CN106499937B - 一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力储能技术领域的一种水封双层恒压储气系统，所述系统包括储气罐、气体管道、液体管道和液体驱动装置，储气罐由内罐及外罐构成，内罐为顶部对外罐封闭、底部对外罐开放的罩缸结构；气体管道的一端连接内罐的顶部，另一端连接外部设备；外罐通过液体管道与液体驱动装置相连。通过液体驱动装置控制液体流入流出量实现定水头、恒压储气和恒压出气三种恒压控制模式。本发明隔绝了外罐与气体的接触，内罐无承压，内外罐之间充满水，利用水封作用将空气限制在内罐中，对于外罐采用钢铁类金属材质的设备，有利于设备的制造和安全稳定运行。

Description

一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统

技术领域

本发明属于电力储能技术领域，特别涉及一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统。

背景技术

电网存在用电高峰和用电低谷，应用储能系统可在用电低谷时，将多余的电能储存，用电高峰时，将电能释放，反向输入电网。目前，商业系统中应用的大规模储能系统主要有抽水蓄能电站和压缩空气储能系统。压缩空气储能系统具有损耗小，能量密度大和对环境友好等优点，有广阔的发展前景。

压缩空气储能系统在运行时，储气罐内的气体在流入和流出的过程中，内部压强不断变化，压强频繁波动会导致金属疲劳，影响储气容器寿命；气体存放于储气系统中，由于气体较易散失，不利于高压气体的稳定存储，因此需采用液体等位的稳压储气方案。传统概念上的液封技术普遍适用于低压场合，不适合高压气体储存。有两方面的原因，一是高压强差使液体流速加快，液封失效；另一个是高压强下气体溶解度增大，因此高压储气效果较差。

压缩空气储能系统使用的储气罐若采用不锈钢、低合金钢等耐压材料，造价昂贵；若采用普通碳钢，虽然价格低廉，但是由于储气罐内为液气混合物，导致储气罐内壁氧化现象严重。

发明内容

针对压缩空气储能系统储气罐内液体压强不断变化、内壁氧化和气体易散失的问题，本发明提出了一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统，其特征在于，该系统包括储气罐、气体管道、液体管道和液体驱动装置，恒压储气系统的基本结构为：所述储气罐由内罐A及外罐B构成，内罐A采用支承结构放置于外罐B的内部，内罐A为顶部对外罐B封闭、底部对外罐B开放的罩缸结构，外罐B与内罐A之间保持满水状态；内罐A分为气体空间和液体空间，气体管道的一端连接内罐A顶部区域的气体空间，另一端连接外部设备；外罐B通过液体管道与液体驱动装置C相连；通过液体驱动装置C控制储气罐内液体的流入流出量(即单位时间内流经液体管道有效截面积的流体量)来实现恒压控制模式。

所述储气罐中内罐的数量可以为一个或多个，多个内罐可以直接相连构成一个大型储气容器，或者每个内罐的顶部通过独立的气体管道与外部设备相连；气体存于内罐中，外罐与内罐之间保持恒水，每个内罐中的液面高度不低于自身开口最低处，外罐内外两侧的压强差大于内罐内外两侧的压强差。

所述储气罐的内罐可以采用塑料或玻璃耐氧化材料制成，外罐可以采用普通碳钢材料或混凝土承压材料制成。

所述液体驱动装置由水力设备连接外部蓄水设备构成。

所述外部蓄水设备采用低压水池或者高压缓冲容器。

所述液体驱动装置中可在外罐和水力设备之间增加缓冲装置。缓冲装置由内部水力设备和缓冲容器构成；缓冲容器具有一个上部端口和两个下部端口，缓冲容器的上部端口通过阀门与气体管道相连；缓冲容器的两个下部端口通过阀门、液体管道与水力设备相连。

所述水力设备采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机和水泵，或者采用液压马达，或者采用液压活塞机构。

通过液体驱动装置的流量控制，有定水头、恒压储气和恒压出气三种恒压控制模式，分别对应各自的目标量：定水头模式，目标量为水力设备两端的液体压强差；恒压储气模式，目标量为储气罐内的气体压强，恒压出气模式，目标量为气体管道出气口的气体压强，利用液体驱动装置的流量控制，制定恒压控制措施；定水头模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流出量和气体流入量不变；恒压储气模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，控制液体流出量等于气体流入量；储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，控制液体流入量等于气体流出量；恒压出气模式控制措施为：储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流入量或气体流出量不变。

本发明的有益效益包括以下几个方面：

(1)本发明对传统的储气罐进行改良，储气罐中内罐的内外两侧压强相差极小，因此内罐可以采用塑料或玻璃耐氧化材料制成；外罐的内外两侧压强相差较大，外罐液体包裹内罐对气体360度完全液封，避免了外罐压力容器承压罐体和气体的接触，因此外罐可以采用普通储水的压力容器，如普通碳钢材料或混凝土承压材料制成，这样不仅造价便宜，且外罐的内壁不易氧化，提高了外罐高压力容器的使用寿命。

(2)本发明通过液体驱动装置来控制储气罐内液体的流入流出量，有定水头、恒压储气和恒压出气三种控制模式，根据实际情况需要选择合适工作模式，有助于实现压缩空气储能系统安全稳定运行。

(3)本发明针对普通储气系统气体较易散失的问题，采用水封设计，液体不易流失，通过液体水封的作用，将气体密封在内罐中，防止气体的散失，保证储气系统中内部气体压强的稳定存储；同时，液封是用于高压内部，外罐外壁承受高压，内外罐经内罐底部连通在内部构造高压环境，由于内罐和外罐本身具有极高的压强，所以液封只承受了内罐和外罐两个高压之间的微弱压强差，只要外罐液体溢出通路唯一，即可实现对高压气体的液封作用。

