CN104454304A - 一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统及方法 - Google Patents

一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统及方法，属于蓄能发电技术领域。本发明利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能、工业余热、太阳能等完成增压蓄能过程；利用水蒸汽与压缩空气的混合气体形成的压头驱动工质水流动并使水轮发电机组做功发电。本发明与现有系统相比，具有对工程地质条件要求低、运行模式灵活、储能功耗小、储能发电效率高、储能密度高及对多种种类、不同品味能源进行综合梯级利用的特点。

Description

一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种抽水蓄能发电系统及方法，特别涉及一种利用空气及蒸汽混合气体增压的抽水蓄能发电技术，属于蓄能发电技术领域。
背景技术
可再生能源发电的不稳定性、间歇性和电网峰谷差的不断增大已成为影响电网安全、经济运行的重大难题，发展电力储能技术是解决上述问题的有效途径。
迄今为止能够实现大规模(比如100MW以上)商业应用的电力储能技术只有抽水蓄能发电技术和压缩空气蓄能发电技术，不过这两种电力储能技术都不同程度的受地质条件限制，无法大规模广泛推广应用。而且上述两种电力储能系统的储能效率不高，造成了大量电能的浪费(根据相关文献报道，压缩空气储能发电系统的储能发电效率最高只能接近70％，常规抽水蓄能发电系统的储能发电效率为77％左右)。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，提出一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统及方法，即利用压缩空气及高压蒸汽的混合气体增加工质水的表面压力，并利用该混合气体压力作为推动工质水驱动水轮机组的动力，使其既不受地质条件限制，又可进一步提高储能发电效率，从而实现大规模广泛推广应用。
本发明的技术方案如下：
一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，含有高压储水罐、水轮发电机组、抽水泵和水池/水箱，其特征在于：该系统还包括电动机、压气机、凝结水箱、增压泵和二次辅助增压热源设备；在所述的高压储水罐内安装有隔离活塞，该隔离活塞将高压储水罐隔离为气空间和水空间两部分；
所述电动机与压气机通过传动轴连接，压气机的排气口通过管道和高压储水罐进气阀与高压储水罐的气空间连接；高压储水罐的水空间下部设有上水口和凝结水出水口，高压储水罐底部设有放水口,放水口通过管道与水轮发电机组连接，水轮发电机组的排水管道直接与外部的水池/水箱相连；所述的上水口通过管道、阀门和抽水泵与水池/水箱连接；水空间通过凝结水出水口、阀门和管道与凝结水箱相连；凝结水箱依次通过深入凝结水箱底部的抽水管道、增压泵、二次辅助增压热源设备的进口阀门、二次辅助增压热源设备及二次辅助增压热源设备的出口阀门与高压储水罐的气空间连接。
本发明的技术方案中还包括以下技术特征：
其中，所述抽水蓄能发电系统还包括喷水雾化降压子系统，该子系统包括雾化喷水装置、喷水泵和雾化喷水进口阀门；雾化喷水装置安装在气空间的顶部，该雾化喷水装置通过管路及雾化喷水进口阀门与喷水泵连接。
其中，所述的高压储水罐的气空间内设有高压储水罐换热器，在凝结水箱的下部设置有凝结水箱换热器，所述两个换热器均与供热管网连接。
其中，所述高压储水罐与水池/水箱处在同一水平位置。
其中，所述的二次辅助增压热源设备采用工业废热利用设备、太阳能利用设备和热泵中的一种或两者的组合。
本发明提供的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)抽水蓄能过程：该抽水蓄能过程分为以下三个阶段：
a)抽水蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能，驱动抽水泵将水从水池/水箱中抽出，送入到高压储水罐的隔离活塞下方的水空间，直至隔离活塞运动到高压储水罐一半高度的位置，从而完成对高压储水罐的抽水蓄能过程；
