CN109899217A - 水气复合蓄能发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水气复合蓄能发电系统及方法，属于电网调峰领域，系统包括：压力水箱(1)、水池(2)、水轮机(3)、高压氮气储存罐(4)、一级压缩机(5)、二级压缩机(6)，一级膨胀机(7)、二级膨胀机(8)、低温蓄热器(9)、高温蓄热器(10)、常压氮气储存罐(12)、多个连通管道(13)以及多个阀门(14)，利用不易溶于水的氮气替代空气，避免了对水轮发电机的叶片造成汽蚀损害，提高了蓄能发电系统的耐用性；且在蓄能时对压缩氮气的能量进行梯级利用，一部分低压氮气储存在压力水箱(1)中，另一部分高压氮气储存在高压氮气储存罐(4)中，使不同压强的氮气都能得到充分利用，提高了蓄能发电系统的蓄能效率。
Description
技术领域
本发明属于电网调峰技术领域，具体涉及一种水气复合蓄能发电系统及方法。
背景技术
随着可再生能源的飞速发展，以及我国各地区电能资源与用电负荷矛盾的日益深化，经常需要对电网进行调峰，在用电低谷期进行蓄能，以便在用电高峰期进行放电，因此蓄能系统越来越受到工程应用上的重视。现阶段而言，我国真正大规模应用的蓄能系统目前只有抽水蓄能这一种形式，然而，抽水蓄能对自然地理条件以及水资源的要求非常苛刻。
考虑到压缩气体蓄能对自然地理条件依赖性不大，且与电源地理位置匹配更容易，在相关现有技术中，将压缩气体蓄能和抽水蓄能结合的水气复合蓄能发电系统应运而生。
在实现本发明过程中，发明人发现相关技术至少存在以下问题：
现有的水气复合蓄能发电系统中，气体在蓄能时只被压缩至单一压强值，无法对气体能量进行梯级利用，蓄能效率较低；且现有的水气复合蓄能发电系统中一般采用的气体都是空气，而空气很容易溶解在水中，溶解了大量空气的水在流过水轮发电机时会对水轮发电机的叶片造成汽蚀损害，降低整个蓄能发电系统的效率和耐用性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种水气复合蓄能发电系统及方法，能够提高整个蓄能发电系统的蓄能效率和耐用性。
具体而言，包括以下的技术方案：
一方面，本发明提供了一种水气复合蓄能发电系统，包括：压力水箱、水池、水轮机、高压氮气储存罐、一级压缩机、二级压缩机，一级膨胀机、二级膨胀机、低温蓄热器、高温蓄热器、常压氮气储存罐、多个连通管道以及多个阀门，其中：
水轮机的第一端口利用第二连通管道和水池相连通，且在第二连通管道上设置有第二阀门。
水轮机的第二端口利用第一连通管道和压力水箱的双向口相连通，且在第一连通管道上设置有第一阀门。
压力水箱的第一出口利用第四连通管道和二级膨胀机的第一入口相连通，且在第四连通管道上设置有第四阀门。
压力水箱的第二出口利用第十六连通管道和二级压缩机的入口相连通，且在第十六连通管道上设置有第十六阀门。
压力水箱的入口利用第十五连通管道和高压氮气储存罐的第一出口相连通，且在第十五连通管道上设置有第十五阀门。
高压氮气储存罐的第二出口利用第十三连通管道和高温蓄热器的冷却入口相连通，且在第十三连通管道上设置有第十三阀门。
高温蓄热器的冷却出口利用第十二连通管道和一级膨胀机的入口相连通，且在第十二连通管道上设置有第十二阀门。
一级膨胀机的出口利用第十一连通管道和低温蓄热器的冷却入口相连通，且在第十一连通管道上设置有第十一阀门。
低温蓄热器的冷却出口利用第十连通管道和二级膨胀机的第二入口相连通，且在第十连通管道上设置有第十阀门。
二级膨胀机的出口利用第九连通管道和常压氮气储存罐的入口相连通，且在第九连通管道上设置有第九阀门。
常压氮气储存罐的出口利用第五连通管道和一级压缩机的入口相连通，且在第五连通管道上设置有第五阀门。
一级压缩机的第一出口利用第三连通管道和压力水箱的入口相连通，且在第三连通管道上设置有第三阀门。
一级压缩机的第二出口利用第六连通管道和低温蓄热器的蓄热入口相连通，且在第六连通管道上设置有第六阀门。
低温蓄热器的蓄热出口利用第七连通管道和二级压缩机的入口相连通，且在第七连通管道上设置有第七阀门。
二级压缩机的出口利用第八连通管道和高温蓄热器的蓄热入口相连通，且在第八连通管道上设置有第八阀门。
高温蓄热器的蓄热出口利用第十四连通管道和高压氮气储存罐的入口相连通，且在第十四连通管道上设置有第十四阀门。
可选择地，系统被配置为：
在蓄能阶段，打开第三阀门和第五阀门，启动一级压缩机，在压力水箱中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强时，关闭第三阀门。
打开第六阀门、第七阀门、第八阀门以及第十四阀门，启动二级压缩机，在高压氮气储存罐中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强时，关闭第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门以及第十四阀门。
打开第一阀门和第二阀门，关闭一级压缩机和二级压缩机，启动水轮机，将水轮机切换成水泵模式，在压力水箱中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强时，关闭第一阀门和第二阀门，完成蓄能。
可选择地，系统还被配置为：
在发电阶段，当所有阀门都处于关闭状态时，将水轮机切换成发电模式，打开第一阀门、第二阀门以及第十五阀门，当压力水箱内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值时，关闭第一阀门、第二阀门以及第十五阀门，将水轮机切换成水泵模式。
打开第四阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门以及第十三阀门。
可选择地，系统还包括控制器，
控制器的测量端和水箱压强传感器电性连接，控制器的第一控制端用于控制第十五阀门的开度，控制器的第二控制端用于控制第十六阀门的开度，控制器具体用于在水轮机处于发电模式时，根据测量端接收到的压强值，控制第十五阀门以及第十六阀门的开度，将测量端接收到的压强值维持在第二压强。
