CN110189834A - 一种压缩空气储能容量的解耦*计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，所述方法包括：S1，获取气体当前的状态参数；S2，获取气体死态时的状态参数；S3，利用解耦分析方法计算气体密度、温度。本发明采用解耦计算方法分析气体可用能，将气体的可用能拆分成密度、温度两部分，精确计算密度、温度的变化对密度、温度的影响；通过解耦计算方法，可对热力过程中存在的损失可进行有效分析；作为气体热力过程直观有效的分析工具，解耦计算方法在各种复杂工况下适应性良好。

Description

一种压缩空气储能容量的解耦*计算方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体为一种压缩空气储能容量的解耦计算方法。

背景技术

物理储能作为大规模储能技术，发展历史长，技术较为成熟，在可再生能源并网消纳等领域优势明显。压缩空气作为物理储能的重要形式，以其自身环保、低成本等特点，近年来受到广泛关注与应用。压缩气体是工业生产中重要的能量来源，提高气体压缩和膨胀过程效率、降低气体可用能损耗是工业生产中的重要任务。

气体压缩与膨胀过程涉及多种能量形式的转换以及能量传递，气体的最大可用能与气体温度、压强、密度以及环境温度、压强等因素息息相关，但多种因素耦合使得单一因素改变引起的可用能变化分析困难。气体温度、密度等因素波动对气体可用能的损失无法精确定位。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于：

S1，获取气体当前的状态参数；

S2，获取气体死态时的状态参数；

S3，利用解耦分析方法计算气体密度温度

所述的S1中获取气体当前的状态参数具体包括：

S11，获取气体当前体积V、压强p、温度T；

S12，计算气体当前密度ρ；具体计算方法为：ρ＝p/(RT)，R为通用气体常数，密度ρ单位为mol/m³。

所述的S2中气体死态是指气体不可对外做功的状态，气体温度T、压强p均达到环境温度T₀、环境压强p₀，所述的S2中获取气体死态时的状态参数具体包括：

S21，获取气体死态温度，即环境温度T₀，获取气体死态压强，即环境压强p₀；

S22，计算气体死态体积V₀，具体计算方法为：V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态密度ρ₀；具体计算方法为：ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数，密度ρ₀单位为mol/m³。

所述的S3中利用解耦分析方法计算气体密度温度具体包括：

S31，根据气体当前密度和死态密度计算气体密度E_x1；

S32，根据气体当前温度和死态温度计算气体温度E_x2；

S33，计算气体储能容量E_x＝E_x1+E_x2。

所述的密度是由于当前密度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体密度的单值函数，具体计算公式为：E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

其中，E_x1为气体的密度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，ρ为气体当前密度。

所述的温度是由于当前温度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体温度的单值函数，具体计算公式为：E_x2＝ρ₀V₀T₀R[ln(T₀/T)-1+T/T₀]/(γ-1)；

其中，E_x2为气体的温度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，γ为气体绝热系数，ρ为气体当前密度。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

1、针对气体当前状态参数和气体死态状态参数，可以精确计算气体当前的可用能，只与气体状态有关，与气体经历的热力过程无关。

2、采用解耦的计算方法，将气体的可用能拆分成密度温度两部分，密度仅与气体的密度有关，温度仅与气体的温度有关，可有效计算密度、温度的变化对密度温度的影响。

3、通过解耦分析法，对热力过程中存在的损失可进行精确计算，并准确定位在温度、密度的影响。

4、解耦分析法，可对传统的热力过程，如等温过程、绝热过程、换热过程等的气体可用能进行解释，简洁方便。

附图说明

图1为本发明一种压缩空气储能容量的解耦计算方法的流程图；

图2为等温过程的解耦计算分析图；

图3为绝热过程的解耦计算分析图；

图4为绝热过程的解耦计算结果；

图5为p-V平面任意状态点解耦计算分析图；

图中标记：

A-气体死态点，B-气体初始状态点，C～I-气体pV平面状态点，V-气体体积，p-气体压强，T-气体温度，ρ-气体密度，V₀-气体死态体积，p₀-气体死态压强，T₀-气体死态温度，ρ₀-气体死态密度，S₀-气体死态熵，E_x1-气体的密度E_x2-气体的温度

