CN102619668A - 恒压水-气共容舱电力储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压水-气共容舱电力储能系统，包括水-气共容舱、气体压缩机组、水泵机组、储水池以及水轮机，水轮机的排水口通过管道为储水池提供进水，水泵机组通过管道从储水池中抽水，气体压缩机组的出口通过阀门及管道连通水-气共容舱，该水-气共容舱的出口通过管道及阀门连通水轮机，由水轮机拖动发电机发电输出电能，其特征在于，还包括一个蒸汽锅炉，该蒸汽锅炉通过第一智能阀和蒸汽输送管道连接水气共容舱；水泵机组的出口经第三智能阀，一路通过管道与水-气共容舱的下部连通，另一路通过第二智能阀及喷淋管与水-气共容舱上部连通；三个智能阀由一个气体压力稳定控制装置控制。

Description

恒压水-气共容舱电力储能系统

技术领域

本发明涉及一种电能物理储能的系统，特别涉及一种利用水-气共容舱实现电力储能的系统。

背景技术

从去年开始，中国已经超过美国成为世界第一大能源消费国，未来，随着中国的飞速发展，对能源的消耗还会大幅增加，我国在能源消费和节能减排方面必将承受更多和更大的国际压力。

目前，世界能源发展的主流趋势正在发生重大转变，正逐步走向摒弃核电和摒弃水电的道路，例如欧洲的核心国德国已宣布2020年弃核，其它欧洲国家已炸掉到期水电站；重点提高现有能源的利用率，逐步提高新兴能源与可再生能源在电网中所占比重，逐步限制火电的发展。

风电是我国唯一已经被大规模开发利用的可再生能源。2010年底，我国风电装机总容量达到4473.3万千瓦，超过美国成为世界第一，风电并网容量也达到了2956万千瓦，十二五末总装机容量达到1亿千瓦。随着并网容量的增加，尤其是进入2011年后，风电基地的弃风量急剧增加，一些风电基地的风机脱网事故频繁发生，这些问题已经对风电场和电网的安全运行带来了严重影响。我国风电场的风电波动性强，稳定性差，电网调峰能力和吸纳能力低是产生上述问题的根源。根据国外的经验，有效解决该问题的办法：通过对风电的大规模储存，提高其并网的稳定性、可控性及电网的安全性。

国外在上世纪七八十年代就已经开始研究电的大规模储存问题，并建立了几座大规模风电储存的示范工程。

到目前为止，关于电力储存的方法很多：压缩空气储能、抽水蓄能、电磁储能、飞轮储能、超级电容储能、超临界压缩空气储能、充电电池储能等，但是能够进行大规模风电储存的成熟技术只有两种：一种是抽水蓄能技术，另一种是压缩空气储能技术。目前，在国内没有商业运行的压缩空气储能电站，也没有设计大规模压缩空气储能的示范工程经验，部分高校及科研院所仅进行了基础性研究。

西安交通大学研究压缩空气储能技术开始于上世纪九十年代，开展了热、电、冷联供的电站及各种不同的压缩空气储能循环系统的理论研究；中国科学院进行了超临界压缩空气储能的相关研究；华北电力大学对压缩空气储能系统进行了优化和经济性分析。

现有压缩空气储能系统在储能过程中需要采用带有中间冷却器和后冷器的多级压缩机组，设备造价高、换热系统复杂、产生大量低品位热量；在压缩空气膨胀发电过程中，为了获取尽可能多的膨胀功，必须对气体透平的进气进行加热至600度左右，为此需要给该系统配套燃气透平发电机组，从燃气透平机高温尾气获取热量，或者加装辅助加热装置，燃料(天然气、煤或燃油)补给系统，需要消耗数量可观的不可再生资源。

