CN111058910B - 一种压水蓄热储能系统及蓄能释能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压水蓄热储能系统及蓄能释能方法，通过增压泵机组将常温常压储水罐内的水经加热器后加压存储至高温高压储水罐内形成高温高压水质存储势能，利用增压泵机组和加热器对负荷低谷期或在余热富集时能量进行转换存储；对于高温高压气体利用高压蒸汽透平回收，通过再热器进行加热使多余水气进行低压蒸汽透平回流回收，再通过冷却器进行能量回收及冷却进行二级能量回收，最后通过水轮机进行工质降压稳定进行三级回收，从而形成闭环蓄释能系统，只需要一个高温高压储水罐进行储能，结构简单，且能够确保采用常温常压储水罐进行工质存储，无地理势差要求，且利用高温高压水汽混合存储，运行效率高，势能过程回收效率高。

Description

一种压水蓄热储能系统及蓄能释能方法
技术领域
本发明涉及物理储能技术领域，特别涉及一种压水蓄热储能系统及蓄能释能方法。
背景技术
为解决间歇式可再生能源大规模并网难题，提升电网运行效率、安全性、经济性，发展大规模电能存储技术成为国内外研究学者共同关注的焦点。储能技术作为电力系统的一种过渡技术，能够将电力负荷低谷时可再生能源产生的电能储存起来，待到外界需要能量时，再通过一定的方式输出，可以对电网起到削峰填谷的作用，有效缓解电力负荷的不稳定问题，提升可再生能源发电并网利用率。
目前，储能技术的种类较多，而在众多物理储能技术中，可进行大规模应用的仅有压缩空气储能技术(CAES)和抽水蓄能技术(PHES)。压缩空气储能系统在电网电力负荷低谷期利用压缩机组吸收电网中的富裕电能，将电能转换为空气的势能储存起来，而在电网负荷高峰期，系统通过膨胀机组将储存的势能转换为电能提供给电网，从而有效解决电网负荷波动问题，该技术对环境要求较低，储能容量大，响应速度快，可以平衡负荷，实现冷启动和黑启动。抽水蓄能技术利用电力负荷低谷时的电能驱动水泵将水从下水库抽至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库驱动水轮机做功发电，该技术具有较高的运行效率、投资成本低、寿命周期长、容量大等优点。
虽然压缩空气储能和抽水蓄能技术均已实现商业化应用，但由于抽水蓄能技术对地理环境、选址要求较高，且压缩空气储能技术运行效率较低、投资成本高等问题，导致这两类技术在商业应用推广中受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压水蓄热储能系统及蓄能释能方法，以克服现有技术运行效率较低、蓄水选址要求高的问题，本发明能够利用水泵和水轮机实现压力势能的存储与释放，可以有效避免系统的不可逆损失，提升系统运行效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种压水蓄热储能系统，包括常温常压储水罐、高温高压储水罐、闪蒸罐、冷却器和水轮机，常温常压储水罐的出水口和高温高压储水罐进水口之间依次连接有增压泵机组和加热器，高温高压储水罐的出水口连接于闪蒸罐进水口，闪蒸罐的气体出口连接有高压蒸汽透平，高压蒸汽透平连接有第一发电机，闪蒸罐的液体出口连接有再热器，再热器的出口连接于低压蒸汽透平入口，低压蒸汽透平连接有第二发电机，高压蒸汽透平出口和低压蒸汽透平出口连接于冷却器入口，冷却器出口连接于水轮机入口，水轮机连接有第三发电机，水轮机的出口连接于常温常压储水罐入水口。
进一步的，增压泵机组与加热器之间设有整流器。
进一步的，常温常压储水罐的出水口与增压泵机组之间设有第一阀门，加热器和高温高压储水罐之间设有第二阀门。
进一步的，高温高压储水罐出口和闪蒸罐入口之间设有第三阀门，水轮机的出口和常温常压储水罐入水口之间设有第四阀门。
进一步的，常温常压储水罐上设有第一温度计和第一压力表。
进一步的，高温高压储水罐上设有第二温度计和第二压力表。
进一步的，常温常压储水罐、高温高压储水罐和闪蒸罐外壁均设有绝热材料层。
进一步的，常温常压储水罐的出水口设置于常温常压储水罐底部；高温高压储水罐的出水口设置于高温高压储水罐底部。
一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，包括以下步骤：
电网电力负荷低谷期或在余热富集时段，通过增压泵机组将常温常压储水罐中的工质经加热器加热后压缩至高温高压储水罐内完成储能，储能过程中高温高压储水罐的出水口关闭。
