CN108425784A - 一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法 - Google Patents

一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法 Download PDF

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许雄文
刘金平
张嘉
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Abstract

本发明公开了一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法；包括高压气水罐、常压储水池、发电机、抽水泵和水轮机；高压气水罐内设置有气水换热装置；高压气水罐的底部通过三通阀，分别连接抽水泵和水轮机；常压储水池的底部通过三通阀分别连通抽水泵的进水口和水轮机的出水口。电网用电低谷时，通过水泵，将常压储水池中的水通过水泵打至高压气水罐内。罐内气体与水充分混合，保证罐内气温恒定，使气体在近等温状态下压缩，减少压缩耗功。同时，气水罐内气体压力不断升高，通过变频保证水泵在高效区运行；用电高峰时，高压气水罐内的水放出驱动水轮机做功并发电上网。该储能系统具有简单可靠，能量转换效率高的特点。

Description

一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及空气储能领域，尤其涉及一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法。
背景技术
随着能源互联网及环保需求的发展，越来越多的可再生能源并入电网发电。包括太阳能发电，风能发电等，这些并把能源发电具有间歇性，波动性大的特点，其大规模利用必然造成电网的调峰难题，冲击电网负荷供需的稳定。因此，储能技术应运而生。通过储能系统，在用电低谷期或发电高峰期，将电能转化为其他能源型式储存，当用电高峰或发电低谷时，将储存的能量通过动力设备发电上网，从而保证电网中稳定的供需关系。
目前大规模的储能方式有两种，抽水蓄能和压缩气体储能。抽水蓄能能源转换效率高，可达75％，但需要形成一定高差的大容量上游和下游水库，对选址的要求很高。压缩气体储能对选址的要求较低，型式有两种，非绝热型和绝热型压缩。非绝热型压缩需采用天然气补燃，严重依赖天然气供应。目前发展的主要方向是绝热型压缩气体储能，但需要通过多级压缩，中间冷却的方式降低压缩气体的温度，减少压缩功耗并储存压缩时产生的热能。释能时，空气压力不断降低，需将储存的热量加热降压空气，增加膨胀机的输出功。目前，压缩气体储能技术可将储能效率提高到60％-70％。但其系统比较复杂，系统内压缩热的回收、存储和利用需要增加多个热交换器及储热/换热器，使得系统流程复杂、占地面积大，同时储热介质的输送需要消耗大量泵功。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法。本发明融合了传统抽水蓄能技术和绝热型空气储能的优点，同时突破了传统抽水蓄能电站选址难和压缩气体系统复杂的问题。该系统还具有流程简单，蓄能转换效率高的优势。
本发明通过下述技术方案实现：
一种抽水压缩空气储能系统，包括高压气水罐1、常压储水池3、发电机7、抽水泵4和水轮机5；所述高压气水罐1内设置有气水换热装置8；
所述高压气水罐1的底部通过三通阀，分别管路连接抽水泵4出水口和水轮机5进水口；
所述三通阀与抽水泵4出水口之间的管路上设置有储能控制阀2-1，所述三通阀与水轮机5进水口的管路上设置有释能控制阀2-2；
所述常压储水池3的底部通过三通阀分别连通抽水泵4的进水口和水轮机5的出水口。
所述水轮机5通过传动轴连接发电机7。
所述高压气水罐1内气体为空气或氮气。
所述抽水泵4通过电路切换开关6连接变压器；所述变压器连接电网。
所述储能控制阀2-1和释能控制阀2-2均为电磁阀。
本发明抽水压缩空气储能系统的运行方法，包括如下步骤：
储能步骤：电路切换开关6连通抽水泵供电回路，打开储能控制阀2-1，关闭释能控制阀2-2；
常压储水池3内的水经抽水泵4不断压入高压气水罐1内，高压气水罐1内的压力不断升高，在气水换热装置8的运行下，高压气水罐1内的水与气体充分混合，使其内温度保持不变；通过水位控制器监控高压气水罐1内水位高度，以控制其内的压力，当高压气水罐1内的水位超过设定高度时，水位控制器自动关闭储能控制阀2-1并通过切换开关6切断抽水泵4的供电回路；
释能步骤：电路切换开关6连通发电机发电回路，打开释能控制阀2-2，关闭储能控制阀2-1；
高压气水罐1中水在气水换热装置8的运行下与气体充分接触后流出，并驱动水轮机5做功发电，最后回流至常压储水池3；此时高压气水罐1内水位不断降低，当水位控制器监控到高压气水罐1内水位低于设定位置时，水位控制器关闭释能控制阀2-2。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
相比传统抽水蓄能，本发明提出的抽水压缩气体系统选址要求低，对环境的改变较小的优点。
相比绝热压缩气体储能系统，本发明抽水进高压气水罐压缩罐内气体，通过水与空气的充分接触，吸收气体压缩产生的热量，使罐内气体保持等温压缩，减少压缩功，释能时令水加热气体，同样可保持近等温膨胀，从而提高了能源转换效率，同时减少了传热和蓄热设备，使系统大大简化。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种抽水压缩空气储能系统，包括高压气水罐1、常压储水池3、发电机7、抽水泵4和水轮机5；所述高压气水罐1内设置有气水换热装置8；
所述高压气水罐1的底部通过三通阀，分别管路连接抽水泵4出水口和水轮机5进水口；
