CN110657067A - 海上风电压缩空气储能式储热器及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电压缩空气储能式储热器及工作方法，该储热器包括储热器外壳、热罐、冷罐、单向泵、热罐渐扩管、冷罐渐扩管、储热器进/出口管线、热罐进/出口管线、冷罐进/出口管线、主干管线、热罐进/出口阀、冷罐进/出口阀，可实现将间冷式空气储热储能海上风力发电系统中高低压空压机产生的热能存储和释放，并通过管路设计仅使用一个单向泵，降低总体造价，通过在热罐和冷罐的底部分别设置有热罐渐扩管路和冷罐渐扩管路，可降低工质流进/流出罐体时的流动阻力损失，使所述储热器更加节能，所述储热器可以根据热罐和冷罐内工质液位对系统状态提出工作阶段改变提醒，以便系统做出最佳决策并及时通知电网系统状态的变化。

Description

海上风电压缩空气储能式储热器及运行方法
技术领域
本发明涉及海上风力发电和空气储热储能技术的交叉领域，具体涉及应用于间冷式空气储热储能海上风力发电系统的一种海上风电压缩空气储能式储热器及运行方法。
背景技术
海上风能具有总储量大、可利用小时数长、距离能源消费地近的优点，与陆上风能利用相似，海上风电也存在海上风电场输出功率与电网需求不匹配的难题，而且海上风电对电网的冲击浮动更大。解决这一难题，有学者提出将海上风电与压缩空气、储热技术、水下储压缩空气能技术相结合，构建能源转化效率较高、占用陆上空间少的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，可以较为有效平抑海上风电机组的功率输出，使海上风电与电网需求更好匹配。但上述系统方案，未提及其系统中储热器的结构方案及细致技术特征，如果能够有针对性地开发一种应用于上述系统的储热技术及运行方法，则可推动海上风电机组及储热储能系统更好地实现自身功率调节，对区域电网更加友好，将使海上风能更好的被人类利用。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种海上风电压缩空气储能式储热器及运行方法,可以实现将系统中高低压空压机产生的热能存储和释放。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
海上风电压缩空气储能式储热器，包括储热器外壳1、热罐4、冷罐15、单向泵10、热罐渐扩管13、冷罐渐扩管14、储热器进口管线17、储热器出口管线18、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8、主干管线11、热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9，储热器外壳1内部设置有热罐4、冷罐15、单向泵10、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8和主干管线11，热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7、冷罐出口阀9分别位于热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8上，单向泵10位于主干管线11上，所述热罐4与热罐出口管线6流入端的连通位置位于热罐4的底部，在热罐4内与热罐出口管线6流入端以及与热罐进口管线3流出端的连通位置处设置有一个热罐渐扩管路13，所述冷罐15与冷罐出口管线8流入端的连通位置位于冷罐15的底部，在冷罐15内与冷罐出口管线8流入端以及与冷罐进口管线12流出端的连通位置处设置有一个冷罐渐扩管路14，热罐进口管线3的流出端与热罐出口管线6的三通流入端相连，冷罐进口管线12流出端与冷罐出口管线8的三通流入端相连，热罐进口管线3的流入端和冷罐进口管线12的流入端均与储热器进口管线17的流出端相连通，热罐出口管线6的流出端和冷罐出口管线8的流出端与主干管线11的流入端相连，主干管线11的流出端与储热器出口管线18相连，储热器进口管线17的流入端和储热器出口管线18的流出端与换热器19相连。
所述储热器外壳1与换热器19、高压透平21、低压透平20、高压压缩机22、低压压缩机23均固定于储热储能站平台2上，储气囊24位于低于储热储能站平台2以下500至1000米深的位置，储热储能站平台2通过海底电缆与海上风电机组的升压站连接。
所述热罐4和冷罐15内均设置有液位检测装置，热罐4、冷罐15、储热器进口管线17、储热器出口管线18、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8、主干管线11、热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9的外部均设置有保温层。
