CN103047533B - 压缩空气的储气装置及装有这种装置的自然能源发电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩空气的储气装置及装有这种装置的自然能源发电站。所述装置包括储气罐、密封装置和排水装置。储气罐置于六根水泥柱子之上，水泥柱子均匀分布并将储气罐托起；水泥柱子置于水泥基台的上平面之上；储气罐的顶部与密封装置连接，底部设置有排水装置；排水装置和密封装置之间设置有上下梯子，且上下梯子均匀分布于储气罐的外壳上。储气罐的内、外壁材料均为船板钢，其屈服强度为550～1000MPa，厚度为5～10mm。储气罐壳体的厚度为1m，容积为1022m³，可承载的压力为1200～1800大气压。所述自然能源发电站，装有上述的压缩空气的储气装置。本发明技术方案产生的有益效果是储气装置结构简单，储气罐的材料的屈服强度高，承载的压力大。

Description

压缩空气的储气装置及装有这种装置的自然能源发电站

技术领域

本发明涉及储气装置，特别是涉及压缩空气的储气装置及装有这种装置的自然能源发电站。

背景技术

社会发展至今，人类对能源的需求每年都大幅度的增长。随着煤炭、石油、天然气等化石燃料越来越少，空气污染、水源枯竭、地球温室效应等环境问题日趋严重，因此开发利用新型、无污染、可再生的清洁能源具有重大的现实意义。煤炭、石油、天然气等燃料发电要产生大量温室气体，核能发电则面临核废料的处理问题，它们都不利于环境保护，而风能、太阳能是一种取之不尽的无污染的可再生能源。因此，利用风能、太阳能的发电系统已受到世界各国的高度重视，近年来也获得了突飞猛进的发展。常见的以自然风力驱动桨叶的风力发电机、以太阳能作为热源再转化为机械能驱动发电机，都已进入产业化应用阶段。

由于自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不稳定的特性，因此风力发电存在功率调节、变速运行、对风调节和变浆距等问题。由于在地面上利用太阳能要受到大气层衰减的影响，还要受阴晴天、日出日落、地理位置等影响，因此太阳能的利用率较低，而且能量不平衡。

目前，我国使用的风力发电机组多是由风轮、齿轮箱式增速器和发电机装配构成的机械驱动式风力发电机组，并整体配装在塔架顶端上，结构复杂，重量大，成本高。另外，当无风天气时，风轮停止转动，机械驱动式发电机立刻停止发电。

风力发电对电网的不利影响可以用储能技术来改善。例如，应用高温超导储能技术使风力发电机组输出的电压和频率都很稳定，但是高温超导材料的成本非常高，不能被广泛应用。针对上述不足，将空气压缩装置和储气装置引入自然能源发电系统中。在自然条件良好的情况下，风能、太阳能或风能与太阳能相结合驱动发电机发电，可用多余的电量驱动空气压缩机工作，将压缩空气充入储气罐中储存起来；在自然条件较差的情况下，利用储气罐中的压缩空气驱动发电机工作，或者将其供给电网的发电站使用。

储气装置是用于盛装气体或液体，且需要承载一定压力的密闭容器。早期用于化学工业，压力多在10兆帕以下，当合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，则要求压力容器的压力达到100兆帕以下。随着石油化工等工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，容量不断增大，对储气装置的设计要求也越来越高。目前，大多数压力容器是由钢制成的，也有的用铝、钛等有色金属和玻璃钢、预应力混凝土等非金属材料制成的，然而这些材料的强度都不能承载更高的压力，所以有必要对储气装置的材料和结构设计做进一步的改进。

发明内容

本发明旨在创造一种全新的压缩空气的储气装置，并将其公之于众，依法获得该技术方案的专利权。自然能例如风能、太阳能或风能与太阳能相结合驱动发电机发电，用多余的电量驱动空气压缩机工作，将压缩空气充入储气罐中储存起来，在自然条件较差的情况下，利用储气罐中的压缩空气驱动发电机发电，或者将其供给电网的发电站使用。本发明的储气装置就是用来存储空气压缩机产生的压缩空气的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：压缩空气的储气装置，包括储气罐、密封装置和排水装置，所述储气罐放置于三个以上的水泥柱子之上，水泥柱子将储气罐托起；所述水泥柱子设置于水泥基台的上平面之上；所述储气罐的顶部与密封装置连接，储气罐的底部设置有排水装置；所述排水装置和密封装置之间设置有上下梯子，且上下梯子均匀分布于储气罐的外壳上。

