CN107489467A - 压缩空气抽水储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压缩空气抽水储能系统，其包括空气压缩单元、空气膨胀稳压单元、水轮机组、水泵机组、高压储气罐、中压储气罐、高压储水罐、以及常压储水罐。其中，中压储气罐、空气压缩单元与高压储气罐依次连接形成储能通道；高压储气罐、空气膨胀稳压单元、高压储水罐、水轮机组与常压储水罐依次连接形成释能通道；常压储水罐、水泵机组与高压储水罐依次连接形成回水通道。所述压缩空气抽水储能系统以空气储罐作为储气容器避免了传统压缩空气储能系统地下洞穴选址困难的问题，并以高压力的水代替高位置的水，以水的压力水头代替水的重力水头，消除了传统抽水储能电站对地势差的依赖。

Description

压缩空气抽水储能系统
技术领域
本发明涉及电力储存技术领域，尤其涉及一种压缩空气抽水储能系统。
背景技术
随着我国电网容量的不断增长，峰谷差不断增大，已有一些电网由于高峰供电缺额的存在，不得不采取强制性拉闸限电的措施，这不仅阻碍了生产力的发展，而且可能会带来社会问题，故而在电网中引入储能系统是实现电网调峰的迫切需求。另外，随着再生能源、分布式供能和智能电网的蓬勃发展，对大规模发展储能产业的现实需求也越来越大。
常规的储能技术主要有飞轮储能、电池储能、超导储能、超级电容器储能、抽水储能和压缩空气储能等。但是能够以较低成本持续数小时进行大容量输出的储能技术主要包括电池储能、抽水储能和压缩空气储能。电池储能因其成本高，生产及后续处理存在环境污染等问题，目前难以推广至大规模储能领域。抽水储能作为当前最为成熟的大规模储能应用技术，具有效率高，储能容量大，设备技术成熟等优势，但同时受到蓄水池选址困难的限制，阻碍了其大规模的推广应用。压缩空气储能以空气内能形式进行能量储存，但传统压缩空气储能技术需要以地下盐穴作为储气空间，同样具有选址困难的问题。
压缩空气抽水储能系统，结合压缩空气储能的特点，在储存能量的过程中将空气进行压缩并存储于高压储气罐中，而在释放能量的过程中，高压空气被释放，将储水罐中的水压缩至高压状态，高压水推动水轮机做功发电。压缩空气不必存储于地下洞穴，而且以水的压力水头代替重力水头，不需要将水送往很高位置处的水库，解决了压缩空气储能和抽水储能中选址困难的问题。压缩空气抽水储能系统更具有灵活性，规模可大可小，更适合用于城市电力存储系统，而且电力消耗主要集中于城市，因此压缩空气抽水储能系统对于缓解电网的调峰压力具有重大意义。
发明内容
基于此，有必要提供一种压缩空气抽水储能系统，能有效实现抽水蓄能电站的小型化。
本发明揭示了一种压缩空气抽水储能系统，其包括第一储气罐、空气压缩单元、第二储气罐、空气膨胀稳压单元、第一储水罐、水轮机组、第二储水罐以及水泵机组，其中，所述第一储气罐、所述空气压缩单元与所述第二储气罐依次连接形成储能通道；所述第二储气罐、所述空气膨胀稳压单元、所述第一储水罐、所述水轮机组与所述第二储水罐依次连接形成释能通道；所述第二储水罐、所述水泵机组与所述第一储水罐依次连接形成回水通道。
优先的，所述空气压缩单元包括n(n≥1)级串联的压缩机，且所述空气压缩单元入口处安装有截止阀。
优先的，所述空气压缩单元除最后一级的每一级的压缩机出口都安装有三通阀，所述三通阀的两个出口分别与一个截止阀相连通，所述两个截止阀中，其中一个截止阀出口与下一级压缩机入口连通，另外一个截止阀出口与第二储气罐连通，所述第二储气罐为高压储气罐。
优先的，所述空气压缩单元中的n个压缩机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种的组合。
优先的，所述第二储气罐为高压储气罐，其空气工作压力范围为1.0MPa～50.0MPa(A)。
优先的，所述空气膨胀稳压单元由m(m≥1)级串联膨胀机组成，且所述空气膨胀稳压单元入口安装有截止阀。
优先的，所述空气膨胀稳压单元除最后一级的每一级膨胀机的入口都安装有三通阀，所述三通阀的两个出口分别与一个截止阀相连通，所述两个截止阀中，其中一个截止阀出口与当前一级的膨胀机入口相连通，另一个截止阀出口与下一级膨胀机入口之前的三通阀相连通，若下一级膨胀机为最后一级，则当前一级的截止阀出口直接与最后一级膨胀机入口相连通。
优先的，所述空气膨胀稳压单元20的m个膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合。
