CN111140297B - 一种高能量密度蓄释能系统及蓄能释能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能量密度蓄释能系统及蓄能释能方法，利用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，在需要电能时通过再热器直接对高温高压储水罐内高温高压工质进行再加热形成完全饱和过热蒸汽，完全饱和过热蒸汽在高压蒸汽透平中做功膨胀为湿饱和蒸汽使高温高压储水罐出来的工质简单加热即可达到最大蒸汽能量回收要求，然后对流入冷却器进行余热回收冷却后回流至常温储水罐中，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

一种高能量密度蓄释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，特别涉及一种高能量密度蓄释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高能量密度蓄释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：

一种高能量密度蓄释能系统，包括常温储水罐、高温高压储水罐、再热器和冷却器，常温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再热器进水口，再热器的气体出口连接有高压蒸汽透平，高压蒸汽透平连接有发电机，高压蒸汽透平出口连接于冷却器入口，冷却器的液体出口连通于常温储水罐入口。

进一步的，常温常温储水罐上设有第一温度计和第一压力表，常温储水罐上端设有泄气阀。

进一步的，冷却器连接于热量回收装置。

进一步的，增压泵机组通过电机驱动做功；增压泵机组包括多个串联增压泵。

进一步的，增压泵机组与加热器之间设有整流器。

进一步的，整流器包括中间为通孔结构的整流器管体，整流器管体内由整流器进口至整流器出口依次为渐扩喷管段、稳流段和渐缩喷管段；渐扩喷管段与稳流段之间设有减速板，减速板上设有过水孔。

进一步的，常温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，第一阀门和第二阀门保持同时开启或同时关闭。

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；高温高压储水罐出口和再热器入口之间设有第三阀门，冷却器的出口和常温储水罐入水口之间设有第四阀门。

一种高能量密度蓄释能系统的蓄能方法，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。

一种高能量密度蓄释能系统的释能方法，步骤1)，将高温高压储水罐中的饱和水再加热形成完全饱和过热蒸汽，使完全饱和过热蒸汽进入高压蒸汽透平做功驱动发电机发电输出电能；

步骤2)，然后利用冷却器对流经高压蒸汽透平的蒸汽进行冷却稳流和余热回收；

步骤3)，最后将冷却稳流余热回收后的水流通入常温储水罐内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种高能量密度蓄释能系统，利用常温储水罐、高温高压储水罐、再热器和冷却器组成闭环蓄释能系统，通过常温储水罐进行常温常压水储存，利用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再热器直接对高温高压储水罐内高温高压工质进行再加热形成完全饱和过热蒸汽，完全饱和过热蒸汽在高压蒸汽透平中做功膨胀为湿饱和蒸汽使高温高压储水罐出来的工质简单加热即可达到最大蒸汽能量回收要求，然后对流入冷却器进行余热回收冷却后回流至常温储水罐中，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，有利于常温储水罐和高温高压储水罐内压力监测。

进一步的，一种高能量密度蓄释能系统的蓄能方法，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，一种高能量密度蓄释能系统的释能方法，将高温高压储水罐中的饱和水再加热后通过高压蒸汽透平膨胀做功带动发电机输出电能，提高高温高压储水罐内饱和水的转化效率，最后将冷却稳流余热回收后的水通入常温储水罐内，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2为本发明整流器结构示意图。

图中：1、常温储水罐；2、第一阀门；3、增压泵机组；4、整流器；5、加热器；6、第二阀门；7、第二温度计；8、第二压力表；9、高温高压储水罐；10、第三阀门；11、再热器；12、发电机；13、蒸汽透平；14、冷却器；15、第四阀门；16、第一温度计；17、泄气阀；18、第一压力表；19、整流器进口；20、渐扩喷管；21、渐缩喷管；22、整流器出口；23、减速板；24、稳流段。

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、图2所示，一种高能量密度蓄释能系统，包括常温储水罐1、高温高压储水罐9、再热器11和冷却器14，常温储水罐1的出水口和高温高压储水罐9进水口之间依次连接有增压泵机组3和加热器5，高温高压储水罐9的出水口连接于再热器11进水口，再热器11的气体出口连接有高压蒸汽透平13，高压蒸汽透平13连接有发电机12，高压蒸汽透平13出口连接于冷却器14入口，冷却器14的液体出口连通于常温储水罐1入口。

冷却器14连接于热量回收装置，用于冷却从高压蒸汽透平13流出的湿蒸汽同时回收的热能用于给用户制冷或直接供热进行热量回收；

常温储水罐1的出水口设置于常温储水罐1侧壁，防止常温储水罐1内沉底杂质循环进入高温高压储水罐9内。

常温储水罐1上设有第一温度计16和第一压力表18，常温储水罐1上端设有泄气阀17；常温储水罐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通过电机驱动做功，电机驱动做功利用富余电能；增压泵机组3与加热器5之间设有整流器4；电机驱动增压泵机组5运行，增压泵机组3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。

