CN110778442B - 一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法与系统，包括竖管群、电动机组、可逆式水泵水轮机组和发电机组，竖管群的上端封闭且沿竖直方向伸出海平面外，竖管群的下端伸入海中后，与可逆式水泵水轮机组连接，可逆式水泵水轮机组并联有进水截止阀和排水截止阀，可逆式水泵水轮机组和发电机组连接并置于海底，电动机组两端分别连接至可逆式水泵水轮机组和燃气—蒸汽联合循环机组。在用电谷期，燃气—蒸汽联合循环机组中过剩的输出电力驱使电动机组转动，可逆式水泵水轮机组将竖管群内的水排出，在竖管群内蓄能，减少了能源浪费。竖管群的一端露出海面，通气孔与竖管群的竖管内部连通，竖管群的管壁承受压力小，对材质要求低，建造成本低。

Description

一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法与系统
技术领域
本发明涉及电力蓄能调控技术领域，进一步涉及燃气—蒸汽联合循环调峰技术领域，特 别是涉及一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法与系统。
背景技术
电力从生产到输送再到使用是同时发生的，一般也无法直接大规模存储电力；而在实际 工程应用中，需求侧负荷受昼夜、季节的影响波动性比较大，往往与热电联产系统输出的电 功率不匹配；电力负荷需求瞬息万变，例如在一天之中，下半夜低谷时期的电力需求往往是 白天、上半夜高峰时期电力需求的一半甚至更少；因而电站需采取系列措施协调相关发电设 备以实现合理的电力供需平衡；对燃气—蒸汽联合循环机组而言，这样的峰谷调节灵敏度往 往受到运行设施的限制；实际工程应用过程中，往往因而造成电力过剩、系统效率低等问题。 因此需要采用合理的调控方式以及合理可行的蓄能方式来提升调峰电源的能效，减少能源浪 费，实现更好的能源有效利用。
目前海水抽水蓄能技术日趋成熟，应用越来越广泛。海水抽水蓄能系统是指以传统的抽 水蓄能系统为基础，利用海水作为一种新型的泵送蓄能形式，在一定距离上建造的一个高原 水库，作为高位水库系统，而利用海洋作为低储层；海水抽水蓄能电站作为抽水蓄能电站的 一种新型式，是一项能够实现大规模和长时间电能存储的储能技术。但传统的海水抽水蓄能， 一般是在相对高位处建立高原水库；致使建筑工程巨大，耗资高昂。
目前，利用海洋作为储释能场所进行剩余电力存储的发明设计思路已有。申请公布号为 CN 105927455 A、申请日为2016年6月29日的发明专利申请公开了名称为一种利用海底压 力能的储水发电系统的专利文件，主要包括存储容器、海水抽水蓄能机组和压力管道；一定 程度上解决传统抽水蓄能对淡水资源的依赖、电力过剩存储的问题。但是参考文件中并未公 开提升调峰电源能效的方法，另外，由于存储容器置于海底，建造和维护成本高，不适宜大 范围推广。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种竖管充排海水蓄 能提升调峰电源能效的方法与系统，实现提升联合循环调峰性能和减少能源浪费。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统， 包括竖管群、电动机组、可逆式水泵水轮机组和发电机组，所述可逆式水泵水轮机组和发电 机组置于海底，所述电动机组的一端与可逆式水泵水轮机组的动力源连接，电动机组的另一 端连接至燃气—蒸汽联合循环机组，所述发电机组与可逆式水泵水轮机组的发电输出端连接， 所述竖管群的下端伸入海中后，通过进出水口与可逆式水泵水轮机组的第一水口连接，竖管 群的上端设有通气孔，竖管群的上端竖直方向伸出海平面外，可逆式水泵水轮机组的第二水 口并联有进水截止阀和排水截止阀。