本发明的压缩空气的储气装置结构简单，成本低，储气罐材料的屈服强度高，承载的压力大，储气罐容积大，储气能力强。另外，将此储气装置用于自然能源发电站，可有效的将压缩空气储存起来备用或直接输送给电网的发电站，避免由于自然能源比如风能、太阳能等不稳定而停止对发电机的驱动。

优选的是，所述储气罐为降压储气罐。本发明的储气罐不仅适于储存高压空气，也适于储存超高压空气，将超高压空气降到一定的压力后再储存到本发明的储气罐中，可更加安全。

优选的是，所述储气罐为球形。因为在储气罐所用材料、壳体厚度等相同的情况下，球形储气罐的耗材量小、受力均匀，能承载更大的储气压力。

优选的是，所述储气罐的顶部设置有安全防泄露信号灯。此信号灯用于提示储气罐是否漏气，起到安全防范的作用。信号灯亮，说明储气罐漏气，可能是密封装置出现问题，便于及时消除存在的隐患。

优选的是，所述储气罐的顶部设置有进气管道，在进气管道上设置超高压电磁阀。

优选的是，与所述进气管道平行处设置有出气管道多级恒压减压稳压气罐阀门管道，在其上设置超高压电磁阀。若超高压力的气体直接输出，会造成压力不稳定，而且压力越大气流也越大，从而造成压缩空气的浪费，因此通过多级恒压减压稳压气罐阀门管道，使气体压力降低到工艺所要求的压力，便于气体平稳的输出。

优选的是，所述储气罐的底部设置压力表和手动泄压安全阀。储气罐内的压力可以通过压力表显示出来，方便监控，若压力超过上限，则通过手动泄压安全阀泄压，灵活控制罐内气体压力，避免出现气罐爆炸现象。

优选的是，所述储气罐的壳体内壁和壳体外壁的材料均为船板钢，其屈服强度为550～1000MPa，厚度为5～10mm。船板钢为细晶粒镇静钢，具有高的屈服强度、高的低温冲击韧性、良好的焊接性能和抗冷弯性。这种钢虽然含碳量较低，但是有利于发挥其主要合金元素Nb的细化晶粒和析出强化作用，同时有利于保持良好的焊接性能。另外，根据霍尔-佩奇公式可知，金属材料的晶粒越小，其强度、韧性也越高。随着船板钢厚度的增加，其屈服强度也增大。

优选的是，所述储气罐的壳体内壁和壳体外壁的船板钢之间用螺纹钢筋分布连接，螺纹钢筋与其相邻的螺纹钢筋之间的间距为20cm。使用若干个螺纹钢筋等间距的将壳体内壁和壳体外壁的船板钢连接起来构成储气罐的外壳，该外壳更加的牢固、结实，内、外壁不易分开，且受力均匀。

优选的是，所述储气罐的壳体内壁、壳体外壁及螺纹钢筋之间设有钢丝网，且均匀分布于储气罐的壳体内。使用钢丝网一方面可以进一步加固储气罐壳体内壁和壳体外壁的船板钢之间的连接，另一方面是在壳体内灌入高标号约束混泥土过程中，各个网孔内灌入水泥的量可较为平均且容易控制，钢丝网可以降低水泥的流动性，使水泥在壳体内的分布较为均匀，不会沉降到储气罐底部的壳体中。

优选的是，所述储气罐的壳体内灌满高标号约束混泥土，标号为52.5号，该混泥土的胶结力很强，则其抗压强度也很高，所以能承受很大的压力。

优选的是，所述储气罐的壳体厚度为1m。储气罐的壳体厚度为壳体内壁、壳体外壁船板钢的厚度及中间混泥土的厚度之和。壳体的厚度越大，能承载的压力就越大，此储气罐的壳体厚度为1m，足够承载2000大气压的压力，若壳体太厚，则浪费材料。

优选的是，所述储气罐的容积为1022m³。储气罐的容积越大，盛装的压缩空气也越多，承载的压力也越大。

优选的是，所述储气罐可承载的压力为1200～1800大气压。本发明的储气罐的壳体的材料强度高，壳体内均匀分布着螺纹钢筋和钢丝网，并且壳体内灌满52.5号的高标号约束混泥土，试验显示，这样的结构设计使得储气罐具有承载超高压力的空气的能力。

优选的是，所述密封装置的顶部和底部均设置密封门，且分别与储气罐的壳体外壁和壳体内壁相连，两个密封门之间设置检修入口。当安全防泄露信号灯亮时，很可能是密封装置出现问题导致漏气，可通过检修入口对密封装置进行检修，更换密封圈等操作。