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示的本发明实施例1，一种压缩空气储能容量的解耦计算方法包括：

S1，获取气体当前的状态参数；

S2，获取气体死态时的状态参数；

S3，利用解耦分析方法计算气体密度温度

S1中获取气体当前的状态参数具体包括：

S11，获取气体当前体积V、压强p、温度T；

S12，计算气体当前密度ρ；具体计算方法为：ρ＝p/(RT)，R为通用气体常数，密度ρ单位为mol/m³。

S2中气体死态是指气体不可对外做功的状态，气体温度T、压强p均达到环境温度T₀、环境压强p₀，所述的S2中获取气体死态时的状态参数具体包括：

S21，获取气体死态温度，即环境温度T₀，获取气体死态压强，即环境压强p₀；

S22，计算气体死态体积V₀，具体计算方法为：V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态密度ρ₀；具体计算方法为：ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数，密度ρ₀单位为mol/m³。

S3中利用解耦分析方法计算气体密度温度具体包括：

S31，根据气体当前密度和死态密度计算气体密度E_x1；

S32，根据气体当前温度和死态温度计算气体温度E_x2；

S33，计算气体储能容量E_x＝E_x1+E_x2。

密度是由于当前密度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体密度的单值函数，具体计算公式为：E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

其中，E_x1为气体的密度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，ρ为气体当前密度。

温度是由于当前温度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体温度的单值函数，具体计算公式为：E_x2＝ρ₀V₀T₀R[ln(T₀/T)-1+T/T₀]/(γ-1)；

其中，E_x2为气体的温度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，γ为气体绝热系数，ρ为气体当前密度。

应用该解耦计算方法可进行不同热力过程的气体可用能解耦计算。

如图2所示的本发明实施例2，具体为等温过程的解耦分析图，未描述部分与实施例1相同。

图中A、B处于等温线T₀上，B、C点体积为V，C、A点压强为p₀，A为气体死态点。气体处于等温过程中状态B点，等温过程满足pV＝C₁，其中C₁为常数。对于气体状态B点进行可用能解耦分析：

S11，获取气体B点的状态参数体积V、压强p、温度T

S12，计算气体B点密度ρ，ρ＝p/(RT)。

S21，获取环境温度T₀、环境压强p₀；

S22，计算气体死态A点的体积V₀，V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态A点的密度ρ₀，ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数。

S31，计算气体B点密度E_x1，E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

S32，计算气体B点温度E_x2，E_x2＝0；

S33，计算气体B点储能容量E_x＝E_x1+E_x2＝E_x1。

A至B的等温过程中气体由于与环境温度相等，不具有温度B点气体可用能整体表现为密度为图中ABC所围成的面积，且随着密度的增高密度增大。当气体密度低于环境密度时，随着密度的增高密度减小。

如图3所示的本发明实施例3，具体为绝热过程的解耦分析图，未描述部分与实施例1相同。

图中A、C处于等温线T₀上，A、B处于绝热线(等熵线)S₀上，B、C、D点体积为V，D、A点压强为p₀，A为气体死态点。气体处于绝热过程中状态B点，绝热过程满足pV^γ＝C₂，其中C₂为常数。对于气体状态B点进行可用能解耦分析：

S11，获取气体B点的状态参数体积V、压强p、温度T

S12，计算气体B点密度ρ，ρ＝p/(RT)。

S21，获取环境温度T₀、环境压强p₀；

S22，计算气体死态A点的体积V₀，V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态A点的密度ρ₀，ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数。

