水气系统排污工况进行仿真，模拟所用流域建模如图2所示。模拟采用全通道模型，保留了高压气罐到排气侧墙体的全部管路结构，并使用结构化网格进行空间离散，如图3所示。

图2 排污工况全通道模拟模型Figure 2 Full channel simulation model of sewage discharge condition

图3 排空工况和排污工况全通道模拟网格Figure 3 Full channel simulation grid for emptying and discharging conditions

目前，由于缺乏抽水蓄能电站压水气系统压力容器的内流数据，通过校验文献[10]中数据，验证湍流模型选择的合理性。根据文献[10]中气罐尺寸和排气条件，分别使用节点数量为300万、400万、500万、600万个的结构化网格进行数值模拟，模拟结果显示，在罐内气压力高于0.35MPa时，本文数据与文献[10]较为拟合，但在气体压力小于0.35MPa时，数据偏差较大。考虑到压水气系统的绝对压力远高于低压排气范围，且高压区域数据高度一致，选择将本文模拟方案用于模拟压水气系统的中高压排气工况。

另外，采用不用网格方案的模拟结果基本一致，说明使用500万个节点的网格，即可令此项验证工作满足网格无关性要求。文献[10]气罐总体积为13.07L，使用500万个结构化网格时壁面网格高度为0.01mm，边界层网格增长指数为1.3，高速流域平均分辨率为4mm、低速流域平均分辨率为20mm。考虑到压水气系统排气压水过程与此项验证模拟的问题属性一致，认为在模拟压水气系统时，使用以上网格分布规律，亦可满足网格无关性要求。因此，最终模拟压水气系统使用的网格节点数量总计为605万个。

1.3 排污工况边界条件

在排污工况中，排污管路截止阀开启，排空管路截止阀关闭，初始压力为8MPa的压缩空气由高压气罐沿管路排至排气侧墙体中，通过墙体底部出口排入外界环境；气罐外环境温度为20℃，考虑外壁面的空气自然对流，传热系数约为50W/（m2·K）。表1列出了排污工况模拟所用关键参数，模拟过程与边界条件设置与实际情况保持一致（排空管路截止阀关闭，排污管路截止阀和电磁阀为全开状态）。在模拟过程中添加interface面，通过设置interface的开关来模拟阀门的通断。在排污管路截止阀出口添加interface面，将位于interface上游的管路命名为上游管路，位于interface下游的管路命名为下游管路。

表1 排污工况模拟参数设置列表Table 1 Sewage condition simulation parameter setting list

对于系统内气动噪声的求解，采用计算流体力学（computational fluid dynamic，CFD）进行声源计算，然后采用有限元法（finite element method，FEM）对内部声场进行求解。其中，声源计算采用LES大涡模拟，计算时间步长为0.00002s，总计算时长为0.5s。声场计算中，内部流体物性参数同理想空气，系统外壳物性参数同304不锈钢，其中，杨氏模量为194GPa，泊松比为0.3，密度为7.93g/cm3，厚度为5mm。分析频率为0～10000Hz，其中，0～600Hz范围内每隔50Hz分析一次，600～6000Hz范围内每隔200Hz分析一次，6000～10000Hz每隔400Hz分析一次。

2 中压储气罐排污工况数值模拟研究

2.1 气罐测点设置

为探究排污过程中压缩空气的流动状态，在系统中布置了若干数据监测点。其中，用于记录气罐数据变化的监测点如图4所示，沿气罐高度方向的轴线布置测点，测点间距为350mm，记录参数主要为压力数据（P）、温度数据（T）和密度数据（D）。

2.2 气罐流场模拟结果分析

图5展示了排污工况下气罐内部测点以及气罐出口截面的参数变化情况，其中，在排污时间内气罐内压力持续降低，排污工况结束时，气罐平均压力由初始的8MPa降为7.94MPa。从宏观上看，同一时刻各测点的测量值基本一致，说明在整个排空过程中，气罐内部没有剧烈的压力梯度产生，这意味着气罐内部气体的膨胀过程十分平缓或膨胀程度有限。气罐平均温度略有降低，排污过程中气罐的降温速率约为0.09℃/s。由于气罐内空气密度主要受压力影响，因此，在空间上气罐的密度变化过程与压力变化类似，在排污过程始末由初始的95.1kg/m3降为 94.5kg/m3。

而气罐内压力分布仍存在一些空间上的差异：气罐出口处测点的压力最低，随着测点高度的增加，测点的压力数据先增大，随后缓慢下降。这是由于气罐出口处截面缩小而使气流降压升速，同时其余测点速度基本相同，根据伯努利定理，随着高度升高，压力会逐渐减小。排污过程中，除气罐出口截面和靠近出口的测点1具有较高速度外，罐内其余位置的速度几乎为0。说明气罐除出口附近的其他位置流动较为稳定，保持极低速流动状态（见图6）。

图6 气罐轴截面速度云图Figure 6 Velocity cloud image of cylinder shaft section

2.3 气罐声场模拟结果分析

气罐出口测点布置如图7所示，图8为测点位置的声强频率响应图，由图可见，声强级在频率150Hz时达到顶峰，其中，x轴方向声强级为103.7dB，y轴方向的声强级为106.8dB。

图7 声场计算中气罐测点布置Figure 7 Gas tank measuring point arrangement in sound field calculation

图8 气罐出口测点声强级Figure 8 Sound intensity level of gas tank outlet measuring point

通过图9可知，气罐出口声压级峰值频率同样为150Hz，声强级达到139.1dB，频谱在200～10000Hz频段分布较为均匀。图10为150Hz频率下的气罐总声强级分布云图，可以看出，气罐出口处为气罐主要噪声源。

图9 气罐出口测点声压级Figure 9 Sound pressure level at tank outlet measuring point

图10 频率150Hz下的气罐声强级云图Figure 10 Cloud image of sound intensity level of gas tank at 150Hz

3 结论

本文通过对中压储气罐及其附属设施排污工况进行全通道非稳态数值模拟，使用近场噪声分析方法探讨了排污工况中储气罐内气动噪声的分布。结果显示，压水气系统排污工况运行时，除气罐出口附近外，其余位置均保持极低流动状态，气罐平均温度、压力和密度略有降低，而气罐噪声问题较为严重，在150Hz频率下的声强级较高，其中气罐出口处为气罐主要噪声源，排污工况气罐的噪声问题会对系统的稳定性和工作人员的安全构成较大威胁，需要通过进一步优化解决上述问题。