所述热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14从管路进口到管路出口的过流断面面积单调增大，热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14的管路中心线为直线或抛物线或椭圆或双曲线，热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14的管路长度分别大于或等于热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14出口的最大过流断面直径的4倍。
所述单向泵10从储热储能站平台2取电。
所述热罐出口管线6的三通流入端位于热罐出口阀7与热罐出口管线6流入端之间的管路上，冷罐出口管线8的三通流入端位于冷罐出口阀9与冷罐出口管线8流入端之间的管路上。
所述海上风电压缩空气储能式储热器的运行方法主要有三个阶段，分别为保持阶段、储热阶段和放热阶段，所述保持阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率在电网的可调节范围内时，海上风电机组通过升压站直接对电网供电，所述的海上风电压缩空气储能式储热器不参与间冷式空气储热储能海上风力发电系统工作，即此时热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9处于关闭状态，单向泵10处于非工作状态；所述储热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中风电机组的输出功率大于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开冷罐出口阀9和热罐进口阀5，冷罐进口阀16和热罐出口阀7处于关闭状态，高压透平21和低压透平20处于关闭状态，间冷式空气储热储能海上风力发电系统启动低压压缩机23、高压压缩机22、单向泵10，将多余风电电能转化为压缩空气能和热能，空气先后经过低压压缩机23和高压压缩机22两次压缩获得了压缩空气能和气体热能，压缩空气能由压缩空气携带并储存在储气囊24中，冷罐15中流出的工质经过换热器19与压缩空气进行热交换获得热能并储存在热罐4中，当冷罐15中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由储热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送放热阶段指令后开始进入放热阶段；所述放热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率小于电网的可调节范围内时，控制系统发出指令打开冷罐进口阀16和热罐出口阀7，冷罐出口阀9和热罐进口阀5处于关闭状态，启动高压透平21、低压透平20和单向泵10，低压压缩机23和高压压缩机22处于关闭状态，系统将储气囊24中压缩空气能与热罐4中工质携带的热能先后两次在换热器19中进行热交换，第一吸热后的压缩空气推动高压透平21做功，流经高压透平21的压缩空气第二吸热后的推动低压透平20做功，高压透平21和低压透平20做功发电通过储热储能站平台2和海底电缆输送到电网，热罐4流出工质在换热器19内将热量传递给压缩空气后经过回到冷罐15中，当热罐4中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由放热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送储热阶段指令后开始进入储热阶段。
本发明的有益效果在于：
1)目前，尚未见到可用于间冷式空气储热储能海上风力发电系统的储热器成熟技术方案。本发明提出了一种海上风电压缩空气储能式储热器的完整技术特征及运行方案，可以实现将系统中高低压空压机产生的热能存储和释放，本发明只使用一个单向泵，所以所述储热器总体造价更低，在热罐和冷罐的底部分别设置有热罐渐扩管路和冷罐渐扩管路，且热罐渐扩管路设置在热罐内与热罐出口管线流入端以及与热罐进口管线流出端的连通位置处，冷罐渐扩管路设置在冷罐内与冷罐出口管线流入端以及与冷罐进口管线流出端的连通位置处，可以使储热工质流入和流出热罐或冷罐时不产生分离流动，降低了常规储罐中因产生局部旋涡而带来的流动阻力损失，使所述储热器更加节能，此外，所述储热器可以根据热罐和冷罐内工质液位对系统状态提出工作阶段改变提醒，以便系统做出最佳决策并及时通知电网系统状态的变化。本发明可推动海上风电机组及储热储能系统更好地实现自身功率调节，有助于使海上风能更好的被人类利用。
