CN106762420A - 海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，冷气缓冲装置、低压压缩机、第一换热器、海水冷却器、高压压缩机、第二换热器、第三换热器、空气能储存模块依次相连，采用气‑气、气‑水两重换热技术，提升气冷涡轮进口工质焓值，降低压缩耗功。空气能储存模块为活塞式储气装置，利用海水压力实现了空气能的恒压存储，并实现了储气装置壁无需承压，降低了材料强度的要求，提高了经济性。空冷涡轮废气作为压缩机的进口工质的掺混气体，提升能量的利用率。海上风电压缩空气恒压储能系统具有高效、零碳排放、冷电联产等技术优点，为海上风电“弃风”问题和储气装置壁承受压力过高问题提供了有效解决方案。

Description

海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置

技术领域

本发明涉及的是一种压缩空气储能装置。

背景技术

海上风能具有资源丰富、发电利用小时数高、单机容量大、不占用土地以及适宜大规模开发等特点，成为可再生能源发展的重要领域之一。然而，海上风能在利用时受到海洋环境、季节的限制，风速不稳定、转换效率低，给风电并网带来许多不稳定因素。

针对海上风电出力不稳定问题，结合海洋环境特点，利用过剩的风电或低品质风电压缩空气到水下，利用海水重力实现恒压储能引起了人们的兴趣。当风电处于低谷时，释放空气能，驱动涡轮发电机组，可实现电能的稳定输出。

按照空气储能装置的种类分为“恒容”储能和“恒压”储能。恒容储能方法通过节流阀保持高压空气在一定压力范围才能保障涡轮发电机组高效运行；另外，恒容储能方法在储能和释放过程中，储气罐内的压力波动幅度大，高压储气罐壁承受周期性疲劳应力，增大了气罐材料选择难度。恒压储气方法即储气罐压力恒定不变，能够保持电站的高效运行以及减小存储体积，此时储气罐向膨胀机输送储气压力下的高压气体。中国专利CN103790708提出了无底沉箱结构的储能系统，但此方案存在压缩空气缓慢溶解于水的情况，同时由于无底部防护，海洋生物将不可避免地在系统工作时进入空气循环，堵塞管道。中国专利CN102563148中储气装置中的活塞的作用是用于阻断气体入口与出口之间的通路。中国专利CN103899909提出的活塞缸式压缩空气储能装置是在活塞上放置沙石，通过活塞的重力形成恒压空气储能。

压缩空气储能系统按照有无燃料的加入，可分为“补燃式”和“非补燃式”。“补燃式”压缩空气储能系统通常与燃气轮成复杂的热力循环系统，储气装置释放的高压空气同燃料一起燃烧后驱动透平发电。非补燃式压缩空气储能系统则直接利用高压空气吹动空气透平进行发电同时产生冷气。二者相比补燃式功率大且稳定，但是需要额外消耗燃料且有污染物排放。受到海上燃料供应和海洋环境保护要求的限制，“补燃式”压缩空气储能系统不适用于海上风电。中国专利CN103790708提出的海洋压缩空气储能方案属于“补燃式”，其发电系统需要天然气燃烧、太阳能或其他热源加热压缩空气才能工作。

发明内容

本发明的目的在于提供能够解决现有技术中海上风电的弃风问题，以及空气储能的高压储气罐因所需压强承受能力过高而造成的制造难、成本高问题的海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：包括冷气缓冲装置、低压压缩机、高压压缩机、海水冷却器、空气能储存模块、第一换热器、第二换热器、第三换热器，冷气缓冲装置、低压压缩机、第一换热器、海水冷却器、高压压缩机、第二换热器、第三换热器、空气能储存模块依次相连，第一换热器连接第一空气透平的入口，第一空气透平的出口连接冷气缓冲装置，第二换热器连接第二空气透平的入口，第二空气透平的出口连接第三换热器，第三换热器连接第三空气透平的入口，第三空气透平的出口连接第一换热器，空气能储存模块通过单向节流阀连接第二换热器，第一空气透平连接第一发电机，第二空气透平连接第二发电机，第三空气透平连接第三发电机，第一发电机、第二发电机、第三发电机均连接储存其电能的风电控制系统，风电控制系统分别连接第一电动机和第二电动机，第一电动机连接低压压缩机，第二电动机连接高压压缩机。

