储气室热力学特性对AA-CAES性能的影响

韩中合，庞永超



储气室热力学特性对AA-CAES性能的影响

韩中合，庞永超

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003）

储气室是先进绝热压缩空气储能系统（AA-CAES）中主要的储气装置，其特性对储气室内空气的温度和压力变化有重要影响。为了更加准确地描述系统运行过程中储气室内空气的热力变化过程并探究储气室热力学特性对系统性能参数的影响，本文建立壁面温度恒定的非绝热储气室模型，联合系统其他部件模型，求解AA-CAES系统热力学模型。分析模型求解结果可以发现，在设计系统参数下，储能效率为0.5839，储能密度为1.5954 kW·h/m3，在运行过程中储气室整体表现为对外放热；绝热模型下系统储能效率最高，恒温模型下系统储能密度最大，在实际运行中系统性能参数较低，因此储气室热力特性有待优化；提高储能和释能功率可以使储能效率提升，其中储能功率变化对储能效率的影响更大。

先进绝热压缩空气储能系统；储气室；对流换热系数；储能效率

随着经济快速发展，社会对能源的依赖程度不断提高，风能、太阳能等可再生能源的开发和利用已经引起高度关注。在2000—2010十年间，世界范围内风电装机容量约以每年28%的均速增加，截至到2014年末，全球风电总装机容量约为369.553GW[1-2]。但由于可再生能源具有间歇性与不稳定性的特点，大规模并网发电会对电网系统的安全和稳定产生影响，因此弃风、弃光限电现象较为严重[3]。弃风、弃光现象造成大量可再生能源的浪费，使可再生能源的利用率降低，同时造成巨大的经济损失。大规模储能技术能够将波动性、间歇性较强的新能源电力“拼接”起来，因此成为工程与学术界关注的热点[4]。

AA-CAES是一种利用压缩空气存储能量的技术，具有储能容量大、安全系数高、响应速度快、循环效率高等优点[5]。储气室作为存储高压空气的主要设备，其热力学性能对AA-CAES有重要影响。目前，国内外学者对储气室模型进行了研究。文献[6]提出4种储气室模型，并分析在不同模型下储能系统的性能表现。但4种模型中假设储气室壁面绝热或储气室内温度恒定，这与实际情况存在偏差。为了研究系统运行过程中储气室内空气温度和压力的变化情况，文献[7-9]基于能量和质量守恒定律，建立了数值求解模型和近似解析计算模型，并且将计算结果与 Huntorf 电站实验数据进行比较，以此验证模型的准确性。上述文献对孤立的储气室模型进行了详细研究，得到了储气室内空气温度和压力的变化规律。基于储气室模型的研究成果，本文主要研究储气室热力学特性对AA-CAES系统性能的影响，为储气室的设计和优化提供 参考。

1 储气室热力学模型分析

储气室是AA-CAES系统中主要的储气装置，其热力学模型的建立对储气室内空气温度、压力等参数的计算有较大影响，进而对系统储能效率、储能密度等性能参数产生影响。储气装置多为地下储气室或人工储气钢瓶，对于大规模储能的AA-CAES系统，可以选取天然或人工开凿的盐洞、天然气田、地下蓄水层和废弃的矿洞作为储气室。

一般情况下，储气室为恒容且非绝热的，其内部空气的热力状态变化过程可以分为3个阶段：储能阶段、储释能间隔阶段、释能阶段。在不同阶段，由于空气流入、流出以及空气与储气室壁面的换热，空气状态会发生变化。为了简化模型，进行如下假设[9]：①空气视为理想气体，变化过程满足理想气体状态方程；②忽略储气室在系统运行过程中的漏气；③储气室壁面温度恒定。

为了研究系统运行过程中储气室的热力特性，取储气室空间为控制体CV（如图1）。

在系统运行过程中，由热力学第一定律可得：

式中，为储气室内空气与壁面换热量；dCV为储气室空气热力学能变化；inout为进、出储气室空气焓值；min、mout为进、出储气室的空气质量；为储气室内空气与环境交换的功量。

在储能阶段，没有空气流出储气室，储气室与外部亦无功量交换，即mout与均为0，则式(1)可简化为式(2)。

式中，为储气室内空气质量，kg；为储气室内单位质量空气热力学能，J/kg；in为储气室入口空气焓值，J/kg；为储气室内空气与壁面的对流换热系数，W/(m2·K)；为储气室表面积，m2；rw为储气室壁面温度，K；为储气室内空气温度，K。

对流换热系数可由式(3)求得[8]。

(4)

式中，eff为有效换热系数，W/(m3K)；为储气室体积，m3；in、out为储气室进出口空气流量，kg/s。

以环境温度0时空气焓值为基准点，对于理想气体有如下关系[6]，见式(5)～(7)。

(6)

(7)

