CN110593963A - 一种发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：储能状态时，发电系统从电网吸收新能源电能，将新能源电能转化为压缩空气储存于高压气系统；发电状态时，在控制系统的作用下，经高压气系统、气液混合系统、液力发电系统将空气能转化为电能。改善可再生能源并网难、并网后消纳难导致的可再生能源所占消费比重低的问题。

Description

一种发电系统

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种发电系统。

背景技术

为提高非化石能源消费比重，保障电力安全供应和民生用热需求，需着力提高电力系统的调节能力及运行效率，从负荷侧、电源侧、电网侧多措并举，重点增强系统灵活性、适应性，破解新能源消纳难题，推进绿色发展。随着大规模风能/光伏资源的开发，我国风电/光伏的开发保持着快速发展的强劲势头，但新能源发电的超常规发展与电网建设相对滞后的矛盾日益明显，大规模具有随机性、问歇性、反调节性及出力波动大等特点的风电/光伏能源接入电网对系统的电压稳定、暂态稳定和频率稳定都有较大的影响，风电/光伏能源并网难、并网后消纳难等问题严重制约着能源结构的变革。水电机组具有停机迅速、调节速度快、调节范围宽广等特点，在系统内发挥着调峰调频等功能，然而，常规水电厂、抽水蓄能电厂在大规模新能源存储、能量转化方面作用有限，不能吸收丰沛的风电、太阳能等大规模可再生能源电力，且对地势、地质有一定的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种发电系统，同时具备大规模能源存储和发电功能，既具有类似于水电机组启停机迅速、调节速度快、调节范围宽广的特点，又实现能源的存储和能量转化，提高可再生能源所占的消费比重，并能提高能量转换效率。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；

所述高压气系统包括N组并列的高压气子系统，N≥1；

所述气液混合系统包括n级气液混合容器，n≥2；

所述液力发电系统包括n-1级液力发电子系统，每级液力发电子系统包括一台原动机及其发电机组；

所述控制系统包括所述液力发电系统的控制装置和气压控制装置；

所述通道切换系统包括连接其它系统中各部件的阀门及管道：

每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口与第一级气液混合容器相连，上一级气液混合容器经液阀、一级液力发电子系统、液阀与下一级气液混合容器相连，所有气液混合容器经过一个液阀后相连通，除第n-1级气液混合容器与第n级气液混合容器之间外，所有气液混合容器两两通过一个气阀相连，第n级气液混合容器通过一个阀门与外界连通。

进一步的，所述高压气子系统也与第n级气液混合容器相连，所述高压气子系统与第一级气液混合容器之间、所述高压气子系统与第n级气液混合容器之间，均通过气阀控制通断。

进一步的，所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由高压气系统实现；发电状态由高压气系统、气液混合系统、液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由液力发电系统液力发电。

进一步的，所述发电系统能实现1至n-1级发电，发电级数对应工作的发电机组的个数，且工作的发电机组能随机组合，实现不同的运行方式，根据运行方式，发电状态时，各级气液混合容器的气压存在差值。

优选地，所述高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa。

优选地，所述气液混合容器中气体与液体按比例共存。

优选地，所述液体为水、盐水或高密度液体。

优选地，所述气液混合容器具体为地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器。

优选地，所述原动机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述原动机为水轮机、工业透平或液力透平。

优选地，所述发电系统能在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛的不同地形下实现。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏可再生能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高；

(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差；

(3)本发明采用了气液混合系统和液力发电系统的多级结构，可以实现多种运行方式，包括单级发电、多级梯级发电，满足不同运行要求，提高能量转化效率；

(4)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；

(5)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例发电系统的原理框图；

图2为本发明实施例一发电系统的结构示意图；

图中：1：第一级气水混合容器；2：第二级气水混合容器；3：第三级气水混合容器；4：第四级气水混合容器；11：第一级液力透平；22：第二级液力透平；33：第三级液力透平；12：气阀二；13：气阀三；14：气阀四；23：气阀五；24：气阀六；51：水阀一；52：水阀二；53：水阀三；54：水阀四；55：水阀五；56：水阀六；10：水阀七；20：水阀八；30：水阀九；40：水阀十；57：排气阀；61：高压储气罐一；62：高压储气罐二；71：空气压缩机一；72：空气压缩机二；8：高压气总阀；81：气阀七；82：气阀八；9：气阀一。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明公开了一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，如图1所示，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：储能状态时，发电系统从电网吸收新能源电能和多余电能，将电能转化为压缩空气储存于高压气系统；发电状态时，在控制系统的作用下，经高压气系统、气液混合系统、液力发电系统以及通道切换系统将空气能转化为电能。