可选择地，
低温蓄热器被配置为在蓄能阶段中，将通过一级压缩机压缩后的氮气的热量进行储存。
高温蓄热器被配置为在蓄能阶段中，将通过二级压缩机压缩后的氮气的热量进行储存。
高温蓄热器还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入一级膨胀机之前的膨胀氮气进行加热。
低温蓄热器还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入二级膨胀机之前的膨胀氮气进行加热。
另一方面，本发明还提供了一种水气复合蓄能发电方法，方法包括：
在蓄能阶段，启动一级压缩机，利用一级压缩机将常压氮气储存罐中的氮气压入压力水箱中，使压力水箱中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强。
启动二级压缩机，利用一级压缩机和二级压缩机将常压氮气储存罐中的氮气逐级压入高压氮气储存罐中，使高压氮气储存罐中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强。
关闭一级压缩机和二级压缩机，启动水轮机，将水轮机切换成水泵模式，利用水轮机将水池中的水泵入压力水箱中，使压力水箱中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强，完成蓄能。
可选择地，方法还包括：
在发电阶段，将水轮机切换成发电模式，将高压氮气储存罐中的氮气通入压力水箱中，将压力水箱中的水经由水轮机压入水池中，使水轮机发电，直至压力水箱内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值。
将压力水箱中的氮气经由二级膨胀机通入常压氮气储存罐中进行储存，使二级膨胀机发电，同时将高压氮气储存罐中的氮气经由一级膨胀机和二级膨胀机通入常压氮气储存罐中进行储存，使一级膨胀机以及二级膨胀机发电。
可选择地，方法还包括：
在发电阶段中，当水轮机发电时，控制器根据接收到的压力水箱内部设置的水箱压强传感器采集到的压强值，控制压力水箱中氮气的通入流量和排出流量，将压力水箱中的水箱压强传感器采集到的压强值维持在第二压强。
可选择地，方法还包括：
在蓄能阶段中，低温蓄热器将通过一级压缩机压缩后的氮气的热量进行储存，高温蓄热器将通过二级压缩机压缩后的氮气的热量进行储存。
在发电阶段中，高温蓄热器利用储存的热量将通入一级膨胀机之前的膨胀氮气进行加热，低温蓄热器利用储存的热量将通入二级膨胀机之前的膨胀氮气进行加热。
可选择地，第一压强、第二压强和第三压强所对应的压强值依次递增。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供了一种水气复合蓄能发电系统及方法，该系统包括：压力水箱、水池、水轮机、高压氮气储存罐、一级压缩机、二级压缩机，一级膨胀机、二级膨胀机、低温蓄热器、高温蓄热器、常压氮气储存罐、多个连通管道以及多个阀门，其中：水轮机的第一端口利用第二连通管道和水池相连通，且在第二连通管道上设置有第二阀门；水轮机的第二端口利用第一连通管道和压力水箱的双向口相连通，且在第一连通管道上设置有第一阀门；压力水箱的第一出口利用第四连通管道和二级膨胀机的第一入口相连通，且在第四连通管道上设置有第四阀门；压力水箱的第二出口利用第十六连通管道和二级压缩机的入口相连通，且在第十六连通管道上设置有第十六阀门；压力水箱的入口利用第十五连通管道和高压氮气储存罐的第一出口相连通，且在第十五连通管道上设置有第十五阀门；高压氮气储存罐的第二出口利用第十三连通管道和高温蓄热器的冷却入口相连通，且在第十三连通管道上设置有第十三阀门；高温蓄热器的冷却出口利用第十二连通管道和一级膨胀机的入口相连通，且在第十二连通管道上设置有第十二阀门；一级膨胀机的出口利用第十一连通管道和低温蓄热器的冷却入口相连通，且在第十一连通管道上设置有第十一阀门；低温蓄热器的冷却出口利用第十连通管道和二级膨胀机的第二入口相连通，且在第十连通管道上设置有第十阀门二级膨胀机的出口利用第九连通管道和常压氮气储存罐的入口相连通，且在第九连通管道上设置有第九阀门；常压氮气储存罐的出口利用第五连通管道和一级压缩机的入口相连通，且在第五连通管道上设置有第五阀门；一级压缩机的第一出口利用第三连通管道和压力水箱的入口相连通，且在第三连通管道上设置有第三阀门；一级压缩机的第二出口利用第六连通管道和低温蓄热器的蓄热入口相连通，且在第六连通管道上设置有第六阀门；低温蓄热器的蓄热出口利用第七连通管道和二级压缩机的入口相连通，且在第七连通管道上设置有第七阀门；二级压缩机的出口利用第八连通管道和高温蓄热器的蓄热入口相连通，且在第八连通管道上设置有第八阀门；高温蓄热器的蓄热出口利用第十四连通管道和高压氮气储存罐的入口相连通，且在第十四连通管道上设置有第十四阀门。由于利用不易溶于水的氮气替代空气，避免了对水轮发电机的叶片造成汽蚀损害，提高了蓄能发电系统的耐用性，且在蓄能时对压缩氮气的能量进行梯级利用，一部分压力较低的氮气储存在压力水箱中，另一部分压力较高的氮气储存在高压氮气储存罐中，从而使不同压强的氮气都能得到充分利用，提高了蓄能发电系统的蓄能效率
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明实施例一提供的水气复合蓄能发电系统的结构图；
附图2为本发明实施例二提供的水气复合蓄能发电方法的流程图。
图中的附图标记分别为：
1-压力水箱；
2-水池；
3-水轮机；
4-高压氮气储存罐；
5-一级压缩机；
6-二级压缩机；
7-一级膨胀机；
8-二级膨胀机；
9-低温蓄热器；
10-高温蓄热器；
11-控制器；
12-常压氮气储存罐；
13-连通管道；
1301-第一连通管道；
1302-第二连通管道；
1303-第三连通管道；
1304-第四连通管道；
1305-第五连通管道；