式中，c为定压比热容，J/(kg·K)；c为定容比热容，J/(kg·K)；g为空气气体常数；0为环境温 度，K。

将式(5)、式(6)和式(7)代入式(2)可得储能阶段储气室内压力随时间变化情况，如式(8)。

式中，为储气室内空气压力；in为储气室入口空气温度，K。

式(7)两边同除以d可得式(9)。

将式(9)代入式(8)，可得储能阶段储气室内温度随时间变化情况，见式(10)。

(10)

在储释能间隔阶段，设持续时间为Δ，在此时间段内压气机与膨胀机均不工作，但由于储气室内空气与壁面的换热，仍需考虑温度、压力变化情况。式(2)可简化为式(11)。

与储能阶段相似，储释能间隔阶段储气室内压力、温度与时间的关系如式(12) 、(13)。

(12)

释能阶段，储气室内压力、温度与时间的关系如式(14)、(15)。

(14)

2 实例分析

以上述储气室模型为基础，为了分析储气室热力学特性对AA-CAES性能的影响，参考Huntorf电站主要运行参数对系统模型进行求解[10]。

以表1参数为例，结合分析得到的储气室热力学模型，求解AA-CAES系统中压气机、膨胀机、蓄热系统、储气室等主要设备的热力学模型，可得系统主要性能指标如表2所示。AA-CAES系统储能效率为0.5839，蓄热系统储热效率为0.6104。储气室设计压力为4.3～6.6MPa时，储能密度为1.5954kW·h/m3。在运行过程中，储气室内温度和压力变化情况如图2所示。

储气室内空气温度和压力的变化情况可以分为3个阶段：储能阶段、储释能间隔阶段和释能阶段。在储能阶段，空气的温度和压力均升高，其中空气压力近似呈线性升高，温度升高但趋势逐渐变缓。根据理想气体状态方程g，储气室内的空气质量近似呈线性增长，空气温度变化不大，储气体积维持不变，因此在储能阶段空气压力跟随质量近似呈线性增加。通过计算可得，储气室进口空气温度由385.1K逐渐升高到401.6K，均高于储气室内空气初始温度323K，随着高压高温空气的进入，储气室内的温度逐渐升高。同时由于空气与储气室壁面的温差增大，空气对外放热的热流量逐渐增大，导致温度升高的趋势逐渐变缓。在储释能间隔阶段，由于空气温度高于储气室壁面温度，空气向壁面放热，因此空气温度和压力略有下降。在释能阶段，储气室内空气进入膨胀机做功，空气质量迅速降低，导致压力和温度也迅速降低。在结束时刻，空气压力恢复到初始值，温度低于初始值。

表1 AA-CAES设计参数

表2 AA-CAES系统性能指标

在运行过程中，储气室内空气与壁面的换热情况如图3所示。初始时刻，空气温度与壁面温度相同，热流量为0。随着空气流入，储气室内空气温度逐渐升高，与壁面的温差逐渐增大，空气与储气室壁面的热流量逐渐增大，在储能结束时刻，热流量最大。在储释能间隔阶段，由于没有空气进出，储气室内空气流速降低，导致对流换热系数减小，因此对外放热的热流量也迅速降低。并且，随着空气温度的降低，与壁面的温差减小，也会导致热流量降低。在释能阶段，空气流量迅速增大，对流换热系数也迅速增大，热流量随之增大。但随着储气室内空气温度的降低，热流量逐渐下降，当空气温度降到壁面温度以下时，储气室由放热状态变为吸热状态。

3 结果与讨论

储气室热力学模型能够准确描述储气室内空气温度和压力的变化情况[7-8]，通过分析影响储气室特性的因素，可以进一步研究储气室热力学特性对AA-CAES系统的影响。

3.1 对流换热系数对AA-CAES性能的影响

对流换热系数是影响储气室内空气与壁面换热的主要因素，在以往的研究中，通常假设储气室壁面绝热（=0）或储气室内温度恒定（=∞）。在实际情况中，壁面是非绝热的，空气与壁面按照一定的对流换热系数进行热量传递。为了分析储气室壁面传热能力对系统性能的影响，通过改变的大小，得到系统性能随的变化情况。

图4、图5表示在不同对流换热系数时，储气室内空气温度和压力变化情况。当壁面处于绝热状态（=0）时空气与壁面不进行热量交换。因此在储能阶段，空气温度和压力上升最快，近似呈线性变化。在储释能间隔阶段，空气压力和温度保持不变，此阶段的储气室与外界没有能量和质量交换。在释能阶段，绝热模型下空气温度和压力线性下降。此外，在运行结束时刻，储气室内空气压力恢复到初始压力，而空气温度高于初始温度。

在恒温模型（=∞）下，储气室内温度在各个阶段保持不变，空气与壁面换热良好。此时储气室内压力升高速度最慢，系统运行时间最长。在储释能间隔阶段，由于空气温度与壁面温度相等，没有热量传递，所以空气压力保持不变。

