caes地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率分析與容積優(yōu)化研究

caes地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率分析與容積優(yōu)化研究

壓縮空氣能量?jī)?chǔ)存（caes）是一種新型的大型儲(chǔ)存技術(shù)。它有效地改進(jìn)了風(fēng)能和太陽(yáng)能能源的間歇性和不穩(wěn)定性，具有高效、占地面積小、運(yùn)營(yíng)方法靈活、投資運(yùn)營(yíng)成本少等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是地面儲(chǔ)氣罐，還是地下儲(chǔ)氣庫(kù)，在壓氣儲(chǔ)能電站規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程中，都需要根據(jù)電站裝機(jī)規(guī)模的大小準(zhǔn)確地計(jì)算儲(chǔ)氣裝置的儲(chǔ)能能力和體積大小，從而達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)功率指標(biāo)儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)所蘊(yùn)含的可以用于做功發(fā)電的能量可以用“?”來(lái)表示1基于效率分析的儲(chǔ)氣庫(kù)容積計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)式中，e為單位質(zhì)量壓縮空氣的焓?，J/kg;C對(duì)于定容儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)說(shuō)，壓縮空氣的?可表示為式中，B為儲(chǔ)氣庫(kù)充入氣體的?，J;m為洞室內(nèi)氣體的質(zhì)量，kg。由于洞室內(nèi)氣體的質(zhì)量隨時(shí)間不斷變化，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常都把洞室內(nèi)除初始?xì)怏w外的氣體質(zhì)量表示為充放氣速率與時(shí)間的乘積，并且假定充放氣速率為常數(shù)。此外，由文獻(xiàn)式中，B為單位時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓縮空氣的?變化率，J/s;m為儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量變化速率，kg/s。對(duì)于一個(gè)完整的運(yùn)行周期來(lái)說(shuō)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)主要經(jīng)歷四個(gè)階段，即充氣階段、高壓儲(chǔ)氣階段、放氣階段和低壓儲(chǔ)氣階段。各階段壓縮空氣質(zhì)量變化速率的取值見式(4)式中，m氣體泄漏速率由洞室內(nèi)氣體壓力及密封結(jié)構(gòu)、圍巖結(jié)構(gòu)的滲透性等共同決定，其量值的確定需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。本文假定在泄漏點(diǎn)氣體的流動(dòng)為等熵流動(dòng)，氣體泄漏率為常數(shù)，且氣體泄漏量與最終儲(chǔ)氣量成正比。則氣體平均泄漏率可表達(dá)為式中，n為泄氣量與最終儲(chǔ)氣量的比值；m對(duì)式(3)左右兩邊進(jìn)行積分，可得充入到儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)壓縮空氣?B將式(6)中m由式(6)不難看出壓縮空氣的?值主要是由溫度和壓力決定的，而溫度和壓力的計(jì)算可采用文獻(xiàn)式中，j為差分次數(shù)，為正整數(shù)（1、2、3…）；T此外，壓縮氣體經(jīng)過(guò)壓氣裝置時(shí)增壓成高壓氣體，隨后存儲(chǔ)在地下儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)，發(fā)電時(shí)再經(jīng)過(guò)膨脹裝置透平發(fā)電。由于空氣在壓縮機(jī)出口處的溫度較高，為降低壓縮過(guò)程中空氣的溫度進(jìn)而減小壓縮功，通常采用兩級(jí)壓縮式中，ζ為發(fā)電機(jī)組效率；η在釋能過(guò)程中，儲(chǔ)氣庫(kù)釋放壓縮氣體經(jīng)過(guò)膨脹裝置做功，利用發(fā)電機(jī)發(fā)電。在電站裝機(jī)容量一定情況下，確定儲(chǔ)氣庫(kù)容積大小需要考慮儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率和發(fā)電機(jī)組效率ζ的共同影響。由此可得地下儲(chǔ)氣庫(kù)容積的計(jì)算式為式中，E為機(jī)組額定功率，J/s;t為機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，s;A為最大能量密度，J/m2計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證為驗(yàn)證本文壓縮空氣的泄漏熱力學(xué)模型，利用文獻(xiàn)Huntorf電站在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的充放氣速率如圖1所示，三次注入的空氣溫度分別為50.96℃、45.95℃和49.08℃。另外，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，第一個(gè)小時(shí)的放氣速率取平均值-150kg/s。圖2給出了當(dāng)泄漏率為零時(shí)，采用上述熱力學(xué)計(jì)算得到的壓縮空氣溫度和壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比。由圖可知，采用本文計(jì)算方法得到結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，因而是合理的。為驗(yàn)證本文基于效率分析的地下儲(chǔ)氣庫(kù)容積估算方法的正確性，運(yùn)用上述算例計(jì)算其在泄漏量為零時(shí)的壓縮空氣?