S31，计算气体B点密度E_x1，E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

S32，计算气体B点温度E_x2，E_x2＝ρ₀V₀T₀R[ln(T₀/T)-1+T/T₀]/(γ-1)；

S33，计算气体B点储能容量E_x＝E_x1+E_x2。

A至B对的绝热过程中气体由于与环境不发生热交换，温度和密度同时增加，B点温度为ABC所围成的面积，密度为ACD所围成的面积，气体总的储能容量为ABD所围面积。

随着气体体积V的减小，温度密度同时增大。图4为不同压缩比(V₀/V)下，气体的密度温度计算数值和占比图，图中气体死态压强、死态体积、死态温度分别取0.1MPa、100m³、25℃。随着压缩比的增大，温度密度的数值均在增大，但温度占比越来越大，密度占比越来越小。当气体温度低于环境温度时，随着温度的升高温度减小。

如图5所示的本发明实施例4，具体为p-V平面任意状态点解耦分析图，未描述部分与实施例1相同。

图中A、C、D处于等温线T₀上，D、B处于绝热线(等熵线)S₀上，B、C、E点体积为V，E、A点压强为p₀，A为气体死态点。气体处于任意状态B点，对于气体状态B点进行可用能解耦分析：

S11，获取气体B点的状态参数体积V、压强p、温度T

S12，计算气体B点密度ρ，ρ＝p/(RT)。

S21，获取环境温度T₀、环境压强p₀；

S22，计算气体死态A点的体积V₀，V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态A点的密度ρ₀，ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数。

S31，计算气体B点密度E_x1，E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

S32，计算气体B点温度E_x2，E_x2＝ρ₀V₀T₀R[ln(T₀/T)-1+T/T₀]/(γ-1)；

S33，计算气体B点储能容量E_x＝E_x1+E_x2。

B点至死态点A的可逆热力过程可以基于等温线T₀划分成绝热过程BD、等温过程DA。B点密度为ACD所围面积，温度为BCD所围面积，气体总的储能容量为ABD所围面积。

以上实施例仅为本发明典型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于：

S1，获取气体当前的状态参数；

S2，获取气体死态时的状态参数；

S3，利用解耦分析方法计算气体密度温度

2.根据权利要求1所述一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于，所述的S1中获取气体当前的状态参数具体包括：

S11，获取气体当前体积V、压强p、温度T；

S12，计算气体当前密度ρ；具体计算方法为：ρ＝p/(RT)，R为通用气体常数，密度ρ单位为mol/m³。

3.根据权利要求1所述一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于，所述的S2中气体死态是指气体不可对外做功的状态，气体温度T、压强ρ均达到环境温度T₀、环境压强p₀，所述的S2中获取气体死态时的状态参数具体包括：

S21，获取气体死态温度，即环境温度T₀，获取气体死态压强，即环境压强p₀；

S22，计算气体死态体积V₀，具体计算方法为：V₀＝pVT₀/(p₀T)；

S23，计算气体死态密度ρ₀；具体计算方法为：ρ₀＝p₀/(RT₀)，R为通用气体常数，密度ρ₀单位为mol/m³。

4.根据权利要求1所述一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于，所述的S3中利用解耦分析方法计算气体密度温度具体包括：

S31，根据气体当前密度和死态密度计算气体密度E_x1；

S32，根据气体当前温度和死态温度计算气体温度E_x2；

S33，计算气体储能容量E_x＝E_x1+E_x2。

5.根据权利要求1、4所述一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于，所述的密度是由于当前密度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体密度的单值函数，具体计算公式为：E_x1＝ρ₀V₀T₀R[ln(ρ/ρ₀)-1+ρ₀/ρ]；

其中，E_x1为气体的密度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，ρ为气体当前密度。

6.根据权利要求1、4所述一种压缩空气储能容量的解耦计算方法，其特征在于，所述的温度是由于当前温度与环境密度差异而产生的做功能力，为气体温度的单值函数，具体计算公式为：E_x2＝ρ₀V₀T₀R[ln(T₀/T)-1+T/T₀]/(γ-1)；

其中，E_x2为气体的温度ρ₀、V₀、T₀为气体死态密度、死态体积、死态温度，R为通用气体常数，γ为气体绝热系数，ρ为气体当前密度。