1306-第六连通管道；
1307-第七连通管道；
1308-第八连通管道；
1309-第九连通管道；
1310-第十连通管道；
1311-第十一连通管道；
1312-第十二连通管道；
1313-第十三连通管道；
1314-第十四连通管道；
1315-第十五连通管道；
1316-第十六连通管道；
14-阀门；
1401-第一阀门；
1402-第二阀门；
1403-第三阀门；
1404-第四阀门；
1405-第五阀门；
1406-第六阀门；
1407-第七阀门；
1408-第八阀门；
1409-第九阀门；
1410-第十阀门；
1411-第十一阀门；
1412-第十二阀门；
1413-第十三阀门；
1414-第十四阀门；
1415-第十五阀门；
1416-第十六阀门。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种水气复合蓄能发电系统，如图1所示，包括：压力水箱1、水池2、水轮机3、高压氮气储存罐4、一级压缩机5、二级压缩机6，一级膨胀机7、二级膨胀机8、低温蓄热器9、高温蓄热器10、常压氮气储存罐12、多个连通管道13以及多个阀门14，其中：
水轮机3的第一端口利用第二连通管道1302和水池2相连通，且在第二连通管道1302上设置有第二阀门1402。
水轮机3的第二端口利用第一连通管道1301和压力水箱1的双向口相连通，且在第一连通管道1301上设置有第一阀门1401，压力水箱1的双向口指的是一个既能往压力水箱1中注水也能从压力水箱1中向外排水的口。
压力水箱1的第一出口利用第四连通管道1304和二级膨胀机8的第一入口相连通，且在第四连通管道1304上设置有第四阀门1404。
压力水箱1的第二出口利用第十六连通管道1316和二级压缩机6的入口相连通，且在第十六连通管道1316上设置有第十六阀门1416。
压力水箱1的入口利用第十五连通管道1315和高压氮气储存罐4的第一出口相连通，且在第十五连通管道1315上设置有第十五阀门1415。
高压氮气储存罐4的第二出口利用第十三连通管道1313和高温蓄热器10的冷却入口相连通，且在第十三连通管道1313上设置有第十三阀门1413。
高温蓄热器10的冷却出口利用第十二连通管道1312和一级膨胀机7的入口相连通，且在第十二连通管道1312上设置有第十二阀门1412。
一级膨胀机7的出口利用第十一连通管道1311和低温蓄热器9的冷却入口相连通，且在第十一连通管道1311上设置有第十一阀门1411。
低温蓄热器9的冷却出口利用第十连通管道1310和二级膨胀机8的第二入口相连通，且在第十连通管道1310上设置有第十阀门1410。
二级膨胀机8的出口利用第九连通管道1309和常压氮气储存罐12的入口相连通，且在第九连通管道1309上设置有第九阀门1409。
常压氮气储存罐12的出口利用第五连通管道1305和一级压缩机5的入口相连通，且在第五连通管道1305上设置有第五阀门1405。
一级压缩机5的第一出口利用第三连通管道1303和压力水箱1的入口相连通，且在第三连通管道1303上设置有第三阀门1403。
一级压缩机5的第二出口利用第六连通管道1306和低温蓄热器9的蓄热入口相连通，且在第六连通管道1306上设置有第六阀门1406。
低温蓄热器9的蓄热出口利用第七连通管道1307和二级压缩机6的入口相连通，且在第七连通管道1307上设置有第七阀门1407。
二级压缩机6的出口利用第八连通管道1308和高温蓄热器10的蓄热入口相连通，且在第八连通管道1308上设置有第八阀门1408。
高温蓄热器10的蓄热出口利用第十四连通管道1314和高压氮气储存罐4的入口相连通，且在第十四连通管道1314上设置有第十四阀门1414。
在本实施例中，高压氮气储存罐4内部顶端设置有气罐压强传感器，压力水箱1内部顶端设置有水箱压强传感器，压力水箱1内部设置有液位传感器，其中气罐压强传感器和水箱压强传感器均为既可以测量液体压强又可以测量空气压强的压强传感器。
在本实施例中，系统被配置为：
在蓄能阶段，打开第三阀门1403和第五阀门1405，启动一级压缩机5，常压氮气储存罐12中储存的氮气经过一级压缩机5压缩后通入压力水箱1中，在压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强时，关闭第三阀门1403，此时可以认为压力水箱1中储存了第一压强的氮气，完成了压力水箱1的储气过程。
打开第六阀门1406、第七阀门1407、第八阀门1408以及第十四阀门1414，启动二级压缩机6，此时一级压缩机5仍旧保持工作状态，常压氮气储存罐12中储存的氮气经过一级压缩机5和二级压缩机6进行逐级二次压缩后通入高压氮气储存罐4中，在高压氮气储存罐4中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强时，关闭第五阀门1405、第六阀门1406、第七阀门1407、第八阀门1408以及第十四阀门1414，此时可认为高压氮气储存罐4中储存了第三压强的氮气，完成了高压氮气储存罐4的储气过程。
打开第一阀门1401和第二阀门1402，关闭一级压缩机5和二级压缩机6，启动水轮机3，将水轮机3切换成水泵模式，将水池2中的水经过水轮机3泵入压力水箱1中，在压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强时，关闭第一阀门1401和第二阀门1402，此时可以认为压力水箱1中的氮气和水的综合整体压强值为第二压强，完成了压力水箱1的储水过程，由于压缩水比压缩氮气难度要大得多，因此借助压力水箱1中之前储存的第一压强的氮气，使得泵入压力水箱中1中的水能够较快地达到第二压强，使压力水箱1中的水具有更高的势能，代替抽水蓄能中位于较高高度的水库中储存的水所具有的重力势能，完成蓄能。
可以理解的是，水轮机3有两个模式，一个是水泵模式，将电能转化成水轮机3叶片的动能，从而实现泵水；另一个是发电模式，将水轮机3叶片的动能转化成电能。
