CN108318271B - 一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，包括余压能模拟模块以及通过能量置换模块与之相连的供气模块，所述的能量置换模块中设有双向压力缸，余压能模拟模块的排水管路以及供气模块的排气管路分别连接在双向压力缸的两端，双向压力缸的气体出口连接储释能模块，储释能模块包括高压空气储罐，高压空气储罐通过空气透平连接发电机，发电机连接负载箱。本发明通过能量置换模块将余压能模拟模块与供气模块结合在一起，实现了等压正位移能量回收技术与压缩空气储能技术的融合，兼具有二者的技术优势，具有能量回收效率高及存储方便、功能灵活和适用范围广等特点，对节能减排意义重大。

Description

一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置

技术领域

本发明涉及能量回收技术，具体涉及一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置。

背景技术

余压能量回收装置能够用来回收高压液体的能量，达到节能减排的目的。余压能量回收装置按照其工作原理主要分为离心式和正位移式，以HPB为代表的离心式水力增压器需要经过“压力能→机械能→压力能”的转换，其工作性能对工况的要求较为苛刻且回收效率相对较低；而以活塞式功率交换器为代表的正位移式能量回收装置只需经过“压力能→压力能”的转化，理论上无能量转换损失，实际能量传递效率也可高达90％以上，是工程实际中的主流技术。目前用于商业化运行的储能技术有抽水蓄能和压缩空气储能两种，抽水蓄能技术存在选址困难，初期投资巨大，建设周期过长等问题，压缩空气储能技术通过压缩空气存储能量，削峰填谷，是目前规模化储能技术的研发热点。然而，国内外当前针对余压能量回收和压缩空气储能技术装备的研发都相对独立，导致出现余压能量回收装置的应用场合受限且回收的能量不易存储，而压缩空气存储能量时又要额外消耗电能的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，能够实现技术优势的结合，能量回收效率高，适用范围广。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括余压能模拟模块以及通过能量置换模块与之相连的供气模块，所述的能量置换模块中设有双向压力缸，余压能模拟模块的排水管路以及供气模块的排气管路分别连接在双向压力缸的两端，双向压力缸的气体出口连接储释能模块，储释能模块包括高压空气储罐，高压空气储罐通过空气透平连接发电机，发电机连接负载箱。

余压能模拟模块包括低压水罐以及通过高压泵与之相连的高压水罐，高压水罐的出水通过排水管路通入双向压力缸的一端，双向压力缸中交换能量后的出水通入低压水罐。

所述的低压水罐与高压水罐内部设置有稳流栅，低压水罐与高压水罐之间的管路上以及高压水罐的排水管路上均设有调节阀和液体流量计，高压水罐的排水管路上还设置有用于吸收双向压力缸瞬时启闭引起的压力波动以及补偿压力泄露的蓄能器。

能量置换模块中互补设置有两个双向压力缸，两个双向压力缸的活塞运动方向相反，所述余压能模拟模块的排水管路以及供气模块的排气管路分别连接在两个双向压力缸的两端。

连接双向压力缸的排水管路上设有压力变送器，连接双向压力缸的排气管路上设有压力变送器及温度变送器。两个双向压力缸内部的活塞均采用能够增加密封性能的双层活塞。

供气模块包括带有空气滤清器的空压机，空压机连接气体缓冲罐，气体缓冲罐上设置有安全阀及排污阀，气体缓冲罐的出气管路上设有气体流量计。

储释能模块的高压空气储罐上安装有压力及温度变送器，所述的空气透平经超越离合器及扭矩转速仪连接发电机，高压空气储罐的出气管路上安装气体流量计。

高压空气储罐的进气管路以及出气管路之间设有换热器，双向压力缸排出的高压气体首先对高压空气储罐送往空气透平的气体预热之后再储存至高压空气储罐。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过能量置换模块将余压能模拟模块与供气模块结合在一起，实现了等压正位移能量回收技术与压缩空气储能技术的融合，兼具有二者的技术优势，具有能量回收效率高及存储方便、功能灵活和适用范围广等特点，对节能减排意义重大。储释能模块中将高压空气储罐出气通过空气透平做功并传递给发电机，发电机连接负载箱，能够对产生的电能进行测量，通过能量转换得出能量回收效果。