优选的是，所述排水装置的排水管道的上端与储气罐底部连接，排水管道的下端与水泥基台的上平面垂直，并延伸到水泥基台贮水池的池面上。在压缩空气系统中，由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统，称为气源系统。压缩空气主要通过空气压缩机将空气压缩后制得，在气源系统中从空气压缩机直接排出的空气中含有很多杂质，其中主要由水、油及颗粒杂质所构成，如果不对其进行处理而直接使用，空气中的杂质会对系统中的元件造成很大的危害，使设备的维护成本上升，使用寿命缩短。同时压缩空气中含有100％相对湿度的水份，随着其在管道的冷却，其水份将析出，在压缩空气系统中，如果有水份，将会给使用者带来许多的弊端。通过在储气罐底部连接排水管道，使未处理掉的水分及时排出来，并直接排入贮水池中，以免污染环境。

优选的是，所述排水管道上设置超高压排水阀。

优选的是，所述水泥基台为圆形的三层楼梯结构，并设置于地平线以下，水泥基台的上平面与地面平齐，上平面的半径最小且大于所述储气罐的半径。目前，储气装置的基台通常置于地面之上，通过螺栓将基台与大地固定住，这种安装方式振动大、噪声高、储气罐放置不稳定。本发明的技术方案是将水泥基台置于地平线以下，能够使储气罐的放置更加稳定，振动小。

优选的是，所述水泥基台的上平面的中心部位设置贮水池，在水泥基台的一侧设置排水窨井，在贮水池的一侧设置排水道，所述排水道与排水窨井连通。储气罐中的水从排水管道排入贮水池后，再沿着排水道流入排水窨井，避免污染环境。贮水池中注满水后，应及时排走，否则会溢出贮水池，造成环境污染。

优选的是，所述水泥柱子为六根。六根水泥柱子平均分布，并托起储气罐，使储气罐更加平稳，消除了振动和噪声。

本发明的另一目的在于提供一种自然能源发电站，装有上述的压缩空气的储气装置。

具体地说，一种自然能源发电站，通过自然能发电以驱动空气压缩装置，进而通过该空气压缩装置产生压缩空气作为蓄能介质，并将其存储于上述的N组压缩空气的储气装置中，再以此作为其他发电站(例如网电)的主要驱动能源或辅助驱动能源，以稳定的发电或对发电站进行调峰补偿发电以适应电网的入网要求。

优选的是，所述自然能源发电站为风力发电站。特别优选一综合能源风道井发电站。

优选的是，所述综合能源为风力、水力、太阳能、潮汐、波浪能的自然能源之一或其组合。

出于环保的目的，本发明特别优选以风力结合太阳能的综合能源风道井发电站作为压缩空气蓄能发电站。所述综合能源风道井发电站包括设置于其中的风力发电机，该风力发电机连接有空气压缩装置，该空气压缩装置连接上述的压缩空气的储气装置，该储气装置进而连接到其他发电站。

优选的是，所述综合能源风道井发电站具有设置于风道井中的气动马达，所述储气装置的排放端连接于该气动马达的输入端。

优选的是，所述气动马达通过机械或电传动装置与所述综合能源风道井发电站的风力发电机相连接。

优选的是，所述其他发电站是气压涡轮发电机发电站，该气压涡轮发电机的输入端与所述储气装置的输出端相连接。

优选的是，所述风道井设置在竖直方向上，以自下而上地引风。

优选的是，所述风道井的顶端带有一消音器，该消音器具有一端帽，连接在风塔(即风道井)顶端，且具有数个分散设置的排气孔。

所述消音器包括数组相间隔并同轴设置的圆柱状消音筒，优选的是，消音筒由三个不等径的圆筒结构相互间隔一间隙地套叠并同轴设置在风道井的出口处；各消音筒均开设有数个水平排气孔；所述端帽相间隔地包覆在所述消音筒的最外侧；消音筒的下开口与风道井的上端相连通。

相邻消音筒上开设的水平排气孔相互错开设置，亦即各排气孔的孔心相互不对齐。优选设置三层消音筒。

消音器上具有一空心圆锥端，数个排气孔设置在该圆锥端的锥面上。

每层消音筒上的排气孔的面积总和均大于等于风道井的出口横截面积。

排气孔的形状除圆孔外，亦可采用槽缝结构，同样使各层的槽缝相互错开，以避免气流直接同时穿过相邻的消音筒。

通常，圆锥端的顶端设置有避雷装置，也可根据需要设置警示、信号装置。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，其中：

