考虑环境湿度影响的先进绝热压缩空气储能动态建模与性能分析

《Energy》：Dynamic modeling and performance analysis of advanced adiabatic compressed air energy storage considering the effects of ambient humidity

　　

摘要：在先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）的实际运行中，压缩、热存储、洞室储存和膨胀过程均暴露于环境相对湿度（RH）不断变化的空气中，其对系统层面的影响尚未得到充分量化。现有研究主要考察孤立组件或固定边界条件下的运行情况，导致动态非设计工况下耦合湿度效应尚不明确。本工作建立了一个水分耦合的AA-CAES系统动态模型，该模型集成了水分依赖的空气热物性、关键组件的非设计特性以及填充床潜热储能（PBLTES）和空气储存洞室中的瞬态水蒸气冷凝。该模型用于揭示环境RH如何影响AA-CAES系统的稳定性能和循环性能。结果表明，在高入口RH条件下运行时呈现峰值-衰减趋势，因为冷凝持续引入额外的?损失和有效储存容积损失。定量地，稳定往返效率从干燥条件下的77.13%降至30°C、100% RH条件下的74.69%。额外的效率损失主要归因于PBLTES和空气洞室，分别贡献了1.12%和1.74%，这是由于冷凝引起的化学?损失和散热增加。同时，储能密度从1.91降至1.69 kWh/m3，减少了11.5%。这种降低是由水分引起的压缩机容量退化、水蒸气冷凝后的净空气输送量减少以及累积洞室容积占用的相对较小贡献共同造成的。这些结果确认了环境水分是AA-CAES不可忽视的设计和运行因素，并强调了空气水分管理是提高系统性能的有效途径。

引言：能源稀缺和气候恶化推动了清洁可再生能源的发展[1]、[2]。然而，可再生能源的间歇性特性往往阻碍了电网的并网[3]、[4]。压缩空气储能（CAES）以其高能量容量[5]、低单位能量资本成本[6]、环境友好[7]和长寿命[8]而备受认可，不仅通过利用峰谷电价差产生经济效益，还能补偿可再生能源发电的波动[9]、[10]。因此，CAES受到了广泛关注[11]、[12]。在CAES技术中，先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）集成了高温热能储存，表现出更高的往返效率和更简单的系统布局[13]。随着压缩机运行温度和热能储存技术的预期突破，AA-CAES有望成为该领域的主流解决方案[14]。

在AA-CAES系统中，空气在第一级压缩后温度显著升高，并保持远高于环境温度。即使在通过中间冷却器后，空气温度仍然保持较高水平[15]。相比之下，在常规低温绝热CAES系统中，每次压缩级后的空气通过中间冷却器冷却至接近压缩机入口处的空气温度。根据Goff-Gratch公式，饱和水蒸气压主要由温度决定[16]、[17]。因此，在低温绝热CAES系统中，即使压缩机入口空气具有较高的RH和相应的湿度比，在下游冷却过程中大部分水蒸气会冷凝并被移除。因此，高入口湿度比主要影响第一级压缩机，对系统整体运行的影响最小。然而，在AA-CAES系统中，由于压缩后空气温度持续较高，水蒸气较难冷凝。因此，湿度比相对较高的空气通过所有后续压缩机、热能储存系统和空气储存罐，可能对整个过程产生更显著的影响。

鉴于空气中水蒸气对AA-CAES系统的重要影响，许多研究者已开始关注这一主题，并已取得一些重要进展。一些研究指出，由于空气中的水蒸气影响空气的热物性，较高的湿度比可能导致压缩机功耗增加[18]、[19]。Guo等人的实验[20]表明，当吸气温度保持不变时，每降低1%的吸气RH，能耗减少0.283%，总效率提高0.033%。此外，发现空气湿度比的变化也会影响压缩机性能指标[21]、[22]。例如，Stoewer和Mimic[23]发现，空气湿度比的增加导致校正质量流量和等熵效率升高，从而导致总压比和总温比降低。在此基础上，Sun等人[24]通过理论和实验分析开发了离心压缩机性能湿度比修正模型，证明入口湿度比的增加降低了压比（PR）并改变了等熵效率（IE），从而影响功耗和压缩能力。近年来，大量研究表明，跨音速压缩机转子在跨音速条件下的运行会引起流道内温度和压力的急剧波动，从而触发非平衡冷凝，最终降低压缩机效率[25]、[26]、[27]。

水蒸气对其他组件的影响也得到了相当彻底的研究。关于CAES储存洞室，湿润环境通常是不利的。Zeng等人[28]通过实验发现，含水量较高的空气侵入盐洞室可能导致水蒸气冷凝，甚至导致周围盐岩溶解成卤水。他们后续的建模工作[29]表明，对于140,000 m3的洞室，累积冷凝水每个循环导致有效储存容积损失约0.62 m3，而冷凝释放的潜热使洞室温度每个循环升高约0.2°C，导致储能密度持续下降，但往返效率几乎保持不变。同样，Jiang等人[30]发现，冷凝水的逐渐累积减少了洞室的可用容积，从而降低了其有效空气储存能力。在热能储存方面，Gao等人[31]通过实验验证了较低的入口RH能增强基于吸附的热能储存系统的热能储存性能。对于填充床潜热储能，当具有较高湿度比的高温空气通过它们时，其较强的传热性能促进冷凝，进而影响填充床内的空气流动和温度分布[32]。然而，尚无研究试图调查环境RH对整个CAES系统性能的影响。

