中国团队优化压缩空气储能注气策略 储能率升至87.5%

9月28日，湖南工业大学研究团队针对地下洞穴压缩空气储能系统开展注气过程研究，通过建立井筒—储气洞穴耦合数值模型，对不同注气流量、井筒直径及围岩热导率条件下的温度、压力和热损失变化进行模拟。研究结果显示，在总注气质量和8小时注气时间相同的条件下，采用线性递增注气策略，可将洞穴储能率由恒定流量注气时的85.5%提高至87.5%。相关成果发表于《Case Studies in Thermal Engineering》

研究模型同时考虑井筒内空气输运、真实空气热物性、湍流、气固耦合换热以及围岩导热过程，并采用德国Huntorf压缩空气储能电站运行数据进行验证。模型将Huntorf储气洞穴简化为半径20米、高112.2米的圆柱体，模拟结果与实测数据相比，最大温度偏差为2.66 K，最大压力偏差为0.30 MPa。

在后续参数模拟中，研究团队设置半径40米、容积26.8万立方米的球形储气洞穴，并连接30米长井筒。研究比较了四种注气模式，包括流量由10 kg/s线性增加至150 kg/s、前5小时110 kg/s后3小时30 kg/s的分段注气、带停顿的逐步增流注气，以及恒定80 kg/s注气。四种模式在8小时内注入的空气总质量保持一致。

模拟结果显示，与恒定流量模式相比，线性递增注气使洞穴平均空气温度提高约1 K、平均压力提高0.13 MPa，压缩空气获得的做功增加约12.7%，同时洞壁向围岩传递的热量增加约11%。在上述条件下，最终储能率提高2个百分点。研究还测试了0.5米、1米、1.5米和2米四种井筒直径，井筒直径由0.5米增加至2米后，井筒壁热损失由8.5×10^8 J降至2.5×10^8 J，进入洞穴的空气平均温度提高约1 K。

围岩热物性同样进入模拟范围。团队分别采用玄武岩2.17 W/(m·K)、花岗岩2.90 W/(m·K)和石英岩5.53 W/(m·K)的热导率进行计算。当围岩由玄武岩变为石英岩时，导热损失增加约7%。研究还发现，若将洞穴壁面简化为绝热条件，在注气结束时会将平均温度和压力分别高估1.7 K和0.05 MPa；放气结束时，相应高估值扩大至2.2 K和0.06 MPa。

此次研究针对的是地下储气洞穴注气阶段的能量存储性能，研究结果来自数值模拟，并未将压缩机、膨胀机等地面设备效率计入上述85.5%和87.5%的储能率指标。研究团队此次重点完成了注气模式、井筒尺寸和围岩热导率三组参数比较，并以Huntorf实际运行数据对模型温度和压力计算结果进行了验证。