在本实施例中，系统还被配置为：
在发电阶段，当所有阀门14都处于关闭状态时，将水轮机3切换成发电模式，打开第一阀门1401、第二阀门1402以及第十五阀门1415，压力水箱1中的第二压强的水经过水轮机3通入水池2中，从而推动水轮机3的叶片，使水轮机发电，当压力水箱1内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值时，关闭第一阀门1401、第二阀门1402以及第十五阀门1415，将水轮机3切换成水泵模式，其中水位阈值的大小可以设置为预设水位深度与阀门延迟出水量深度之和。
可以理解的是，压力水箱1的双向口可以设置在压力水箱1的底端侧面，由于水轮机3的第二端口利用第一连通管道1301和压力水箱1的双向口相连通，因此如果压力水箱1中的水位降低至双向口的上沿所在的深度以下，压力水箱中的氮气则会经由第一连通管道1301通入水轮机3，对水轮机3叶片造成汽蚀。且出于安全考虑，不可以使压力水箱1中的水位刚好降低至双向口的上沿所在的深度处，而是需要预留一定的安全深度，即水位阈值需大于双向口上沿所在深度，压力水箱1中的水位阈值需要大于预设水位深度，其中预设水位深度可以根据压力水箱1的尺寸进行具体设定。且由于对各个阀门14的关闭进行控制的过程也需要耗费一定信号传输时间以及阀门运动时间，因此在判断到水位下降至某一深度后，即使立刻将关闭信号发送给对应的阀门14，从发送信号的时刻至对应的阀门14完全关闭的时刻这一时间段内，压力水箱1中的水位还会继续下降某一深度，这个深度就是阀门延迟出水量深度。为了使水位能够停留在预计的深度，还需要将上述阀门延迟出水量深度加以考虑，因此用于触发控制对应的阀门14关闭的水位阈值的大小可以设置为预设水位深度与阀门延迟出水量深度之和，在水位到达水位阈值时就将对应的阀门14关闭，停止将水排入水轮机3，避免压力水箱1中的氮气进入水轮机3对水轮机3叶片造成汽蚀，提高了系统寿命。
打开第四阀门1404、第九阀门1409、第十阀门1410、第十一阀门1411、第十二阀门1412以及第十三阀门1413，使压力水箱1中存储的第二压强的氮气经过二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中，使二级膨胀机8利用第二压强的氮气的膨胀过程发电；同时高压氮气储存罐4中存储的第三压强的氮气依次经过一级膨胀机7和二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中，使一级膨胀机7和二级膨胀机8利用第三压强的氮气的膨胀过程发电。
作为一种可选实施例，一级膨胀机7和二级膨胀机8的转轴可以直接硬性连接，且和发电机的输入轴相连。
在本实施例中，系统还包括控制器11，控制器11的测量端和水箱压强传感器电性连接，控制器11的第一控制端用于控制第十五阀门1415的开度，控制器11的第二控制端用于控制第十六阀门1416的开度，控制器11具体用于在水轮机3处于发电模式时，根据测量端接收到的压强值，控制第十五阀门1415以及第十六阀门1416的开度，将测量端接收到的压强值维持在第二压强。由于第十五阀门1415设置在第十五连通管道1315上，而第十五连通管道1315连接了压力水箱1的入口以及高压氮气储存罐4的第一出口，第十六阀门1416设置在第十六连通管道1316上，而第十六连通管道1316连接了压力水箱1的第二出口和二级压缩机6的入口，可见第十五阀门1415和第十六阀门1416能够分别控制通入和排出压力水箱1的氮气量，因此控制器11通过控制第十五阀门1415以及第十六阀门1416的开度，可以在水轮机3处于发电模式时，使压力水箱1中的压力维持在第二压强，从而使水轮机3能够稳定发电。
作为一种可选实施例，控制器11还和压力水箱1中设置的液位传感器电性连接，当判断出液位传感器采集到的水位大于水位最高阈值时，则关闭第十五阀门1415，避免压力水箱1中的水倒流入高压氮气储存罐4，提高了系统的安全性。
控制器11还可以控制其他所有阀门14，并在满足条件时控制对应的阀门14关闭。
控制器11还可以控制水轮机3在发电模式和水泵模式之间切换。
在本实施例中，低温蓄热器9被配置为在蓄能阶段中，将通过一级压缩机5压缩后的氮气的热量进行储存。
高温蓄热器10被配置为在蓄能阶段中，将通过二级压缩机6压缩后的氮气的热量进行储存。
可以理解的是，由于氮气在利用一级压缩机5或二级压缩机6进行压缩后温度会升高，这部分热量可以用于为热用户提供热量，同时还可以保证高压氮气储存罐4中储存的高压氮气处于适宜温度，为了将升高的热量进行收集，实现能量充分利用，因此利用低温蓄热器9和高温蓄热器10分别将通过一级压缩机5和二级压缩机6压缩后的氮气的热量进行储存，具体储存方式可以是利用高温氮气加热低温蓄热器9和高温蓄热器10中的储热介质。
高温蓄热器10还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入一级膨胀机7之前的膨胀氮气进行加热。
低温蓄热器9还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入二级膨胀机8之前的膨胀氮气进行加热。
可以理解的是，由于氮气在膨胀过程中温度会降低，因此可以利用低温蓄热器9以及高温蓄热器10在蓄能阶段中存储的热量对温度较低的氮气进行加热，使之升温，以维持等温膨胀做功，提高系统效率。
在本实施例中，第一压强、第二压强和第三压强所对应的压强值依次递增。