发明内容

针对现有压缩空气储能电站设备造价高、以及抽水蓄能电站要求的特殊地理环境等缺陷，本发明的目的是提供一种改进的水气共容舱电力储能系统，该系统不但可降低储能造价，提高储能装置能量转化效率，而且可解决系统在发电过程中水气共容舱内压力稳定的问题。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种恒压水-气共容舱电力储能系统，包括一个水-气共容舱、一个为水-气共容舱提供预置高压气体用的气体压缩机组、一个抽水蓄能的水泵机组、一个上方与大气相通的储水池以及一个发电用水轮机，其中，驱动气体压缩机组和水泵机组运行的电动机取自电网的富余电能，所述水轮机的排水口通过管道为储水池提供进水，水泵机组通过管道从储水池中抽水，所述气体压缩机组的出口通过阀门及管道连通水-气共容舱，该水-气共容舱的出口通过管道及阀门连通水轮机，由水轮机拖动发电机发电输出电能，其特征在于，还包括一个蒸汽锅炉，该蒸汽锅炉通过第一智能阀和蒸汽输送管道连接水气共容舱；所述水泵机组的出口经第三智能阀，一路通过管道与水-气共容舱的下部连通，另一路通过第二智能阀及喷淋管与水-气共容舱上部连通；所述三个智能阀由一个气体压力稳定控制装置控制。

上述方案中，所述气体压力稳定控制装置的信号输入连接压力变送器和水位传感器，该压力变送器的输入与水气共容舱内连通；该水位传感器的输入连接水气共容舱内的水体；气体压力稳定控制装置至少包括两个流量控制器和一个闸阀控制器，流量控制器用于控制第一智能阀及蒸汽的流量或第二智能阀及喷淋水的流量；闸阀控制器用于控制第三智能阀的启闭。

在水泵机组与储水池之间设置有回水阀门，该回水阀门受气体压力稳定控制装置中的闸阀控制器控制。

所述水-气共容舱内置漂浮于水面之上的隔热垫，隔热垫上开有许多竖孔。

所述水泵机组为多级水泵串联而成。

所述气体压缩机组用高压气瓶组替换。

所述水-气共容舱埋于地表以下100-150m。

所述水气共容舱出口先通过一个热交换器，然后再通过管道及阀门连通水轮机。

本发明电力储能系统工作原理：首先利用气体压缩机组或者高压气瓶对高压水-气共容舱充气加压至某预置压力，相当于在该地区修建一定高度的水坝，如当水-气共容舱内空气压力为10MPa相当于将水抽至水位高度为1000m的蓄水坝内，此后气体压缩机或者高压气瓶组就不再工作，除非水气共容舱漏气；需要储能时，开启水泵机组，通过输水管道对水-气共容仓注水，随着水-气共容舱内水位的增加，水体挤压压缩水-气共容舱内部气体，气体被等温压缩，压力升高，抽水所消耗的能量也随之增加，相当于抽同样体积的水所要储存的能量也增大了。发电时，高压水推动水轮发电机组发电，为维持工况稳定，借助水气共容舱气体压力稳定控制装置，由蒸汽锅炉，通过智能蒸汽流量控制阀和蒸汽输送管道向水气共容舱气体部分补充水蒸气。

本发明与水气共容舱储能系统相比，在系统中配置了高压蒸汽锅炉和气体压力稳定控制装置，解决了在发电过程中水气共容舱水压稳定问题。其中，在抽水储能过程中，随着水气共容舱内部水体体积的增加，其内部气体压力会升高，导致水泵机组出口压力不稳，为了稳定水泵机组出口压力，必须稳定水气共容舱内的气体压力，气体压力稳定控制装置在接收到压力变送器发送的压力升高信号后，气体压力稳定控制装置中的一个智能流量控制器就可以控制第二智能阀输送喷淋水的流量，通过降低水气共容舱内气体温度和冷凝水蒸气，降低水气共容舱内气体压力。

在发电过程中，水气共容舱内的气体压力会减低，这时，气体压力稳定控制装置在接收到压力变送器发送的压力降低信号后，其中的另一个智能流量控制器就可以控制第一智能阀由蒸汽锅炉向水气共容舱输入水蒸汽，达到稳定水气共容舱内气体压力的目的。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明恒压储能系统的结构示意图。

