CN108644095B - 基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大容量电力储能技术领域，特别涉及一种基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略。在气体压缩储能和膨胀释能过程中，当满足初始条件时，液体活塞经气体管道连通，液体活塞在气体压缩或膨胀的同时进行气体等压迁移，当满足终止条件时，断开上述连通管道，将高耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，将低耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，开始下一步的等压迁移和气体压缩或膨胀，实现不间断地运行。本发明实现了分级压缩空气储能系统在压缩、膨胀过程中的不间断运行，使系统的功率提高了一倍，减少了迁移等待时间，提高了工作效率，同时降低了设备的制造成本。

Description

基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法

技术领域

本发明属于大容量电力储能技术领域，尤其涉及一种基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法。

背景技术

随着新能源的大规模接入电网，储能技术因其能够提供足够的调峰能力，被广泛地用于解决新能源的间歇性与波动性问题。其中，压缩空气储能技术应用较为广泛且具有很大的发展前景。

现已有将水轮机应用于压缩空气储能的技术，实现了利用水轮机与压缩空气储能技术联合发电与储能，这一过程采用液体活塞，以水为介质对空气进行压缩，解决了空气压缩时压强剧烈变化带来的调节问题、效率问题、容器的寿命等问题。但这些液体活塞耐压强度均按照压缩气体的最高气体压强设计，当液体活塞容量较大时将增加其建造成本，当处理的气体体积相对较小或只需要将气体压缩到较小的压强时将造成液体活塞容量和耐压性能的冗余，增加了运行成本。利用分级压缩空气储能系统可以解决这些问题，但由于设备的间断运行，致使其功率不稳定，运行等待时间长，工作效率低。

发明内容

为了减少分级压缩空气储能系统的运行等待时间，提高工作效率，提高功率稳定性，降低设备制造成本，本发明提出了一种基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，在气体压缩和膨胀过程中，当满足初始条件时，使低耐压等级液体活塞和高耐压等级液体活塞经气体管道连通，外部水力设备经液体管道向液体活塞注水压缩气体，或液体活塞中气体膨胀驱动外部水力设备对外做功，液体活塞在气体压缩或膨胀的同时进行气体等压迁移，当满足终止条件时，断开所述气体管道和液体管道，并将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，将低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，开始下一步的等压迁移和气体压缩或气体膨胀，在分级压缩储能和分级膨胀释能过程中，实现不间断的运行。

所述分级压缩储能过程为：设定压缩初始条件为高耐压等级液体活塞中注满水，低耐压等级液体活塞中为气体和水，当满足压缩初始条件时，打开阀门使低耐压等级液体活塞和高耐压等级液体活塞经气体管道连通，外部水力设备向液体活塞注水压缩气体，液体活塞在压缩气体的同时进行气体等压迁移，液体驱动装置驱动液体从高耐压等级液体活塞注入到低耐压等级液体活塞中，低等级液体活塞中的气体经气体管道等压迁移到高等级液体活塞，当气体压强达到低等级液体活塞的压缩迁移定值时，停止气体压缩，设定压缩终止条件为低耐压等级液体活塞中充满水，当在气体压缩停止后不满足压缩终止条件时，进行等压迁移，直到低等级液体活塞充满水；当在气体压缩停止前已经满足压缩终止条件时，则立即停止等压迁移和气体压缩，或者继续等压迁移和气体压缩直到气体压强达到压缩迁移定值，终止后将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，等待下一步的气体压缩和等压迁移，实现分级压缩储能。

所述分级膨胀释能过程为：设定膨胀初始条件为低耐压等级液体活塞中注满水，高耐压等级液体活塞中为气体和水，当满足膨胀初始条件时，高耐压等级液体活塞中的气体膨胀做功，当压强下降到膨胀迁移定值时，打开阀门使高等级液体活塞和低等级液体活塞经气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从低耐压等级液体活塞注入到高耐压等级液体活塞中，高等级液体活塞中的气体经气体管道等压迁移到低等级液体活塞，在进行气体等压迁移的同时，液体活塞中的气体膨胀驱动外部水力设备对外做功，设定膨胀终止条件为高耐压等级液体活塞中充满水且气体压强不大于低耐压等级液体活塞的膨胀迁移定值，当满足膨胀终止条件时，停止气体膨胀做功和等压迁移，将低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，开始下一步的气体膨胀和等压迁移，实现分级膨胀释能。

