基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法技术

本方案设计一种基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，根据硐库空气与硐壁对流换热功率与基于温度分布求得的硐壁表面热传导功率相等，求得密封层温度

【技术实现步骤摘要】
基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法


[0001]本专利技术专利属于储能领域，涉及压缩空气储能电站地下人工储气硐库充放气过程中的热力学过程计算，以及硐库内空气温度变化引起的硐壁热传导过程，具体为基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法
。

技术介绍

[0002]压缩空气储能技术是一种大型
、
长时间储能发电技术，其技术原理如图3所示
。
在用弃风
、
弃光及低谷电阶段，压缩空气储能电站利用电能驱动压缩机压缩空气，将其送往地下储气库中储存；在用电高峰期到来时，储气库中的高压空气经过换热器或燃烧室加热，被送至膨胀机内膨胀做功，驱动发电机发电，从而实现对电力能源的削峰填谷等功能
。
[0003]商业化的压缩空气储能电站地下储气库目前主要为盐穴储气库
。
它是利用水溶开采方式在地下较厚的盐层或盐丘中注入淡水，将盐岩层溶解，再将饱和或近饱和卤水排出，形成的地下洞穴
。
盐穴储气库具有密封性好
、
稳定性高的优点
。
但盐穴储气库受地理环境限制明显，需建设压缩空气储能电站的地区可能无盐岩分布，无法建造盐穴储气库
。
[0004]除了盐穴储气库，近年来地下人工硐库也是压缩空气储能电站的一个重要选择
。
它是在地下硬质岩中人工开挖形成的具有一定体积的储气构筑物
。
根据气库形状，可以分为大罐式和隧道式两种
(
见图4～图
5)。
[0005]不管是何种形式的地下人工硐库，其硐壁结构从硐库内向外主要由密封层
、
混凝土衬砌和围岩三部分组成
。
这种形式的储气库气密性由密封材料，如钢材提供，硐库稳定性和变形控制由混凝土衬砌提供
。
[0006]人工硐库的优势主要体现在工程可控性强，可根据建设需求灵活建造
。
地下人工硐库是现阶段压缩空气储能工程项目的重点研发和示范方向
。
因此，从储气库方式来看，未来压缩空气储能电站储气方式将以人工硐库为主，其他储气方式为辅
。
[0007]压缩空气储能电站经过
5kW
～
1.5MW
的实验性电站建设的验证，目前已投产项目基本达到了
60MW
～
100MW
等级，
300MW
等级项目也已在规划设计过程中
。300MW
等级电站储气库容积一般为
10
万
m3甚至数
10
万
m3。
这些工程储气库在标准循环条件下工作压力变动幅度一般为数兆帕，其基本压力一般为数兆帕，甚至高达十兆帕以上
。
[0008]在如此高压差变幅充放气过程中，硐库内空气的温度会随充放气过程产生明显变化，充气阶段温度升高，抽气阶段温度降低
。
硐库内空气温度的变化，除受空气热力学性质控制外，还受空气与硐壁之间的对流换热
、
以及硐壁各介质层的热传导过程的耦合控制
。
[0009]在工程设计阶段，明晰硐库内空气压力和温度变化是发电机组设计的基础
。
另一方面，随着硐壁热传导过程的进行，密封层
、
混凝土衬砌以及围岩温度的变化，对其应力
、
应变和稳定性有重要影响
。
因此进行硐库热力学
、
硐壁对流换热以及硐壁热传导的耦合计算是一项重要的工作内容
。
[0010]基于硐库内气体能量和质量守恒建立能量守恒方程和质量守恒方程，再根据热传导建立硐壁多层介质的热传导方程，以及各自的边界条件进行耦合求解，将是十分复杂的
。
[0011]已有计算方法仅能计算标准循环条件下的充抽气过程，不能计算从大气压条件下开始充抽气的过程，而该过程对设计起到控制性作用，因此寻求更加适用的求解方法十分必要
。