上述系统至少具有以下有益效果：在用电谷期，燃气—蒸汽联合循环机组中过剩的输出 电力驱使电动机组转动，可逆式水泵水轮机组将竖管群内的水排出，在竖管群内蓄能，减少 了能源浪费，提高了燃气—蒸汽联合循环机组中燃气轮机的运行效率与能源利用率，极大程 度地解决了电力过剩的问题；在用电峰期，海水沿着管路和可逆式水泵水轮机组进入竖管群， 可逆式水泵水轮机组驱使发电机组发电，并将电力输出，对外界负荷变化的适应性强，调峰 速度快，启停简单迅速。竖管群的一端露出海面，通过通气孔与竖管群的竖管内部连通，竖 管群的管壁承受压力小，对材质要求低，建造成本低。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述竖管群和/或可逆式水泵水轮机组建在靠岸 浅海面海域。竖管群和/或可逆式水泵水轮机组基于靠岸浅海面海域建设，建设难度低，且竖 管群的管壁承受压力小，对材质要求更低，建造成本低。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述竖管群中外露在海平面的管体部分设有检 修口和将检修口封闭的检修门。检修口位于海平面上，定期检修更方便，有利于排查问题。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述可逆式水泵水轮机组的第二水口主管道上 设有水量调节阀。水量调节阀用于控制进水或排水的量，具体控制用电谷期或用电峰期时， 管路中水的流量。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述竖管群的竖管内安装有水位指示器。水位 指示器用于显示竖管群内水面的高度，水位指示器的数据输送至显示屏，实现目视化监测。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述燃气—蒸汽联合循环机组包括燃气轮机组 与蒸汽循环机组，所述燃气轮机组主要包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述燃烧室与压气 机的出口端通过管道连接，所述燃烧室进口端与燃料管道连接，所述燃气透平与燃烧室的出 口端通过管道连接，所述蒸汽循环机组与燃气透平的乏汽出口端通过管道连接，燃气透平具 有用户电输出端和蓄能输出端，蓄能输出端与电动机组连接。环境空气进入压气机后，环境 空气被压缩为高压空气，高压空气进入燃烧室与燃料混合并燃烧生成高温高压燃气，燃气进 入燃气透平膨胀做功输出电功率，从燃气透平出来的乏汽进入蒸汽循环机组中的余热锅炉， 乏汽在余热锅炉中利用乏汽余热加热给水产生高温蒸汽，部分高温蒸汽推动汽轮机做功发电 供至用户，部分高温蒸汽直接供热给用户。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述压气机的入口安装有空气流量阀，所述燃 烧室的入口有燃料流量阀。空气流量阀用于控制进入压气机中的空气量，燃料流量阀用于控 制进入燃烧室的燃气量，两者配合，用于控制燃气轮机组的发电输出量，已实现在用电谷期 或用电峰期灵活调整发电输出量。
根据本发明第一方面实施例所述的系统，所述进水截止阀的进水端安装有过滤网。过滤 网防止海洋生物或者海洋废弃物经进水截止阀进入可逆式水泵水轮机组和竖管群。
根据本发明的第二方面实施例，提供一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法， 在用电谷期，燃气—蒸汽联合循环机组中过剩的输出电力驱使电动机组转动，可逆式水泵水 轮机组将竖管群内的水排出，在竖管群内蓄能；在用电峰期，海水沿着管路和可逆式水泵水 轮机组进入竖管群，可逆式水泵水轮机组驱使发电机组发电，并将电力输出。
上述方法至少具有以下有益效果：在用电谷期，燃气—蒸汽联合循环机组中过剩的输出 电力驱使电动机组转动，可逆式水泵水轮机组将竖管群内的水排出，在竖管群内蓄能，减少 了能源浪费，提高了燃气—蒸汽联合循环机组中燃气轮机的运行效率与能源利用率，极大程 度地解决了电力过剩的问题；在用电峰期，海水沿着管路和可逆式水泵水轮机组进入竖管群， 可逆式水泵水轮机组驱使发电机组发电，并将电力输出，对外界负荷变化的适应性强，调峰 速度快，启停简单迅速。
根据本发明第二方面实施例所述的方法，在用电谷期和/或在用电峰期，调控中心检测空 气流量阀的开度、燃料流量阀的开度、水量调节阀的开度、燃气透平供电功率分配比例和蒸 汽循环供电功率分配比例的数据，调控中心根据检测数据调控空气流量阀的开度、燃料流量 阀的开度、水量调节阀的开度、燃气透平供电功率分配比例和蒸汽循环供电功率分配比例。 调控中心实时检测多项数据，并根据检测到用户侧实时用电、用热需求变化及趋势，综合处 理分析后，在系统机组各项指标可调配限度前提下，在竖管群内水面指示高度于安全合理情 况下，对空气流量阀、燃料流量阀、水量调节阀开度以及燃气透平和蒸汽循环向用户侧与向 电动机组供电比例各项进行综合调控，以期更综合地、平稳地、高效地实现联合循环机组调 峰，有效避免或降低能源浪费。