本发明还可以包括：

1、冷气缓冲装置还连接风机。

2、第一换热器与海水冷却器之间安装第一单向阀，第三换热器与空气能储存模块之间安装第二单向阀。

3、所述的空气能储存模块包括结构相同的且并联在一起的活塞式储气罐，所有活塞式储气罐均安装在海底地基上，所述活塞式储气罐包括罐体以及安装在罐体里的活塞，罐体顶层内壁上设置控制进气的压力传感器，罐体底层内壁上设置出气的压力传感器。

本发明的优势在于：充分利用海上“弃风”和系统内产生的热量，通过活塞式储气装置将多余的能量储存起来，然后通过换热和非补燃方式推动空冷透平实现闭式循环发电，最大程度利用空气压缩能量，制造成本低、提高了风能利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明系统的布置图；

图3a为空气储存模块的示意图，图3b为A-A视图，图3c为B-B视图；

图4a为活塞式储气罐的结构示意图，图4b为A向视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明由空气压缩模块、空气能储存模块、空气能释放模块组成。所述空气压缩模块包括电动机、低压压缩机2、海水冷却器5、高压压缩机6，所述空气能储存模块包括多个并联工作的活塞式储气罐、基座、压力传感器和阀门等，所述空气能释放模块包括空冷透平、换热器、冷气缓冲装置1和发电机，所述空冷透平有若干台，不局限于图1中所示台数，所述换热器也有若干个，且与空冷透平的数量相匹配。空气压缩模块中的低压压缩机2后连接换热器3，换热器3与海水冷却器5串联连接，换热器3与海水冷却器5之间有一个单向阀4，起控制方向、调节压力的作用。空气压缩模块中的高压压缩机6后依次串联连接换热器7、换热器8和空气能储存模块10，换热器8与空气能储存模块10之间有一个单向阀9，防止当压缩机停止工作时，高压气体倒流。空气能储存模块10的出口管道只有一个，高压空气从储气装置流出后，先经过单向节流阀11，调节好压力与流量后，依次通过换热器3、换热器7和换热器8后进入空冷透平，从而使发电机发电。空气能释放模块中空冷透平出来的冷气经过冷气缓冲装置1，所述冷气缓冲装置1由储气罐，电动闸阀组成，通过控制闸阀开关调整外界补充空气的流量，实现冷气与补充的空气的充分混合，使海上风电压缩空气恒压储能系统在闭式循环发电模式下稳定运行。

闭式循环发电运行方式下，空气经过空气压缩模块、空气储能模块和空气释放模块后重新回到空气压缩模块。空气能储存模块中活塞式储气罐释放出的高压空气经过空冷透平，膨胀做功驱动发电机发电后，出口低温气体输送到低压空气压缩机进口空气缓冲装置。如果空气缓冲装置中的气体不充足，则打开风机，使空气经过空气滤清器，进入空气缓冲装置。

空气能储存模块10是采用多个活塞式储气罐并列放置，同时进气和出气，为了将活塞式储气罐固定在海洋中，需要在海底建一个地基。地基制造成规则形状，在地基里布置和活塞式储气罐容积个数相匹配的进气口、出气口和固定基座，并且在地基里合理布置进出气管道。所述活塞式储气罐按照一定的排列规则安装在地基上，容器上方有一个出水口，能控制住活塞，防止活塞脱离容器，出水口用过滤网覆盖，防止鱼类和其他杂物进入储气罐，影响活塞的上下移动。