以往的工作初步表征了入口水分条件对AA-CAES系统某些关键组件（即压缩机、涡轮机、储存洞室）的影响，并证实了其对系统层面性能的不利影响。然而，入口水分条件如何调控AA-CAES系统整体性能和动态运行特性的耦合机制仍然知之甚少，存在以下两个关键研究空白。首先，现有研究主要关注固定边界条件下入口水分条件对单个组件的影响，而未将湿度比效应整合到实际AA-CAES动态运行条件下的整体系统分析中。在实际运行中，所有组件在热力学上紧密耦合，关键边界条件（压缩机/涡轮机压比、洞室压力和温度）在整个充放电循环中持续演变[33]、[34]、[35]。因此，入口水分条件对单个组件的影响并非独立，而是通过系统范围内的热力学和质量传递过程传播和放大。空气湿度比的这种跨组件耦合效应尚未得到完全阐明。其次，关于水分效应的现有发现主要来自设计点或稳态固定边界条件，而实际的AA-CAES系统大多在非设计条件下运行。例如，在充电期间，压缩机压比随着储存压力的升高而动态变化，这改变了湿度比对压缩机性能的影响，进而通过水分分布和热力行为的改变来调节下游传热、热能储存和膨胀过程[36]、[37]。迄今为止，很少有研究探讨空气湿度比在非设计场景下与动态系统边界的相互作用，使得现有结论在实际AA-CAES运行中的适用性有限。更关键的是，上述研究空白从根本上受到缺乏AA-CAES系统层面动态模拟模型的制约，该模型能够同时解析空气湿度比的全过程效应、跨组件热力学耦合以及系统的动态非设计运行特性。

为弥补这些空白，本研究开发了一个水分耦合的动态AA-CAES模型，其中环境RH被规定为入口边界条件，湿度比作为水蒸气含量变量在整个系统中被追踪。该模型将ω的演变与组件性能非设计特性、瞬态传热和传质以及重复充-待机-放循环中的冷凝耦合在一起。目标是阐明由空气湿度比引起的局部变化如何通过整个充-待机-放过程传播，并最终影响系统效率、储存容量和循环稳定性。本工作的主要创新与贡献总结如下：
(1) 开发了一个系统层面的动态AA-CAES模型，通过将水蒸气含量依赖的热物性、湿度比修正的压缩机性能、关键组件的非设计特性以及PBLTES和空气储存洞室中的瞬态冷凝耦合在一起。
(2) 在真实循环运行条件下阐明了环境RH效应的跨组件传播，揭示了湿度比引起的压缩、热能储存、洞室热力学和放电行为变化如何通过动态演变的系统边界相互作用。
(3) 定量表征了湿度比引起的往返效率和储能密度退化，并进行了机理分解，确认PBLTES和空气储存洞室是额外不可逆性的主要来源，并阐明了冷凝、散热、压缩机容量损失和有效储存容积减少的综合效应。

系统描述：图1展示了所研究的AA-CAES构型，该系统被设计为一个最小但完全具有代表性的系统。它集成了典型AA-CAES架构中描述的两级压缩、中间冷却和填充床热能储存后冷却特征[34]、[36]，从而涵盖了通用AA-CAES工厂的所有核心过程。值得注意的是，在AA-CAES系统中，由于使用了高温热能储存系统...

动态模型与验证：本研究基于MATLAB开发了一个具有准稳态透平机械非设计性能的系统层面动态AA-CAES模型。为了简化模型，采用了以下合理假设：
(1) 透平机械在恒定转速下运行，忽略体积效应和热惯性。
(2) 所有连接管道，包括地上设备与地下空气储存洞室之间的垂直井筒，都被视为绝热且无压降的通道...

结果与讨论：本节研究了不同环境RH条件下AA-CAES系统的循环演变和稳定性能。4.1节首先分析了0%和100% RH两种极限条件下的多循环行为。这两个案例用于揭示随着环境RH和相应入口湿度比增加，影响热调节、冷凝、组件不可逆性、运行时长、往返效率和...

结论：本研究开发了一个水分耦合的动态模型，用于研究AA-CAES系统中环境RH和相应湿度比如何影响循环运行、组件不可逆性和稳定系统性能。该模型纳入了湿度比依赖的空气特性、关键组件的非设计特性、PBLTES和空气储存洞室中的瞬态冷凝，以及压缩、热能储存、洞室储存和膨胀过程之间的动态耦合。

CRediT作者贡献声明：李智：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。胡旷：撰写——原稿、方法论、调查、形式分析、数据管理

利益冲突声明：? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢：本研究由国家自然科学基金（项目编号524762247）、浙江省科技青年精英支持计划（项目编号ZJSKXQT2025038）和杭州城西科创大走廊特别计划资助。

作者信息：胡旷|杜盈梦|黄雨琪|于晓丽|李智|罗坤 浙江大学能源工程学院，中国杭州 310027