所述分级压缩空气储能系统是由不同耐压等级的液体活塞、液体驱动装置、外部水力设备、储气系统组成，其中，相邻两级液体活塞的上部通过气体管道相连，下部通过液体驱动装置相连，各级液体活塞通过液体管道连接到外部水力设备，最低耐压等级的液体活塞连接外部低压气体管道，最高耐压等级的液体活塞与储气系统相连。

所述压缩初始条件在分级压缩空气储能系统的最低耐压等级液体活塞中的实现方式为：一种是打开阀门通过上部气体管道向液体活塞中预置气体，液体活塞中的液体从下部液体管道流出；另一种是使用空压机压缩液体活塞中的气体，使液体活塞中的液体流出驱动外部水力设备对外做功。

所述压缩初始条件在分级压缩空气储能系统的最高耐压等级液体活塞中的实现方式为：当储气装置与高等级液体活塞保持恒压时，外部水力设备向高等级液体活塞注水，气体通过上部气体管道等压迁移到储气装置；当储气装置不是恒压时，设置从高等级液体活塞到储气装置的单向阀门，打开阀门，外部水力设备向高等级液体活塞注水压缩液体活塞中的气体，直到高等级液体活塞注满水。

所述压缩迁移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的压缩迁移定值，本耐压等级液体活塞的压缩迁移定值不超过本耐压等级液体活塞的耐压限值。

所述膨胀迁移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的膨胀迁移定值，本耐压等级液体活塞的膨胀迁移定值不超过与本耐压等级液体活塞相邻的低耐压等级液体活塞的耐压限值。

本发明的有益效果在于：本发明可以实现分级压缩空气储能系统在压缩、膨胀过程中的不间断运行，整个压缩、膨胀过程中每一等级液体活塞所承受的压力范围是其设定的膨胀迁移定值与压缩迁移定值之间，可以减小液体活塞的承压变化范围，降低液体活塞的制造要求，提高设备安全性，提高液体活塞的寿命，可以避免所有液体活塞均采用最高耐压限值，可以大幅度降低设备的制造成本。本发明提出的功率倍增运行策略可以减少分级压缩空气储能系统的运行等待时间，使系统的功率提高一倍，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的分级压缩储能过程的运行示意图；

图2为本发明的分级压缩储能过程的功率倍增运行策略流程图；

图3为本发明的分级压缩储能过程的功率倍增运行策略示意图；

图4为本发明的分级膨胀释能过程的运行示意图；

图5为本发明的分级膨胀释能过程的功率倍增运行策略流程图；

图6为本发明的分级膨胀释能过程的功率倍增运行策略示意图；

图7为本发明的压缩空气储能系统的基本结构图；

图8为利用等压迁移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的一种可行的实现方案示意图；

图中标号：A、B、C—液体活塞，L1、L2—液体驱动装置，M—外部水力设备，F1～F32—阀门，P1～P3—液体管道，G1—低压气体管道、G2～G4—气体管道，S—储气系统，M1～M5—双向电机。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1、图2、图3完整描述了分级压缩空气储能系统的分级压缩储能过程。图1为分级压缩储能过程的运行示意图。图2为分级压缩储能过程的功率倍增运行策略流程图。图3为分级压缩储能过程的功率倍增运行策略示意图。其中，图1中的H为图2中点画线框内的组成部分。C、B、A为等级依次增高的液体活塞。初始状态为所有阀门关闭，液体活塞B、C中充满液体。打开阀门F1、F2，通过气体管道G1向液体活塞C中预置气体，液体活塞C中的液体通过P1管道排出；也可以使用空压机通过气体管道G1压缩液体活塞C中的气体，使液体活塞C中的液体通过P1管道排出，驱动外部水力设备M对外做功。气体预置完成后，关闭阀门F1，此时满足压缩初始条件液体活塞B中充满水，打开阀门F3、F4、F5、F6，液体活塞B、C通过气体管道G2连通，二者气体压强相等。外部水力设备M通过液体管道P1向液体活塞C中注水压缩气体；也可以通过液体管道P1、P2向液体活塞B、C同时注水压缩气体。液体驱动装置L1驱动液体从液体活塞B转移到液体活塞C中，使气体通过气体管道G2等压迁移到液体活塞B中。当气体压强达到液体活塞C的压缩迁移定值时，关闭阀门F2、F7停止气体压缩，如果在停止气体压缩后不满足压缩终止条件，则继续进行等压迁移，直到液体活塞C中充满水再终止，关闭阀门F3、F4、F5、F6；如果在停止气体压缩前液体活塞C中已经充满水，则可以立即关闭阀门F3、F4、F5、F6终止等压迁移，也可以继续等压迁移直到气体压缩到压缩迁移定值再终止。终止后打开阀门F8、F9、F10、F11，将液体活塞B与液体活塞A连通，打开阀门F7、F13开始进一步的气体压缩和等压迁移，循环上述过程，直到将气体存储到储气系统S中，实现分级压缩储能。