值及儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容，并與文獻(xiàn)利用式(10)計(jì)算得到的Huntorf電站儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率為90.34%，參考文獻(xiàn)3影響因素分析為全面了解壓氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率特征，以體積為10萬(wàn)立方米、表面積為39192m3.1在正常運(yùn)行條件下，地下天然氣儲(chǔ)藏庫(kù)的效率3.1.1循環(huán)次數(shù)對(duì)溫度的影響圖3給出了不同泄漏情況下儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓縮空氣的溫度壓力變化過(guò)程。由圖3(a)可以看出，在30個(gè)充放氣循環(huán)中，較小的泄漏率對(duì)壓縮空氣的溫度變化過(guò)程影響不顯著。在保持儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮空氣壓力一定條件下，前4個(gè)計(jì)算循環(huán)內(nèi)壓縮空氣溫度極大、極小值隨循環(huán)次數(shù)的增加而下降；第4個(gè)循環(huán)后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，壓縮空氣溫度的極大與極小值逐漸趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與壓縮空氣與圍巖之間的對(duì)流傳熱及圍巖的熱傳導(dǎo)特性相關(guān)，在初期充放氣循環(huán)中圍巖溫度相對(duì)較低，其熱擴(kuò)散能力強(qiáng)，導(dǎo)致壓縮空氣向圍巖內(nèi)傳遞的熱量多，進(jìn)而引起空氣溫度的降低。后期圍巖溫度場(chǎng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，壓縮空氣與圍巖間的熱交換量逐漸趨于平衡，故空氣溫度值也就趨于穩(wěn)定了。在無(wú)泄漏情況下，經(jīng)過(guò)30個(gè)充放氣循環(huán)后，溫度極大值從初始循環(huán)值59.65℃下降到55.55℃，降低了4.1℃；極小值從6.85℃下降到3.75℃，降低了3.1℃。由圖3(b)可以看出，在保持儲(chǔ)氣庫(kù)最高和最低運(yùn)行壓力不變的30個(gè)充放氣循環(huán)中泄漏率對(duì)壓縮空氣的壓力變化過(guò)程影響不大。3.1.2儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)值變化圖4揭示了30個(gè)充放氣循環(huán)內(nèi)壓縮空氣?的變化過(guò)程。圖4(a)表明，儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏率越大，充入儲(chǔ)氣洞室內(nèi)的壓縮空氣?值越大。其原因是運(yùn)行過(guò)程中壓縮空氣泄漏量越多，達(dá)到預(yù)定最大運(yùn)行壓力需要的空氣質(zhì)量就越多，所需充入儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的?值也就越大。此外，圖中?值變化過(guò)程線均在第二次循環(huán)后出現(xiàn)大幅度下降現(xiàn)象，其原因是第一次充氣時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的初始?jí)毫Φ扔诃h(huán)境壓力（0.1MPa），充氣壓力差大于后續(xù)循環(huán)的充氣壓力差，達(dá)到為9.9MPa，因此達(dá)到預(yù)定最大壓力10MPa時(shí)需要壓入的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行期各充氣循環(huán)所需的空氣量。由于正常運(yùn)行期間儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的壓力區(qū)間相同，故在后期充入儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的?基本保持不變。充入儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的?值變化曲線在后期循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)非規(guī)則小幅波動(dòng)情況，其變化幅度小于?值的2%。經(jīng)過(guò)分析后，我們認(rèn)為這種情況產(chǎn)生可能源于壓縮空氣溫度和壓力的計(jì)算采用差分法緣故。因?yàn)椴罘址ㄊ峭ㄟ^(guò)有限差分來(lái)近似導(dǎo)數(shù)從而尋求微分方程近似解的一種辦法，在求解時(shí)會(huì)存在一定舍入誤差，從而導(dǎo)致循環(huán)后期?值的非規(guī)則變化。用于放氣發(fā)電的?值B3.1.3儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏率圖5為充放氣循環(huán)過(guò)程中地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率變化過(guò)程線。由圖5可知，儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率在前5次循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)了大幅度增加，后期循環(huán)過(guò)程中逐漸趨于某一穩(wěn)定值。其原因是在第2個(gè)循環(huán)時(shí)充入儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)氣體的?值大幅度減少，從而造成儲(chǔ)能效率在初期5個(gè)循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)較大幅度上升。圖5還表明儲(chǔ)氣庫(kù)的泄漏率越大，儲(chǔ)能效率越低。經(jīng)過(guò)多次充放氣循環(huán)后，儲(chǔ)能效率均趨于穩(wěn)定。壓縮空氣無(wú)泄漏情況下，其穩(wěn)定儲(chǔ)能效率最大，為95.61%；泄漏率為3.0kg/s時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定儲(chǔ)能效率約為90.53%。