CN115577208A - 一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，获取压缩机排气温度、压力、流量以及每个工况持续时间；设定储气硐库各个工况的初始空气温度、压力、初始岩体温度等参数；计算储气硐库初始储气容积；依次计算得到各个工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线，判断待储工况结束时储气硐库空气温度和压力是否和充气工况开始时储气硐库空气温度和压力误差；计算最终储气硐库储气容积。利用储气硐库空气和岩体热力学原理，快速计算得到合理的硐库容积，可以得到相对准确的储气硐库容积，计算过程根据储气硐库容积更新空气温度变化曲线和空气压力变化曲线，准确的反应储气硐库温度变化和压力变化情况，使得计算结果更准确。

Description

一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法

技术领域

本发明涉及一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，属于储能技术领域。

背景技术

公知的，储能技术是缓解可再生能源对电网冲击的一种手段，并且能够调频调峰，是近年来研究的热点。压缩空气储能作为储能方式的一种，具有清洁、高效、规模化等特点，是最具前景的储能技术之一。压缩空气系统的热力系统包含有压缩机系统、换热系统、储热系统、透平系统以及储气腔室等系统部件。储气腔室的容量对压缩空气储能系统的设计及运行有着密切的联系。压缩机和透平机一直运行在变工况状态下，合理的储气容积对压缩机和透平机的运行工况起到关键作用。

根据初步估算，对于人工硐库作为储气腔室，当储气空间在25万m³时大罐式单位造价约1200元/m³，隧道式单位造价约2400元/m³；当储气空间在35万m³时大罐式单位造价约1000元/m³，隧道式单位造价约2000元/m³。储气空间的偏差必定导致投资的偏差。

比如授权公告号“CN109543214B压缩空气储能系统的储气室容量估算方法及装置”，文件中流程S1步骤获得储气室的空气温度变化曲线和空气压力变化曲线过程中已用到储气室容量，S2、S3步骤才根据

存储量来计算储气室容量，S1步骤中储气室容量还是未知数，只能通过估算获得，因此获得的空气温度变化曲线和空气压力变化曲线也只是估算曲线，不能准确的反应储气室温度变化和压力变化情况。计算过程无反馈机制，根据储气室容量更新空气温度变化曲线和空气压力变化曲线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案如下：

一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，包括以下步骤：

步骤一、基于压缩空气储能系统运行状态获取压缩机排气温度、压力、流量以及每个工况持续时间；

步骤二、设定储气硐库充气工况前、充气工况后、储气工况后、放气工况后和待储工况后的初始空气温度、压力、初始岩体温度参数；

步骤三、计算储气硐库初始储气容积；

步骤四、根据储气硐库空气原理、岩体热力学原理依次计算得到各个工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线；

压缩空气储能系统循环一次后，判断待储工况结束时储气硐库空气温度和压力和充气工况开始时储气硐库空气温度和压力是否在误差范围之内；在误差范围内，进入步骤五；超出误差范围，返回步骤二，并将本次计算得出的待储工况结束时的参数赋值给充气工况前的参数作为步骤二计算的初始值；

步骤五、计算最终储气硐库储气容积，判断最终储气硐库储气容积和储气硐库初始储气容积是否在误差范围内；超出误差范围，返回步骤三并将此次计算的最终储气硐库储气容积赋值给储气硐库初始储气容积。

优选的，步骤四中根据初始储气容积依次计算充气工况、储气工况、放气工况和待储工况的控制方程，以求解得到的上一个工况结束时储气硐库空气温度、压力、岩体温度参数作为下一个工况开始时的初始条件。

优选的，步骤三根据以下公式计算储气硐库初始储气容积：

其中，V表示储气硐库初始储气容积，m(t)表示充气过程中压缩机排气流量，t₀表示充气工况开始时间，t₁表示充气工况结束时间，P₀表示充气工况开始时储气硐库空气压力，P₁表示充气工况结束时储气硐库空气压力，T₀表示充气工况开始时储气硐库空气温度，T₁表示充气工况结束时储气硐库空气温度，R表示气体常数；