海上风电压缩空气恒压储能系统可安装在船、舰艇、岛屿或海上钻井平台上。

图2为一种海上风电非补燃压缩空气恒压储能系统总体布置示意图，由风电控制系统2，空气压缩模块3、空气能储存模块5、空气能释放模块4组成。

图1为一种海上风电非补燃压缩空气恒压储能系统结构示意图，所述空气压缩模块包括电动机M1和M2、低压压缩机2、海水冷却器5、高压压缩机6，所述空气能储存模块10包括活塞式储气罐和地基。所述空气能释放模块包括空冷透平12、13和14、换热器3、7和8、冷气缓冲装置1、发电机G1、G2和G3。海上风电非补燃压缩空气恒压储能系统将无法消纳或者低品质、无法并网的海上风电，通过多级、带中间海水冷却功能的空气压缩模块将空气压缩至位于海洋海底的空气储存模块中的活塞式储气罐中。空气压缩模块通过高压气体管道与设置在海上的发电系统相连，在管道上设置单向节流阀，控制方向、压力。压缩后的空气通过空冷透平发电机组直接发电的同时，其废气温度很低，该废气直接输送至低压压缩机前的冷气缓冲装置1，实现压缩空气的闭式循环工作。

海洋海底的空气储存模块中压缩空气的压力由空气储存模块所处海洋深度决定。每10米水深，将产生0.1MPa的压力。假定实施实例中空气储存模块的地基位于300米海洋深度，则压缩空气的压力为3MPa。

图3为空气储存模块实施方案示意图。空气储存模块采用多个活塞式储气罐并列放置，每个活塞式储气罐分别有进气孔和出气孔，每个进气孔通过电动闸阀连接在总进气管路上，每个出气孔通过电动闸阀连接在总出气管路上。为了将容器固定在海洋中，需要在海底建一个地基，在地基里布置和容积个数相匹配的进气口、出气口和固定基座，并且在地基里合理布置进出气管道。

图4为活塞式储气罐实施方案示意图。储气罐采用顶部开孔结构，开孔直径不大于0.8倍的储气罐直径，能控制住活塞，防止活塞脱离容器，出水口用过滤网覆盖，防止鱼类和其他杂物进入储气罐，影响活塞的上下移动。利用海洋深度的水压作用于储气罐活塞上，实现对储气罐内空气的恒压压缩。处于深海中的活塞式储气罐由于顶部开孔结构，储气罐壁内外压力相同，因此，理论上对于储气罐的强度要求较陆地上压缩空气储气罐的强度要低的多。活塞式储气罐的顶部和底部内壁上设置压力传感器，顶部的压力传感器控制进气和底部的压力传感器控制出气。只有在进气时，进气总开关打开，顶部的压力传感器工作，并且顶部的压力传感器控制管道下游的储气罐进气电动闸阀的开关。当活塞位于顶部，压力传感器发出信号，下一个储气罐的进气电动闸阀打开，随之开始进气；释放空气时，当活塞触发底部压力传感器时，下一个储气罐出气电动阀打开，继续释放压缩空气。本实施方案实现了活塞式储气罐依次充气和依次放气的工作流程。

海上风电非补燃压缩空气恒压储能系统具有储能、闭式循环发电两种运行方式:

图1中，当系统以储能方式运行时，通过发电机发出的电使低压压缩机2和高压压缩机6运行，同时海水冷却器5进行中间冷却过程，将高压空气储存在活塞式储气装置10中，此时单向阀4、9打开，单向节流阀11关闭，关闭的单向节流阀后的空冷透平和发电机不运行。

图1中，当系统以闭式循环发电方式运行时，单向阀和单向节流阀都打开，冷气缓冲装置的闸阀也打开，整个系统的所有机器都同时运行。为了保证系统的稳定性，需要不断补充空气，所以进入低压压缩机的介质为空气与冷气的混合，低压和高压压缩机不断将混合气压入活塞式储气装置中。同时，高压空气从储气装置流出，经过换热器预热后推动空冷透平做功，从而使发电机发电。

储能运行方式为：

当风电充足时，通过电动机驱动低压压缩机组和高压压缩机压缩空气，同时海水冷却器对压缩空气进行中间冷却，将高压空气储存在空气储存模块中。该运行方式下，单向阀打开，单向节流阀关闭，位于单向节流阀后的空冷透平与发电机组成的空气能释放模块不工作；