作为一种可选实施例，第一压强可以为1MPa，第二压强可以为4MPa，第三压强可以为10MPa。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供了一种水气复合蓄能发电系统，包括：压力水箱1、水池2、水轮机3、高压氮气储存罐4、一级压缩机5、二级压缩机6，一级膨胀机7、二级膨胀机8、低温蓄热器9、高温蓄热器10、常压氮气储存罐12、多个连通管道13以及多个阀门14，其中：水轮机3的第一端口利用第二连通管道1302和水池2相连通，且在第二连通管道1302上设置有第二阀门1402；水轮机3的第二端口利用第一连通管道1301和压力水箱1的双向口相连通，且在第一连通管道1301上设置有第一阀门1401；压力水箱1的第一出口利用第四连通管道1304和二级膨胀机8的第一入口相连通，且在第四连通管道1304上设置有第四阀门1404；压力水箱1的第二出口利用第十六连通管道1316和二级压缩机6的入口相连通，且在第十六连通管道1316上设置有第十六阀门1416；压力水箱1的入口利用第十五连通管道1315和高压氮气储存罐4的第一出口相连通，且在第十五连通管道1315上设置有第十五阀门1415；高压氮气储存罐4的第二出口利用第十三连通管道1313和高温蓄热器10的冷却入口相连通，且在第十三连通管道1313上设置有第十三阀门1413；高温蓄热器10的冷却出口利用第十二连通管道1312和一级膨胀机7的入口相连通，且在第十二连通管道1312上设置有第十二阀门1412；一级膨胀机7的出口利用第十一连通管道1311和低温蓄热器9的冷却入口相连通，且在第十一连通管道1311上设置有第十一阀门1411；低温蓄热器9的冷却出口利用第十连通管道1310和二级膨胀机8的第二入口相连通，且在第十连通管道1310上设置有第十阀门1410；二级膨胀机8的出口利用第九连通管道1309和常压氮气储存罐12的入口相连通，且在第九连通管道1309上设置有第九阀门1409；常压氮气储存罐12的出口利用第五连通管道1305和一级压缩机5的入口相连通，且在第五连通管道1305上设置有第五阀门1405；一级压缩机5的第一出口利用第三连通管道1303和压力水箱1的入口相连通，且在第三连通管道1303上设置有第三阀门1403；一级压缩机5的第二出口利用第六连通管道1306和低温蓄热器9的蓄热入口相连通，且在第六连通管道1306上设置有第六阀门1406；低温蓄热器9的蓄热出口利用第七连通管道1307和二级压缩机6的入口相连通，且在第七连通管道1307上设置有第七阀门1407；二级压缩机6的出口利用第八连通管道1308和高温蓄热器10的蓄热入口相连通，且在第八连通管道1308上设置有第八阀门1408；高温蓄热器10的蓄热出口利用第十四连通管道1314和高压氮气储存罐4的入口相连通，且在第十四连通管道1314上设置有第十四阀门1414。由于利用不易溶于水的氮气替代空气，避免了对水轮发电机的叶片造成汽蚀损害，提高了蓄能发电系统的耐用性，且在蓄能时对压缩氮气的能量进行梯级利用，一部分氮气经过一级压缩机5压缩成第一压强后储存在压力水箱1中，另一部分氮气经过一级压缩机5和二级压缩机6二次压缩成第三压强后储存在高压氮气储存罐4中，从而使不同压强的氮气都能得到充分利用，提高了蓄能发电系统的蓄能效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种水气复合蓄能发电方法，如图2所示，方法包括步骤S201、S202、S203、S204和S205，其中：
整个方法分为两个主要过程，第一个过程用于用电低谷时期，即发电量大于用电量，需要将多余电能转换成其他形式的能量进行储存，包括步骤S201、S202和S203；第二个过程用于用电高峰时期，即用电量大于发电量，需要将第一过程中储存的能量用来发电，包括步骤S204和S205。
下面对第一过程进行具体介绍：
在步骤S201中，在蓄能阶段，启动一级压缩机5，利用一级压缩机5将常压氮气储存罐12中的氮气压入压力水箱1中，使压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强。
可以理解的是，在步骤S201中，在启动一级压缩机5之前还需打开第三阀门1403和第五阀门1405，在压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强后还需要关闭第三阀门1403，此时可以认为压力水箱1中储存了第一压强的氮气，完成了压力水箱1的储气过程。
在步骤S202中，启动二级压缩机6，利用一级压缩机5和二级压缩机6将常压氮气储存罐12中的氮气逐级压入高压氮气储存罐4中，使高压氮气储存罐4中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强。
可以理解的是，在步骤S202中，在启动二级压缩机6之前还需要打开第六阀门1406、第七阀门1407、第八阀门1408以及第十四1414阀门；在高压氮气储存罐4中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强时，还需要关闭第五阀门1405、第六阀门1406、第七阀门1407、第八阀门1408以及第十四阀门1414，此时可认为高压氮气储存罐4中储存了第三压强的氮气，完成了高压氮气储存罐4的储气过程。
作为一种可选实施例，一级压缩机5和二级压缩机6可以分别对应一个电动机，一级压缩机5的叶片转轴和其对应的电动机的输出轴相连接，二级压缩机6的叶片转轴和其对应的电动机的输出轴相连接，以提高驱动灵活性。
在步骤S203中，关闭一级压缩机5和二级压缩机6，启动水轮机3，将水轮机3切换成水泵模式，利用水轮机3将水池2中的水泵入压力水箱1中，使压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强，完成蓄能。
可以理解的是，在关闭一级压缩机5和二级压缩机6之前，还需要打开第一阀门1401和第二阀门1402；在压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强时，还需要关闭第一阀门1401和第二阀门1402，此时可以认为压力水箱1中的氮气和水的综合整体压强值为第二压强，完成了压力水箱1的储水过程，由于压缩水比压缩氮气难度要大得多，因此借助压力水箱1中之前储存的第一压强的氮气，使得泵入压力水箱中1中的水能够较快地达到第二压强，使压力水箱1中的水具有更高的势能，代替抽水蓄能中位于较高高度的水库中储存的水所具有的重力势能，完成蓄能。