优先的，所述第一储气罐为中压储气罐，其与第二储水罐的空气/水工作压力范围为0.2MPa～40.0MPa(A)，且其工作压力低于第二储气罐中空气工作压力。
优先的，所述第一储气罐与第一储水罐共用同一储罐。
本发明公开了一种压缩空气抽水储能系统，包括第一储气罐、空气压缩单元、第二储气罐、空气膨胀稳压单元、第一储水罐、水轮机组、第二储水罐以及水泵机组，其中，所述第一储气罐、所述空气压缩单元与所述第二储气罐依次连接形成储能通道；所述第二储气罐、所述空气膨胀稳压单元、所述第一储水罐、所述水轮机组与所述第二储水罐依次连接形成释能通道；所述第二储水罐、所述水泵机组与所述第一储水罐依次连接形成回水通道。所述压缩空气抽水储能系统以空气储罐作为储气容器避免了传统压缩空气储能系统地下洞穴选址困难的问题，并以高压力的水代替高位置的水，以水的压力水头代替水的重力水头，消除了传统抽水储能电站对地势差的依赖。
附图说明
图1为本发明提供的压缩空气抽水储能系统的组成示意图；
图2为图1所示空气压缩单元与空气膨胀稳压单元的组合示意图；
图3为本发明提供的压缩空气储能系统储能过程第1示意图；
图4为本发明提供的压缩空气储能系统储能过程第2示意图；
图5为本发明提供的压缩空气储能系统储能过程第3示意图；
图6为本发明提供的压缩空气储能系统回水过程示意图；
图7为本发明提供的压缩空气储能系统释能过程第1示意图；
图8为本发明提供的压缩空气储能系统释能过程第2示意图；
图9为本发明提供的压缩空气储能系统释能过程第3示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。下述实施例中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，本发明提供了一种压缩空气抽水储能系统，包括第一储气罐6、空气压缩单元10、第二储气罐5、空气膨胀稳压单元20、第一储水罐6、水轮机组30、第二储水罐7以及水泵机组40。其中，所述第二储气罐5为高压储气罐5，所述第二储水罐7为常压储水罐7。
所述第一储气罐6、所述空气压缩单元10与所述高压储气罐5依次连接形成储能通道，所述第一储气罐6在储能通道中为中压储气罐6；所述高压储气罐5、所述空气膨胀稳压单元20、所述第一储水罐6、所述水轮机组30与所述常压储水罐7依次连接形成释能通道，所述第一储水罐6在释能通道中为高压储水罐6；所述第二储水罐、所述水泵机组与所述第一储水罐依次连接形成回水通道，所述第一储水罐6在回水通道中为高压储水罐6。在本实施例中，为节约成本，第一储气罐6和第一储水罐6可为同一储罐，只是在不同通道中作用不同，如为中压储气罐6或高压储水罐6。当然，中压储气罐6或高压储水罐6在压缩空气抽水储能系统中也可以为不同的储罐。
请参阅图2，本实施例中，所述空气压缩单元10包含n(n≥1)级串联的压缩机，且空气压缩单元10的入口处安装有截止阀Vc1。所述空气压缩单元10以其第i(i<n)级压缩为例，在第i级压缩机出口安装有三通阀Tci，所述三通阀Tci的两个出口分别连接截止阀Vci1和截止阀Vci2，其中，截止阀Vci1出口与第i+1级压缩机的入口连通，而截止阀Vci2出口与高压储气罐5连通。本实施例中，所述空气压缩单元10中的n个压缩机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种的组合。
本发明中，压缩过程方面是一个非稳态过程，压缩机的压比一直在变化，本发明采用多级压缩的方式，可以实现压比最大变化范围为1～50MPa，而传统压缩机很难实现这样大的压比调节范围，而且，所述多级压缩的方案包含了控制管路部分，可以实现在非稳态压缩过程中调节各单级压缩机的启停，从而实现各级压缩机能够工作在自己合适的压比范围内。
请参阅图2，本实施例中，所述空气膨胀稳压单元20包含m(m≥1)级串联膨胀机组，且所述空气膨胀稳压单元20入口安装有截止阀Ve1。所述空气膨胀稳压单元20以第i(i<m)级膨胀为例，在第i级膨胀机入口安装有三通阀Tei，所述三通阀Tei的两个出口分别连接截止阀Vei1和截止阀Vei2，其中，截止阀Vei1出口与第i级膨胀机的入口连通，截止阀Vei2出口与三通阀Tei+1的入口连通(若i＝m-1，则截止阀Vei2出口直接与第m级膨胀机的入口连通)。本实施例中，所述空气膨胀稳压单元20的m个膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合。