图2是本发明水-气共容舱地下部分施工示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明恒压水-气共容舱电力储能系统，包括由压缩机电机17驱动的气体压缩机组4、由水泵电机16驱动的水泵机组2、上方与大气相通的储水池3以及可带动发电机15发电的水轮机1，水轮机1的排水口通过管道为储水池提供进水，水泵机组2通过管道从储水池中抽水，气体压缩机组4的出口通过阀门12及管道与水-气共容舱8的上部连通；水泵机组2的出口经阀门11，一路通过管道与水-气共容舱的下部连通，另一路通过智能阀14及喷淋管与水-气共容舱上部连通。水-气共容舱8的出口的高压水通过管道、热交换器6和阀门10连通水轮机1，由水轮机拖动发电机15发电输出至电网。压缩电机17和水泵电机16取自电网的富余电能或风力机组发出的电能。以上系统中，水泵机组2可以是二至三级水泵串联而成，与水泵电机16构成抽水装置。气体压缩机组4可用高压气瓶组替换。水-气共容舱的内部设置有一自由漂浮在水面上的隔热垫9，隔热垫上开有许多竖直小孔，并且隔热垫能够上下运动。

本发明系统还包括一个蒸汽锅炉5和一个气体压力稳定控制装置18，在水泵机组2与储水池3之间可增加一回水阀门(图中未画出)，该阀门的作用是在关闭阀门11时用于水泵回水，水流通过回水管返储水池，以免突然关闭水泵时对水泵造成的冲击破坏。蒸汽锅炉通过智能阀13和蒸汽输送管道连接水气共容舱，气体压力稳定控制装置18的输出控制信号连接阀门11、13、14以及回水阀门，其压力检测信号通过一个压力变送器7的输出获取，该压力变送器的输入与水气共容舱内连通。蒸汽锅炉在发电和储能过程中为水气共容舱气体压力稳定提供蒸汽源；压力稳定控制装置用于维持水轮机发电过程、水泵抽水储能过程工况稳定。气体压力稳定控制装置18的水位检测信号通过一个水位传感器26的输出获取，该水位传感器26的输入连接水气共容舱内的水体。

气体压力稳定控制装置18内共装有两套控制器，其中有一套备用。每套控制器包括两个流量控制器和两个闸阀控制器。其中，两个流量控制器用于控制阀门13、14及蒸汽的流量或喷淋水的流量；两个闸阀控制器用于控制阀门11和回水阀的启闭。

在水气共容舱顶部可设置一个安全阀门(图中未画出)，当舱内压力超过警戒压力时可自动泄压以保持容器的安全。

本发明系统中的水-气共容舱可埋于地表以下，也可以置于地表之上。如埋于地表以下的情况可参见图2，储能系统储水池3、水泵机组2、水轮机1、气体压缩机组4等为地面设施25，建于地表24上。水-气共容舱8及引出管道为地下设施，建于地下。水-气共容舱的埋置深度h＝100-150m，可利用山体先在一侧通过隧道口22及施工隧道19岩石挖掘出地下洞室21，并在地面打管道井23连通洞室，然后在其中建造水-气共容舱5，最后连接引出管道，并在水-气共容舱外充填混凝土20加固。

本发明的储能机理不同于传统压缩空气储能机理，在本发明系统中，在开始储存能量前，关闭阀门10、11、13、14，打开阀门12，开启压缩电机17，通过气体压缩机组4将气体预先被压缩至水-气共容舱8内，使其内部气体压力达到预先设置压力，如5Mpa，或8MPa等，此后气体压缩机组就不再工作，并关闭阀门12。储能时，开启水泵机组2，打开阀门11和喷淋阀14对水-气共容仓8注水，水泵机组吸纳富余电能产生足够高的水压(10Mpa或16Mpa等)，将储水池3中的水注入水-气共容仓，随着水-气共容舱内水量的增加，水体挤压水-气共容舱内的预压缩气体，预压缩气体被等温压缩，压力升高，迫使抽水所消耗的能量也随之增加，相当于抽同样体积的水所要储存的能量也增大了。例如：水-气共容舱内部气体的体积被压缩至二分之一，相当于空气压力被提高原来压力(5MPa)的两倍(10MPa)，从而使高压水的压力被维持，实现了富余电能储存的目的。