闭式循环发电运行方式为：

当风电缺乏时，单向节流阀都打开，冷气缓冲装置的闸阀也打开，整个系统的所有机器都在运行，活塞式储气装置中的高压空气释放，经过换热器预热后，推动空冷透平运转，带动发电机发电，发电机发出的电一部分供给用户使用，一部分推动空气压缩机继续压缩空气，此时，空气压缩机的进口空气是空冷透平出口的冷气和外界补充的空气。

空气压缩模块采用多级压缩-中间冷却的形式，可降低压缩空气耗功；所述空气压缩模块换热器是利用压缩机出口高温空气加热活塞式储气罐释放出的高压空气，作用是提高空冷透平前空气焓值；所述空气压缩模块海水冷却器实现压缩空气储存缓冲，使进入高压压缩机的空气温度冷却至水温，降低高压压缩机的耗功。

空气能储存模块采用多个活塞式储气罐并列放置，在活塞式储气罐的顶部和底部内壁上设置压力传感器，顶部压力传感器控制活塞式储气罐进气，底部压力传感器控制活塞式储气罐出气。各活塞式储气罐单独工作，分别由进气总开关和出气总开关控制。在进气时，进气总开关打开。顶部的压力传感器控制管道下游的活塞式储气罐进气电动闸阀的开关。

活塞式储气罐按照一定的排列规则安装在海底的地基上。所述地基布置与活塞式储气罐数目相匹配的进气口、出气口和进出气管道。所述活塞式储气罐上方有一个小于活塞面积的出水口，能防止活塞脱离容器。所述活塞式储气罐出水口用过滤网覆盖，防止鱼类和其他杂物进入储气罐，影响活塞的上下移动。

空气经过空气压缩模块、空气储能模块和空气释放模块后重新回到空气压缩模块。空气能储存模块中活塞式储气罐释放出的高压空气经过空冷透平，膨胀做功驱动发电机发电后，出口低温气体输送到低压空气压缩机进口空气缓冲装置。如果空气缓冲装置中的气体不充足，则打开风机，使空气经过空气滤清器，进入空气缓冲装置。

Claims (5)

1.海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：包括冷气缓冲装置、低压压缩机、高压压缩机、海水冷却器、空气能储存模块、第一换热器、第二换热器、第三换热器，冷气缓冲装置、低压压缩机、第一换热器、海水冷却器、高压压缩机、第二换热器、第三换热器、空气能储存模块依次相连，第一换热器连接第一空气透平的入口，第一空气透平的出口连接冷气缓冲装置，第二换热器连接第二空气透平的入口，第二空气透平的出口连接第三换热器，第三换热器连接第三空气透平的入口，第三空气透平的出口连接第一换热器，空气能储存模块通过单向节流阀连接第二换热器，第一空气透平连接第一发电机，第二空气透平连接第二发电机，第三空气透平连接第三发电机，第一发电机、第二发电机、第三发电机均连接储存其电能的风电控制系统，风电控制系统分别连接第一电动机和第二电动机，第一电动机连接低压压缩机，第二电动机连接高压压缩机。

2.根据权利要求1所述的海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：冷气缓冲装置还连接风机。

3.根据权利要求1或2所述的海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：第一换热器与海水冷却器之间安装第一单向阀，第三换热器与空气能储存模块之间安装第二单向阀。

4.根据权利要求1或2所述的海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：所述的空气能储存模块包括结构相同的且并联在一起的活塞式储气罐，所有活塞式储气罐均安装在海底地基上，所述活塞式储气罐包括罐体以及安装在罐体里的活塞，罐体顶层内壁上设置控制进气的压力传感器，罐体底层内壁上设置出气的压力传感器。

5.根据权利要求3所述的海上风电非补燃压缩空气恒压储能装置，其特征是：所述的空气能储存模块包括结构相同的且并联在一起的活塞式储气罐，所有活塞式储气罐均安装在海底地基上，所述活塞式储气罐包括罐体以及安装在罐体里的活塞，罐体顶层内壁上设置控制进气的压力传感器，罐体底层内壁上设置出气的压力传感器。