无水坝抽水蓄能系统高压溶气问题研究
发布时间：2022-02-11 23:21
无水坝抽水蓄能系统利用封闭容器内的高压气体构建虚拟水坝,是兼具压缩空气储能和抽水蓄能优点的新型储能系统。但该系统的封闭容器内水和气在高压状态共存有可能造成水中溶气,从而对水轮机造成汽蚀等破坏.本文采用实际气体状态方程及分子动力学模拟方法,研究了宽广的压力、温度范围下气体在水中的溶解及扩散规律,揭示了水中气体溶解量随时间和水深的变化规律。研究结果表明释能结束后保证水-气共容舱内剩余水的高度大于0.5 m时,高压溶气不会对水轮机产生危害,该结论对系统的工程应用及推广具有指导意义.
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１溶解度计算流程??Ｆｉｇ．?１?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ??表１?Ｃ〇２在水溶解度的文献值ｉｌｌｊ??计算逸度系数??
刘明明等：无水坝抽水蓄能系统高压溶气问题研究??６１１??０．２??０．０??２７３?２９３?３１３?３３３?３５３?３７３?３９３?４１３?４３３??温度／Ｋ??图２气体溶解度随着压力和温度的变化情况??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ?ｏｆ?ｇａｓ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ａｎｄ??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??ｙｃ〇２?Ｕ＝〇?—?ｙ〇〇２??（１８）??２）无穷深处，即Ｉ?＝?００时，气体浓度变化率为??０，即水底不再发生气体传质。??ｄｃ??ｍ??（１９）??２气体动态扩散过程推算??上述对气体溶解度的计算只能得出气体在水中??的最大溶解量，但是在水气共容舱中气水共存时间??也许并不能使得气体达到最大溶解量。为了探究气??体在水中溶解Ｍ随时间和水深的变化，基于菲克定??律计算了一维气体动态扩散过程。??２．１动态扩散理论模型??采用菲克定律描述气体非稳态扩散过程。本计??算基于以下两个假设；??１）气液界面没有波动，不考虑因波动产生的气??液掺混。??２）气液界面处气体达到饱和溶解量。??一维传质方程为：??式中，认为扩散系数（ｍ２／ｓ），ｃ为给定深度工处水??中气体的浓度，《为时间。??２．２边界条件??理论模型中的一维传质方程为二阶偏微分方程，??为求解该微分方程并结合实际情况，提出以下两个??边界条件：??１）气液界面处，即Ｚ?＝?〇时，气体的液相摩尔??组分为气液相平衡时的摩尔组分。??给定Ｐ，Ｔ??给定允许误差￡??＠??Ｖ??Ｖ??图１溶解度计算流程??Ｆｉｇ．?１?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｏ
０?５?１０?１５?２０?２５??时间／ｐｓ??图７平衡部分Ｃ０２分子的均方根位移曲线??Ｆｉｇ．?７?Ｆｉｔｔｅｄ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｒｏｏｔ－ｍｅａｎ－ｓｑｕａｒｅ?ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ??对图７的均方根曲线进行拟合，可得其斜率为：??／?／１２?＼?１?Ｑ—２０??１．０５４?—?）＝?１．０５４?ｘ?——－＝１．０５４?ｘ?１０－８?（ｍ２／ｓ）??＼ｐｓ?Ｊ?１０￣ＬＺ??进一步可得ｏ．ｌ?ＭＰａ，?２９８?Ｉ＜时，Ｃ０２在水中的??扩散系数：??１．０５４?ｘ?１０—８??Ｄ??１．７５７?ｘ?１０一９?（ｍ７ｓ）??对比文献值￡？?＝?１．６４?ｘ?１０－８?ｍ２／ｓ，分子动力学??模拟扩散系数的误差为：??１．７５７?ｘ?１〇－８?－?１．６４?ｘ?１〇－８??１．６４?ｘ?１０?一８??ｘ?１００?＝?７．１３％??２．４气体动态扩散结果??在用分子动力学模拟出气体在水中的扩散系数??后，可以根据一维传质方程求出气体在不同时刻在??水中不同位置处的浓度。??１）?一维传质方程离散??一维传质方程是二阶偏微分方程：??ｄｃ?ｄ２ｃ??８ｔ?＝?Ｄｋｄ＾??（２１）??因此需要对其离散并迭代求解。该方程的离散??格式如下：??Ｃｎ?＋?１）?＝?Ｄ＾（Ｃｉ＋ｌ?＋?Ｃｎ－ｌ）?＋??ＧＯ??（２２）??式中，４＋１）代表ｉ?＋?１时刻ｎ节点处的浓度，Ａｉ为??时间步长，Ａ；ｒ为空间步长。??气体动态过程迭代计算步骤简图如图８所示。??图９气体在水中的扩散情况??Ｆｉｇ．?９?Ｔｈｅ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ??由于水气共容舱内
【参考文献】：
期刊论文
[1]压缩空气储能技术现状与发展趋势[J]. 张建军,周盛妮,李帅旗,宋文吉,冯自平. 新能源进展. 2018(02)
[2]2017年风电并网运行情况[J]. 中国能源. 2018(02)
[3]2017年全球风电新增装机52GW[J]. 夏云峰. 风能. 2018(02)
[4]一种压缩空气储能与内燃机技术耦合的冷热电联产系统[J]. 姚尔人,王焕然,席光. 西安交通大学学报. 2016(01)
[5]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3621121
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１溶解度计算流程??Ｆｉｇ．?１?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ??表１?Ｃ〇２在水溶解度的文献值ｉｌｌｊ??计算逸度系数??