b)压气蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动电动机带动压气机工作，将压缩空气存储于隔离活塞上方的气空间，最终使高压储水罐的气空间内的空气分压达到0.5～1.0MPa；
c)二次增压蓄能阶段：利用低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动增压泵工作，将凝结水箱中的除盐水输送至二次辅助增压热源设备进行加热，吸热后的除盐水变为温度230℃-300℃的过热蒸汽后，送至高压储水罐的隔离活塞上方的气空间，直至高压储水罐内气空间的水蒸汽分压达到0.5～1.0MPa，并且保证气空间内蒸汽及空气的分压力之比为1:1，形成空气及水蒸汽的混合气体，完成二次增压蓄能；
2)释能发电过程：在电网高峰负荷时，开启高压储水罐底部的放水阀，利用高压储水罐内空气及水蒸汽混合气体的压头，推动隔离活塞向下运动，推动工质水进入水轮发电机组，驱动水轮发电机组做功发电；当高压储水罐内空气及水蒸汽混合气体推动隔离活塞运动至其行程下限时，发电过程结束；
3)利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动喷水泵工作，开启雾化喷水装置进口阀门，将除盐水经雾化喷水装置喷入高压储水罐的气空间，利用雾化水吸收高压储水罐气空间内残存的热量，使高压储水罐气空间的水蒸汽迅速凝结，降低高压储水罐气空间压力，并使凝结水汇聚于隔离活塞的上方；
4)打开高压储水罐凝结水放水阀门，利用高压储水罐内的自然压力使凝结水自动流入凝结水箱。
本发明所述方法中，其特征在于，抽水蓄能和压气蓄能的时间段安排在夜间0:00～5:00；
其中，二次增压蓄能阶段分为三种情况:若利用工业废热作为二次辅助增压热源，则该时间段上午为6:00～10:00；若利用太阳能作为二次辅助增压热源，则该时间段为白天日照良好、且电网非高峰负荷阶段，即该时间段为上午10:00～12:00；若利用热泵机组从周围环境获取热量，则该时间段安排在早上5:00～6:00。释能发电过程的时间段为13:00～22:00。
本发明所述方法中，其特征还在于，在高压储水罐的气空间和凝结水箱内分别设置高压储水罐换热器和凝结水箱换热器，隔离活塞的行程上限为高压储水罐换热器的下沿，隔离活塞行程下限为高压储水罐的底部；当隔离活塞运动到其行程下限时，凝结水出水口刚好位于隔离活塞的上方，隔离活塞上方汇集的凝结水通过凝结水出水口排入凝结水箱；经换热后的热水作为生活热水或对外供热。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①储能功耗小:在存储相同容量电能及相同边界条件情况下,与现有的压缩空气储能系统相比，只需给高压储水罐很小的初始工作压力1～2MPa，远远低于常规压缩空气储能系统的储气压力9～10MPa，因而压缩单位质量空气的功耗小；与现有的抽水蓄能发电系统相比，由于储水罐与水源地可在同一水平位置，两个储水地之间没有“高程差”，且不需要长距离输水管道，因而单位工质的抽水功耗也相对较小；②储能发电效率高：本发明所述系统若单独利用压缩空气进行增压抽水蓄能发电时，其储能发电效率可以达到83％。基于水蒸汽与压缩空气的混合气体进行增压抽水蓄能发电时，其纯电能储能发电效率可以达到184％。需要特别指出的是：在计算基于水蒸汽与压缩空气混合气体增压的抽水蓄能发电的储能电力效率时，未计入产生蒸汽的能量，该效率指纯电能存储效率，因而该效率才可能大于100％。用于产生蒸汽的能量可来自于工业废热、太阳能或热泵机组，上述能量属于低品位、能量密度低的能量，对于储存高品位的电能来说，我们将其看做可免费获得的能源，故将其忽略；③储能密度高：由于本发明所述系统采用水蒸汽与压缩空气增加工质水表面的压力，高于传统抽水蓄能发电系统的工质水表面的大气压力，利用水蒸汽与压缩空气的混合气体形成的压头驱动工质水流动并使水轮发电机组做功发电。因而本发明所述系统的单位工质具有比常规传统抽水蓄能发电系统具有更大的做功能力，也意味着单位容量的储能空间能存储更多的能量，因而具有储能密度大，单位工质发电功率高的特点；④多种种类、不同品味能源进行综合梯级利用：本发明所述系统可综合利用电网低谷负荷电能、风电厂的“后夜风”所产生的电能、工业废热、太阳能等多种不同品味的能量，并将上述能量存储并转化为电网高峰负荷的高价、高品位的电能。⑤不受地质条件限制：本发明所述系统采用钢制储气罐作为储气与储水的容器，储水罐与水源地可在同一水平位置，不需要有“高程差”的两个储水地。同时也不需要矿洞作为压缩空气的储气室。⑥运行模式灵活：本发明所述系统既可以单独利用压缩空气进行增压抽水蓄能发电，也可基于水蒸汽与压缩空气的混合气体进行增压抽水蓄能发电，因而本系统具有根据运行条件及外部约束灵活选择运行模式的特点。