如图2所示，整流器4包括整流器管体25，整流器管体25中间为通孔结构，整流器管体25两端分别为整流器进口19和整流器出口22，整流器管体25内由整流器进口19至整流器出口22依次为渐扩喷管段20、稳流段24和渐缩喷管段21；渐扩喷管段20与稳流段24之间设有减速板25，减速板25上设有过水孔；整流器4入口段采用渐扩喷嘴结构，可以有效降低流体的流速，为后续的稳流提供必要的条件；工质流体进入整流器4渐扩喷管段20后通过减速板25减速稳流段后，工质流体在稳流段流动逐渐趋向平稳，随后进入整流器1渐缩段，渐缩短结构为喷嘴形式，可以有效避免工质流体流动过程产生的扰动，使工质流体稳定进入加热器5进行加热。

常温储水罐1的出水口与增压泵机组3之间设有第一阀门2，加热器5和高温高压储水罐9之间设有第二阀门6，第一阀门2和第二阀门6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9上设有第二温度计7和第二压力表8；高温高压储水罐9出口和再热器11入口之间设有第三阀门10，冷却器14的出口和常温储水罐1入水口之间设有第四阀门15；高温高压储水罐9流出的工质首先在再热器11再加热形成完全饱和过热蒸汽，完全饱和过热蒸汽在高压蒸汽透平13中做功膨胀为湿饱和蒸汽，流入冷却器14进行余热回收冷却，然后回流至常温储水罐1中。常温储水罐1和高温高压储水罐9外壁均设有绝热材料层。

加热器5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16和第一压力表18，高温高压储水罐9顶部安装有第二温度计7和第二压力表8。

一种高能量密度蓄释能方法，包括以下步骤：

电网电力负荷低谷期或在余热富集时段，进行储能过程，电机消耗电能，通过增压泵机组将常温储水罐1中的工质经整流器4稳流后进入加热器5被加热为高压饱和水，然后经过第二阀门6进入高温高压储水罐9内；储能过程中第一阀门2和第二阀门6均开启，第三阀门10和第四阀门15均关闭；加热器5中的热量可由电加热、电磁加热或余热提供；所述工质为水。

电网电力负荷高峰期，关闭第一阀门2和第二阀门6，开启第三阀门10和第四阀门15，将高温高压储水罐9中的饱和水流经阀门10进入再热器11，再加热形成完全饱和过热蒸汽，完全饱和过热蒸汽在高压蒸汽透平13中做功膨胀为湿饱和蒸汽，流入冷却器14进行余热回收冷却，然后回流至常温储水罐1中；再加热形式不限于电加热、电磁加热和余热加热，完成释能过程。

高温高压储水罐9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 (5)

1.一种高能量密度蓄释能系统，其特征在于，包括常温储水罐(1)、高温高压储水罐(9)、再热器(11)和冷却器(14)，常温储水罐(1)的出水口和高温高压储水罐(9)进水口之间依次连接有增压泵机组(3)和加热器(5)，高温高压储水罐(9)的出水口连接于再热器(11)进水口，再热器(11)的气体出口连接有高压蒸汽透平(13)，高压蒸汽透平(13)连接有发电机(12)，高压蒸汽透平(13)出口连接于冷却器(14)入口，冷却器(14)的液体出口连通于常温储水罐(1)入口，增压泵机组(3)与加热器(5)之间设有整流器(4)，整流器(4)包括中间为通孔结构的整流器管体，整流器管体内由整流器进口(19)至整流器出口(22)依次为渐扩喷管段(20)、稳流段(24)和渐缩喷管段(21)；渐扩喷管段(20)与稳流段(24)之间设有减速板(23)，减速板(23)上设有过水孔，常温储水罐(1)的出水口与增压泵机组(3)之间设有第一阀门(2)，加热器(5)和高温高压储水罐(9)之间设有第二阀门(6)，第一阀门(2)和第二阀门(6)保持同时开启或同时关闭，冷却器(14)连接于热量回收装置；高温高压储水罐(9)上设有第二温度计(7)和第二压力表(8)；高温高压储水罐(9)出口和再热器(11)入口之间设有第三阀门(10)，冷却器(14)的出口和常温储水罐(1)入水口之间设有第四阀门(15)。

2.根据权利要求1所述的一种高能量密度蓄释能系统，其特征在于，常温储水罐(1)上设有第一温度计(16)和第一压力表(18)，常温储水罐(1)上端设有泄气阀(17)。

3.根据权利要求1所述的一种高能量密度蓄释能系统，其特征在于，增压泵机组(3)通过电机驱动做功；增压泵机组(3)包括多个串联增压泵。

4.一种基于权利要求1所述一种高能量密度蓄释能系统的蓄能方法，其特征在于，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。

5.一种基于权利要求1所述一种高能量密度蓄释能系统的释能方法，其特征在于，步骤1)，将高温高压储水罐中的饱和水再加热形成完全饱和过热蒸汽，使完全饱和过热蒸汽进入高压蒸汽透平做功驱动发电机发电输出电能；

步骤2)，然后利用冷却器对流经高压蒸汽透平的蒸汽进行冷却稳流和余热回收；

步骤3)，最后将冷却稳流余热回收后的水流通入常温储水罐内。

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