《Case Studies in Thermal Engineering》：Non-equilibrium Dynamic Modeling and Transient Analysis of Steam Accumulators
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本研究针对高比例可再生能源电网的稳定性需求，聚焦蒸汽蓄热器(SA)瞬态行为传统模型预测精度不足的问题，提出了融合直接接触冷凝机制和相变动力学的非平衡动态模型。通过三组独立实验数据验证，模型压力预测的RMSE和MAPE平均降低17.14%和16.91%，显著提升了对实际物理过程的表征能力。参数分析揭示了初始参数和充放条件对SA动态特性的影响机制，为储能容量配置、运行设定点和放电介质选择提供了定量优化依据，对促进可再生能源消纳和电网灵活调节具有重要意义。
随着全球能源结构转型加速，高比例可再生能源并网对电力系统稳定性提出严峻挑战。风能、太阳能等间歇性电源的大规模接入导致电网供需波动加剧，迫切需要提升传统电厂运行灵活性。在此背景下，蒸汽蓄热器(Steam Accumulator, SA)作为一种独特的储热技术，通过蒸汽冷凝潜热储能和闪蒸快速释能，兼具高能量密度、快速响应能力和优异的水汽循环兼容性，在电厂灵活调峰、热电解耦和可再生能源并网支持等领域展现出广阔应用前景。
然而，SA的充放电过程涉及蒸汽-水两相间的复杂传热传质和相变现象，传统平衡态模型难以准确捕捉其瞬态行为。现有数值模型存在物理机制表征不完整（如蒸汽喷射过程中的直接接触传热和两相变机制刻画不足）和应用压力范围有限（通常低于8 MPa）两大瓶颈，限制了其在火力发电机组蒸汽-水工艺直接适配场景中的应用。
针对上述问题，上海交通大学机械与动力工程学院张启超、王成益等团队在《Case Studies in Thermal Engineering》发表研究，开发了一种新型非平衡数值模型。该模型创新性地引入了充电过程中接触冷凝传质速率的计算表达式，并基于各相过热度/过冷度提出了相变速率的计算方法，显著提升了模型物理保真度。
研究人员采用集中参数法(0-D模型)建立非平衡热力学建模框架，将SA空间离散为液相和汽相两个控制体积，通过质量守恒方程、能量守恒方程和压力微分方程描述系统动态行为。关键技术方法包括：建立汽液两相单独的质量能量守恒方程；基于蒸汽泡与液体间换热系数和界面面积浓度计算接触冷凝速率；通过液相过热度计算蒸发速率、汽相过冷度计算冷凝速率；采用MATLAB 2023b/SIMULINK环境的ODE45求解器进行数值求解；利用IAPWS-IF97或XSteam函数获取水蒸气热物性。
模型验证显示，相较于经典模型，新模型在三个不同尺度的实验案例（压力范围0.48-4.8 MPa，容器容积0.857-64 m3）中均表现出更高精度。在充电Case A中，新模型压力曲线与实验测量值吻合度更高，特别是在充电开始3秒内和充电结束后10秒的关键时段，消除了经典模型出现的压力突变现象。在充电Case B的变工况条件下，新模型仍保持与实验数据的良好一致性，而经典模型最终压力预测值偏高1.44%。放电Case C中，两模型压力模拟曲线几乎重合，但新模型在蒸汽相焓值估算方面更具物理一致性。
参数分析揭示了SA动态特性的关键影响机制：
充电特性方面，研究表明充电蒸汽流量和温度对充电效率与储能密度存在制约关系。流量从1.0 kg/s增至2.5 kg/s可使达压时间缩短62.7%，但自平衡压降从11.5%扩大至20.9%；温度从481°C升至541°C加速充电进程，却导致液相质量增量减少10.9%。初始充水系数从0.25增至0.4会延长加压时间，自平衡压降从10.1%增至18.9%，相对蒸汽损失从29.5%升至38.9%。较高初始压力（9 MPa至15 MPa）提升压力上升速率，但导致最终充水系数从0.81降至0.53。
放电特性方面，初始充水系数从0.6增至0.9可使15 MPa至5 MPa的降压时间从12.6分钟延长至15.8分钟。较高初始压力在相同放电速率下产生更大平均压降率（增幅28.9%）。在相同质量流量下，蒸汽放电比水放电实现73.3%更高的平均输出功率，但压力衰减速率快6.35倍，而水放电在15 MPa至10 MPa压力区间内可实现95.9%的液相质量利用率。
研究结论强调，新模型通过精确表征汽液两相间的相变和传热机制，提升了SA动态响应预测的准确性和物理一致性。参数分析结果阐明了运行参数对SA动态特性的影响规律，为储能容量配置、运行设定点和放电介质选择的定量优化提供了理论依据。这些发现对柔性电网中的储热部署具有重要指导意义，精准的瞬态响应预测能力可支持制定更精确的控制策略，使热力输出与可再生能源的快速波动相匹配，从而提升电力系统调峰效率。
该研究的创新性在于消除了对经验松弛参数的依赖，建立了更具物理真实性的相变动力学描述，并将模型适用压力范围扩展至更高水平，为SA在火力发电机组中的直接集成应用奠定了理论基础。未来研究可进一步考虑容器壁面热容的影响，以及多周期循环运行下的系统优化策略。