对于空气与壁面按照一定的对流换热系数进行热量传递的情况，储气室内空气温度和压力的变化随的增大表现出渐变规律。在储能阶段，随着增大，空气与壁面的换热效果增强，空气温度上升的速度逐渐变缓，当足够大时，储能阶段后期空气温度趋于平稳。同时，随着增大空气压力升高速度逐渐降低，压力升高到设计最高压力的时间也逐渐增加。在储释能间隔阶段，由于向壁面释放热量，空气压力和温度会略有降低。并且越大间隔阶段结束时刻空气温度越接近储气室壁面温度。与实际模型相比，由于忽略空气流速对换热系数的影响，导致温度和压力变化存在微小的偏差。在释能阶段，空气温度均降低，这是因为储气室内空气质量减少，压力降低，导致空气膨胀降温。但当温度低于壁面温度323K时，随着增大，温度降低的速率逐渐变缓，这是由于壁面向空气传递热量，空气由原来的放热状态变为吸热状态。

对流换热系数对系统储能效率和储能密度的影响如图6所示。绝热模型下系统储能效率最高，可以达到0.69。在从0增大到26 W/(m2·K)的过程中，储能效率迅速下降，最低为0.54。随着进一步增大，储能效率逐渐上升然后趋于稳定值0.626。对流换热系数的大小也会对储能密度造成影响。在绝热模型下，储能密度较低，为1.594 kW·h/m3，随着对流换热系数的增大，储能密度略有下降，当大于6W/(m2·K)时，储能密度开始升高，最终趋于稳定值2.47kW·h/m3。

通过分析可以发现，对流换热系数对AA-CAES性能有很大影响。在理想的绝热模型下，储能效率达到最高值0.69，但此时系统储能密度较低，仅为1.594kW·h/m3。在理想的恒温模型下，储能密度高达2.47kW·h/m3，但此时系统储能效率只能达到0.626。在实际模型下，系统储能效率为0.5839，储能密度为1.5954kW·h/m3。对比两种理想模型，AA-CAES在实际储气室模型下的储能效率和储能密度均偏低。因此在储气室优化设计时，有两种路径可以选择：绝热储气室方向和恒温储气室方向。在具体选择储气室优化方式时，还需要综合考虑系统单位功率建设和运行成本以及储气室材料导热性能等因素。

苏秋琴将癞阿小从柳红身上移开，见他无声无息的，她就用脚踢踢他，也没有动静，苏秋琴不免惊慌起来，这家伙不会被我砸死了吧？她叫柳红，柳红却傻呆呆地坐在地上，两眼朝着她放火。这鬼天气，热得人都发疯了。苏秋琴攀住柳红的双肩拼命地摇，柳红嗖地站起身来，捡了一块西瓜，狠狠地拍到癞阿小的脸上。

3.2 储释能功率对AA-CAES性能的影响

根据3.1节分析，对流换热系数会影响AA-CAES性能。由式(3)、式(4)可知，在储能和释能阶段对流换热系数受到空气流量的影响，而空气流量与压气机和膨胀机的功率有关，因此需要分析储释能功率对AA-CAES性能的影响。图7、图8表示储释能功率改变时，储气室内空气温度和压力的变化情况。当压气机功率c变化时，膨胀机功率t=100MW，当膨胀机功率t变化时，压气机功率c= 60MW。

当储能功率增大时，空气流量增大，导致储气室内对流换热系数增大。由于流量增大，储气室内空气升温升压的速度加快，达到储气室压力上限的时间缩短。虽然对流换热系数增大，但空气与储气室壁面的换热时间缩短，空气的热量来不及向外界传递，因此在储能阶段结束时刻，储气室内空气温度略有升高。在释能阶段，随着释能功率的增大，空气流量逐渐增大，储气室温度和压力下降的速度也加快，释能阶段运行时间缩短。释能阶段运行时间缩短，导致向储气室壁面的散热较少，结束时刻储气室温度略有升高。

改变储释能功率会对储气室内温度和压力变化产生影响，AA-CAES性能也随之发生变化。图9表示储释能功率对储能效率的影响。可以看出，随着储能功率和释能功率的升高，储能效率也会稍有升高，同时储能功率变化对储能效率的影响更大。这是由于随着功率的增大，储能和释能阶段消耗的时间减少，虽然对流换热系数变大，但在综合影响下储气室内高温空气向壁面散失的热量降低，更多的能量用于在膨胀机中做功，因此储能效率提升。

4 结论

本文对AA-CAES中储气室热力学模型进行分析和求解，得到系统运行过程中储气室内温度和压力的变化情况，并分析了对流换热系数以及储释能功率对系统性能的影响，得到以下结论。

（1）系统经过一次完整的储释能循环，储能效率为0.5839，储能密度为1.5954kW·h/m3，储气室内空气最高温度为362.1K。在储能和储释能间隔阶段空气向壁面放热，在释能阶段空气先向壁面放热，当空气温度低于壁面温度时转变为吸热状态。

（2）对流换热系数会影响储气室内空气温度和压力的变化规律，进而对AA-CAES储能效率、储能密度等性能指标产生影响。

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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。

国家自然科学基金项目（51076044）。

韩中合（1964—），男，博士，教授，博士生导师。研究方向为热力设备状态监测与故障诊断及新能源开发利用。E-mail：hanzhong_he@126.com。