所述将气体存储到储气系统S的实现方式可以是，当储气装置S与液体活塞A保持恒压时，外部水力设备M向液体活塞A注水，气体通过上部气体管道G4等压迁移到储气装置S；当储气装置S不是恒压时，设置从液体活塞A到储气装置S的单向阀门F12，打开阀门F12，外部水力设备M向液体活塞A注水压缩活塞中的气体，直到液体活塞A中注满水。

图4、图5、图6完整描述了分级压缩空气储能系统的分级膨胀释能过程。图4为分级膨胀释能过程的运行示意图。图5为分级膨胀释能过程的功率倍增运行策略流程图。图6为分级膨胀释能过程的功率倍增运行策略示意图。其中，图4中的I为图5中点画线框内的组成部分。A、B、C为等级依次降低的液体活塞。气体通过气体管道G4等压迁移到液体活塞A中后，关闭所有阀门。打开阀门F13，气体通过管道P3驱动外部水力设备M对外做功，待液体活塞A中的气体压强下降到膨胀迁移定值时，打开阀门F7、F8、F9、F10、F11，液体活塞A、B通过气体管道G3连通，二者气体压强相等，气体通过管道P2驱动外部水力设备M对外做功，也可以通过管道P2、P3驱动外部水力设备M一起对外做功，液体驱动装置L2驱动液体从液体活塞B转移到液体活塞A中，使气体通过气体管道G3等压迁移到液体活塞B中。当满足膨胀终止条件，即液体活塞A中充满水且液体活塞B中气体的压强不大于液体活塞B的膨胀迁移定值时，关闭阀门F8、F9、F10、F11、F13，停止等压迁移和气体膨胀做功。打开阀门F2、F3、F4、F5、F6，将液体活塞B与液体活塞C连通，开始进一步的气体膨胀和等压迁移，实现分级膨胀释能。

本发明的压缩空气储能系统基本结构如图7所示：A、B、C为三个耐压等级依次降低的液体活塞，通过气体管道G2、G3顺序连接，其中，液体活塞的体积与耐压等级成反比，最低耐压等级液体活塞C设置低压气体管道G1连接外界低压气体源，液体活塞A通过气体管道G4与储气系统S连接，液体活塞A与B、B与C之间分别通过液体驱动装置L2、L1连接，A、B、C分别通过液体管道P3、P2、P1连接到外部水力设备M。各个管道上均有阀门，用于控制系统运行。

液体活塞C为最低耐压等级液体活塞，仅设置压缩迁移定值，该值不大于液体活塞C的耐压限值；液体活塞B为中间耐压等级，设置有压缩迁移定值与膨胀迁移定值，其压缩迁移定值不大于液体活塞A的耐压限值，其膨胀迁移定值不大于液体活塞C的耐压限值；液体活塞A为最高耐压等级液体活塞，设置有压缩迁移定值与膨胀迁移定值，其压缩迁移定值不大于液体活塞A的耐压限值，其膨胀迁移定值不大于液体活塞B的耐压限值。为了使系统运行效率更高，通常本级液体活塞的压缩迁移定值取本级液体活塞的耐压限值，高耐压等级液体活塞的膨胀迁移定值取低耐压等级液体活塞的耐压限值，即液体活塞A、B、C的压缩迁移定值均取该耐压等级的耐压限值，液体活塞B的膨胀迁移定值取液体活塞C的耐压限值，液体活塞A的膨胀迁移定值取液体活塞B的耐压限值。压缩迁移定值和膨胀迁移定值与具体运行状态有关，本级的压缩迁移定值与相邻高耐压等级的膨胀迁移定值均小于本级耐压限值。