请参阅图1，在本实施例中，所述压缩空气抽水储能系统中高压储气罐5工作压力范围为1.0MPa～50.0MPa(A)；所述中压储气/高压储水罐6的空气/水工作压力范围为0.1MPa～40.0MPa(A)，且其工作压力低于高压储气罐5中空气工作压力。
请参阅图1，本实施例中，所述水轮机组30包含水轮机31和截止阀32，所述水轮机31为反击式水轮机或者冲击式水轮机，所述反击式水轮机为混流式、轴流式、斜流式或贯流式其中之一；所述混流式水轮机为水斗式、斜流式或双击式其中之一。
请参阅图1，本实施例中，所述水泵机组40包含水泵41和截止阀42，所述水泵41为离心泵、涡旋泵、轴流泵、活塞泵、罗茨泵或螺杆泵其中之一。
请参阅图1，本实施例中，所述中压储气/高压储水罐6与常压储水罐7顶部分别安装有放空阀8和放空阀9。
需进一步说明的是，本发明的发电主要单元是水轮机，因此水轮机的效率直接影响了系统整体效率。为保证水轮机的高效运转，需要能够实现水轮机稳定的工况。水轮机的进口工况参数主要是指进口压力，因此，为实现系统整体的高效运转，需要保证水轮机进口压力的稳定，本发明采用多级空气膨胀稳压单元可以实现系统非稳态运行过程中水轮机进口压力的稳定，这也是本发明要设置中压储气罐的原因。
下面按照储能-回水-释能依次进行的三个阶段来介绍本发明所提供的压缩空气抽水储能系统工作原理。
请参阅图3-图5，所述压缩空气抽水储能系统的储能过程的工作原理如下：
储能过程的初始时刻，所有阀门均关闭。此时，储罐6为中压储气罐6，高压储气罐5和中压储气罐6均充满空气，而且两个储罐中空气压力相同，常压储水罐中充满水。此时，关闭空气膨胀稳压单元20的截止阀Ve1、水轮机组30的截止阀32、水泵机组40的截止阀42、放空阀8和放空阀9，打开空气压缩单元10的截止阀Vc1。关闭截止阀Vc11，打开截止阀Vc12，开启第1级压缩机，中压储气罐6中空气不断被抽出，压力下降，高压储气罐5中压力上升(此时空气流动方向请参阅图3)。当高压储气罐5中压力升高到一定程度，超出第1级压缩机的调节能力的时候，打开截止阀Vc11和截止阀Vc22，关闭截止阀Vc12和截止阀Vc21，同时开启第2级压缩机(此时空气流动方向请参阅图4)。对于第i级压缩机，当高压储气罐5中空气压力超出第i级压缩机的调节能力时，则开启截止阀Vci1和Vc(i+1)2，关闭截止阀Vci2和Vc(i+1)1，并开启压缩机i+1。依次往下进行，当高压储气罐5中压力超过压缩机n-1的调节能力的时候，打开截止阀Vc(n-1)1，关闭截止阀Vc(n-1)2，开启第n级压缩机(此时空气流动方向请参阅图5)。此时。高压储气罐5中压力达到设定压力，所有空气压缩机均停机，并关闭所有截止阀，储能过程结束。
请参阅图6，所述压缩空气抽水储能系统的回水过程的工作原理如下：
回水过程的初始时刻，所有阀门均闭合。此时储罐6为高压储水罐6，打开放空阀8和放空阀9，打开截止阀42，开启水泵41，将水不断的从常压储水罐7中抽出，并送入高压储水罐6中，直至将常压储水罐7中水全部抽出，水泵41停机，关闭所有阀门，回水阶段结束。需要指明的是，这一阶段高压储水罐6中的水仍然是常压或者在很低的压力状态。
请参阅图7-图9，所述压缩空气抽水储能系统释能过程的工作原理如下：
释能过程的初始时刻，所有阀门均闭合。此时打开空气膨胀稳压单元20截止阀Ve1；各级膨胀机，以第i级为例，打开截止阀Vei1，关闭截止阀Vei2；打开水轮机组的截止阀32以及常压出水罐的放空阀9。开启各级膨胀机，并开启水轮机31。空气从高压储气罐5依次经过各级膨胀机进行膨胀减压，在第m级膨胀机出口达到设定压力，并进入高压储水罐6，将水压缩至高压，高压水经截止阀32进入水轮机31，推动水轮机31做功发电，水轮机31排出的水进入常压储水罐7存储(此时空气流动方向请参阅图7)。随着释能过程的进行，高压储气罐5中的气压逐渐减小，当其压力低于第1级膨胀机的最小进气压力时，打开截止阀Ve12，关闭截止阀Ve11，第1级膨胀机停机，高压储气罐5中空气直接进入第2级膨胀机，并依次经过其后各级膨胀机进行膨胀减压(此时空气流动方向请参阅图8)。对于第i级膨胀，当高压储气罐5中空气压力降低至膨胀机i入口最小进气压力时，开启截止阀Vei2，关闭截止阀Vei1，膨胀机i停机，高压储气罐5中空气直接进入第(i+1)级膨胀机，并依次经过其后各级膨胀机进行膨胀减压。依次进行下去，当高压储气罐5中空气压力低于第(m-1)级膨胀机入口压力时，打开截止阀Ve(m-1)2，关闭截止阀Ve(m-1)1，第(m-1)级膨胀机停机，高压储气罐5中空气直接进入第m级膨胀机入口(此时空气流动方向请参阅图8)。当高压储水罐6中的水全部被推出时，第m级膨胀机和水轮机31停机，关闭所有截止阀，释能过程结束。