附图说明

图1为水封双层恒压储气系统示意图；

图2为液体管道与外罐底部相连的地下水封双层恒压储气系统示意图；

图3为增加缓冲容器的水封双层恒压储气系统示意图；

图4为含有多个内罐的水封双层恒压储气系统示意图。

图中标号：

A—内罐，B—外罐，C—液体驱动装置，D—气体管道，E—液体管道，F—外部蓄水设备，H—缓冲容器，水力设备G1、G2，第1阀门……第4阀门

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1为水封双层恒压储气系统示意图，内罐A为顶部对外罐B封闭、底部对外罐B开放的罩缸结构；气体管道的一端连接内罐A的顶部，另一端连接外部设备；外罐B通过液体管道与液体驱动装置C相连；气体存于内罐A中，外罐B与内罐A之间保持恒水，内罐A中的液面高度不低于内罐最低处。液体驱动装置C由水力设备G1连接外部蓄水设备F构成，通过控制水力设备G1来控制储气罐内液体的流入流出量实现恒压控制方法。水力设备G1两端的压强差由储气罐内气体的压强和液体高度差产生的压强共同决定。

通过液体驱动装置的流量控制，有定水头、恒压储气和恒压出气三种恒压控制模式，分别对应各自的目标量：定水头模式，目标量为水力设备两端的液体压强差；恒压储气模式，目标量为储气罐内的气体压强；恒压出气模式，目标量为气体管道出气口的气体压强。利用液体驱动装置的流量控制，制定恒压控制措施。

定水头模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流出量和气体流入量不变。

恒压储气模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，控制液体流出量等于气体流入量；储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，控制液体流入量等于气体流出量。

恒压出气模式控制措施为：储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流入量或气体流出量不变。

图2为与外罐底部相连的地下水封双层恒压储气系统示意图，液体管道可以与外罐的任意位置相连，图中液体管道与外罐底部相连；储气系统既可以用于地上，也可以用于地下。

图3带缓冲容器的水封双层恒压储气系统示意图，液压驱动装置C中在外罐B和水力设备G1之间增加缓冲装置。缓冲装置由内部水力设备G2和缓冲容器H构成；缓冲容器H具有一个上部端口和两个下部端口，缓冲容器H的上部端口通过阀门与气体管道相连；缓冲容器H的两个下部端口通过阀门、液体管道与水力设备相连。水力设备G2外壳耐受压强为气体压强，叶片两端的液体压强差为ρ_液gh，ρ_液为液体的密度，g为重力加速度，h为水力设备G2与内罐液面之间的高度差。

进气时，第2阀门、第4阀门打开，第1阀门、第3阀门关闭，高压气体从气体管道D进入缓冲容器H，缓冲容器H中的水通过水力设备G1发电，此时高压气体储存在缓冲容器H中；第2阀门、第4阀门关闭，第1阀门、第3阀门打开，水力设备G2将水从储气外罐B抽入缓冲容器H中，高压气体从缓冲容器H转移到储气内罐A中储存。

出气时，第1阀门、第3阀门打开，第2阀门、第4阀门关闭，缓冲容器H 的水经过水力设备G2发电，水从缓冲容器H流入储气外罐B，气体从储气内罐 A转移到缓冲容器H中储存；第1阀门、第3阀门关闭，第2阀门、第4阀门打开，水力设备G1将水从外部蓄水设备F抽入到缓冲容器H中，高压气体通过气体管道D送出。

Claims (5)

1.一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统，其特征在于，该系统包括储气罐、气体管道、液体管道和液体驱动装置，恒压储气系统的基本结构为：所述储气罐由内罐A及外罐B构成，内罐A为顶部对外罐B封闭、底部对外罐B开放的罩缸结构，外罐B与内罐A之间保持满水状态；气体管道的一端连接内罐A的顶部，另一端连接外部设备；外罐B通过液体管道与液体驱动装置C相连；通过液体驱动装置C控制储气罐内液体的流入流出量实现恒压控制方法。

2.根据权利要求1所述的一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统，其特征在于，所述储气罐中内罐的数量可以为一个或多个，每个内罐的顶部连接独立的气体管道；气体存于内罐中，每个内罐中的液面高度不低于自身开口最低处，外罐内外两侧的压强差大于内罐内外两侧的压强差。

3.根据权利要求1所述的一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统，其特征在于，所述液体驱动装置由水力设备连接外部蓄水设备构成。

4.根据权利要求3所述的一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统，其特征在于，其水力设备采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机和水泵，或者采用液压马达，或者采用液压活塞机构。

5.根据权利要求1所述的一种用于压缩空气储能的水封双层恒压储气系统的恒压控制方法，其特征在于，通过液体驱动装置的流量控制，有定水头、恒压储气和恒压出气三种恒压控制模式，分别对应各自的目标量：定水头模式，目标量为水力设备两端的液体压强差，恒压储气模式，目标量为储气罐内的气体压强，恒压出气模式，目标量为气体管道出气口的气体压强，利用液体驱动装置的流量控制，制定恒压控制措施；

定水头模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流出量和气体流入量不变；

恒压储气模式控制措施为：储气系统储气过程中，当目标量低于设定值时，减少液体流出量或增大气体流入量，当目标量高于设定值时，增大液体流出量或减少气体流入量，当目标量等于设定值时，控制液体流出量等于气体流入量；储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，控制液体流入量等于气体流出量；

恒压出气模式控制措施为：储气系统出气过程中，当目标量低于设定值时，增大液体流入量或减小气体流出量，当目标量高于设定值时，减少液体流入量或增大气体流出量，当目标量等于设定值时，保持当前的液体流入量或气体流出量不变。

Images