2)热罐进口管线的流出端与热罐出口管线的三通流入端相连，冷罐进口管线流出端与冷罐出口管线的三通流入端相连，这样可以使热罐或冷罐只有一个管路接口，而该管路接口轮廓线可以与热罐渐扩管路或冷罐进口管线的最小截面轮廓线的完全对应，热罐或冷罐通过该接口实现在不同运行阶段时工质的流入和流出，避免了为了降低工质流入或流出热罐或冷罐的流动阻力损失，需要在热罐和冷罐上分别设置两个管路接口和两个热罐渐扩管路、两个管路接口和两个冷罐渐扩管路，降低了材料和人工成本。
附图说明
图1是本发明海上风电压缩空气储能式储热器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，海上风电压缩空气储能式储热器，包括储热器外壳1、热罐4、冷罐15、单向泵10、热罐渐扩管13、冷罐渐扩管14、储热器进口管线17、储热器出口管线18、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8、主干管线11、热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9，储热器外壳1内部设置有热罐4、冷罐15、单向泵10、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8和主干管线11，热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7、冷罐出口阀9分别位于热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8上，单向泵10位于主干管线11上，所述热罐4与热罐出口管线6流入端的连通位置位于热罐4的底部，在热罐4内与热罐出口管线6流入端以及与热罐进口管线3流出端的连通位置处设置有一个热罐渐扩管路13，所述冷罐15与冷罐出口管线8流入端的连通位置位于冷罐15的底部，在冷罐15内内与冷罐出口管线8流入端以及与冷罐进口管线12流出端的连通位置处设置有一个冷罐渐扩管路14，热罐进口管线3的流出端与热罐出口管线6的三通流入端相连，冷罐进口管线12流出端与冷罐出口管线8的三通流入端相连，热罐进口管线3的流入端和冷罐进口管线12的流入端均与储热器进口管线17的流出端相连通，热罐出口管线6的流出端和冷罐出口管线8的流出端与主干管线11的流入端相连，主干管线11的流出端与储热器出口管线18相连，储热器进口管线17的流入端和储热器出口管线18的流出端与换热器19相连。
作为本发明的优选实施方式，储热器外壳1与换热器19、高压透平21、低压透平20、高压压缩机22和低压压缩机23均固定于储热储能站平台2上，储气囊24位于低于储热储能站平台2以下500至1000米深的位置，储热储能站平台2通过海底电缆与海上风电机组的升压站连接。
作为本发明的优选实施方式，所述热罐4和冷罐15内均设置有液位检测装置，热罐4、冷罐15、储热器进口管线17、储热器出口管线18、热罐进口管线3、冷罐进口管线12、热罐出口管线6、冷罐出口管线8、主干管线11、热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9的外部均设置有保温层，可以最大限度降低储热器内部部件间的热量传递以及储热器与外界的热量传递。
作为本发明的优选实施方式，所述热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14从管路进口到管路出口的过流断面面积单调增大，热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14的管路中心线为直线或抛物线或椭圆或双曲线，热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14的管路长度分别大于或等于热罐渐扩管路13和冷罐渐扩管路14出口的最大过流断面直径的4倍，可以平缓过渡地将流体进出热罐4或冷罐15的流速提升到四倍或降低四分之三，显著降低热罐4或冷罐15内部的局部流动损失。
作为本发明的优选实施方式，所述单向泵10从储热储能站平台2取电。
作为本发明的优选实施方式，所述热罐出口管线6的三通流入端位于热罐出口阀7与热罐出口管线6流入端之间的管路上，冷罐出口管线8的三通流入端位于冷罐出口阀9与冷罐出口管线8流入端之间的管路上，可避免在热罐4或冷罐15上分别设置两个管路接口及对应的两个渐扩管路。
