含水层压缩空气储能中温度诱发的变密度气水流动：解析解与数值研究

《Energy》：Temperature induced variable density gas-water flow in compressed air energy storage in aquifers: Analytical solution and numerical investigation

　　**摘要要点：**- 闭式解析解可预测非等温CAESA性能。- 20–80°C的加热使流度比降低25–40%，稳定性数降低15–30%。- 10–30 m的垫气使最优流量提高60–120%，但水锥可达19–29 m。- 渗透率从100到5000 mD对允许质量流量几乎成正比地起控制作用。- 深度扩大了压力窗口，但并未消除热-流度效应。---**引言**间歇性可再生能源渗透率的不断增加，催生了对大规模、长时储能技术的强烈需求[1]–[4]。压缩空气储能（CAES）因其储能容量大、使用寿命长以及与地下地质构造的兼容性，被认为是一种有前景的方案[5]–[8]。现有的CAES项目，如亨托尔夫（Huntorf）和麦金托什（McIntosh）电站，已验证了地下压缩空气储存的可行性，但大多数商业系统依赖于盐穴或人工洞穴，其地理可用性有限[5]、[9]–[12]。因此，含水层压缩空气储能（CAESA）引起了越来越多的关注，因为深层多孔地层分布更广泛，并且长期以来一直被用于天然气储存、氢气储存和地质CO?封存[13]–[22]。关于含水层中压缩空气储能的研究，已从评估渗透率依赖性效率发展到解决耦合的地下过程和运行约束[23]–[26]。Pei等人[27]将稳态电站建模与?分析相结合，证明更高的含水层渗透率可降低与压力相关的?损失并提高电站效率。超越稳态评估，Guo等人[28]开发了耦合的井筒-储层模拟，并以亨托尔夫监测数据为基准对洞穴配置进行了验证，随后比较了含水层储存与洞穴储存。他们的结果表明，多孔介质流动阻力加剧了压力波动，而岩石骨架的热容量则缓和了温度变化。将该框架扩展到储存安全性方面，Li等人[29]将含水层中的多相Darcy流动与工作井和高渗透性泄漏通道的漂移通量模型相耦合。他们的模拟揭示了储层几何形状和渗透率控制着泄漏的持续性及其对循环注入与采出的延迟响应。后续研究进一步加强了地下建模与实际运行限制之间的联系[30]、[31]。Li等人[32]将深层含水层注入-采出现场试验与受监测约束的T2Well/EOS3模型相结合，表明减弱的气泡压力支撑促进了水进入井筒，而数值补给策略可以维持循环操作。Yang等人[33]进一步采用二维径向TOUGH2/EOS3模拟，确定了压力限制和无地下水产出条件下的最大井流量。他们的敏感性分析确定渗透率和含水层深度是控制井产能的主导因素，并表明渗透率各向异性可以减轻水锥现象。然而，等温注入近似仍然是以含水层特性和井产能为重点的性能评估中的常见简化手段：即规定注入空气温度等于初始储层温度，如Pei等人[27]及Yang等人[33]所采用的方法。尽管这些研究提升了CAESA性能的认识，但注入温度对气-水两相流动的影响仍未得到充分解决。许多现有模型要么假设注入温度接近初始含水层温度，要么主要从能量回收的角度讨论温度[34]。然而，在实际运行中，进入含水层的空气温度取决于压缩过程、储热效率、换热器性能和井筒热损失[5]、[11]、[35]–[37]。因此，注入空气可能偏离地层温度，导致储层含水层中出现非等温气-水流动。因此，这些研究并未阐明注入-储层温差如何改变气-水驱替、水锥行为以及允许的注入-采出速率。注入温度可以直接改变两相流动的控制特性。在给定压力下，较高的气体温度会降低空气密度并增加固定质量流量所需的体积流量。同时，水的粘度在20–80°C区间内显著降低，从而增强了气-水界面附近的水相流度。气-水界面张力也随温度升高而降低，从而减少了稳定界面的毛细压力屏障[38]–[45]。这些耦合效应可能改变气体产能、流度比、毛细稳定性、压力响应和热锋传播。TOUGH2/T2Well及基于CFD的模拟器可以解析耦合的压力-饱和度-温度场[41]、[46]–[52]，但闭式解析解在识别主导机制和开发快速筛选方法方面仍然十分有用。本研究建立了一个耦合解析-数值框架，用于研究倾斜含水层CAES系统中由温度引起的变密度气-水两相流动。与先前的CAESA温度相关研究不同，本文着重探讨注入温度如何改变气体密度、水流度、毛细稳定性、界面响应以及最优允许质量流量。推导了井底压力、气体产能、水锥高度、热锋传播、流度比、毛细稳定性和最优井质量流量（MF_opt）的闭式解析模型。解析预测利用74个ANSYS Fluent模拟进行了评估，包括50个主要案例和24个辅助流量界定案例。研究目标为：(i) 阐明注入温度如何改变气体密度、水流度和毛细稳定性；(ii) 量化注入温度、垫气厚度、渗透率和含水层深度对产能和界面响应的耦合效应；以及(iii) 在考虑规定注入温度效应的情况下，为承压含水层中的CAESA运行提供设计指导。---**章节摘要****方法**本研究通过纳入注入温度对气-水两相流动的影响，扩展了基于含水层的压缩空气储能系统的框架。本文所考察的含水层压缩空气储能系统包括地面压缩-膨胀系统和地下多孔储层，如图1所示（修改自Yang等人[33]）。多余的再生电力用于压缩大气空气，随后将其输送到封闭的……**模型验证**在考察注入温度的影响之前，数值研究在近等温的A组条件下进行了基准验证，其中规定的注入温度等于初始含水层温度。采用五种垫气厚度（10、12、15、20和30 m），与Yang等人[33]报告的配置一致。结果包括参考质量流量目标、解析模型预测以及100个循环的VOF Fluent模拟。如图3所示，……**结论**本研究开发了一个耦合解析-数值框架，用于研究含水层压缩空气储能系统中由温度引起的变密度气-水两相流动。建立了用于气体产能、热锋传播、水锥高度和最优允许质量流量的闭式解析模型，并利用74个ANSYS Fluent模拟进行了评估。结果表明，注入温度通过以下耦合方式影响CAESA性能……**CRediT作者贡献声明****Yuchen Zhang：** 写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，验证，软件，方法学，概念设计。**Chunhui Lu：** 写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取。**Xin Yang：** 软件，调查。---**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。---**致谢**本研究得到国家自然科学基金（项目编号：U2340212）和中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：B250201143）的资金支持。本工作还得到新基石科学基金会通过XPLORER大奖的支持。此外，第一作者感谢江苏省卓越博士后人才基金计划所提供的支持。