技术实现思路

[0012]本专利提出一种基于一维热传导的耦合方法，可以方便地耦合硐库热力学以及硐壁热传导过程
。
[0013]本专利技术所采用的技术手段如下所述：
[0014]基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，包括以下步骤：
[0015]S1
：确定硐库几何尺寸
、
运行参数，给出密封层
、
衬砌和围岩的热力学和力学基本计算参数，确定总计算时长
t
n
，将该拟计算的时域进行离散，划分时步长度
Δ
t
，并给硐库内的空气和围岩赋温度初值；
[0016]S2
：计算每个时步硐内空气充气和抽气速率
、
充气温度，以及硐库内空气密度；
[0017]S3
：根据硐壁与空气之间的对流换热与硐壁热传导能量守恒，基于第
i
时步的硐库空气温度和硐壁温度分布，计算第
i+1
时步密封层的温度
T
m
；
[0018]S4
：假定密封层温度在第
i+1
时步中不变，计算第
i+1
时步硐库内空气的温度，采用一维热传导模型计算硐壁热传导，得到硐壁温度分布；
[0019]S5
：重复步骤
S3
‑
S4
，直至大于总计算时长
。
[0020]作为优选，在每一时步循环计算中，根据硐库空气与硐壁对流换热功率与基于温度分布求得的硐壁表面热传导功率相等，求得密封层温度
T
m
，并以密封层温度
T
m
为边界条件，分别进行硐库空气热力学计算和硐壁一维热传导计算，通过硐库空气热力学计算得到硐库空气温度与压力，通过硐壁一维热传导计算得到硐壁温度沿径向分布
。
[0021]作为优选，
[0022]将拟计算的时域进行离散，选取时步
Δ
t
；
[0023]以硐库中心向外延伸设坐标轴
r
，并设坐标轴
r
的离散间隔为
Δ
r
；
[0024]假定时步内硐库密封层温度
T
m
恒定，且不随密封层厚度位置变化；
[0025]以此计算一时步结束时硐内气体温度
T
和围岩温度梯度即并将其代入下式
(1)
后得到下式
(2)
：
[0026][0027]式中：
[0028]k
为混凝土衬砌的导热系数，
W
·
(m
·
K)
‑1；
[0029]h
c
为硐库内空气与硐壁之间的对流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：确定硐库几何尺寸
、
运行参数，给出密封层
、
衬砌和围岩的热力学和力学基本计算参数，确定总计算时长
t
n
，将该拟计算的时域进行离散，划分时步长度
Δ
t
，并给硐库内的空气和围岩赋温度初值；
S2
：计算每个时步硐内空气充气和抽气速率
、
充气温度，以及硐库内空气密度；
S3
：根据硐壁与空气之间的对流换热与硐壁热传导能量守恒，基于第
i
时步的硐库空气温度和硐壁温度分布，计算第
i+1
时步密封层的温度
T
m
；
S4
：假定密封层温度在第
i+1
时步中不变，计算第
i+1
时步硐库内空气的温度，采用一维热传导模型计算硐壁热传导，得到硐壁温度分布；
S5
：重复步骤
S3
‑
S4
，直至大于总计算时长
。2.
根据权利要求1所述的基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，其特征在于，在每一时步循环计算中，根据硐库空气与硐壁对流换热功率与基于温度分布求得的硐壁表面热传导功率相等，求得密封层温度
T
m
，并以密封层温度
T
m
为边界条件，分别进行硐库空气热力学计算和硐壁一维热传导计算，通过硐库空气热力学计算得到硐库空气温度与压力，通过硐壁一维热传导计算得到硐壁温度沿径向分布
。3.
根据权利要求2所述的基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，其特征在于：将拟计算的时域进行离散，选取时步
Δ
t
；以硐库中心向外延伸设坐标轴
r
，并设坐标轴
r
的离散间隔为
Δ
r
；假定时步内硐库密封层温度
T
m
恒定，且不随密封层厚度位置变化；以此计算一时步结束时硐内气体温度
T
和围岩温度梯度即并将其代入下式
(1)
后得到下式
(2)
：式中：
k
为混凝土衬砌的导热系数，
W
·
(m
·
K)
‑1；
h
c
为硐库内空气与硐壁之间的对流换热系数，
W/(m2·
K)
；
T
u
为围岩温度；式中：
h
c
(T
‑
T
m
)
为上一时间间隔结束时围岩对流换热功率，
W
；为围岩热传导功率，
W
；进一步由式
(2)
计算得到下一时间间隔计算时需要的密封层温度
T
m
。4.
根据权利要求3所述的基于一维热传导的硐库热力学与硐壁热传导耦合计算方法，其特征在于，在计算硐内气体温度
T
基本解时，假设硐壁温度恒定，硐库内空气密度不变，充气速率或抽气速率为常数，以及空气为理想状态气体，进一步将下式
(3)
的能量守恒方程转
化为常微分方程，式中：
V
为硐库体积，
m3；
ρ
为硐库内空气的密度，
kg/m3；
c
v
为空气的等容比热，
717J/(kg
·
K)
；
T
为硐库内空气的温度，
K
；
t
为时间，
s
；
m
in
(t)
为充气速率函数；
m
ex
(t)
为抽气速率函数；
h
i
为充入空气焓，
J
；
h
为硐库内空气的焓，
J
；
Z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宁，刘顺，乔晓星，刘涛，张代国，王洪播，
申请(专利权)人：中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：