如图1所示，本发明所述海上风电压缩空气储能式储热器的运行方法主要有三个阶段，分别为保持阶段、储热阶段和放热阶段，所述保持阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率在电网的可调节范围内时，海上风电机组通过升压站直接对电网供电，所述的海上风电压缩空气储能式储热器不参与间冷式空气储热储能海上风力发电系统工作，即此时热罐进口阀5、冷罐进口阀16、热罐出口阀7和冷罐出口阀9处于关闭状态，单向泵10处于非工作状态；所述储热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中风电机组的输出功率大于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开冷罐出口阀9和热罐进口阀5，冷罐进口阀16和热罐出口阀7处于关闭状态，高压透平21和低压透平20处于关闭状态，间冷式空气储热储能海上风力发电系统启动低压压缩机23、高压压缩机22和单向泵10，将多余风电电能转化为压缩空气能和热能，空气先后经过低压压缩机23和高压压缩机22两次压缩获得了压缩空气能和气体热能，压缩空气能由压缩空气携带并储存在储气囊24中，冷罐15中流出的工质经过换热器19与压缩空气进行热交换获得热能并储存在热罐4中，当冷罐15中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由储热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送放热阶段指令后开始进入放热阶段；所述放热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率小于电网的可调节范围内时，控制系统发出指令打开冷罐进口阀16和热罐出口阀7，冷罐出口阀9和热罐进口阀5处于关闭状态，启动高压透平21、低压透平20和单向泵10，低压压缩机23和高压压缩机22处于关闭状态，系统将储气囊24中压缩空气能与热罐4中工质携带的热能先后两次在换热器19中进行热交换，第一吸热后的压缩空气推动高压透平21做功，流经高压透平21的压缩空气第二吸热后的推动低压透平20做功，高压透平21和低压透平20做功发电通过储热储能站平台2和海底电缆输送到电网，热罐4流出工质在换热器19内将热量传递给压缩空气后经过回到冷罐15中，当热罐4中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由放热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送储热阶段指令后开始进入储热阶段。

Claims (7)

1.海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：包括储热器外壳(1)、热罐(4)、冷罐(15)、单向泵(10)、热罐渐扩管(13)、冷罐渐扩管(14)、储热器进口管线(17)、储热器出口管线(18)、热罐进口管线(3)、冷罐进口管线(12)、热罐出口管线(6)、冷罐出口管线(8)、主干管线(11)、热罐进口阀(5)、冷罐进口阀(16)、热罐出口阀(7)和冷罐出口阀(9)，储热器外壳(1)内部设置有热罐(4)、冷罐(15)、单向泵(10)、热罐进口管线(3)、冷罐进口管线(12)、热罐出口管线(6)、冷罐出口管线(8)和主干管线(11)，热罐进口阀(5)、冷罐进口阀(16)、热罐出口阀(7)、冷罐出口阀(9)分别位于热罐进口管线(3)、冷罐进口管线(12)、热罐出口管线(6)、冷罐出口管线(8)上，单向泵(10)位于主干管线(11)上，所述热罐(4)与热罐出口管线(6)流入端的连通位置位于热罐(4)的底部，在热罐(4)内与热罐出口管线(6)流入端以及与热罐进口管线(3)流出端的连通位置处设置有一个热罐渐扩管路(13)，所述冷罐(15)与冷罐出口管线(8)流入端的连通位置位于冷罐(15)的底部，在冷罐(15)内与冷罐出口管线(8)流入端以及与冷罐进口管线(12)流出端的连通位置处设置有一个冷罐渐扩管路(14)，热罐进口管线(3)的流出端与热罐出口管线(6)的三通流入端相连，冷罐进口管线(12)流出端与冷罐出口管线(8)的三通流入端相连，热罐进口管线(3)的流入端和冷罐进口管线(12)的流入端均与储热器进口管线(17)的流出端相连通，热罐出口管线(6)的流出端和冷罐出口管线(8)的流出端与主干管线(11)的流入端相连，主干管线(11)的流出端与储热器出口管线(18)相连，储热器进口管线(17)的流入端和储热器出口管线(18)的流出端与换热器(19)相连。
2.根据权利要求1所述的海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：储热器外壳(1)与换热器(19)、高压透平(21)、低压透平(20)、高压压缩机(22)和低压压缩机(23)均固定于储热储能站平台(2)上，储气囊(24)位于低于储热储能站平台(2)以下500至1000米深的位置，储热储能站平台(2)通过海底电缆与海上风电机组的升压站连接。