3.2運(yùn)行壓力差的影響圖6給出了泄漏率為3.0kg/s條件下不同運(yùn)行壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率變化規(guī)律。由圖6可以看出，壓力區(qū)間越大，儲(chǔ)能效率越大。經(jīng)過(guò)30個(gè)充放氣循環(huán)后，運(yùn)行壓力差為16MPa的儲(chǔ)氣庫(kù)，其儲(chǔ)能效率最大，為95.25%；運(yùn)行壓力差為3MPa的儲(chǔ)氣庫(kù)，儲(chǔ)能效率最低，為87.87%。圖7給出了第30個(gè)循環(huán)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率與運(yùn)行壓力差（△P）的關(guān)系圖。儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率隨△P的增大呈現(xiàn)出非線性增加的特點(diǎn)，且增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩。這表明當(dāng)運(yùn)行壓力差達(dá)到一定數(shù)值后，提高運(yùn)行壓力差對(duì)儲(chǔ)能效率的提高作用有限。3.3高分子材料替代密封層的儲(chǔ)能效率硬巖洞穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)一般需要設(shè)置密封層以保證高壓氣體能被有效封存，一般情況下密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式及組成如圖8所示。常用的密封層材料有鋼材、橡膠和玻璃鋼等。早期的密封層都是采用鋼板制作，成本較高。近年來(lái)，許多研究者都在嘗試用高分子材料替代鋼板作為密封層。其中，文獻(xiàn)圖9給出了漏氣率為3.0kg/s條件下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率變化規(guī)律。由圖可知，盡管密封材料類型不同，但其儲(chǔ)能效率的隨充放氣循環(huán)次數(shù)變化而變化的規(guī)律基本相同。采用鋼板作為密封層時(shí)的儲(chǔ)能效率最高，采用玻璃鋼作為密封層的儲(chǔ)能效率最低。經(jīng)過(guò)30個(gè)充放氣循環(huán)后，密封層材料為鋼板時(shí)的儲(chǔ)能效率為93.71%；密封層材料為玻璃鋼時(shí)，其儲(chǔ)能效率為90.96%。圖10表明儲(chǔ)能效率隨著密封層與壓縮空氣間對(duì)流換熱系數(shù)的增加而加大，其原因是對(duì)流傳熱系數(shù)越大，壓縮空氣中的熱量通過(guò)密封層傳遞到圍巖中的熱量越多，壓縮空氣溫度越低，達(dá)到相同壓力所需的空氣質(zhì)量越大。由于儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的?值大小主要取決于空氣質(zhì)量的大小，因此，儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率越高。4運(yùn)行條件分析為保證發(fā)電機(jī)組能達(dá)到設(shè)計(jì)所需的裝機(jī)容量，地下儲(chǔ)氣庫(kù)需要能提供足夠的可供做功發(fā)電的?值。?值的大小主要與儲(chǔ)氣量的多少有關(guān)。在機(jī)組設(shè)備和運(yùn)行方式一定的情況下，儲(chǔ)氣量的多少取決于儲(chǔ)氣庫(kù)容積的大小，因此合理擬定儲(chǔ)氣庫(kù)容的容積是壓氣儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)之一。以表3中所示儲(chǔ)氣庫(kù)基本條件為例，假設(shè)擬建壓縮空氣儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量為100MW，一個(gè)發(fā)電周期的運(yùn)行5小時(shí)，即發(fā)電機(jī)組發(fā)電產(chǎn)出的?值差為500MW·h。采用式(12)計(jì)算時(shí)發(fā)電機(jī)效率取94%，膨脹機(jī)效率取87%。儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率取30個(gè)循環(huán)后的穩(wěn)定值，見表5。表6給出了密封層材料采用玻璃鋼時(shí)所需的地下儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容表。由表6可知，發(fā)電設(shè)備運(yùn)行壓力區(qū)間越大，滿足相同裝機(jī)容量和發(fā)電時(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)氣庫(kù)容積越??；最低運(yùn)行壓力為4.0MPa，運(yùn)行壓力差為3.0MPa時(shí)，不考慮壓縮空氣泄漏情況下，地下儲(chǔ)氣庫(kù)所需的容積為125123.98m表5還表明，運(yùn)行過(guò)程中儲(chǔ)氣庫(kù)的泄漏率大小對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的容積也有較大的影響。例如，對(duì)于最高運(yùn)行壓力為10MPa、運(yùn)行壓力差為6MPa的電站來(lái)說(shuō)，如果儲(chǔ)氣庫(kù)能做到不泄漏時(shí)，其所需的容積為77714.11m5儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能效率研究?jī)?chǔ)能能力評(píng)價(jià)是規(guī)劃設(shè)計(jì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)至關(guān)重要的一環(huán)。本文從壓縮空氣的品質(zhì)方面提出了泄漏情況下壓氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓縮空氣?值的計(jì)算法，通過(guò)充放氣過(guò)程中?值比來(lái)確定地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)能效率，并通過(guò)算例研究了儲(chǔ)能效率的變化規(guī)律。(1）基于3種假定推導(dǎo)了泄漏情況下地下儲(chǔ)氣