所述高压气系统包括N组并列的高压气子系统，N≥1，每组高压气子系统包括对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa；采用多组高压气子系统是为了更多地吸收新能源电能和多余电能。

所述气液混合系统包括n级气液混合容器，n≥2，气液混合容器中气体、液体按比例共存，所述液体为不限于水、盐水、高密度液体的任一液体介质，所述气液混合容器的实现方式不限于地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置、水下储气容器的形式。

液力发电系统包括n-1级液力发电子系统，每级液力发电子系统包括一台原动机及其发电机组，所述原动机并不限于水轮机、液力透平、工业透平的形式，将液体中的能量转化为机械能，具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW。

控制系统包括所述液力发电系统的控制装置和气压控制装置等，所述液力发电系统的控制装置包括原动机、发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统等；所述气压控制装置具有通过控制阀门的开关实现气压调控的功能；

通道切换系统包括系统中的阀门及管道：

每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口与第一级气液混合容器相连，上一级气液混合容器经液阀、一级液力发电子系统、液阀与下一级气液混合容器相连，所有气液混合容器经过一个液阀后相连通，除第n-1级气液混合容器与第n级气液混合容器之间外，所有气液混合容器两两通过一个气阀相连，第n级气液混合容器通过一个阀门与外界连通。

所述高压气子系统也与第n级气液混合容器相连，所述高压气子系统与第一级气液混合容器之间、所述高压气子系统与第n级气液混合容器之间，均通过气阀控制通断。

在实施例一中，如图2所示，N＝2，n＝4，即所述高压气系统包括2组并列的高压气子系统，所述气液混合系统包括4级气液混合容器，所述气液混合容器中的液体以水为工作介质，所述液力发电系统包括3级液力发电子系统，所述原动机为液力透平。每组高压气子系统中的高压储气容器的出口分别连接气阀七81、气阀八82的一端，气阀七81、气阀八82的另一端均相连并连接高压气总阀8的一端，高压气总阀8的另一端连接第一级气水混合容器1和气阀一9的一端，气阀一9的另一端连接第四级气水混合容器4，第一级气水混合容器1的出水口依次连接水阀一51、第一级液力透平11、水阀二52至第二级气水混合容器2的进水口，第二级气水混合容器2的出水口依次连接水阀三53、第二级液力透平22、水阀四54至第三级气水混合容器3的进水口，第三级气水混合容器3的出水口依次连接水阀五55、第三级液力透平33、水阀六56至第四级气水混合容器4的进水口，第四级气水混合容器经排气阀57与外界连通，第一级气水混合容器1至第四级气水混合容器4分别经一个水阀七10、水阀八20、水阀九30、水阀十40后相连通，第一级气水混合容器1分别经气阀二12、气阀三13、气阀四14与第二级气水混合容器2、第三级气水混合容器3、第四级气水混合容器4相连，第二级气水混合容器2分别经气阀五23、气阀六24与第三级气水混合容器3、第四级气水混合容器4相连。

储能状态运行时，气阀七81关闭，常压空气经空气压缩机一71压缩后，存储于高压储气罐一61中；气阀八82关闭，常压空气经空气压缩机二72压缩后，存储于高压储气罐二62中，各组高压气子系统以此类推；

发电状态运行时，根据人为设定，可实现多种运行方式：

运行方式一：当气水混合容器中都有水时，至少一个高压气子系统的气阀打开，高压气总阀8打开，气阀一9关闭，其它阀门均打开，高压气体自高压储气容器中释放，进入第一级气水混合容器1中，使第一级气水混合容器1处于高压状态，第一级气水混合容器1中的高压液流经水阀一51、第一级液力透平11、水阀52流入第二级气水混合容器2中，第一级液力透平11对应的发电机组产生电能，以此类推，第一级液力透平11、第二级液力透平22、第三级液力透平33对应的发电机组同时产生电能；

运行方式二：当部分气水混合容器中没有水，而有上级气水混合容器供水时，比如仅第一级气水混合容器1有水时，高压气使第一级液力透平11对应的发电机组产生电能，而随着第一级气水混合容器1的水的流入，使第二级液力透平22、第三级液力透平33对应的发电机组依次产生电能；