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 图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领 域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2(a)为用户侧用电需求逐渐降低时的调控方法示意框图；
图2(b)为用户侧用电需求逐渐增强时的调控方法示意框图；
图2(c)为突遇降温天气，用户侧用电、用热需求突增且用热需求增加更强烈时的调控 方法示意框图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作 用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术 特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、 超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二 只是用于区分技术特征为目的，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 技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属 技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，包括竖管群7、电动机组8、 可逆式水泵水轮机组9和发电机组10，所述可逆式水泵水轮机组9和发电机组10置于海底， 所述电动机组8的一端与可逆式水泵水轮机组9的动力源连接，电动机组8的另一端连接至 燃气—蒸汽联合循环机组14，所述发电机组10与可逆式水泵水轮机组9的发电输出端连接， 所述竖管群7的下端伸入海中后，通过进出水口与可逆式水泵水轮机组9的第一水口连接， 竖管群7的上端设有通气孔19，竖管群7的上端且沿竖直方向伸出海平面外，可逆式水泵水 轮机组9的第二水口并联有进水截止阀12和排水截止阀17。竖管群7中外露在海平面的管 体部分设有检修口18和将检修口18封闭的检修门。可逆式水泵水轮机组9的第二水口主管 道上设有水量调节阀11。燃气—蒸汽联合循环机组14包括燃气轮机组与蒸汽循环机组4，所 述燃气轮机组主要包括压气机1、燃烧室2和燃气透平3，所述燃烧室2与压气机1的出口端 通过管道连接，所述燃烧室2进口端与燃料管道连接，所述燃气透平3与燃烧室2的出口端 通过管道连接，所述蒸汽循环机组4与燃气透平3的乏汽出口端通过管道连接，燃气透平3 具有用户电输出端和蓄能输出端，蓄能输出端与电动机组8连接。压气机1的入口安装有空 气流量阀5，所述燃烧室2的入口有燃料流量阀6。蒸汽机组具有余热锅炉和用于发电的汽轮 机。
优选地，竖管群7具有多根竖管，竖管的下端并联后，与可逆式水泵水轮机组9连接。 至少一根竖管内安装有水位指示器13。
优选地，竖管群上端的通气孔19高于靠岸浅海面海域涨潮时海平面高度。
进一步的，竖管群上端的通气孔19高于靠岸浅海面海域涨潮时海平面2～5米。
优选地，竖管群的通气孔19直径为30～50mm。
进一步的，竖管群的通气孔19直径为30或40mm。通气孔19安装有过滤网。该过滤网主要起过滤和防护作用，防止海洋杂物或者鸟类进入到竖管内。
优选地，竖管群的竖管直径为2～20m。进一步的，竖管群的竖管直径为2、5、10或15m。
优选地，燃气—蒸汽联合循环机组14对电动机组8的供电，可以通过燃气透平3或蒸汽 循环机组4对电动机组8供电。
优选地，可逆式水泵水轮机组9包括多台可逆式水泵水轮机。多台可逆式水泵水轮机通 过串联或者并联方式连接。在并联的连接方式中，可逆式水泵水轮机组9中的各分轴与主驱 动轴动连接。
优选地，可逆式水泵水轮机为混流式水轮机、斜流式水轮机或贯流式水轮机。