可以理解的是，水轮机3有两个模式，一个是水泵模式，将电能转化成水轮机3叶片的动能，从而实现泵水；另一个是发电模式，将水轮机3叶片的动能转化成电能。
下面对第二过程进行具体介绍：
在步骤S204中，在发电阶段，将水轮机3切换成发电模式，将高压氮气储存罐4中的氮气通入压力水箱1中，将压力水箱1中的水经由水轮机3压入水池2中，使水轮机3发电，直至压力水箱1内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值。
可以理解的是，在将水轮机3切换成发电模式之前，还需要保证所有阀门14都处于关闭状态，在将水轮机3切换成发电模式之后，还需要打开第一阀门1401、第二阀门1402以及第十五阀门1415；在压力水箱1内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值时，还需要关闭第一阀门1401、第二阀门1402以及第十五阀门1415，并将水轮机3切换成水泵模式，其中水位阈值的大小可以设置为预设水位深度与阀门延迟出水量深度之和。
可以理解的是，压力水箱1的双向口可以设置在压力水箱1的底端侧面，由于水轮机3的第二端口利用第一连通管道1301和压力水箱1的双向口相连通，因此如果压力水箱1中的水位降低至双向口的上沿所在的深度以下，压力水箱中的氮气则会经由第一连通管道1301通入水轮机3，对水轮机3叶片造成汽蚀。且出于安全考虑，不可以使压力水箱1中的水位刚好降低至双向口的上沿所在的深度处，而是需要预留一定的安全深度，即水位阈值需大于双向口上沿所在深度，压力水箱1中的水位阈值需要大于预设水位深度，其中预设水位深度可以根据压力水箱1的尺寸进行具体设定。且由于对各个阀门14的关闭进行控制的过程也需要耗费一定信号传输时间以及阀门运动时间，因此在判断到水位下降至某一深度后，即使立刻将关闭信号发送给对应的阀门14，从发送信号的时刻至对应的阀门14完全关闭的时刻这一时间段内，压力水箱1中的水位还会继续下降某一深度，这个深度就是阀门延迟出水量深度。为了使水位能够停留在预计的深度，还需要将上述阀门延迟出水量深度加以考虑，因此用于触发控制对应的阀门14关闭的水位阈值的大小可以设置为预设水位深度与阀门延迟出水量深度之和，在水位到达水位阈值时就将对应的阀门14关闭，停止将水排入水轮机3，避免压力水箱1中的氮气进入水轮机3对水轮机3叶片造成汽蚀，提高了系统寿命。在步骤S205中，将压力水箱1中的氮气经由二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中进行储存，使二级膨胀机8发电，同时将高压氮气储存罐4中的氮气经由一级膨胀机7和二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中进行储存，使一级膨胀机7以及二级膨胀机8发电。
可以理解的是，步骤S205可以通过打开第四阀门1404、第九阀门1409、第十阀门1410、第十一阀门1411、第十二阀门1412以及第十三阀门1413来实现。
作为一种可选实施例，一级膨胀机7和二级膨胀机8可以共用一个发电机，一级膨胀机7和二级膨胀机8的叶片转轴直接硬性连接，并与发电机的输入轴相连接，以提高发电效率。
在本实施例中，该方法还可包括：
在发电阶段中，当水轮机3发电时，控制器11根据接收到的压力水箱1内部设置的水箱压强传感器采集到的压强值，控制压力水箱1中氮气的通入流量和排出流量，将压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值维持在第二压强。
具体地，控制器11的第一控制端用于控制第十五阀门1415的开度，控制器11的第二控制端用于控制第十六阀门1416的开度。由于第十五阀门1415设置在第十五连通管道1315上，而第十五连通管道1315连接了压力水箱1的入口以及高压氮气储存罐4的第一出口，第十六阀门1416设置在第十六连通管道1316上，而第十六连通管道1316连接了压力水箱1的第二出口和二级压缩机6的入口，可见第十五阀门1415和第十六阀门1416能够分别控制通入和排出压力水箱1的氮气量，因此控制器11通过控制第十五阀门1415以及第十六阀门1416的开度，可以在水轮机3处于发电模式时，使压力水箱1中的压力维持在第二压强，从而使水轮机3能够稳定发电。
作为一种可选实施例，控制器11还和压力水箱1中设置的液位传感器电性连接，方法还包括当判断出液位传感器采集到的水位大于水位最高阈值时，则关闭第十五阀门1415，避免压力水箱1中的水倒流入高压氮气储存罐4，提高了系统的安全性。
控制器11还可以控制其他所有阀门14，并在满足条件时控制对应的阀门14关闭。
控制器11还可以控制水轮机3在发电模式和水泵模式之间切换。
在本实施例中，该方法还可包括：
在蓄能阶段中，低温蓄热器9将通过一级压缩机5压缩后的氮气的热量进行储存，高温蓄热器10将通过二级压缩机6压缩后的氮气的热量进行储存。
可以理解的是，由于氮气在利用一级压缩机5或二级压缩机6进行压缩后温度会升高，这部分热量可以用于为热用户提供热量，同时还可以保证高压氮气储存罐4中储存的高压氮气处于适宜温度，为了将升高的热量进行收集，实现能量充分利用，因此利用低温蓄热器9和高温蓄热器10分别将通过一级压缩机5和二级压缩机6压缩后的氮气的热量进行储存，具体储存方式可以是利用高温氮气加热低温蓄热器9和高温蓄热器10中的储热介质。
在发电阶段中，高温蓄热器10利用储存的热量将通入一级膨胀机7之前的膨胀氮气进行加热，低温蓄热器9利用储存的热量将通入二级膨胀机8之前的膨胀氮气进行加热。
可以理解的是，由于氮气在膨胀过程中温度会降低，因此可以利用低温蓄热器9以及高温蓄热器10在蓄能阶段中存储的热量对温度较低的氮气进行加热，使之升温，以维持等温膨胀做功，提高系统效率在本实施例中，第一压强、第二压强和第三压强所对应的压强值依次递增。