一种压水蓄热储能系统的释能方法，步骤1)，将高温高压储水罐中的饱和水通过闪蒸罐进行降压产生高温高压蒸汽和未饱和水，使高温高压蒸汽进入高压蒸汽膨胀机做功驱动发电机发电输出电能；同时对闪蒸罐底部未饱和水进行再加热后通过低压蒸汽透平膨胀做功带动发电机输出电能；
步骤2)，然后利用冷却器对流经低压蒸汽透平和高压蒸汽透平的蒸汽进行冷却稳流余热回收形成水流，
步骤3)，最后将冷却稳流余热回收后的水流通过水轮机发电降速后通入常温常压储水罐内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种压水蓄热储能系统，利用常温常压储水罐、高温高压储水罐、闪蒸罐、冷却器和水轮机组成闭环蓄释能系统，通过常温常压储水罐进行常温常压水储存，通过增压泵机组经加热器后的水进行加热加压存储至高温高压储水罐内形成高温高压水质存储势能，利用增压泵机组和加热器对负荷低谷期或在余热富集时能量进行转换存储，而在需要电能时通过闪蒸罐进行高温高压水质调压分离分别进行能量回收，对于高温高压气体利用高压蒸汽透平回收，防止高温未饱和水淤积在闪蒸罐内，通过再热器进行加热使多余水气进行低压蒸汽透平回流回收，再通过冷却器进行能量回收及冷却进行二级能量回收，最后通过水轮机进行工质降压稳定进行三级回收后回流至常温常压储水罐，从而形成闭环蓄释能系统，只需要一个高温高压储水罐进行储能，结构简单，且能够确保采用常温常压储水罐进行工质存储，无地理势差要求，且利用高温高压水汽混合存储，运行效率高，势能过程回收效率高。
进一步的，增压泵机组与加热器之间设有整流器，确保加热加压过程水流稳定，且增压泵机组设置于加热器之后，防止增压泵机组受高温高压水汽腐蚀，提高增压泵机组使用寿命。
进一步的，常温常压储水罐的出水口与增压泵机组之间设有第一阀门，加热器和高温高压储水罐之间设有第二阀门，有利于势能和蓄能调节，确保系统稳定。
进一步的，常温常压储水罐上设有第一温度计和第一压力表，高温高压储水罐上设有第二温度计和第二压力表，有利于常温常压储水罐和高温高压储水罐内压力监测。
进一步的，一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，在电网电力负荷低谷期或在余热富集时段，通过增压泵机组将常温常压储水罐中的工质经加热器加热后压缩至高温高压储水罐内完成储能，储能过程中高温高压储水罐的出水口关闭，利用加热水汽高压存储，提高能量存储效率。
进一步的，一种压水蓄热储能系统的释能方法，将高温高压储水罐中的饱和水通过闪蒸罐进行降压产生高温高压蒸汽和未饱和水，使高温高压蒸汽进入高压蒸汽膨胀机做功驱动发电机发电输出电能；同时对闪蒸罐底部未饱和水进行再加热后通过低压蒸汽透平膨胀做功带动发电机输出电能，防止未饱和的高温水滞留，降低整体工质回流效率，然后利用冷却器对流经低压蒸汽透平和高压蒸汽透平的蒸汽进行冷却稳流余热回收形成水流，提高高温水流能量回收，最后将冷却稳流余热回收后的水流通过水轮机发电降速后通入常温常压储水罐内，从而实现三级能量回收，确保能量回收过程系统稳定，确保释能过程中工质的稳定，从而确保了整体闭环系统的稳定。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图1中：1、常温常压储水罐；2、第一温度计；3、第一压力表；4、第一阀门；5、增压泵机组；6、电动机；7、整流器；8、加热器；9、第二阀门；10、第二温度计；11、第二压力表；12、高温高压储水罐；13、第三阀门；14、闪蒸罐；15、高压蒸汽透平；16、第一发电机；17、再热器；18、低压蒸汽透平；19、第二发电机；20、冷却器；21、水轮机；22、第三发电机；23、第四阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种压水蓄热储能系统，包括常温常压储水罐1、高温高压储水罐12、闪蒸罐14、冷却器20和水轮机21，常温常压储水罐1的出水口和高温高压储水罐12进水口之间依次连接有增压泵机组5和加热器8，高温高压储水罐12的出水口连接于闪蒸罐14进水口，闪蒸罐14的气体出口连接有高压蒸汽透平15，高压蒸汽透平15连接有第一发电机16，闪蒸罐14的液体出口连接有再热器17，闪蒸罐14的液体出口与再热器17入口连接，再热器17的出口连接于低压蒸汽透平18入口，低压蒸汽透平18连接有第二发电机19，高压蒸汽透平15出口和低压蒸汽透平18出口连接于冷却器20入口，冷却器20出口连接于水轮机21入口，水轮机21连接有第三发电机22，水轮机21的出口连接于常温常压储水罐1入水口。冷却器20用于冷却从低压蒸汽透平18和高压蒸汽透平15流出的湿蒸汽，回收的热能用于给用户制冷或直接供热进行热量回收；水轮机21用于释放水的压力释能，将其转变为电能供进行回收。闪蒸罐14中的闪蒸压力设定可根据实际释能需求进行设定，闪蒸级数根据闪蒸压力确定，闪蒸级数为一级、两级或多级数，闪蒸罐14外壁设有绝热层。