本发明属于电力储存领域，公开了一种压缩空气抽水储能系统，涉及压缩空气储能技术与抽水储能技术，用于可以小型化的抽水储能系统。所述压缩空气抽水储能系统包括空气压缩单元、空气膨胀稳压单元、水轮机组、水泵机组、高压储气罐、中压储气罐、高压储水罐、以及常压储水罐。其中，中压储气罐、空气压缩单元与高压储气罐依次连接形成储能通道；高压储气罐、空气膨胀稳压单元、高压储水罐、水轮机组与常压储水罐依次连接形成释能通道；常压储水罐、水泵机组与高压储水罐依次连接形成回水通道。所述压缩空气抽水储能系统以空气储罐作为储气容器避免了传统压缩空气储能系统地下洞穴选址困难的问题；以高压力的水代替高位置的水，以水的压力水头代替水的重力水头，消除了传统抽水储能电站对地势差的依赖。本发明最大压力水头为40MPa，在相同发电容量的条件下，可实现将蓄水库容积缩小数十倍，有效实现抽水蓄能电站的小型化。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种压缩空气抽水储能系统，其特征在于，包括第一储气罐、空气压缩单元、第二储气罐、空气膨胀稳压单元、第一储水罐、水轮机组、第二储水罐以及水泵机组，其中，所述第一储气罐、所述空气压缩单元与所述第二储气罐依次连接形成储能通道；所述第二储气罐、所述空气膨胀稳压单元、所述第一储水罐、所述水轮机组与所述第二储水罐依次连接形成释能通道；所述第二储水罐、所述水泵机组与所述第一储水罐依次连接形成回水通道。
2.如权利要求1所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气压缩单元包括n(n≥1)级串联的压缩机，且所述空气压缩单元入口处安装有截止阀。
3.如权利要求2所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气压缩单元除最后一级的每一级的压缩机出口都安装有三通阀，所述三通阀的两个出口分别与一个截止阀相连通，所述两个截止阀中，其中一个截止阀出口与下一级压缩机入口连通，另外一个截止阀出口与第二储气罐连通，所述第二储气罐为高压储气罐。
4.如权利要求3所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气压缩单元中的n个压缩机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种的组合。
5.如权利要求1所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述第二储气罐为高压储气罐，其空气工作压力范围为1.0MPa～50.0MPa(A)。
6.如权利要求1所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气膨胀稳压单元由m(m≥1)级串联膨胀机组成，且所述空气膨胀稳压单元入口安装有截止阀。
7.如权利要求6所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气膨胀稳压单元除最后一级的每一级膨胀机的入口都安装有三通阀，所述三通阀的两个出口分别与一个截止阀相连通，所述两个截止阀中，其中一个截止阀出口与当前一级的膨胀机入口相连通，另一个截止阀出口与下一级膨胀机入口之前的三通阀相连通，若下一级膨胀机为最后一级，则当前一级的截止阀出口直接与最后一级膨胀机入口相连通。
8.如权利要求7所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述空气膨胀稳压单元20的m个膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合。
9.如权利要求1所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述第一储气罐为中压储气罐，其与第二储水罐的空气/水工作压力范围为0.2MPa～40.0MPa(A)，且其工作压力低于第二储气罐中空气工作压力。
10.如权利要求1所述的压缩空气抽水储能系统，其特征在于，所述第一储气罐与第一储水罐共用同一储罐。
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