附图说明
图1为利用工业废热辅助增压的抽水蓄能发电系统。
图2为利用太阳能辅助增压的抽水蓄能发电系统。
图3为利用热泵辅助增压的抽水蓄能发电系统。
图中：各标号清单为：1-电动机；2-压气机；3-高压储水罐进气阀；4-高压储水罐；5-隔离活塞；6-放水口；7-水轮发电机组；8-抽水泵；9-上水口；10-凝结水出水口；11-凝结水箱；12-增压泵；13a-工业废热利用设备；13b-太阳能利用设备；13c-热泵机组；14-雾化喷水装置；15-高压储水罐换热器；16-凝结水箱换热器；17-水池或水箱；18-放气阀门；19-雾化喷水进口阀门；20-二次辅助增压热源设备进口阀门；21-高压储水罐换热器进口阀门；22-喷水泵；23-二次辅助增压热源设备出口阀门；24-气空间；25-水空间。
具体实施方式
本发明提供的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统含有高压储水罐4、水轮发电机组7、抽水泵8和水池/水箱17、电动机1、压气机2、凝结水箱11、增压泵12和二次辅助增压热源设备13。电动机1和压气机2构成压缩空气子系统；凝结水箱11、增压泵12及二次辅助增压热源设备构成蒸汽增压子系统。在所述的高压储水罐4内安装有隔离活塞5，该隔离活塞将高压储水罐隔离为气空间24和水空间25两部分。所述电动机1与压气机2通过传动轴连接，压气机2的排气口通过管道和高压储水罐进气阀3与高压储水罐4的气空间24连接；高压储水罐的水空间下部设有上水口9和凝结水出水口10，高压储水罐的底部设有放水口6，该放水口通过管道与水轮发电机组7连接，水轮发电机组7的排水管道直接与外部的水池/水箱17相连；所述的上水口9通过管道、阀门和抽水泵8与水池/水箱17连接；水空间25通过凝结水出水口10、阀门和管道与凝结水箱11相连；凝结水箱11依次通过深入凝结水箱底部的抽水管道、增压泵12、二次辅助增压热源设备的进口阀门20、二次辅助增压热源设备及二次辅助增压热源设备的出口阀门23与高压储水罐的气空间24连接。凝结水出水口10布置在隔离活塞5行程下限的上方，见虚线位置。
所述抽水蓄能发电系统还包括喷水雾化降压子系统，该子系统包括雾化喷水装置14、喷水泵22和雾化喷水进口阀门19；雾化喷水装置14安装在气空间24的顶部，该雾化喷水装置通过管路及雾化喷水进口阀门19与喷水泵22连接。
在上述基本结构的基础上，在高压储水罐4的气空间内设置高压储水罐换热器15，在凝结水箱11水侧底部布置凝结水箱换热器16，所述两个换热器均与供热管网连接。
另外，所述高压储水罐4与水池/水箱17可处在同一水平位置，完全利用水蒸汽与压缩空气混合气体的压力形成的压头驱动工质水流动，推动水轮机发电。这样两个储水地之间没有“高程差”，且不需要长距离输水管道，因而单位工质的抽水功耗也会相对较小。
本发明所述的二次辅助增压热源设备13可选用多种形式的热源且热源可根据需求或外部条件随时切换，既可以利用工业废热利用设备13a(作为二次辅助增压热源设备，参见图1；也可以利用太阳能利用设备13b(例如太阳能锅炉)作为二次辅助增压热源设备，参见图2；还可以利用热泵机组13c作为二次辅助增压热源设备，参见图3。无论采用哪种形式的二次辅助增压热源，其系统结构、实施方式及运行方式并无区别。
本发明提供的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)抽水蓄能过程：该抽水蓄能过程分为以下三个阶段：
a)抽水蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能，驱动抽水泵8将水从水池/水箱17中抽出，送入到高压储水罐的隔离活塞5下方的水空间，直至隔离活塞运动到高压储水罐中间高度位置，从而完成对高压储水罐的抽水蓄能过程；
b)压气蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动电动机1带动压气机2工作，压缩空气并将其存储于隔离活塞5上方的气空间，最终使高压储水罐4气空间的空气分压达到0.5～1.0MPa。