初始储气硐库内径和初始储气硐库换热面积可以根据下式计算：

A＝4πr_in ²

其中，r_in表示储气硐库内径，A表示储气硐库换热面积。

优选的，所述控制方程包括储气硐库空气微分方程、储气硐库空气状态方程、岩体导热微分方程。

优选的，储气硐库空气微分方程：

Vd(ρc_pT)+Ah(T-T_w)dt＝amc_pT_indt

其中，V表示根据步骤二计算得出的储气硐库容积，ρ表示储气硐库空气密度，c_p表示储气硐库空气定压比热容，T表示储气硐库空气温度，T_in表示进入硐库的空气温度，A表示储气硐库换热面积，h表示空气与储气硐库表面换热系数，T_w表示储气硐库壁面温度，m表示进入储气硐库的空气流量，a表示压缩空气储能系统运行状态；充气工况下a＝1，放气工况下a＝-1，储气工况及待储工况下a＝0；

储气硐库空气状态方程：

P＝ρRT

其中，P表示储气硐库空气压力，ρ表示储气硐库空气密度，R表示气体常数，T表示储气硐库空气温度；

岩体导热微分方程：

其中，T_R表示储气硐库岩体温度，λ_R表示储气硐库岩体导热系数，ρ_R表示储气硐库岩体密度，c_R表示储气硐库岩体比热容，r表示储气硐库岩体半径。

优选的，包括：

边界条件：

其中，T_R表示储气硐库岩体温度，T表示储气硐库空气温度，T_out表示储气硐库岩体外表面温度，h表示空气与储气硐库表面换热系数，T_w表示储气硐库壁面温度，λ_R表示储气硐库岩体导热系数，r_out表示储气硐库岩体外径，r_in表示储气硐库岩体内径；

初始条件：

T(0)＝T₀

T_R(0)＝T_R0

T(0)表示储气硐库空气温度初始条件，T_R(0)表示储气硐库岩体温度初始条件，T₀表示充气工况前储气硐库空气温度，T_R0表示充气工况前储气硐库岩体温度。

本发明具有如下有益效果：

利用储气硐库空气和岩体热力学原理，快速计算得到合理的硐库容积，可以得到相对准确的储气硐库容积，为压缩空气储能系统的设计及运行提供可靠依据。

节省压缩空气储能系统投资，提高能源利用效率。

计算过程根据储气室容量更新空气温度变化曲线和空气压力变化曲线，准确的反应储气室温度变化和压力变化情况，使得计算出的储气硐库初始储气容积更准确。

附图说明

图1为本发明计算方法流程示意图；

图2为本发明压缩空气储能系统流程示意图；

图3为本发明硐库空气压力变化曲线；

图4为本发明硐库空气温度变化曲线；

图5为本发明压缩机具体指标。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

在电网负荷低谷时，压缩空气储能系统吸收电网多余的电量，驱动压缩机做功，将空气压缩成高压空气储存在储气硐库中。压缩过程中产生热量，通过换热系统将热量换出，储存在储热系统中。在电网负荷高峰时，压缩空气储能系统从储气硐库中释放高压空气，进入透平机膨胀做功产生电力送至电网，做功过程中通过换热系统吸收储热系统储存的热量。

如图2所示，压缩空气储能系统，包括：压缩机、透平机、换热单元、储热单元、储气单元等。

压缩机包含若干压缩缸，压缩缸之间通过空气管道与换热器串连连接，第一级压缩缸进口与大气环境相连，压缩缸的最终排气出口与储气单元的入口通过空气管道连接。透平机包含若干透平缸，透平缸之间通过空气管道与换热器串连连接，第一级透平缸进口与储气单元的出口通过空气管道连接，透平缸的最终排气出口与大气环境相连。换热单元包含若干换热器，换热器包含水侧和空气侧，空气侧分别与压缩机的压缩缸、透平机的透平缸相连，水侧分别与储热单元中高温储水罐和低温储水罐通过水管道相连。储热单元包含高温储水罐和低温储水罐，分别通过水管道与换热单元中换热器水侧相连。储气单元包含储气硐库，通过空气管道与透平机入口、压缩机出口相连。

充气工况时，压缩机接受电力系统的电能，通过若干压缩缸做功，将空气从大气压压至一定的压力并储存在储气硐库中，压缩过程产生热量，通过换热器将热量传送到水中，并储存在高温储水罐中。