作为一种可选实施例，第一压强可以为1MPa，第二压强可以为4MPa，第三压强可以为10MPa。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供了一种水气复合蓄能发电方法，包括：在蓄能阶段，启动一级压缩机5，利用一级压缩机5将常压氮气储存罐12中的氮气压入压力水箱1中，使压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强。启动二级压缩机6，利用一级压缩机5和二级压缩机6将常压氮气储存罐12中的氮气逐级压入高压氮气储存罐4中，使高压氮气储存罐4中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强。关闭一级压缩机5和二级压缩机6，启动水轮机3，将水轮机3切换成水泵模式，利用水轮机3将水池2中的水泵入压力水箱1中，使压力水箱1中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强，完成蓄能。在发电阶段，将水轮机3切换成发电模式，将高压氮气储存罐4中的氮气通入压力水箱1中，将压力水箱1中的水经由水轮机3压入水池2中，使水轮机3发电，直至压力水箱1内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值。将压力水箱1中的氮气经由二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中进行储存，使二级膨胀机8发电，同时将高压氮气储存罐4中的氮气经由一级膨胀机7和二级膨胀机8通入常压氮气储存罐12中进行储存，使一级膨胀机7以及二级膨胀机8发电。由于利用不易溶于水的氮气替代空气，避免了对水轮发电机的叶片造成汽蚀损害，提高了蓄能发电系统的耐用性，且在蓄能时对压缩氮气的能量进行梯级利用，一部分氮气经过一级压缩机5压缩成第一压强后储存在压力水箱1中，另一部分氮气经过一级压缩机5和二级压缩机6二次压缩成第三压强后储存在高压氮气储存罐4中，从而使不同压强的氮气都能得到充分利用，提高了蓄能发电系统的蓄能效率。
在本申请中，应该理解到，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水气复合蓄能发电系统，其特征在于，包括：压力水箱(1)、水池(2)、水轮机(3)、高压氮气储存罐(4)、一级压缩机(5)、二级压缩机(6)，一级膨胀机(7)、二级膨胀机(8)、低温蓄热器(9)、高温蓄热器(10)、常压氮气储存罐(12)、多个连通管道(13)以及多个阀门(14)，其中：
所述水轮机(3)的第一端口利用第二连通管道(1302)和所述水池(2)相连通，且在所述第二连通管道(1302)上设置有第二阀门(1402)；
所述水轮机(3)的第二端口利用第一连通管道(1301)和所述压力水箱(1)的双向口相连通，且在所述第一连通管道(1301)上设置有第一阀门(1401)；
所述压力水箱(1)的第一出口利用第四连通管道(1304)和所述二级膨胀机(8)的第一入口相连通，且在所述第四连通管道(1304)上设置有第四阀门(1404)；
所述压力水箱(1)的第二出口利用第十六连通管道(1316)和所述二级压缩机(6)的入口相连通，且在所述第十六连通管道(1316)上设置有第十六阀门(1416)；
所述压力水箱(1)的入口利用第十五连通管道(1315)和所述高压氮气储存罐(4)的第一出口相连通，且在所述第十五连通管道(1315)上设置有第十五阀门(1415)；
所述高压氮气储存罐(4)的第二出口利用第十三连通管道(1313)和所述高温蓄热器(10)的冷却入口相连通，且在所述第十三连通管道(1313)上设置有第十三阀门(1413)；
所述高温蓄热器(10)的冷却出口利用第十二连通管道(1312)和所述一级膨胀机(7)的入口相连通，且在所述第十二连通管道(1312)上设置有第十二阀门(1412)；
所述一级膨胀机(7)的出口利用第十一连通管道(1311)和所述低温蓄热器(9)的冷却入口相连通，且在所述第十一连通管道(1311)上设置有第十一阀门(1411)；
所述低温蓄热器(9)的冷却出口利用第十连通管道(1310)和所述二级膨胀机(8)的第二入口相连通，且在所述第十连通管道(1310)上设置有第十阀门(1410)；
所述二级膨胀机(8)的出口利用第九连通管道(1309)和所述常压氮气储存罐(12)的入口相连通，且在所述第九连通管道(1309)上设置有第九阀门(1409)；
所述常压氮气储存罐(12)的出口利用第五连通管道(1305)和所述一级压缩机(5)的入口相连通，且在所述第五连通管道(1305)上设置有第五阀门(1405)；
所述一级压缩机(5)的第一出口利用第三连通管道(1303)和所述压力水箱(1)的入口相连通，且在所述第三连通管道(1303)上设置有第三阀门(1403)；
所述一级压缩机(5)的第二出口利用第六连通管道(1306)和所述低温蓄热器(9)的蓄热入口相连通，且在所述第六连通管道(1306)上设置有第六阀门(1406)；
所述低温蓄热器(9)的蓄热出口利用第七连通管道(1307)和所述二级压缩机(6)的入口相连通，且在所述第七连通管道(1307)上设置有第七阀门(1407)；
所述二级压缩机(6)的出口利用第八连通管道(1308)和所述高温蓄热器(10)的蓄热入口相连通，且在所述第八连通管道(1308)上设置有第八阀门(1408)；
所述高温蓄热器(10)的蓄热出口利用第十四连通管道(1314)和所述高压氮气储存罐(4)的入口相连通，且在所述第十四连通管道(1314)上设置有第十四阀门(1414)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统被配置为：
在蓄能阶段，打开所述第三阀门(1403)和所述第五阀门(1405)，启动所述一级压缩机(5)，在所述压力水箱(1)中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强时，关闭所述第三阀门(1403)；