刘明明等：无水坝抽水蓄能系统高压溶气问题研究??６１１??０．２??０．０??２７３?２９３?３１３?３３３?３５３?３７３?３９３?４１３?４３３??温度／Ｋ??图２气体溶解度随着压力和温度的变化情况??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ?ｏｆ?ｇａｓ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ａｎｄ??ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??ｙｃ〇２?Ｕ＝〇?—?ｙ〇〇２??（１８）??２）无穷深处，即Ｉ?＝?００时，气体浓度变化率为??０，即水底不再发生气体传质。??ｄｃ??ｍ??（１９）??２气体动态扩散过程推算??上述对气体溶解度的计算只能得出气体在水中??的最大溶解量，但是在水气共容舱中气水共存时间??也许并不能使得气体达到最大溶解量。为了探究气??体在水中溶解Ｍ随时间和水深的变化，基于菲克定??律计算了一维气体动态扩散过程。??２．１动态扩散理论模型??采用菲克定律描述气体非稳态扩散过程。本计??算基于以下两个假设；??１）气液界面没有波动，不考虑因波动产生的气??液掺混。??２）气液界面处气体达到饱和溶解量。??一维传质方程为：??式中，认为扩散系数（ｍ２／ｓ），ｃ为给定深度工处水??中气体的浓度，《为时间。??２．２边界条件??理论模型中的一维传质方程为二阶偏微分方程，??为求解该微分方程并结合实际情况，提出以下两个??边界条件：??１）气液界面处，即Ｚ?＝?〇时，气体的液相摩尔??组分为气液相平衡时的摩尔组分。??给定Ｐ，Ｔ??给定允许误差￡??＠??Ｖ??Ｖ??图１溶解度计算流程??Ｆｉｇ．?１?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｏ
０?５?１０?１５?２０?２５??时间／ｐｓ??图７平衡部分Ｃ０２分子的均方根位移曲线??Ｆｉｇ．?７?Ｆｉｔｔｅｄ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｒｏｏｔ－ｍｅａｎ－ｓｑｕａｒｅ?ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ??对图７的均方根曲线进行拟合，可得其斜率为：??／?／１２?＼?１?Ｑ—２０??１．０５４?—?）＝?１．０５４?ｘ?——－＝１．０５４?ｘ?１０－８?（ｍ２／ｓ）??＼ｐｓ?Ｊ?１０￣ＬＺ??进一步可得ｏ．ｌ?ＭＰａ，?２９８?Ｉ＜时，Ｃ０２在水中的??扩散系数：??１．０５４?ｘ?１０—８??Ｄ??１．７５７?ｘ?１０一９?（ｍ７ｓ）??对比文献值￡？?＝?１．６４?ｘ?１０－８?ｍ２／ｓ，分子动力学??模拟扩散系数的误差为：??１．７５７?ｘ?１〇－８?－?１．６４?ｘ?１〇－８??１．６４?ｘ?１０?一８??ｘ?１００?＝?７．１３％??２．４气体动态扩散结果??在用分子动力学模拟出气体在水中的扩散系数??后，可以根据一维传质方程求出气体在不同时刻在??水中不同位置处的浓度。??１）?一维传质方程离散??一维传质方程是二阶偏微分方程：??ｄｃ?ｄ２ｃ??８ｔ?＝?Ｄｋｄ＾??（２１）??因此需要对其离散并迭代求解。该方程的离散??格式如下：??Ｃｎ?＋?１）?＝?Ｄ＾（Ｃｉ＋ｌ?＋?Ｃｎ－ｌ）?＋??ＧＯ??（２２）??式中，４＋１）代表ｉ?＋?１时刻ｎ节点处的浓度，Ａｉ为??时间步长，Ａ；ｒ为空间步长。??气体动态过程迭代计算步骤简图如图８所示。??图９气体在水中的扩散情况??Ｆｉｇ．?９?Ｔｈｅ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ??由于水气共容舱内
【参考文献】：
期刊论文
[1]压缩空气储能技术现状与发展趋势[J]. 张建军,周盛妮,李帅旗,宋文吉,冯自平. 新能源进展. 2018(02)
[2]2017年风电并网运行情况[J]. 中国能源. 2018(02)
[3]2017年全球风电新增装机52GW[J]. 夏云峰. 风能. 2018(02)
[4]一种压缩空气储能与内燃机技术耦合的冷热电联产系统[J]. 姚尔人,王焕然,席光. 西安交通大学学报. 2016(01)
[5]Progress in electrical energy storage system:A critical review[J]. Thang Ngoc Cong. Progress in Natural Science. 2009(03)
本文编号：3621121
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