放气工况时，储气硐库中的压缩空气进入透平机做功产生电能，空气膨胀过程中温度下降，通过高温储水罐中的热量加热空气，加热后的空气进入透平机，被空气冷却后的水进入低温储水罐中。

一般情况下，压缩空气储能在一个完整的充-放周期内储气空间有以下四个过程：1、充气工况：压缩机做功，向储气硐库充气；2、储气工况：充气停止，储气硐库处于静置状态；3、放气工况：储气硐库放气，驱动透平机做功；4、待储工况：放气停止，储气硐库处于静置状态。

如图1、3、4所示：

步骤一：设定压缩空气储能系统运行状态参数，包括压缩机排气进入硐库的温度、压力、流量，每个工况持续时间等参数。

压缩机根据充气过程的进行变频运行，根据压缩机的运行工况计算，每级压缩缸排气出口温度为190℃，压缩机排气换热后进入储气硐库的温度为60℃，压缩机出口空气流量近似为1600t/h，充气过程压缩机出口压力变化范围为13.3～17.3MPa，变化曲线近似为线性变化。

压缩机具体指标如图5所示；

根据压缩空气储能系统物料平衡计算，充气过程持续约9h，储气过程持续3h，放气过程持续6h，待储时间持续6h。

步骤二：设定储气硐库初始空气温度、压力、初始岩体温度等参数。

设定充气工况前储气硐库空气温度为T₀，压力为P₀，岩体温度为T_R0；充气工况后(储气工况前)储气硐库空气温度为T₁，压力为P₁，岩体温度为T_R1；储气工况后(放气工况前)储气硐库空气温度为T₂，压力为P₂，岩体温度为T_R2；放气工况后(待储工况前)储气硐库空气温度为T₃，压力为P₃，岩体温度为T_R3；待储工况后储气硐库空气温度为T₄，压力为P₄，岩体温度为T_R4。

第一次循环计算时，设置温度的初始值T₀＝T₁＝T₂＝T₃＝T₄＝50℃，T_R0＝30℃；设置压力的初始值P₀＝12.8MPa，P₁＝16.8MPa，P₂＝16.8MPa，P₃＝12.8MPa，P₄＝12.8MPa。后续计算时，根据计算结果进行温度、压力值的更新。

步骤三：计算储气硐库初始储气容积。

第一次循环计算得出储气硐库初始储气容积为35.74万m³。

估算硐库内径r_in，换热面积A，计算公式为：

A＝4πr_in ²

第一次循环计算得出储气硐库内径约为44m，换热面积约为2.43万m²。步骤四：计算储气硐库空气、岩体热力学过程。

控制方程：

储气硐库空气微分方程：

Vd(ρc_pT)+Ah(T-T_w)dt＝amc_pT_indt

储气硐库空气状态方程：

P＝ρRT

岩体导热微分方程：

边界条件：

初始条件：

T(0)＝T₀

T_R(0)＝T_R0

求解顺序：1)求解充气工况的控制方程，得到充气工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线，并将充气工况结束时的温度、压力等状态参数作为储气工况下的边界条件和初始条件；2)求解储气工况下的控制方程，得到储气工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线，并将储气工况结束时的温度、压力等状态参数作为放气工况下的边界条件和初始条件；3)求解放气工况下的控制方程，得到放气工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线，并将放气工况结束时的温度、压力等状态参数作为待储工况下的边界条件和初始条件；4)求解待储工况下的控制方程，得到待储工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线。

得出储气硐库空气的温度、压力变化曲线如图3、4所示。

从图中可以看出，充气开始时储气硐库空气温度为50℃，压力为12.8MPa，待储结束时储气硐库空气温度为49.5℃，压力为12.79MPa。

判断待储工况结束时储气硐库空气温度和压力是否和充气工况开始时储气硐库空气温度和压力是否在误差范围之内；误差范围设置为1.5％。

计算第一、第二指标E₁、E₂：

第一次循环计算得出

E₁、E₂<1.5％满足要求，进入步骤五

步骤五：

计算最终储气硐库储气容积，计算公式为：

第一次循环计算得出储气容积为40.18万m³。其中温度T₀、T₁，压力P₀、P₁为步骤四中计算得出的温度、压力。

判断V₁与步骤三V是否在合理误差范围内。

误差范围设置为1.5％，计算第三指标E₃：

第一次循环计算得出

超出误差范围，返回步骤三，并将本次计算的V₁赋值给步骤三中储气硐库容积V，进行下一次循环计算。

经多次迭代计算，最终储气容积约为40万m³。完成计算。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、基于压缩空气储能系统运行状态获取压缩机排气温度、压力、流量以及每个工况持续时间；

