CN105201926B - 基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置，包括一个或多个由压力容器所构成的液体活塞腔，以及通过气体阀门与液体活塞腔相连的高压气体管道和低压气体管道；液体活塞腔的下部通过液体阀门连接到外部水力设备；液体活塞腔内设置一个或者多个蓄气单元；多个蓄气单元各自独立运行或级联排布运行，每个蓄气单元之间装有顶部阀门，低压气体管道与液体活塞腔内顶部相连，若多个蓄气单元各自独立运行则高压气体管道分别与每个蓄气单元相连，若多个蓄气单元级联排布运行则高压气体管道分为两条支路，第一支路与液体活塞腔内底部相连，第二支路与液体活塞腔内顶部相连。

Description

基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置。

背景技术

储能技术已被视为电网运行过程中的重要组成部分，其中压缩空气储能应用较为广泛。但压缩空气储能存在一定的局限性，压缩空气储能的主要缺点是通常与燃气轮机配合，需要消耗燃气，产生环境污染，易泄露，能量密度低，且空气压缩、膨胀时，温度变化剧烈，对设备的伤害较大，造成检修成本高。

近年来，已有研究将液体活塞应用于压缩空气储能中，解决了压缩空气储能所带来的环境污染问题，但空气压缩/膨胀过程多为绝热或自由膨胀过程，温度变化剧烈，产生热量不易保存，压缩空气势能不能完全利用，储能利用效率低。

国内外现有的液体活塞中，每个活塞腔都由单一高压容器组成，无蓄液单元部分设计，更无腔内温控单元。其弊端在于气体缩放过程多为绝热、自由膨胀过程，使得压缩空气释放能量效率低。

发明内容

针对压缩空气储能的压缩过程中存在热量损失和膨胀时低温导致压强下降能量损耗大的问题，本发明提出了一种基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置，包括：一个或多个由压力容器所构成的液体活塞腔，以及通过气体阀门与液体活塞腔相连的高压气体管道和低压气体管道；液体活塞腔的下部通过液体阀门连接到外部水力设备；液体活塞腔内设置一个或者多个蓄气单元；多个蓄气单元各自独立运行或级联排布运行，级联排布的相邻两个蓄气单元之间，下部蓄气单元的气体溢出位置位于所级联的上部蓄气单元底部或内部，保证溢出的气体可以进入上级蓄气单元，低压气体管道与液体活塞腔内顶部相连，若多个蓄气单元各自独立运行则高压气体管道分别与每个蓄气单元相连，若多个蓄气单元级联排布运行则高压气体管道分为两条支路，第一支路连接到最下部蓄气单元的下部或者内部，第二支路与液体活塞腔内顶部相连；蓄气单元由导热材料组成，用于分隔和存储气体，增大液体与气体的接触面积，促进气液间的热交换，利用稳定的液体温度控制气体膨胀或者压缩时的温度变化范围。

所述蓄气单元包括两种结构：上部封闭底部开放的罩缸结构或封闭管道形式的气包结构，这两种结构分别对应气液热质交换或者导热式这两种控温方式。

所述蓄气单元为上部封闭底部开放的罩缸结构，蓄气单元纵向置于液体活塞腔内，蓄气单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，液体和气体能够从空隙中通过，利用气液充分混合方式实现温度控制。

所述蓄气单元为上部封闭底部开放的罩缸结构，蓄气单元纵向置于液体活塞腔内，蓄气单元的顶面为冲孔板，冲孔板的冲孔下接短竖管，膨胀时，气体以气泡形式通过蓄气单元，加强气体和液体之间的热交换。

所述蓄气单元为封闭管道形式的气包结构，蓄气单元的主体以螺旋式或多层排列的管道形式置于液体活塞腔内，蓄气单元有两根管道,一根管道从气包上部引出并从液体活塞腔的顶部伸出并与高压气体管道相连，另一根管道从气包下部引出并延伸至液体活塞腔内的最上部。

所述多个蓄气单元为级联排布运行时分为两种工作方式：气体膨胀时，通过蓄气单元出气方向控制使得下层蓄气单元气体膨胀后进入上层蓄气单元；气体压缩时，气体在各个蓄气单元内被压缩，并通过蓄气单元的失效机制将气体送至液体活塞顶部。