图1为按照本发明的压缩空气的储气装置的降压储气装置的一优选实施例结构示意图；

图2为图1所示的按照本发明的降压储气装置的剖视图；

图3为图1和图2所示的按照本发明的降压储气装置的降压储气罐的俯视图；

图4为按照本发明的降压储气罐的壳体内壁和壳体外壁的船板钢的屈服强度随船板钢的厚度变化的曲线图；

图5为按照本发明的自然能源发电站的蓄能发电系统原理框图。

图中标注说明：降压储气罐1，水泥基台2，密封门3，检修入口4，安全防泄露信号灯5，进气管道6，出气管道多级恒压减压稳压气罐阀门管道7，超高压电磁阀8，上下梯子9，排水管道10，超高压排水阀11，压力表12，手动泄压安全阀13，水泥柱子14，壳体内壁15，壳体外壁16，螺纹钢筋17，钢丝网18，高标号约束混泥土19，贮水池20，排水道21，排水窨井22。

具体实施方式

下面以自然能源发电站的压缩空气的降压储气装置为例进行详细的说明。

实施例一：

如图1和图2所示，压缩空气的降压储气装置，包括球形的降压储气罐1、密封装置和排水装置。降压储气罐1置于六根水泥柱子14之上，六根水泥柱子14均匀分布于水泥基台2的上平面之上，并将降压储气罐1托起，使降压储气罐1更加平稳，消除了振动和噪声。

水泥基台2为圆形的三层楼梯结构，并置于地平线以下，水泥基台2的上平面与地面平齐，上平面的半径最小且大于降压储气罐1的半径。将水泥基台2置于地平线以下的安装方式，能够使降压储气罐1的放置更稳定，振动小。水泥基台2的上平面的中心部位设置贮水池20，在水泥基台2的一侧设置排水窨井22，在贮水池20的一侧设置排水道21，排水道21与排水窨井22连通。降压储气罐1中的水从排水管道10排入贮水池20后，再沿着排水道21流入排水窨井22中，避免污染环境。

降压储气罐1的顶部与密封装置连接，并设有安全防泄露信号灯5。信号灯亮，说明储气罐漏气，可能是密封装置出现问题，及时提出警示，起到安全防范的作用。它的顶部还设有进气管道6，在进气管道6上设置超高压电磁阀8。在与进气管道6平行处设置有出气管道多级恒压减压稳压气罐阀门管道7，在其上也设有超高压电磁阀8。通过多级恒压减压稳压气罐阀门管道7，使气体压力降低，便于平稳的输出。

密封装置的顶部和底部均设有密封门3，且分别与降压储气罐1的壳体外壁16和壳体内壁15相连，两个密封门3之间设有检修入口4。当安全防泄露信号灯5亮，很可能是密封装置出现问题导致漏气，可通过检修入口4对密封装置进行检修，更换密封圈等操作。

降压储气罐1的底部设有排水装置，排水装置和密封装置之间设有上下梯子9，且上下梯子9均匀分布于降压储气罐1的外壳上。它的底部还设有压力表12和手动泄压安全阀13。

排水装置的排水管道10的上端与降压储气罐1底部连接，排水管道10的下端与水泥基台2的上平面垂直，并延伸到水泥基台2的贮水池20的池面上。通过与降压储气罐1底部相连接的排水管道10，使未处理掉的水分排出来，并直接排入贮水池20中，以免污染环境。排水管道10上还设有超高压排水阀11。

如图3和图4所示，降压储气罐1的壳体内壁15和壳体外壁16的材料均为船板钢，其屈服强度为550MPa，厚度为5mm。船板钢具有高的屈服强度、高的低温冲击韧性、良好的焊接性能和抗冷弯性。船板钢的厚度不同，其屈服强度也不同。

如图2和图3所示，在降压储气罐1的壳体内壁15和壳体外壁16的船板钢之间用螺纹钢筋17分布连接，螺纹钢筋17与其相邻的螺纹钢筋17之间的间距为20cm。使用若干个螺纹钢筋17等间距的将壳体内壁15和壳体外壁16的船板钢连接起来构成降压储气罐1的外壳，该外壳更加的牢固、结实，且受力均匀。在降压储气罐1的壳体内壁15、壳体外壁16及螺纹钢筋17之间设有钢丝网18，且均匀分布于降压储气罐1的壳体内。壳体内灌满52.5号的高标号约束混泥土19。由于设有钢丝网18，所以在灌入混泥土的过程中，各个网孔内灌入水泥的量可较为平均且容易控制，钢丝网18可以降低水泥的流动性，使水泥在壳体内的分布较为均匀，不会沉降到降压储气罐1底部的壳体中。壳体厚度为1m。降压储气罐1的容积为1022m³，能够承载1200大气压的压力。