优选地，竖管群7和可逆式水泵水轮机组9采用固定桩、吸力锚或压载物直接压制固定 在靠岸浅海面海域的海底。
燃气轮机组以环境空气和燃料为原料，在燃气—蒸汽联合循环机组14中，环境空气进入 压气机1后，环境空气被压缩为高压空气，高压空气进入燃烧室2与燃料混合并燃烧生成高 温高压燃气，燃气进入燃气透平3膨胀做功输出电功率，从燃气透平3出来的乏汽进入蒸汽 循环机组4中的余热锅炉，乏汽在余热锅炉中利用乏汽余热加热给水产生高温蒸汽，部分高 温蒸汽推动汽轮机做功发电供至用户，部分高温蒸汽直接供热给用户。
在用电谷期，由于需求侧负荷降低，燃气轮机输出电力过剩，剩余电力驱动电动机组8 工作，通过电动机组8将电能转换为机械能并传递到可逆式水泵水轮机组9，在相应的排水 截止阀17打开和进水截止阀12关闭的情形下，可逆式水泵水轮机组9正转将海水从竖管群 7由相应管道经可逆式水泵水轮机组9、水量调节阀11和排水截止阀17排出，将电能储存起 来。
在用电峰期，由于用户侧电力需求大，燃气—蒸汽联合循环机组14中电力供应不足时， 则打开进水截止阀12，关闭排水截止阀17，由于竖管群7内水面低于海平面，海水会由相应 管道经过滤网16、进水截止阀12、水量调节阀11和可逆式水泵水轮机组9进入竖管群7内； 上述进水过程中，海水会推动可逆式水泵水轮机组9反转做功，与可逆式水泵水轮机组9连 接的发电机组10则发电，将电力供应至用户侧。
除上述简单的电力剩余和电力不足的调控实施例外；为更好地实现根据用户需求的燃气 —蒸汽联合循环机组14调峰，如图2示意，提供了竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系 统综合调控方法。主要包括以下三个调控实施例：
首先，调控中心相应检测数据有：空气流量阀5、燃料流量阀6、水量调节阀11的开度 以及水位指示器13的检测数据、燃气透平3供电功率分配比例、蒸汽循环机组4供电功率分 配比例多项实时数据。燃气透平3供电功率分配比例指的是用户侧供电/电动机组8之间的供 电比例。蒸汽循环机组4供电功率分配比例指的是用户侧供电/电动机组8之间的供电比例。
实施例一：
如图2(a)所示，其为用户侧由白天、上半夜用电峰期逐渐过度至下半夜、凌晨用电谷 期时系统的调控方法。由于用电峰期电力供应量大，在逐步渐入用户侧需求小的过程中，电 力过剩逐渐加强；接到用户需求降低的指令，调控中心在系统机组各项指标可调配限度前提 下，综合调配各个控制阀门开度和供电功率分配比例，空气流量阀5的开度与燃料流量阀6 的开度减小；燃气透平3和蒸汽循环机组4向用户侧供电比例降低；燃气透平3和/或蒸汽循 环机组4向电动机组8的供电比例提升；水量调节阀11根据可逆式水轮机需求调节开度；排 水截止阀17打开或者保持打开并调整合适开度；进水截止阀12关闭或者保持关闭；发电机 组10停止工作或保持停止工作。上述调控措施实时动态配合逐步降低的用户需求，以更平稳、 高效地实现联合机组调峰，且有效避免或降低能源浪费。
实施例二：
如图2(b)所示，其为用户侧需求由下半夜、凌晨用电谷期逐渐过度至白天、上半夜用 电峰期时系统的调控方法。由于用电谷期电力供应量相对较小，在逐步渐入用户侧需求大的 过程中，电力不足逐渐增强；接到用户需求升高的指令，在系统机组各项指标可调配限度前 提下，综合调配各个控制阀门开度和供电功率分配比例，空气流量阀5与燃料流量阀6开度 增加；燃气透平3和蒸汽循环机组4向用户侧供电比例升高或者完全向用户侧供电；燃气透 平3和/或蒸汽循环机组4向电动机组8的供电比例降低，甚至停止向其供电；水量调节阀11 根据可逆式水轮机需求调节开度；排水截止阀17关闭或者保持关闭；进水截止阀12打开或 保持打开并调整合适开度；发电机组10开始工作或者工作功率增强。上述措施实时动态配合 逐步升高的用户需求，以更综合平稳地、高效地实现联合机组调峰；有效避免或降低能源浪 费。
实施例三：