所述失效机制包括3种形式：

外控型：即液体活塞腔外加装控制机构，控制机构与蓄气单元的隔离阀门相连，控制机构根据装置参数变化而控制蓄气单元的隔离阀门开启与否；

触发型：蓄气单元的隔离阀门通过装置参数变化而自动开启触发失效机制；

延时型：即漏气型，气体缓慢进入蓄气单元直到自然达到失效机制启动阈值。

所述气体膨胀时，蓄气单元任意位置配置高压进气口与高压气体管道相连，在蓄气单元上部配置低压出气口与低压气体管道相连；所述气体压缩时，蓄气单元任意位置配置低压进气口与低压气体管道相连，在蓄气单元上部配置高压出气口与高压气体管道相连；其中高压出气口和高压进气口可以共用，低压出气口和低压进气口也可以共用；或者只用一个上部口，并在外部通过气体阀门切换高低压气体管道。

所述外部水力设备为液体势能差驱动的设备，包括液压活塞机构、液压马达，实现液体势能与机械能之间的转换。

本发明的有益效益包括以下几个方面：

(1)本发明对传统压缩空气储能技术进行改良，以液体为介质对气体进行压缩和释放，减少了气体缩放时泄漏和机械滑动带来的摩擦，能量释放彻底，效率高；既集成液体活塞的优点，又兼顾温控功能，提高了压缩空气中能量的利用效率，具有很好的节能效果；解决了气体体积变化所带来剧烈温度变化对设备的潜在危害，保证工作气体在储能/释能过程中温度基本稳定。

(2)本发明在液体活塞腔中设置蓄气单元，解决了压缩空气储能过程中对温度变化对效率影响的问题，腔内蓄气单元通过特殊结构设计实现气体等温压缩、膨胀过程，提高压缩空气效率。

(3)本发明将压缩空气中的势能以液体为介质进行转换，通过外接能量转换单元，将液体势能转换为机械能或其他能量形式，为发电或机械制造等提供原动力。整套装置提高了压缩空气储能的能量利用效率，并且保留了液体活塞应用于压缩空气储能所具有的少污染、少泄漏、少摩擦的优点，构成绿色高效压缩空气储能系统。

(4)本发明采用液体活塞，可以通过压力转换管道设计，实现高、低压水端口，方便外接能量转换单元连接，并实现两腔之间的液体进行交换。

(5)本发明可以实现就地安装，降低压缩空气储能硬件要求，不需要特定地理条件，降低建设安装难度，减少建设安装成本。

附图说明

图1是本发明的一种实现方案；蓄气单元级联排布运行的实现方案

图2一种蓄气单元独立运行的实现方案

图3是腔内蓄气单元采用罩缸结构的示意图，其中图3a、图3b和图3c分别为罩缸结构的透视图、俯视图和侧视图；

图4是腔内蓄气单元采用气包结构的示意图；

图5是一种实现腔内蓄气单元隔离阀门控制的方法示意图；

图6和图7分别是图5中的外部水力设备采用液压水泵和液压活塞时的示意图。

图中标号：

1-高压气体端口，2-低压气体端口，3-第一液体端口，4-第二液体端口，5-第一液体活塞腔，6-第二液体活塞腔，7-腔内蓄气单元，8-高压气体管道，9-低压气体管道，10-第一液体管道，11-第二液体管道，12-外部水力设备，13～16-气体阀门，17～18-液体阀门，19-蓄气单元的隔离阀门，20-蓄气单元冲孔管道，24～27-液体阀门，28-液压水泵，29～32-液体阀门，33-液压活塞。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1是实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置的一种方案。该装置由第一液体活塞腔5、第二液体活塞腔6、若干个腔内蓄气单元7、高压气体管道8、低压气体管道9、第一液体管道10、第二液体管道11、气体阀门13～16、液体阀门17～18、及蓄气单元的隔离阀门19组成；其中第一液体活塞腔5通过气体阀门13和14、高压气体端口1、低压气体端口2分别与高压气体管道8以及低压气体管道9连接，第二液体活塞腔6通过气体阀门15和16分别与高压气体管道8、低压气体管道9连接；第一液体活塞腔5和第二液体活塞腔6内分别设置多个腔内蓄气单元7，通过液体与气体的快速热交换以实现气体等温缩放的目的；第一液体活塞腔5和第二液体活塞腔6的底部分别设置第一液体端口3和第二液体端口4，并通过管道与外部水力设备12连接。外部水力设备12将高压液体的势能转换为其他形式的能量，为发电机或者其他设备提供原动力，并且承担两腔之内液体交换的作用，可以是液压活塞或液压马达等由液体势能差驱动的设备。