进一步的，本发明能量置换模块中互补设置有两个双向压力缸，两个双向压力缸的活塞运动方向相反，当其中一个双向压力缸的能量由高压液体传递至气体时，另一个双向压力缸的能量会由高压气体传递至低压液体，以此实现气液能量置换的连续性。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2本发明余压能模拟模块的结构示意图；

图3本发明能量置换模块的结构示意图；

图4本发明供气模块的结构示意图；

图5本发明储释能模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明在结构上包括余压能模拟模块1、供气模块2、能量置换模块3和储释能模块4，余压能模拟模块1与储释能模块4分别连接至能量置换模块3的两端。

参见图2，本发明的余压能模拟模块2中设置有高压水罐5、安全阀6、稳流栅7、排水阀8、低压水罐9、第一闸阀10、第二闸阀11、Y型过滤器12、第三闸阀13、高压泵14、第一止回阀15、第一流量计16、第一调节阀17、第四闸阀18、第一球阀19、第二流量计20、第二球阀21、蓄能器22、第二调节阀23以及第三调节阀24。

低压水罐9、高压泵14、高压水罐5和蓄能器22通过实验管路依次连接；低压水罐9出口和高压泵14入口的连接管路设有第二闸阀11、Y型过滤器12和第三闸阀13，高压泵14出口的回流管路设有第一闸阀10，高压泵14出口管路设有止回阀Ⅰ15、第一流量计16、第一调节阀17和第四闸阀18；高压水罐5的排出管路设有第一球阀19、第二流量计20、第二球阀21、蓄能器22、第二调节阀23，高压水罐5的入口管路设有第三调节阀24。

高压水罐5和低压水罐9内均设有稳流栅7和排水阀8，高压水罐5设有安全阀6，高压水罐5罐壁上设有耐压玻璃管液位计，低压水罐9罐壁设有玻璃管液位计。

在高压水罐中5、低压水罐9先注入一定体积的清水，并在高压水罐中充入适量的压缩空气，使高压水罐5中的压力保持恒定；高压泵14选用变频电机驱动的多级离心泵，用以模拟实际生产过程中富含压力能的高压液体，变频电机通过调节转速，使高压泵14出口参数相应变化，高压泵14出口回流管路的第一闸阀10用来对其排量的粗调，蓄能器22用以吸收在能量置换过程中由于单向阀组38～45的瞬时启闭而造成的压力波动并补偿压力泄漏。余压能模拟模块2中，高压水罐中5设有压力变送器，第一液体流量计16和第二液体流量计20。

参见图3，供气模块包括空气滤清器25、空压机26、第二止回阀27、第三球阀28、气体缓冲罐29、安全阀30、排污阀31、第四球阀32、第四调节阀33、第一截止阀34、第一金属管浮子流量计35、第二截止阀36和第三截止阀37。空压机26的出口和气体缓冲罐29的入口通过实验管路连接，连接管路依次设有第二止回阀27和第三球阀28，气体缓冲罐29的排出管路设有第四球阀32、第四调节阀33和第一金属管浮子流量计35，第一金属管浮子流量计35的两端分别设有第一截止阀34和第二截止阀36，第一金属管浮子流量计35两端并联有旁通管路，在旁通管路设有第三截止阀37。空压机26进口设置有空气滤清器25，气体缓冲罐29设有安全阀30和排污阀31。空压机26选用变频电机驱动，通过变频电机调节转速，使空压机出口参数相应变化；空压机26进口设有空气滤清器25，用于滤清进入空压机中的杂质，气体缓冲罐29用以保证连续恒压供气，第一金属管浮子流量计应垂直安装，旁通阀37及旁通管路是为了便于维护和清洗。供气模块中的气体缓冲罐29设有压力变送器和温度变送器，第一金属管浮子流量计35用来测量低压空气的排量。