c)二次增压蓄能阶段：利用低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动增压泵12工作，将凝结水箱11中的除盐水输送至二次辅助增压热源设备进行加热，吸热后的除盐水变为温度230℃-300℃的过热蒸汽后，送至高压储水罐的隔离活塞上方的气空间24，直至高压储水罐内气空间的水蒸汽分压达到0.5～1.0MPa，并且保证气空间内蒸汽及空气的分压力之比为1:1，形成空气及水蒸汽的混合气体，完成二次增压蓄能；需要特别指出的是二次辅助增压热源形式多样且可根据需求及外部条件的不同随时切换热源，既可以利用工业废热作为热源，也可以直接使用太阳能作为热源，还可以利用热泵机组从周围环境获得的能量作为辅助热源。
2)释能发电过程：在电网高峰负荷时(一天的电网负荷高峰时间段：13:00～22:00)，开启高压储水罐4的放水阀6，利用高压储水罐4内空气及水蒸汽混合气体的压头，推动工质水进入水轮发电机组7，驱动水轮发电机组7做功发电。当高压储水罐4内空气及水蒸汽混合气体推动隔离活塞5运动至其行程下限时，发电过程结束。
3)利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动喷水泵22工作，开启雾化喷水装置进口阀门19，将除盐水经雾化喷水装置14喷入高压储水罐4的气空间，利用雾化水吸收高压储水罐4气空间内残存的热量，使高压储水罐4气空间的水蒸汽迅速凝结，并汇聚于隔离活塞5的上方，达到降低高压储水罐4气空间压力的目的；
4)打开高压储水罐凝结水放水阀门10，利用高压储水罐内的自然压力使凝结水自动流入凝结水箱11。
所述技术方案中，抽水蓄能和压气蓄能的时间段一般安排在夜间0:00～5:00；二次增压蓄能阶段分为三种情况:若利用工业废热作为二次辅助增压热源，则该时间段一般为上午6:00～10:00；若利用太阳能作为二次辅助增压热源，则该时间段一般为白天日照良好、且电网非高峰负荷阶段，即该时间段为上午10:00～12:00；若利用热泵机组从周围环境获取热量，则该时间段一般安排在早上5:00～6:00。释能发电过程的时间段为13:00～22:00。
本发明所述的隔离活塞5可以在高压储水罐内自由移动，隔离活塞5将高压储水罐4分隔为气空间和水空间两部分。在高压储水罐的气空间和凝结水箱内可分别设置高压储水罐换热器15和凝结水箱换热器16，两个换热器与供热管网连接，可利用高压储水罐4及凝结水箱11的余热对外供热，该技术方案既可以实现能源的梯级利用，又可以降低高压储水罐4内的温度，使高压储水罐4内残存的蒸汽快速凝结。
当高压储水罐的气空间和凝结水箱内分别设置高压储水罐换热器15和凝结水箱换热器16时，隔离活塞5的行程上限为高压储水罐换热器的下沿，隔离活塞行程下限为高压储水罐的底部；当隔离活塞运动到其行程下限时，凝结水出水口10刚好位于隔离活塞的上方，隔离活塞5上方汇集的凝结水通过凝结水出水口排入凝结水箱11；经换热后的热水作为生活热水或对外供热。

Claims (9)

1.一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，含有高压储水罐(4)、水轮发电机组(7)、抽水泵(8)和水池/水箱(17)，其特征在于：该系统还包括电动机(1)、压气机(2)、凝结水箱(11)、增压泵(12)和二次辅助增压热源设备(13)；在所述的高压储水罐(4)内安装有隔离活塞(5)，该隔离活塞将高压储水罐隔离为气空间(24)和水空间(25)两部分；
所述电动机(1)与压气机(2)通过传动轴连接，压气机(2)的排气口通过管道和高压储水罐进气阀(3)与高压储水罐(4)的气空间(24)连接；高压储水罐(4)的水空间下部设有上水口(9)和凝结水出水口(10)，高压储水罐(4)底部设有放水口(6),放水口(6)通过管道与水轮发电机组(7)连接，水轮发电机组(7)的排水管道直接与外部的水池/水箱(17)相连；所述的上水口(9)通过管道、阀门和抽水泵(8)与水池/水箱(17)连接；水空间(25)通过凝结水出水口(10)、阀门和管道与凝结水箱(11)相连；凝结水箱(11)依次通过深入凝结水箱底部的抽水管道、增压泵(12)、二次辅助增压热源设备的进口阀门(20)、二次辅助增压热源设备及二次辅助增压热源设备的出口阀门(23)与高压储水罐(4)的气空间(24)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，其特征在于：所述抽水蓄能发电系统还包括喷水雾化降压子系统，该子系统包括雾化喷水装置(14)、喷水泵(22)和雾化喷水进口阀门(19)；雾化喷水装置(14)安装在气空间(24)的顶部，该雾化喷水装置通过管路及雾化喷水进口阀门(19)与喷水泵(22)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，其特征在于：在所述的高压储水罐的气空间(24)内设有高压储水罐换热器(15)，在凝结水箱(11)的下部设置有凝结水箱换热器(16)，所述两个换热器均与供热管网连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，其特征在于：所述高压储水罐(4)与水池/水箱(17)处在同一水平位置。