图8为利用等压迁移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的一种可行的实现方案示意图。M1～M5为双向电机，可以往复运动。相邻两个耐压等级液体活塞设置一个液体驱动装置，A与B之间、B与C之间的液体装置L2、L1均由电机驱动的液压活塞实现；每一个耐压等级液体活塞设置一个外部水力设备，由电机驱动的液压活塞实现，与水源连接。在M3～M5的作用下，实现气体的压缩与膨胀，在M1、M2的作用下驱动液体在相邻耐压等级液体活塞间转移。当气体在液体活塞C中压缩时，打开阀门通过气体管道G2连通液体活塞B和液体活塞C，在压缩气体的同时进行等压迁移；也可以先在液体活塞C中单独压缩一段时间，再连通液体活塞B、C一边压缩一边等压迁移。液体活塞B、C连通后的气体压缩可以单独采用液体活塞B的外部水力设备，也可以使液体活塞B、C一起压缩气体。

以液体活塞C为例，压缩活塞中气体的实现方式为：关闭阀门F1、F3、F4，假定双向电机M3带动活塞向左移动，则打开阀门F2、F22、F23，关闭阀门F21、F24，将液体压入液体活塞C中压缩气体，当活塞到达运行的最左端后，关闭阀门F22、F23，打开阀门F21、F24，M3带动活塞向右移动，继续将液体压入液体活塞C中压缩气体，当活塞到达运行最右端后，关闭阀门F21、F24，打开阀门F22、F23，重复上述过程，当液体活塞C中的气体压强达到压缩迁移定值时，停止气体压缩。膨胀过程与之相反。

以液体活塞B、C为例，气体从液体活塞C等压迁移到液体活塞B中的实现方式为：假定初始状态所有阀门关闭，液体活塞B、C间液体驱动装置的活塞位于运行最右侧，打开阀门F3、F4、F5、F8、F13、F16，双向电机M1带动液体活塞向左侧移动，液体活塞B中的液体被抽入到液体驱动装置右侧，其左侧的液体则被送入液体活塞C中，当液体驱动装置活塞到达运行最左侧时，关闭阀门F13、F16，打开阀门F14、F15，双向电机M1带动活塞向右侧运行，液体活塞B中的液体被抽入到液体驱动装置左侧，其右侧的液体则被送入液体活塞C中，当液体驱动装置活塞到达运行最右侧时，关闭阀门F14、F15，打开阀门F13、F16，重复上述过程，直到液体活塞C中的气体完全等压迁移到液体活塞B中，关闭所有阀门。

当气体压强达到液体活塞C的压缩迁移定值时，关闭阀门F2、F6停止气体压缩，如果在停止气体压缩后不满足压缩终止条件，则继续进行等压迁移，直到液体活塞C中充满水，关闭阀门F3、F4、F5、F8；如果在停止气体压缩前液体活塞C中已经充满水，则可以立即关闭阀门F3、F4、F5、F8终止等压迁移，也可以继续等压迁移直到气体压缩到压缩迁移定值为止。终止后打开阀门F7、F8、F9、F12，将液体活塞B与液体活塞A连通，打开阀门F6、F10开始进一步的气体压缩和等压迁移，循环上述过程，直到将气体存储到储气系统S中，实现分级压缩储能。

分级膨胀释能过程与压缩过程相反，气体通过气体管道G4等压迁移到液体活塞A中后，关闭所有阀门。打开阀门F10、F30、F31，气体膨胀做功，待液体活塞A中的气体压强下降到膨胀迁移定值时，打开阀门F7、F8、F9、F12、F18、F19、F6、F26、F27，在将气体从液体活塞A中等压迁移到液体活塞B的同时，活塞中的气体膨胀做功，液体活塞A、B通过气体管道G3连通，二者气体压强相等，液体驱动装置L2驱动液体从液体活塞B转移到液体活塞A中，使气体通过气体管道G3等压迁移到液体活塞B中。当满足膨胀终止条件，即液体活塞A中充满水且液体活塞B中气体的压强不大于液体活塞B的膨胀迁移定值时，关闭阀门F7、F8、F9、F12、F18、F19、F10、F30、F31，停止等压迁移和气体膨胀做功。打开阀门F3、F4、F5、F8、F14、F15、F2、F22、F23，将液体活塞B与液体活塞C连通，开始进一步的气体膨胀和等压迁移，实现分级膨胀释能。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，在气体压缩和膨胀过程中，当满足初始条件时，使低耐压等级液体活塞和高耐压等级液体活塞经气体管道连通，外部水力设备经液体管道向液体活塞注水压缩气体，或液体活塞中气体膨胀驱动外部水力设备对外做功，液体活塞在气体压缩或膨胀的同时进行气体等压迁移，当满足终止条件时，断开所述气体管道和液体管道，并将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，将低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，开始下一步的等压迁移和气体压缩或气体膨胀，在分级压缩储能和分级膨胀释能过程中，实现不间断运行。