所述三通阀与抽水泵4出水口之间的管路上设置有储能控制阀2-1，所述三通阀与水轮机5进水口的管路上设置有释能控制阀2-2；
所述常压储水池3的底部通过三通阀分别连通抽水泵4的进水口和水轮机5的出水口。
所述水轮机5通过转动轴连接发电机7。
所述高压气水罐1内气体为空气或氮气。
所述抽水泵4通过电路切换开关6连接变压器；所述变压器连接电网。
所述储能控制阀2-1和释能控制阀2-2均为电磁阀。
储存时，抽水泵4抽水压缩高压气水罐1内气体的过程中，高压气水罐内1气体压力和温度不断升高，通过气水换热装置8，可以使水吸收气体压缩产生的热量，保持气体的温度基本不变，从而减少压缩耗功。同样地，在释能时，高压气水罐1内水流不断流出，驱动水轮机5发电，其内压力和温度不断降低，此时，通过气水换热装置8，利用水的大热容显热给气体加热，保持罐内气体温度基本稳定，从而增加水轮机5的水头，提高发电量。
为防止高压气水罐1内气体流出，在罐内设置液封装置和水位控制器，当罐内水位达到设定最低限值时，自动切断释能控制阀2-2。同时，为防止高压气水罐1内压力过高，当其内水位达到设定最高值时，自动切断储能控制阀2-1并停止抽水泵4的运转。
高压气水罐1内压力变化范围设置在5-10MPa。
本发明抽水压缩空气储能系统的运行方法，可通过如下步骤实现：
储能步骤：电路切换开关6连通水泵供电回路，打开储能控制阀2-1，关闭释能控制阀2-2；
储能开始时，高压气水罐内水位较低，气体压力较小，常压储水池3内的水经抽水泵4不断压入高压气水罐1内，高压气水罐1内的压力不断升高，在气水换热装置8的运行下，高压气水罐1内的水与气体充分混合，使其内温度基本保持不变；通过水位控制器(液位控制器，图中未示出)监控高压气水罐1内水位高度，以控制其内的压力，当高压气水罐1内的水位超过设定高度时，水位控制器自动关闭储能控制阀2-1并通过电路切换开关6切断抽水泵4的供电回路；
由于抽水泵4不断将水压入高压气水罐1内，高压气水罐1内压力不断升高，所需的抽水泵4扬程不断提高，可通过改变水泵转速或串联多级抽水泵形成泵组使抽水泵保持在高效区运行，优选地，采用水泵变频。
释能步骤：电路切换开关6连通发电机发电回路，打开释能控制阀2-2，关闭储能控制阀2-1；
高压气水罐1中水在气水换热装置8(如搅拌器或盘管等)的运行下与气体充分接触后流出，并驱动水轮机5做功发电，最后回流至常压储水池3；此时高压气水罐1内水位不断降低，当水位控制器监控到高压气水罐1内水位低于设定位置时，水位控制器关闭释能控制阀2-2。
本发明实施例所述的抽水压缩空气储能系统，负荷低谷时吸纳富余发电能力，驱动抽水泵4压缩气体，将能量以压缩气体的形式储存于高压气水罐1内；在电力系统负荷高峰时将罐内高压水释放出来，带动水轮机5发电，向电力系统释能。该储能系统通过采用高压气水罐1内气水换热装置，提高了储能效率；整个流程无需燃料补燃，不消耗化石燃料，不增加碳排放，可实现清洁的大容量储能发电。
本发明释能控制阀2-2、储能控制阀2-1以及抽水泵4的开启/关闭也可采用手动方式。
本发明上述实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抽水压缩空气储能系统，其特征在于：包括高压气水罐(1)、常压储水池(3)、发电机(7)、抽水泵(4)和水轮机(5)；所述高压气水罐(1)内设置有气水换热装置(8)；
所述高压气水罐(1)的底部通过三通阀，分别管路连接抽水泵(4)出水口和水轮机(5)进水口；
所述三通阀与抽水泵(4)出水口之间的管路上设置有储能控制阀(2-1)，所述三通阀与水轮机(5)进水口的管路上设置有释能控制阀(2-2)；
所述常压储水池(3)的底部通过三通阀分别连通抽水泵(4)的进水口和水轮机(5)的出水口。
2.根据权利要求1所述抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述水轮机(5)通过传动轴连接发电机(7)，并通过电路切换开关(6)连接变压器；所述变压器连接电网。
3.根据权利要求2所述抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述高压气水罐(1)内气体为空气或氮气。
4.根据权利要求3所述抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述抽水泵(4)通过电路切换开关(6)连接变压器；所述变压器连接电网。
5.根据权利要求4所述抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述储能控制阀(2-1)和释能控制阀(2-2)均为电磁阀。
6.权利要求5所述抽水压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
储能步骤：电路切换开关(6)切换至抽水泵供电回路，打开储能控制阀(2-1)，关闭释能控制阀(2-2)；
常压储水池(3)内的水经抽水泵(4)不断压入高压气水罐(1)内，高压气水罐(1)内的压力不断升高，在气水换热装置(8)的运行下，高压气水罐(1)内的水与气体充分混合，使其内温度保持不变；通过水位控制器监控高压气水罐(1)内水位高度，以控制其内的压力，当高压气水罐(1)内的水位超过设定高度时，水位控制器自动关闭储能控制阀(2-1)并通过电路切换开关(6)切断抽水泵(4)的供电回路；
释能步骤：电路切换开关(6)切换至发电机发电回路，打开释能控制阀(2-2)，关闭储能控制阀(2-1)；
高压气水罐(1)中水在气水换热装置(8)的运行下与气体充分接触后流出，并驱动水轮机(5)做功发电，最后回流至常压储水池(3)；此时高压气水罐(1)内水位不断降低，当水位控制器监控到高压气水罐(1)内水位低于设定位置时，水位控制器关闭释能控制阀(2-2)。
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