腔内蓄气单元7以导热材料构造，如金属等；腔内蓄气单元7用于存储液体，利用液体比热容大的特点实现对气体温度的控制，其顶部设置蓄气单元的隔离阀门19。腔内蓄气单元7与第一液体活塞腔5以及第二液体活塞腔6的内壁之间分别存在空隙，为气体流动的通道。

腔内蓄气单元7有两种基本结构，分别为上部封闭底部开放的罩缸结构及主体为封闭管道形式的气包结构，可以采用滤气式、管道导热式控温方法进一步增强控温效果。

图2是一种蓄气单元独立运行的实现方案。该方案属于出气口和入气口共用的情况。高压气体管道8通过气体阀门13分别连接到每个腔内蓄气单元7的上部。

图3是腔内蓄气单元采用罩缸结构的示意图。腔内蓄气单元7为罩缸结构，若干个腔内蓄气单元7按纵向分别置于第一液体活塞腔5和第二液体活塞腔6内，各腔内蓄气单元7的顶面上设置若干个冲孔，每个冲孔的下方分别连接蓄气单元冲孔管道20。工作时，气体存储于蓄气单元冲孔管道20内，构造局部微型液体活塞，使气体以气泡形式通过腔内蓄气单元7，加强气体和液体之间的热交换。其中图3a、图3b和图3c分别为腔内蓄气单元的透视、俯视和侧视图。

图4是腔内蓄气单元采用气包结构的示意图，主体为封闭管道形式的气包结构，形式为：腔内蓄气单元7的主体为以导热材料构造螺旋式或多层排列式管道结构，分别置于第一液体活塞腔5和第二液体活塞腔6内。工作时，气体存储于气包内，气体膨胀/压缩过程中，在管道内形成流动，气体管道与液体接触，方便换热的进行，维持腔内气体温度稳定。

图5是一种失效机制的实行方案。当蓄气单元隔离阀门19关闭时，腔内蓄气单元具有蓄气能力；当蓄气单元隔离阀门19打开时，气体通过阀门19上升，蓄气单元内外液体充分混合，保持温度一致。

图6和图7所示为外部水力设备的两种具体实现方式，分别为液压水泵28以及相关液体阀门24-27，液压活塞33以及相关液体阀门29-32。它们都是由液体势能差驱动的设备，可以将高压液体的势能转换为电能、机械能等其他形式的能量，为发电机或者其他设备提供原动力，并且承担两液体活塞腔之间液体交换的作用。

以图1为例，工作时，气体膨胀做功过程为：假设初始时，第一液体活塞腔5内蓄满液体，第二液体活塞腔6内存有少量液体，气体阀门13-1、16打开，气体阀门13-2、14、15-1、15-2关闭，适量高压气体通过高压输气管道8进入第一液体活塞腔5，然后关闭气体阀门13，高压气体在第一液体活塞腔5内膨胀做功，使第一液体活塞腔5内液面下降，液体自第一液体端口3流出，由于第二液体活塞腔6与低压气体管道9相连，第一液体端口3与第二液体端口4之间形成势能差，为外部水力设备12提供原动力，将水的势能转换为外部水力设备的能量，同时将液体送进第二液体活塞腔6中，第一液体活塞腔5内液面下降。同时，腔内蓄气单元7中存储部分气体，与液体进行热交换，实现气体膨胀过程中温度的稳定。做功阶段过程结束时，第一液体活塞腔5内液体只有底部的少量液体，腔内蓄气单元7中仍蓄满液体，第二液体活塞腔6内蓄满液体，此时将气体阀门14、15-1打开，气体阀门13-1、13-2、15-2、16关闭，适量高压气体由高压输气管道8进入第二液体活塞腔6，然后气体阀门15关闭。之后的气体在第二液体活塞腔6中的膨胀过程与上述第一液体活塞腔5内气体膨胀过程相同。如此反复可以将压缩空气中的能量完全释放。