常温常压储水罐1的出水口设置于常温常压储水罐1底部，有利于常温常压储水罐1内液体流出且减少增压泵机组做功。
常温常压储水罐1上设有第一温度计2和第一压力表3，常温常压储水罐1在储能和释能过程中保持环境温度和环境压力，常温常压储水罐1出水口与增压泵机组5连接，增压泵机组5通过电机6驱动做功；增压泵机组5与加热器8之间设有整流器7；电机6驱动增压泵机组5运行，增压泵机组5由多个增压泵串联组合而成，增压泵机组与加热器之间设有整流器，整流器的作用是降低流体速度，使流体的流动更加平稳。
常温常压储水罐1的出水口与增压泵机组5之间设有第一阀门4，加热器8和高温高压储水罐12之间设有第二阀门9，第一阀门4和第二阀门9保持同时开启或同时关闭；用于控制系统储能或释能阶段的工作设备。
高温高压储水罐12上设有第二温度计10和第二压力表11；高温高压储水罐12出口和闪蒸罐14入口之间设有第三阀门13，水轮机21的出口和常温常压储水罐1入水口之间设有第四阀门23；高温高压储水罐12流出的工质首先在闪蒸罐14中闪蒸为过热蒸汽和带压带温水，过热蒸汽在高压蒸汽透平15中做功膨胀为湿饱和蒸汽，闪蒸罐14中产生的带压带温水在再热器17中加热为低压过热蒸汽，低压过热蒸汽在低压蒸汽透平18中做功膨胀为湿蒸汽。常温常压储水罐1和高温高压储水罐12外壁均设有绝热材料层。
加热器8的热量由电能直接转化产生或由工业余热提供，所述加热器形式不限于电加热器、电磁加热器和余热利用设备。再热器所需的热量由电能直接提供或由工业余热提供，再热器加热所需电能来源不限于可再生能源电厂或电网；再热器形式不限于电加热器、电磁加热器和余热利用设备。温常压储水罐1顶部安装有第一温度计2和第一压力表3，高温高压储水罐12顶部安装有第二温度计10和第二压力表11；电网电力负荷低谷期或在余热富集时段。
一种压缩水蓄能方法，包括以下步骤：
进行储能过程，电动机6消耗电能，通过增压泵机组将常温常压储水罐1中的工质经整流器7稳流后进入加热器8被加热为高压饱和水，然后经过第二阀门9进入高温高压储水罐12内。储能过程中第一阀门4和第二阀门9均开启，第三阀门13和第四阀门23均关闭；加热器8中的热量可由电加热、电磁加热或余热提供；所述工质为水。高温高压储水罐内工质的状态不限于亚临界、临界、超临界及超超临界；系统的应用范围不限于传统火电厂、新能源电厂及调峰电厂。
电网电力负荷高峰期，关闭第一阀门4和第二阀门9，开启第三阀门13和第四阀门23，将高温高压储水罐12中的饱和水流经第三阀门13进入闪蒸罐14，饱和水在闪蒸罐14内降压产生蒸汽和高温未饱和水，蒸汽进入高压蒸汽膨胀机15做功，并驱动第一发电机16发电输出电能；闪蒸罐14底部液体出口与再热器17入口连接，未饱和水进入再热器17被电或余热加热为过热蒸汽，加热形式不限于电加热、电磁加热和余热加热；加热后的过热低压蒸汽从再热器17出口流出，进入低压蒸汽透平18膨胀做功带动第二发电机19输出电能，完成释能过程；
低压蒸汽透平18、高压蒸汽透平15的出口与冷却器20的热流体入口段连接，冷却器20的冷端工质为水或空气，湿蒸汽在冷却器20内被冷却为带压液态水，冷端工质所吸收的热量可以用于供热或制冷。
冷却器20与水轮机21连接，冷却水进入水轮机21，冲击水轮机21的叶片旋转做功，发电机22输出电能；水轮机21的形式可根据水头大小选定运行效率较高的型号。水轮机21出口与常温常压水罐1的入口连接，水轮机21出口流体为带压流体，压力设定可根据克服管道阻力所需的条件进行设定。
本发明中采用一级闪蒸形式产生过热蒸汽，为了提升系统运行效率，在实际运行的系统中不限于一级、两级、三级或更多闪蒸级数。高温高压储水罐12在储能和释能过程中一直处于带压状态，储能开始前罐内压力的设定可根据所需闪蒸压力进行设定。

Claims (7)