运行方式三：当前级气水混合容器的水流尽导致的部分气水混合容器中没有水时，比如第一级气水混合容器1中的水已全部流尽，但第一级气水混合容器1仍存在余压，第一级气水混合容器1的余压气体经气阀四14使第四级气水混合容器4中的液体经水阀十40、水阀九20补充至第二级气水混合容器2，也可补充至第三级气水混合容器3中，但第三级气水混合容器3接收第二级气水混合容器2中的水，余压气体的作用不作考虑，以此类推，第i级气水混合容器的余压气体使第n级气水混合容器的液体补充至第i+1级气水混合容器，i＝1,2,…,n-2；

运行方式四；当部分液力透平不工作时，比如第二级液力透平22不工作，关闭水阀三53、水阀四54，第一级液力透平11、第三级液力透平33对应的发电机组均同时工作，流入第二级气水混合容器2中的水在高压气的作用下通过水阀八20流入其它气水混合容器中，部分液力透平不工作并不影响整个系统的运行。

因此，只要有任一级的液力透平及其发电机组工作，所述发电系统均能正常工作，所述发电系统能实现1至n-1级发电，n≥2，发电级数对应工作的发电机组的个数，且人为控制发电系统工作级数、随意组合工作的发电机组、人为调整各气水混合容器中的液量，可以实现不同的运行方式，并不仅限于所列举的四种运行方式，n＝2时所述发电系统为单级发电系统，n≥3时所述发电系统为梯级发电系统，且由于运行方式的不同，发电状态时各气水混合容器的压差也不一样。而由于各气水混合容器中的液量并不一定均衡，最先流尽的并不一定是第一级气水混合容器1，但最终发电系统停止发电时第n-1级气水混合容器中的液位降至最低，第n级气水混合容器中的液位升至最高；

然后，至少一个高压气子系统的气阀打开，高压气总阀8、气阀一9、水阀十40打开，水阀七10、水阀八20或水阀九30打开，其它阀门关闭，高压气使第四级气水混合容器4中的液体回流至对应气水混合容器中，在第一级气水混合容器1、第二级气水混合容器2、第三级气水混合容器3分别达到人为要求的各气水混合容器的液量时，关闭其对应的水阀，实现水循环使用。

综上可知，通过上述的一种发电系统，具有如下优点：

(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏可再生能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高；

(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差，使该发电系统可以在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛等不同地形下实现；

(3)本发明采用了气液混合系统和液力发电系统的多级结构，可以实现多种运行方式，包括单级发电、多级梯级发电，满足不同运行要求，提高能量转化效率；

(4)本发明的气液混合系统中的液体可以循环利用，节约水资源；

(5)本发明在部分部件出现故障时，如任一级原动机及其发电机组故障时，仍能通过人为调控，继续工作发电，提高发电可靠性；

(6)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；

(7)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展；

(8)本发明的气液混合容器的实现方式多样化、液体可以为任一介质，使用范围广，实用性强。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种发电系统，其特征在于，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；

所述高压气系统包括N组并列的高压气子系统，N≥1；

所述气液混合系统包括n级气液混合容器，n≥2；

所述液力发电系统包括n-1级液力发电子系统，每级液力发电子系统包括一台原动机及其发电机组；

所述控制系统包括所述液力发电系统的控制装置和气压控制装置；

所述通道切换系统包括连接其它系统中各部件的阀门及管道：

每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口与第一级气液混合容器相连，上一级气液混合容器经液阀、一级液力发电子系统、液阀与下一级气液混合容器相连，所有气液混合容器经过一个液阀后相连通，除第n-1级气液混合容器与第n级气液混合容器之间外，所有气液混合容器两两通过一个气阀相连，第n级气液混合容器通过一个阀门与外界连通。

2.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述高压气子系统也与第n级气液混合容器相连，所述高压气子系统与第一级气液混合容器之间、所述高压气子系统与第n级气液混合容器之间，均通过气阀控制通断。

3.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由高压气系统实现；发电状态由高压气系统、气液混合系统、液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由液力发电系统液力发电。

4.根据权利要求1或3所述的一种发电系统，其特征在于，所述发电系统能实现1至n-1级发电，发电级数对应工作的发电机组的个数，且工作的发电机组能随机组合，实现不同的运行方式，根据运行方式，发电状态时，各级气液混合容器的气压存在差值。

5.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述高压储气容器中的气体压力不低于0.13MPa。

6.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述气液混合容器中气体与液体按比例共存。

7.根据权利要求6所述的一种发电系统，其特征在于，所述液体为水、盐水或高密度液体。

8.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述气液混合容器具体为地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器。

9.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述原动机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述原动机为水轮机、工业透平或液力透平。

10.根据权利要求1所述的一种发电系统，其特征在于，所述发电系统能在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛的不同地形下实现。