参见图4，本发明的能量置换模块包括单向阀A 38、单向阀B 39、单向阀C 40、单向阀D 41、单向阀a 42、单向阀b 43、单向阀c 44、单向阀d 45以及第一压力缸46、第二压力缸47，活塞48、位置传感器49以及第三流量计50。第一压力缸46的左端和单向阀A 38、单向阀B39连接，第一压力缸46的右端和单向阀a 42、单向阀b 43连接，第二压力缸47的左端和单向阀C 40、单向阀D 41连接，第二压力缸47的右端和单向阀c44、单向阀d45连接，第一压力缸46和第二压力缸47内设双层活塞，并设有位置传感器49。活塞48和泄压液体向左运动，为泄压吸气过程，两个压缸中的增压和泄压过程交替进行，使得装置能够连续稳定的运行。在能量置换模块中，两个压力缸左端的进排水管路上均设有压力变送器，两个压力缸右端的进排气管路上均设有压力和温度变送器。

参见图5，储释能换模块包括第五球阀51、换热器52、第六球阀53、第七球阀54、减压阀55、高压空气储罐56、安全阀57、排污阀58、第四截止阀59、第二金属管浮子流量计60、第五截止阀61、第六截止阀62、第五调节阀63、空气透平64、超越离合器65，扭矩转速仪66、发电机67以及负载箱68。换热器52、高压空气储罐56、第二金属管浮子流量计60、空气透平64通过实验管路依次连接，换热器52的一个出口和高压空气储罐56的进口通过实验管路连接，并在实验管路设有第五球阀53，换热器52的一个进口与高压空气储罐56的出口通过实验管路连接，并在实验管路设有第七球阀54和减压阀55，换热器52的另一个出口和第二金属管浮子流量计60通过实验管路连接，第二金属管浮子流量计60两端分别设有第四截止阀59和第五截止阀61，第二金属管浮子流量计60两端并联有旁通管路，在旁通管路设有第六截止阀62，第二金属管浮子流量计60通过实验管路与空气透平64连接，并在实验管路设有第五调节阀63，空气透平64和发电机67通过超越离合器65连接，并设有扭矩转速仪66。第二金属管浮子流量计60应垂直安装，流量计中心线与铅垂线的夹角不超过5°，其上游须保证五倍公称通径的入口直管段，下游保证250mm出口直管段，经压力缸排出的高温高压的空气和从高压空气储罐56排出的经减压阀55节流降温的空气在换热器52充分换热，直流发电机67用以平衡空气透平64输出的轴功，直流发电机67配用专门的电流电压调节器作为励磁，发出的电使用连续调节的电阻式负载平衡，实现发电机67负载的多工况调节。

高压空气储罐56设有压力和温度变送器，减压阀55上下游均设有压力变送器，换热器52的进出口设有温度变送器，第二金属管浮子流量计60用于测量空气透平63的进气量，空气透平64的出口设有压力变送器和温度变送器。上述测量信号均为标准4～20mA信号，传入数据采集箱供计算机采集，信号采集箱布置了电压电流转换电路与1个24V直流电源，能为压力及流量变送器供电，并将变送器的4～20mA电流信号转换为1-5V的电压信号供计算机采集，并通过组态软件对实验装置运行状态进行实时监控。