1.一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，所述压水蓄热储能系统包括常温常压储水罐(1)、高温高压储水罐(12)、闪蒸罐(14)、冷却器(20)和水轮机(21)，常温常压储水罐(1)的出水口和高温高压储水罐(12)进水口之间依次连接有增压泵机组(5)和加热器(8)，高温高压储水罐(12)的出水口连接于闪蒸罐(14)进水口，闪蒸罐(14)的气体出口连接有高压蒸汽透平(15)，高压蒸汽透平(15)连接有第一发电机(16)，闪蒸罐(14)的液体出口连接有再热器(17)，再热器(17)的出口连接于低压蒸汽透平(18)入口，低压蒸汽透平(18)连接有第二发电机(19)，高压蒸汽透平(15)出口和低压蒸汽透平(18)出口连接于冷却器(20)入口，冷却器(20)出口连接于水轮机(21)入口，水轮机(21)连接有第三发电机(22)，水轮机(21)的出口连接于常温常压储水罐(1)入水口，增压泵机组(5)与加热器(8)之间设有整流器(7)，常温常压储水罐(1)、高温高压储水罐(12)和闪蒸罐(14)外壁均设有绝热材料层；
具体包括以下步骤：电网电力负荷低谷期或在余热富集时段，通过增压泵机组将常温常压储水罐中的工质经加热器加热后压缩至高温高压储水罐内完成储能，储能过程中高温高压储水罐的出水口关闭。
2.根据权利要求1所述的一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，常温常压储水罐(1)的出水口与增压泵机组(5)之间设有第一阀门(4)，加热器(8)和高温高压储水罐(12)之间设有第二阀门(9)。
3.根据权利要求2所述的一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，高温高压储水罐(12)出口和闪蒸罐(14)入口之间设有第三阀门(13)，水轮机(21)的出口和常温常压储水罐(1)入水口之间设有第四阀门(23)。
4.根据权利要求1所述的一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，常温常压储水罐(1)上设有第一温度计(2)和第一压力表(3)。
5.根据权利要求4所述的一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，高温高压储水罐(12)上设有第二温度计(10)和第二压力表(11)。
6.根据权利要求1所述的一种压水蓄热储能系统的蓄能方法，其特征在于，常温常压储水罐(1)的出水口设置于常温常压储水罐(1)底部；高温高压储水罐(12)的出水口设置于高温高压储水罐(12)底部。
7.一种压水蓄热储能系统的释能方法，其特征在于，所述压水蓄热储能系统包括常温常压储水罐(1)、高温高压储水罐(12)、闪蒸罐(14)、冷却器(20)和水轮机(21)，常温常压储水罐(1)的出水口和高温高压储水罐(12)进水口之间依次连接有增压泵机组(5)和加热器(8)，高温高压储水罐(12)的出水口连接于闪蒸罐(14)进水口，闪蒸罐(14)的气体出口连接有高压蒸汽透平(15)，高压蒸汽透平(15)连接有第一发电机(16)，闪蒸罐(14)的液体出口连接有再热器(17)，再热器(17)的出口连接于低压蒸汽透平(18)入口，低压蒸汽透平(18)连接有第二发电机(19)，高压蒸汽透平(15)出口和低压蒸汽透平(18)出口连接于冷却器(20)入口，冷却器(20)出口连接于水轮机(21)入口，水轮机(21)连接有第三发电机(22)，水轮机(21)的出口连接于常温常压储水罐(1)入水口，增压泵机组(5)与加热器(8)之间设有整流器(7)，常温常压储水罐(1)、高温高压储水罐(12)和闪蒸罐(14)外壁均设有绝热材料层；
包括以下步骤：
步骤1)，将高温高压储水罐中的饱和水通过闪蒸罐进行降压产生高温高压蒸汽和未饱和水，使高温高压蒸汽进入高压蒸汽膨胀机做功驱动发电机发电输出电能；同时对闪蒸罐底部未饱和水进行再加热后通过低压蒸汽透平膨胀做功带动发电机输出电能；
步骤2)，然后利用冷却器对流经低压蒸汽透平和高压蒸汽透平的蒸汽进行冷却稳流余热回收形成水流，
步骤3)，最后将冷却稳流余热回收后的水流通过水轮机发电降速后通入常温常压储水罐内。
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