2.根据权利要求1所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述分级压缩储能过程为：设定压缩初始条件为高耐压等级液体活塞中注满水，低耐压等级液体活塞中为气体和水，当满足压缩初始条件时，打开阀门使低耐压等级液体活塞和高耐压等级液体活塞经气体管道连通，外部水力设备向液体活塞注水压缩气体，液体活塞在压缩气体的同时进行气体等压迁移，液体驱动装置驱动液体从高耐压等级液体活塞注入到低耐压等级液体活塞中，低等级液体活塞中的气体经气体管道等压迁移到高等级液体活塞，当气体压强达到低等级液体活塞的压缩迁移定值时，停止气体压缩，设定压缩终止条件为低耐压等级液体活塞中充满水，当在气体压缩停止后不满足压缩终止条件时，继续进行等压迁移，直到低等级液体活塞充满水；当在气体压缩停止前已经满足压缩终止条件，则立即停止等压迁移和气体压缩，或者继续等压迁移和气体压缩直到气体压强达到压缩迁移定值，终止后将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，等待下一步的气体压缩和等压迁移，实现分级压缩储能。

3.根据权利要求1所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述分级膨胀释能过程为：设定膨胀初始条件为低耐压等级液体活塞中注满水，高耐压等级液体活塞中为气体和水，当满足膨胀初始条件时，高耐压等级液体活塞中的气体膨胀做功，当压强下降到膨胀迁移定值时，打开阀门使高等级液体活塞和低等级液体活塞经气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从低耐压等级液体活塞注入到高耐压等级液体活塞中，高等级液体活塞中的气体经气体管道等压迁移到低等级液体活塞，在进行气体等压迁移的同时，液体活塞中的气体膨胀驱动外部水力设备对外做功，设定膨胀终止条件为高耐压等级液体活塞中充满水且气体压强不大于低耐压等级液体活塞的膨胀迁移定值，当满足膨胀终止条件时，停止气体膨胀做功和等压迁移，将低耐压等级液体活塞作为高耐压等级液体活塞与下一级低耐压等级液体活塞连通，将高耐压等级液体活塞作为低耐压等级液体活塞与上一级高耐压等级液体活塞连通，开始下一步的气体膨胀和等压迁移，实现分级膨胀释能。

4.根据权利要求1所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述分级压缩空气储能系统是由不同耐压等级的液体活塞、液体驱动装置、外部水力设备、储气系统组成，其中，相邻两级液体活塞的上部通过气体管道相连，下部通过液体驱动装置相连，各级液体活塞通过液体管道连接到外部水力设备，最低耐压等级的液体活塞连接外部低压气体管道，最高耐压等级的液体活塞与储气系统相连。

5.根据权利要求2所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述压缩初始条件在分级压缩空气储能系统的最低耐压等级液体活塞中的实现方式为：一种是打开阀门通过上部气体管道向液体活塞中预置气体，液体活塞中的液体从下部液体管道流出；另一种是使用空压机压缩液体活塞中的气体，使液体活塞中的液体流出驱动外部水力设备对外做功。

6.根据权利要求2所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述压缩初始条件在分级压缩空气储能系统的最高耐压等级液体活塞中的实现方式为：当储气装置与高等级液体活塞保持恒压时，外部水力设备向高等级液体活塞注水，气体通过上部气体管道等压迁移到储气装置；当储气装置不是恒压时，设置从高等级液体活塞到储气装置的单向阀门，打开阀门，外部水力设备向高等级液体活塞注水压缩液体活塞中的气体，直到高等级液体活塞注满水。

7.根据权利要求2所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述压缩迁移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的压缩迁移定值，本耐压等级液体活塞的压缩迁移定值不超过本耐压等级液体活塞的耐压限值。

8.根据权利要求3所述基于分级压缩空气储能系统的功率倍增运行策略方法，其特征在于，所述膨胀迁移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的膨胀迁移定值，本耐压等级液体活塞的膨胀迁移定值不超过与本耐压等级液体活塞相邻的低耐压等级液体活塞的耐压限值。

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