3.根据权利要求1所述的海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：所述热罐(4)和冷罐(15)内均设置有液位检测装置，热罐(4)、冷罐(15)、储热器进口管线(17)、储热器出口管线(18)、热罐进口管线(3)、冷罐进口管线(12)、热罐出口管线(6)、冷罐出口管线(8)、主干管线(11)、热罐进口阀(5)、冷罐进口阀(16)、热罐出口阀(7)和冷罐出口阀(9)的外部均设置有保温层。
4.根据权利要求1所述的海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：所述热罐渐扩管路(13)和冷罐渐扩管路(14)从管路进口到管路出口的过流断面面积单调增大，热罐渐扩管路(13)和冷罐渐扩管路(14)的管路中心线为直线或抛物线或椭圆或双曲线，热罐渐扩管路(13)和冷罐渐扩管路(14)的管路长度分别大于或等于热罐渐扩管路(13)和冷罐渐扩管路(14)出口的最大过流断面直径的4倍。
5.根据权利要求1所述的海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：所述单向泵(10)从储热储能站平台(2)取电。
6.根据权利要求1所述的海上风电压缩空气储能式储热器，其特征在于：所述热罐出口管线(6)的三通流入端位于热罐出口阀(7)与热罐出口管线(6)流入端之间的管路上，冷罐出口管线(8)的三通流入端位于冷罐出口阀(9)与冷罐出口管线(8)流入端之间的管路上。
7.海上风电压缩空气储能式储热器的运行方法，其特征在于：所述海上风电压缩空气储能式储热器的运行方法有三个阶段，分别为保持阶段、储热阶段和放热阶段，所述保持阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率在电网的可调节范围内时，海上风电机组通过升压站直接对电网供电，所述的海上风电压缩空气储能式储热器不参与间冷式空气储热储能海上风力发电系统工作，即此时热罐进口阀(5)、冷罐进口阀(16)、热罐出口阀(7)和冷罐出口阀(9)处于关闭状态，单向泵(10)处于非工作状态；所述储热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中风电机组的输出功率大于电网的可调节范围内时，储热储能站平台(2)上的控制系统发出指令打开冷罐出口阀(9)和热罐进口阀(5)，冷罐进口阀(16)和热罐出口阀(7)处于关闭状态，高压透平(21)和低压透平(20)处于关闭状态，间冷式空气储热储能海上风力发电系统启动低压压缩机(23)、高压压缩机(22)和单向泵(10)，将多余风电电能转化为压缩空气能和热能，空气先后经过低压压缩机(23)和高压压缩机(22)两次压缩获得了压缩空气能和气体热能，压缩空气能由压缩空气携带并储存在储气囊(24)中，冷罐(15)中流出的工质经过换热器(19)与压缩空气进行热交换获得热能并储存在热罐(4)中，当冷罐(15)中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由储热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送放热阶段指令后开始进入放热阶段；所述放热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率小于电网的可调节范围内时，控制系统发出指令打开冷罐进口阀(16)和热罐出口阀(7)，冷罐出口阀(9)和热罐进口阀(5)处于关闭状态，启动高压透平(21)、低压透平(20)和单向泵(10)，低压压缩机(23)和高压压缩机(22)处于关闭状态，系统将储气囊(24)中压缩空气能与热罐(4)中工质携带的热能先后两次在换热器(19)中进行热交换，第一吸热后的压缩空气推动高压透平(21)做功，流经高压透平(21)的压缩空气第二吸热后的推动低压透平(20)做功，高压透平(21)和低压透平(20)做功发电通过储热储能站平台(2)和海底电缆输送到电网，热罐(4)流出工质在换热器(19)内将热量传递给压缩空气后经过回到冷罐(15)中，当热罐(4)中工质液位低于设定液位时，间冷式空气储热储能海上风力发电系统向电网侧发送10分钟后间冷式空气储热储能海上风力发电系统从电网切除的信号，同时发出工作模式由放热阶段进入保持阶段的指令，直至电网发送储热阶段指令后开始进入储热阶段。
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