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电系统，其特征在于：所述的二次辅助增压热源设备采用工业废热利用设备、太阳能利用设备和热泵中的一种或两者的组合。
6.一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)抽水蓄能过程：该抽水蓄能过程分为以下三个阶段：
a)抽水蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能，驱动抽水泵(8)将水从水池/水箱(17)中抽出，送入到高压储水罐的隔离活塞(5)下方的水空间，直至隔离活塞运动到高压储水罐的中间位置，从而完成对高压储水罐的抽水蓄能过程；
b)压气蓄能阶段：利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动电动机(1)带动压气机(2)工作，将压缩空气存储于隔离活塞上方的气空间(24)，最终使高压储水罐的气空间内的空气分压达到0.5～1.0MPa；
c)二次增压蓄能阶段：利用低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动增压泵(12)工作，将凝结水箱(11)中的除盐水输送至二次辅助增压热源设备进行加热，吸热后的除盐水变为温度230℃-300℃的过热蒸汽后，送至高压储水罐的隔离活塞上方的气空间(24)，直至高压储水罐内气空间的水蒸汽分压达到0.5～1.0MPa，并且保证气空间内蒸汽及空气的分压力之比为1:1，形成空气及水蒸汽的混合气体，完成二次增压蓄能；
2)释能发电过程：在电网高峰负荷时，开启高压储水罐底部的放水阀(6)，利用高压储水罐内空气及水蒸汽混合气体的压头，推动隔离活塞向下运动，推动工质水进入水轮发电机组(7)，驱动水轮发电机组做功发电；当高压储水罐内空气及水蒸汽混合气体推动隔离活塞运动至其行程下限时，发电过程结束；
3)利用电网低谷电能或风电厂的“后夜风”所产生的电能驱动喷水泵(22)工作，开启雾化喷水装置进口阀门(19)，将除盐水经雾化喷水装置(14)喷入高压储水罐(4)的气空间，利用雾化水吸收高压储水罐(4)气空间内残存的热量，使高压储水罐(4)气空间的水蒸汽迅速凝结，降低高压储水罐(4)气空间压力，并使凝结水汇聚于隔离活塞(5)的上方；
4)打开高压储水罐凝结水放水阀门(10)，利用高压储水罐内的自然压力使凝结水自动流入凝结水箱(11)。
7.根据权利要求6所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于，抽水蓄能和压气蓄能的时间段安排在夜间0:00～5:00；
二次增压蓄能阶段分为三种情况:若利用工业废热作为产汽增压的热源，则该时间段上午为6:00～10:00；若利用太阳能作为产汽增压的热源，则该时间段为白天日照良好、且电网非高峰负荷阶段，即该时间段为上午10:00～12:00；若利用热泵机组从周围环境获取热量，则该时间段安排在早上的5:00～6:00。
8.根据权利要求7所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于，释能发电过程的时间段为13:00～22:00。
9.根据权利要求6所述的一种基于水蒸汽与空气增压的抽水蓄能发电方法，其特征在于，在高压储水罐的气空间和凝结水箱内分别设置高压储水罐换热器(15)和凝结水箱换热器(16)，隔离活塞(5)的行程上限为高压储水罐换热器的下沿，隔离活塞行程下限为高压储水罐的底部；当隔离活塞运动到其行程下限时，凝结水出水口(10)刚好位于隔离活塞的上方，隔离活塞(5)上方汇集的凝结水通过凝结水出水口排入凝结水箱(11)；经换热后的热水作为生活热水或对外供热。
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