如图2(c)所示，在突然遇到寒流来袭等快速极端降温天气，用户侧供热需求急速增大； 由于供热需求增加，在系统机组各项指标可调配限度前提下，综合调配各个控制阀门开度和 供电功率分配比例，空气流量阀5与燃料流量阀6开度增加；蒸汽循环机组4中，在汽轮机 抽汽限度内，汽轮机抽汽向用户侧供热增加，即向用户侧供热比例增强，供电比例下降；燃 气透平3向用户侧的供电比例实时调控；电动机组8、发电机组10工况实时调控；水量调节 阀11根据可逆式水轮机需求调节开度；排水截止阀17和进水截止阀12根据电动机组8和发 电机组10工作与否相应打开或关闭。上述措施实时动态配合由于极端天气而引起的短时间内 升高的用户需求，该调控的优势在于：在可调控范围内，更多地满足用户的供热需求而不至 于更多浪费燃气—蒸汽联合循环机组14生产的过剩电力，实现了热电联产机组的电源有效调 峰，同时也有效降低的能源浪费。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例， 熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些 等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：包括竖管群、电动机组、可逆式水泵水轮机组和发电机组，所述可逆式水泵水轮机组和发电机组置于海底，所述电动机组的一端与可逆式水泵水轮机组的动力源连接，电动机组的另一端连接至燃气—蒸汽联合循环机组，所述发电机组与可逆式水泵水轮机组的发电输出端连接，所述竖管群的下端伸入海中后，通过进出水口与可逆式水泵水轮机组的第一水口连接，竖管群的上端设有通气孔，通过通气孔与竖管群的竖管内部连通，竖管群的上端沿竖直方向伸出海平面外，可逆式水泵水轮机组的第二水口并联有进水截止阀和排水截止阀；所述燃气—蒸汽联合循环机组包括燃气轮机组与蒸汽循环机组，所述燃气轮机组主要包括压气机、燃烧室和燃气透平，所述燃烧室与压气机的出口端通过管道连接，所述燃烧室进口端与燃料管道连接，所述燃气透平与燃烧室的出口端通过管道连接，所述蒸汽循环机组与燃气透平的乏汽出口端通过管道连接，燃气透平具有用户电输出端和蓄能输出端，蓄能输出端与电动机组连接。
2.根据权利要求1所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述竖管群和/或可逆式水泵水轮机组建在靠岸浅海面海域。
3.根据权利要求1所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述竖管群中外露在海平面的管体部分设有检修口和将检修口封闭的检修门。
4.根据权利要求1所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述可逆式水泵水轮机组的第二水口主管道上设有水量调节阀。
5.根据权利要求4所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述竖管群的竖管内安装有水位指示器。
6.根据权利要求5所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述压气机的入口安装有空气流量阀，所述燃烧室的入口有燃料流量阀。
7.根据权利要求1所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：所述进水截止阀的进水端安装有过滤网。
8.一种竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法，采用如权利要求6所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的系统，其特征在于：在用电谷期，燃气—蒸汽联合循环机组中过剩的输出电力驱使电动机组转动，可逆式水泵水轮机组将竖管群内的水排出，在竖管群内蓄能；在用电峰期，海水沿着管路和可逆式水泵水轮机组进入竖管群，可逆式水泵水轮机组驱使发电机组发电，并将电力输出。
9.根据权利要求8所述的竖管充排海水蓄能提升调峰电源能效的方法，其特征在于：在用电谷期和/或在用电峰期，调控中心检测空气流量阀的开度、燃料流量阀的开度、水量调节阀的开度、燃气透平供电功率分配比例和蒸汽循环供电功率分配比例的数据，调控中心根据检测数据调控空气流量阀的开度、燃料流量阀的开度、水量调节阀的开度、燃气透平供电功率分配比例和蒸汽循环供电功率分配比例。
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