气体压缩过程为：假设初始时，第一液体活塞腔5内存在少量的液体，第二液体活塞腔6内蓄满液体。关闭气体阀门13-1、13-2、14、15-1、15-2，打开气体阀门16。外部水力设备12做功将第二液体活塞腔6内的液体抽至第一液体活塞腔5内，第一液体活塞腔5内的液面逐渐上升，气压逐渐升高，当第一液体活塞腔5内的气压大于高压气体管道8中的气压时，打开气体阀门13-2，将高压气体输送到高压气体管道8中。此时第一液体活塞腔5中充满液体，第二液体活塞腔6中除腔内蓄气单元7外只有底部少量液体，之后关闭气体阀门13-2和16，打开气体阀门14，外部水力设备12将第一液体活塞腔5中的液体抽到第二液体活塞腔6中，然后将压缩得到的高压气体输送到高压气体管道8中，过程与上述过程相同。如此反复可以将电能源源不断地转换为压缩空气的势能存储起来。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于蓄气单元实现气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于，包括：一个或多个由压力容器所构成的液体活塞腔，以及通过气体阀门与液体活塞腔相连的高压气体管道和低压气体管道；液体活塞腔的下部通过液体阀门连接到外部水力设备；液体活塞腔内设置一个或者多个蓄气单元；多个蓄气单元各自独立运行或级联排布运行，级联排布的相邻两个蓄气单元之间，下部蓄气单元的气体溢出位置位于所级联的上部蓄气单元底部或内部，保证溢出的气体可以进入上级蓄气单元；低压气体管道与液体活塞腔内顶部相连；若多个蓄气单元各自独立运行则高压气体管道分别与每个蓄气单元相连，若多个蓄气单元级联排布运行则高压气体管道分为两条支路，第一支路连接到最下部蓄气单元的下部或者内部，第二支路与液体活塞腔内顶部相连；蓄气单元由导热材料组成，用于分隔和存储气体，增大液体与气体的接触面积，促进气液间的热交换，利用稳定的液体温度控制气体膨胀或者压缩时的温度变化范围；

所述蓄气单元包括两种结构：上部封闭底部开放的罩缸结构或封闭管道形式的气包结构，这两种结构分别对应气液热质交换或者导热式这两种控温方式；

所述蓄气单元或为上部封闭底部开放的罩缸结构，蓄气单元纵向置于液体活塞腔内，蓄气单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，液体和气体能够从空隙中通过，利用气液充分混合方式实现温度控制；

所述蓄气单元或为上部封闭底部开放的罩缸结构，蓄气单元纵向置于液体活塞腔内，蓄气单元的顶面为冲孔板，冲孔板的冲孔下接短竖管，膨胀时，气体以气泡形式通过蓄气单元，加强气体和液体之间的热交换；

所述蓄气单元或为封闭管道形式的气包结构，蓄气单元的主体以螺旋式或多层排列的管道形式置于液体活塞腔内，蓄气单元有两根管道,一根管道从气包上部引出并从液体活塞腔的顶部伸出并与高压气体管道相连，另一根管道从气包下部引出并延伸至液体活塞腔内的最上部；

所述多个蓄气单元为级联排布运行时分为两种工作方式：气体膨胀时，通过蓄气单元出气方向控制使得下层蓄气单元气体膨胀后进入上层蓄气单元；气体压缩时，气体在各个蓄气单元内被压缩，并通过蓄气单元的失效机制将气体送至液体活塞顶部；

所述失效机制包括3种形式：

外控型：即液体活塞腔外加装控制机构，控制机构与蓄气单元的隔离阀门相连，控制机构根据装置参数变化而控制蓄气单元的隔离阀门开启与否；

触发型：蓄气单元的隔离阀门通过装置参数变化而自动开启触发失效机制；

延时型：即漏气型，气体缓慢进入蓄气单元直到自然达到失效机制启动阈值。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述气体膨胀时，蓄气单元任意位置配置高压进气口与高压气体管道相连，在蓄气单元上部配置低压出气口与低压气体管道相连；所述气体压缩时，蓄气单元任意位置配置低压进气口与低压气体管道相连，在蓄气单元上部配置高压出气口与高压气体管道相连；其中高压出气口和高压进气口可以共用，低压出气口和低压进气口也可以共用；或者只用一个上部口，并在外部通过气体阀门切换高低压气体管道。

3.根据权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述外部水力设备为液体势能差驱动的设备，包括液压活塞机构，实现液体势能与机械能之间的转换。