在发电前首先启动蒸汽锅炉5生产高压蒸汽(12MPa)以备待用，发电时，打开阀门10，水-气共容舱中的高压水被放出，先通过热交换器6，将水冷却后再进入水轮机1，推动发电机15发电输出电能，同时由于水气共容舱内水量减少，压力变送器7测得压力变化通过气体压力稳定装置18打开智能阀13向水气共容舱内补充水蒸气，维持水气共容舱内压力稳定。对水轮机1做功后的高压水压力降低，在残余压力作用下流回储水池3。

为了减少水蒸汽的冷凝和气体在水中溶解问题，在水气共容舱中水面上设置开有漏水孔的漂浮隔热层，漏水孔可将泵水储能过程中水气共容舱内水蒸汽的冷凝水以及通过智能阀14进入的喷淋水流入隔热层下方，从而保持气体压缩过程中的气体压力恒定。

在抽水储能过程中，随着水气共容舱8内部水体体积的增加，其内部气体压力会不稳定，导致水泵机组2出口压力不稳，为了稳定水泵机组出口压力，必须稳定水气共容舱8内的气体压力，气体压力稳定控制装置18在接收到压力变送器7发送的压力升高信号后，气体压力稳定控制装置中的一个智能流量控制器控制阀门14向水气共容舱被压缩气体喷淋水的流量，通过降低水气共容舱8内气体温度和冷凝水蒸气，降低水气共容舱内气体压力。

气体压力稳定控制装置18在接收到水位传感器26发送的水位设定值信号后，关闭水泵出口阀门11，打开回水阀门，切断水泵电源，停止向水气共容舱供水，从而完成抽水储能。

Claims (8)

1.一种恒压水-气共容舱电力储能系统，包括一个水-气共容舱、一个为水-气共容舱提供预置高压气体用的气体压缩机组、一个抽水蓄能的水泵机组、一个上方与大气相通的储水池以及一个发电用水轮机，其中，驱动气体压缩机组和水泵机组运行的电动机取自电网的富余电能，所述水轮机的排水口通过管道为储水池提供进水，水泵机组通过管道从储水池中抽水，所述气体压缩机组的出口通过阀门及管道连通水-气共容舱，该水-气共容舱的出口通过管道及阀门连通水轮机，由水轮机拖动发电机发电输出电能，其特征在于，还包括一个蒸汽锅炉，该蒸汽锅炉通过第一智能阀和蒸汽输送管道连接水气共容舱；所述水泵机组的出口经第三智能阀，一路通过管道与水-气共容舱的下部连通，另一路通过第二智能阀及喷淋管与水-气共容舱上部连通；所述三个智能阀由一个气体压力稳定控制装置控制。

2.如权利要求1所述的恒压水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述气体压力稳定控制装置的信号输入连接压力变送器和水位传感器，该压力变送器的输入与水气共容舱内连通；该水位传感器的输入连接水气共容舱内的水体；气体压力稳定控制装置至少包括两个流量控制器和一个闸阀控制器，流量控制器用于控制第一智能阀及蒸汽的流量或第二智能阀及喷淋水的流量；闸阀控制器用于控制第三智能阀的启闭。

3.如权利要求2所述的恒压水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，在水泵机组与储水池之间设置有回水阀门，该回水阀门受气体压力稳定控制装置中的闸阀控制器控制。

4.如权利要求1所述的恒压水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述气体压缩机组用高压气瓶组替换。

5.如权利要求2或3或4所述的恒压水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述水-气共容舱内置漂浮于水面之上的隔热垫，隔热垫上开有许多竖孔。

6.如权利要求1所述的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述水泵机组为多级水泵串联而成。

7.如权利要求1所述的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述水-气共容舱埋于地表以下100-150m。

8.如权利要求1所述的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述水气共容舱出口先通过一个热交换器，然后再通过管道及阀门连通水轮机。

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