打开所述第六阀门(1406)、所述第七阀门(1407)、所述第八阀门(1408)以及所述第十四(1414)阀门，启动所述二级压缩机(6)，在所述高压氮气储存罐(4)中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强时，关闭所述第五阀门(1405)、所述第六阀门(1406)、所述第七阀门(1407)、所述第八阀门(1408)以及所述第十四阀门(1414)；
打开所述第一阀门(1401)和所述第二阀门(1402)，关闭所述一级压缩机(5)和所述二级压缩机(6)，启动所述水轮机(3)，将所述水轮机(3)切换成水泵模式，在所述压力水箱(1)中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强时，关闭所述第一阀门(1401)和所述第二阀门(1402)，完成蓄能。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还被配置为：
在发电阶段，当所有所述阀门(14)都处于关闭状态时，将所述水轮机(3)切换成发电模式，打开所述第一阀门(1401)、所述第二阀门(1402)以及所述第十五阀门(1415)，当所述压力水箱(1)内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值时，关闭所述第一阀门(1401)、所述第二阀门(1402)以及所述第十五阀门(1415)，将所述水轮机(3)切换成水泵模式；
打开所述第四阀门(1404)、所述第九阀门(1409)、所述第十阀门(1410)、所述第十一阀门(1411)、所述第十二阀门(1412)以及所述第十三阀门(1413)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制器(11)，
所述控制器(11)的测量端和所述水箱压强传感器电性连接，所述控制器(11)的第一控制端用于控制所述第十五阀门(1415)的开度，所述控制器(11)的第二控制端用于控制所述第十六阀门(1416)的开度，所述控制器(11)具体用于在所述水轮机(3)处于发电模式时，根据测量端接收到的压强值，控制所述第十五阀门(1415)以及所述第十六阀门(1416)的开度，将所述测量端接收到的压强值维持在所述第二压强。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述低温蓄热器(9)被配置为在蓄能阶段中，将通过所述一级压缩机(5)压缩后的氮气的热量进行储存；
所述高温蓄热器(10)被配置为在蓄能阶段中，将通过所述二级压缩机(6)压缩后的氮气的热量进行储存；
所述高温蓄热器(10)还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入所述一级膨胀机(7)之前的膨胀氮气进行加热；
所述低温蓄热器(9)还被配置为在发电阶段中，利用储存的热量将通入所述二级膨胀机(8)之前的膨胀氮气进行加热。
6.一种水气复合蓄能发电方法，其特征在于，所述方法包括：
在蓄能阶段，启动一级压缩机(5)，利用所述一级压缩机(5)将常压氮气储存罐(12)中的氮气压入压力水箱(1)中，使所述压力水箱(1)中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第一压强；
启动二级压缩机(6)，利用所述一级压缩机(5)和所述二级压缩机(6)将所述常压氮气储存罐(12)中的氮气逐级压入高压氮气储存罐(4)中，使所述高压氮气储存罐(4)中的气罐压强传感器采集到的压强值增大至第三压强；
关闭所述一级压缩机(5)和所述二级压缩机(6)，启动水轮机(3)，将所述水轮机(3)切换成水泵模式，利用所述水轮机(3)将水池(2)中的水泵入所述压力水箱(1)中，使所述压力水箱(1)中的水箱压强传感器采集到的压强值增大至第二压强，完成蓄能。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发电阶段，将所述水轮机(3)切换成发电模式，将所述高压氮气储存罐(4)中的氮气通入所述压力水箱(1)中，将所述压力水箱(1)中的水经由所述水轮机(3)压入所述水池(2)中，使所述水轮机(3)发电，直至所述压力水箱(1)内部设置的液位传感器采集到的水位降低至水位阈值；
将所述压力水箱(1)中的氮气经由二级膨胀机(8)通入所述常压氮气储存罐(12)中进行储存，使所述二级膨胀机(8)发电，同时将所述高压氮气储存罐(4)中的氮气经由一级膨胀机(7)和所述二级膨胀机(8)通入所述常压氮气储存罐(12)中进行储存，使所述一级膨胀机(7)以及所述二级膨胀机(8)发电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在发电阶段中，当所述水轮机(3)发电时，控制器(11)根据接收到的所述压力水箱(1)内部设置的所述水箱压强传感器采集到的压强值，控制所述压力水箱(1)中氮气的通入流量和排出流量，将所述压力水箱(1)中的水箱压强传感器采集到的压强值维持在所述第二压强。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述蓄能阶段中，低温蓄热器(9)将通过所述一级压缩机(5)压缩后的氮气的热量进行储存，高温蓄热器(10)将通过所述二级压缩机(6)压缩后的氮气的热量进行储存；
在所述发电阶段中，所述高温蓄热器(10)利用储存的热量将通入所述一级膨胀机(7)之前的膨胀氮气进行加热，所述低温蓄热器(9)利用储存的热量将通入所述二级膨胀机(8)之前的膨胀氮气进行加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述第一压强、所述第二压强和所述第三压强所对应的压强值依次递增。
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