本发明的启动运行：关闭第一调节阀17、第二调节阀23、第三调节阀24、第四调节阀33、第五调节阀63和第一闸阀10，其它阀门保持开启状态，向高压水罐5和低压水罐9注入一定体积的清水，向第一压力缸46和第二压力缸47左端工作腔灌注清水，并向高压水罐5中充入适量的压缩空气，启动空压机26，向气体缓冲罐29注入压缩空气，启动高压泵14，待其出口压力稳定后，缓慢打开第一调节阀17，向高压水罐5注水待其到达设定压力，缓慢打开第四调节阀33，向第一压力缸46和第二压力缸47右端工作腔注入空气，缓慢打开第二调节阀23，将双活塞48调节到如图4所示的初始位置，开启第三调节阀24，增大第二调节阀23和第四调节阀33的开度，第一压力缸46中的空气增压后进入高压空气储罐56，第二压力缸47中的低压清水被压缩空气置换进入低压水罐9，在能量置换的前半周期结束时，第一压力缸46和第二压力缸47中的双活塞48交换位置，进入能量置换的后半周期，第二压力缸47中的空气增压后进出高压空气储罐56，第一压力缸46中的低压清水被压缩空气置换进入低压水罐9，能量置换的后半周期结束时，第一压力缸46和第二压力缸47中的双活塞48回到初始位置，待高压空气储罐56的压力达到设定值时，缓慢打开第五调节阀63，当空气透平63的转子被冲动后，继续缓慢开大第五调节阀63，直到空气透平63的转速趋于稳定。

本发明的置停运：停运高压泵14，关闭第二球阀21，关闭第三球阀28，关闭第四球阀32，停运空压机26，关闭第六球阀53，关闭第七球阀54。

Claims (6)

1.一种余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：包括余压能模拟模块（1）以及通过能量置换模块（3）与之相连的供气模块（2），能量置换模块（3）中设有双向压力缸，余压能模拟模块（1）的排水管路以及供气模块（2）的排气管路分别连接在双向压力缸的两端，双向压力缸的气体出口连接储释能模块（4），储释能模块（4）包括高压空气储罐（56），高压空气储罐（56）通过空气透平（64）连接发电机（67），发电机（67）连接负载箱（68）；余压能模拟模块（1）包括低压水罐（9）以及通过高压泵（14）与之相连的高压水罐（5），高压水罐（5）的出水通过排水管路通入双向压力缸的一端，交换能量后的出水通入低压水罐（9）；能量置换模块（3）中互补设置有两个双向压力缸，两个双向压力缸的活塞（48）运动方向相反，余压能模拟模块（1）的排水管路以及供气模块（2）的排气管路连接在两个双向压力缸的两端；供气模块（2）包括带有空气滤清器（25）的空压机（26），空压机（26）连接气体缓冲罐（29），向气体缓冲罐（29）注入压缩空气，气体缓冲罐（29）上设有安全阀（30）及排污阀（31），出气管路上设有气体流量计。

2.根据权利要求1所述余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：低压水罐（9）与高压水罐（5）内部设置有稳流栅（7），低压水罐（9）与高压水罐（5）之间的管路上以及高压水罐（5）的排水管路上均设有调节阀和液体流量计，高压水罐（5）的排水管路上还设置有用于吸收双向压力缸瞬时启闭引起的压力波动以及补偿压力泄露的蓄能器（22）。

3.根据权利要求1所述余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：连接双向压力缸的排水管路上设有压力变送器，排气管路上设有压力变送器及温度变送器。

4.根据权利要求1所述余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：所述两个双向压力缸内部的活塞（48）均采用能够增加密封性能的双层活塞。

5.根据权利要求1所述余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：储释能模块（4）的高压空气储罐（56）上安装压力及温度变送器，空气透平（64）经超越离合器（65）及扭矩转速仪（66）连接发电机（67），高压空气储罐（56）的出气管路上安装气体流量计。

6.根据权利要求1所述余压能量回收及压缩空气储能的实验装置，其特征在于：高压空气储罐（56）的进气管路以及出气管路之间设有换热器（52），双向压力缸排出的高压气体首先对高压空气储罐（56）送往空气透平（64）的气体预热之后再储存至高压空气储罐（56）。