步骤二、设定储气硐库充气工况前、充气工况后、储气工况后、放气工况后和待储工况后的初始空气温度、压力、初始岩体温度参数；

步骤三、计算储气硐库初始储气容积；

步骤四、根据储气硐库空气原理、岩体热力学原理依次计算得到各个工况下储气硐库空气温度、压力和岩体温度随时间的变化曲线；

压缩空气储能系统循环一次后，判断待储工况结束时储气硐库空气温度和压力和充气工况开始时储气硐库空气温度和压力是否在误差范围之内；在误差范围内，进入步骤五；超出误差范围，返回步骤二，并将本次计算得出的待储工况结束时的参数赋值给充气工况前的参数作为步骤二计算的初始值；

步骤五、计算最终储气硐库储气容积，判断最终储气硐库储气容积和储气硐库初始储气容积是否在误差范围内；超出误差范围，返回步骤三并将此次计算的最终储气硐库储气容积赋值给储气硐库初始储气容积。

2.如权利要求1所述的一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：

步骤四中根据初始储气容积依次计算充气工况、储气工况、放气工况和待储工况的控制方程，以求解得到的上一个工况结束时储气硐库空气温度、压力、岩体温度参数作为下一个工况开始时的初始条件。

3.如权利要求2所述的一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：步骤三根据以下公式计算储气硐库初始储气容积：

其中，V表示储气硐库初始储气容积，m(t)表示充气过程中压缩机排气流量，t₀表示充气工况开始时间，t₁表示充气工况结束时间，P₀表示充气工况开始时储气硐库空气压力，P₁表示充气工况结束时储气硐库空气压力，T₀表示充气工况开始时储气硐库空气温度，T₁表示充气工况结束时储气硐库空气温度，R表示气体常数；

初始储气硐库内径和初始储气硐库换热面积可以根据下式计算：

A＝4πr_in ²

其中，r_in表示储气硐库内径，A表示储气硐库换热面积。

4.如权利要求3所述的一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：所述控制方程包括储气硐库空气微分方程、储气硐库空气状态方程、岩体导热微分方程。

5.如权利要求4所述的一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：

储气硐库空气微分方程：

Vd(ρc_pT)+Ah(T-T_w)dt＝amc_pT_indt

其中，V表示根据步骤二计算得出的储气硐库容积，ρ表示储气硐库空气密度，c_p表示储气硐库空气定压比热容，T表示储气硐库空气温度，T_in表示进入硐库的空气温度，A表示储气硐库换热面积，h表示空气与储气硐库表面换热系数，T_w表示储气硐库壁面温度，m表示进入储气硐库的空气流量，a表示压缩空气储能系统运行状态；充气工况下a＝1，放气工况下a＝-1，储气工况及待储工况下a＝0；

储气硐库空气状态方程：

P＝ρRT

其中，P表示储气硐库空气压力，ρ表示储气硐库空气密度，R表示气体常数，T表示储气硐库空气温度；

岩体导热微分方程：

其中，T_R表示储气硐库岩体温度，λ_R表示储气硐库岩体导热系数，ρ_R表示储气硐库岩体密度，c_R表示储气硐库岩体比热容，r表示储气硐库岩体半径。

6.如权利要求5所述的一种压缩空气储能地下硐库储气容积计算方法，其特征在于：包括：

边界条件：

其中，T_R表示储气硐库岩体温度，T表示储气硐库空气温度，T_out表示储气硐库岩体外表面温度，h表示空气与储气硐库表面换热系数，T_w表示储气硐库壁面温度，λ_R表示储气硐库岩体导热系数，r_out表示储气硐库岩体外径，r_in表示储气硐库岩体内径；

初始条件：

T(0)＝T₀

T_R(0)＝T_R0

T(0)表示储气硐库空气温度初始条件，T_R(0)表示储气硐库岩体温度初始条件，T₀表示充气工况前储气硐库空气温度，T_R0表示充气工况前储气硐库岩体温度。

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