如图5所示，一自然能源发电站，通过自然能例如风力发电以驱动空气压缩装置，进而通过该空气压缩装置产生压缩空气作为蓄能介质，并将其存储于上述的压缩空气的储气装置中，再以此作为其他发电站的主要驱动能源或辅助驱动能源，以稳定的发电或对发电站进行调峰补偿发电以适应电网的入网要求。

实施例二：

压缩空气的降压储气装置、各部件之间的位置关系和连接关系、以及装有这种装置的自然能源发电站同实施例一。

如图3和图4所示，降压储气罐1的壳体内壁15和壳体外壁16的材料均为船板钢，其屈服强度为820MPa，厚度为7mm。船板钢具有高的屈服强度、高的低温冲击韧性、良好的焊接性能和抗冷弯性。降压储气罐1的容积为1022m³，能够承载1550大气压的压力。

实施例三：

压缩空气的降压储气装置、各部件之间的位置关系和连接关系、以及装有这种装置的自然能源发电站同实施例一和实施例二。

如图3和图4所示，降压储气罐1的壳体内壁15和壳体外壁16的材料均为船板钢，其屈服强度为1000MPa，厚度为10mm。船板钢具有高的屈服强度、高的低温冲击韧性、良好的焊接性能和抗冷弯性。降压储气罐1的容积为1022m³，能够承载1800大气压的压力。

本领域技术人员不难理解，本发明的压缩空气的储气装置及装有这种装置的自然能源发电站包括上述本发明的说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，虽然限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。

Claims (19)

1.压缩空气的储气装置，包括储气罐、密封装置和排水装置，其特征在于：所述储气罐放置于三个以上的水泥柱子之上，水泥柱子将储气罐托住；所述水泥柱子设置于水泥基台的上平面之上；所述储气罐的顶部与密封装置连接；所述储气罐的底部设置有排水装置；所述排水装置和密封装置之间设置有上下梯子，且上下梯子均匀分布于储气罐的外壳上；储气罐为降压储气罐；储气罐为球形；所述排水装置的排水管道的上端与储气罐底部连接，排水管道的下端与水泥基台的上平面垂直，并延伸到水泥基台贮水池的池面上；所述水泥基台为圆形的三层楼梯结构，并设置于地平线以下，水泥基台的上平面与地面平齐，上平面的半径最小且大于所述储气罐的半径；所述水泥基台的上平面的中心部位设置贮水池，在水泥基台的一侧设置排水窨井，在贮水池的一侧设置排水道，所述排水道与排水窨井连通。

2.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的顶部设置有安全防泄露信号灯。

3.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的顶部设置有进气管道，在进气管道上设置超高压电磁阀。

4.根据权利要求3所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：与所述进气管道平行处设置有出气管道多级恒压减压稳压气罐阀门管道，在其上设置超高压电磁阀。

5.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的底部设置压力表和手动泄压安全阀。

6.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的壳体内壁和壳体外壁的材料均为船板钢。

7.根据权利要求6所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述船板钢的屈服强度为550～1000MPa。

8.根据权利要求6所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述船板钢的厚度为5～10mm。

9.根据权利要求6所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的壳体内壁和壳体外壁的船板钢之间用螺纹钢筋分布连接。

10.根据权利要求9所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述螺纹钢筋与其相邻的螺纹钢筋之间的间距为20cm。

11.根据权利要求9所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的壳体内壁、壳体外壁及螺纹钢筋之间设置钢丝网，且均匀分布于储气罐的壳体内。

12.根据权利要求11所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的壳体内灌满高标号约束混泥土。

13.根据权利要求12所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的壳体厚度为1m。

14.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐的容积为1022m³。

15.根据权利要求14所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述储气罐可承载的压力为1200～1800大气压。

16.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述密封装置的顶部和底部均设置密封门，且分别与储气罐的壳体外壁和壳体内壁相连，两个密封门之间设置检修入口。

17.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述排水管道上设置超高压排水阀。

18.根据权利要求1所述的压缩空气的储气装置，其特征在于：所述水泥柱子为六根。

19.自然能源发电站，具有压缩空气的储气装置，其特征在于：采用上述任一权利要求的压缩空气的储气装置。