CN111535886B - 一种多能联合的压力恒定的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多能联合的压力恒定的发电系统，包括高压气系统、换热蓄热系统、气液混合系统、液力发电机组、膨胀发电系统、通道切换系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电机组、换热蓄热系统、膨胀发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；抽液体储能过程压力恒定依靠膨胀机释放气体和液体泵补充液流来实现，抽液体过程伴随着膨胀机发电过程，抽液体耗能可以被膨胀机发电补偿一部分，减小了抽液体能耗；抽液体过程伴随的膨胀机发电过程，可实现制冷；该系统不仅具有常规压缩空气储能、抽水蓄能电站大规模存储电能的功能，且能够提供多种能量，布置灵活，运行寿命长。

Description

一种多能联合的压力恒定的发电系统
技术领域
本发明涉及新能源储能与发电技术领域，具体涉及一种多能联合的压力恒定的发电系统。
背景技术
目前储能方式主要有：抽水蓄能、压缩空气储能、氢能、电池储能、飞轮储能、超导储能等形式。然而，较为成熟的储能技术主要有抽水蓄能、蓄电池储能以及压缩空气储能。抽水蓄能受到水资源、地势、地质等多种因素的限制，投资成本大、建设周期长、难以灵活布置、大规模推广应用。蓄电池储能具有响应迅速、转换效率高等优点，但是运行中存在安全问题、生产制造中对环境存在一定影响。与其他两种技术相比，压缩空气储能(compressedair energy storage，CAES)具有储能规模大、存储周期长、对环境污染小、对地势要求低等特点，是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一。但以德国Huntorf压缩空气储能电站、美国McIntosh压缩空气储能电站为代表的传统压缩空气储能电站存在依赖外部天然气燃料补充、对环境存在影响、高压空气电能转化效率低(小于50％)、依赖于大容积洞穴资源、布置不灵活的问题。目前较为先进的绝热压缩空气储能电站，往往需要至少上万立方米的大容积废弃矿井、洞穴存储高压空气，存在着依赖于洞穴资源严重、布置不灵活、投资成本大的缺点，储能和释能过程中均处于绝热过程，存在着热量容易逃逸、转化效率较低问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种多能联合的压力恒定的发电系统，依靠调节阀和容器体积比例来实现发电过程压力稳定，抽取液体储能过程压力恒定依靠膨胀机释放气体和液体泵补充液流来实现，抽取液体过程伴随着膨胀机发电过程，抽取液体耗能可以被膨胀机发电补偿一部分，减小了抽取液体能耗；且抽液体过程伴随的膨胀机发电过程，可实现制冷，提供了多种能量；该系统不仅具有常规压缩空气储能、抽水蓄能电站大规模存储电能的功能，且能够提供多种能量，布置灵活，运行寿命长。
本发明提供了以下技术方案：
一种基于多能联合的压力恒定发电系统，包括高压气系统、换热蓄热系统、气液混合系统、液力发电机组、膨胀发电系统、通道切换系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电机组、换热蓄热系统、膨胀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N1组并列的高压气子系统，N1≥1；
每组高压气子系统包括依次对应连接的空气压缩装置和高压储气容器，且所述空气压缩装置用于提供高压储气容器的初始运行压力，以及储能时高压储气容器能存储的最大压力；
所述气液混合系统至少包括1组高压气液混合子系统和1组低压气液混合子系统，且低压气液混合子系统中的气液混合容器与大气压相连；
所述膨胀发电系统至少包括1级膨胀机以及与膨胀机相连的膨胀机发电机；
高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面，连接大气压的低压气液混合子系统底部与高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面；
所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，出口经过换热蓄热系统后，再连接到对应高压储气容器进口，高压储气容器出口经过压力调节控制装置连接高压气液混合子系统的进气口，高压气液混合子系统的出液口经液力发电机组与低压气液混合子系统进液口相连，低压气液混合子系统出液口经过回液泵与高压气液混合子系统相连，各部件之间通过液阀或气阀控制通断；高压储气容器出口通过换热蓄热系统中连接到膨胀机发电系统的进气口；
储能时，利用空气压缩装置将常压空气转化为高压空气，经过换热蓄热系统后，存储于高压储气容器内；同时，低压气液混合子系统通过液体泵将发电液体增压，使得气液混合容器内液位持续上升；换热蓄热系统中存储的热能加热膨胀机进口空气，膨胀机产生电能，膨胀机消耗空气的流量和液体泵补偿液体的流量使得高压储气容器和高压气液混合容器内的压力维持恒定，从而实现液体泵和膨胀机均能工作于恒定压力状态，当高压气液混合容器内液位达到最大值时，膨胀机和液体泵均停止工作；
发电时，通过实时监测高压气液混合子系统与设定压力值间的压力差，采用压力闭环控制策略，控制高压储气容器与高压气液混合子系统之间的压力控制阀门开度，使得高压气液混合子系统内的压力维持在恒定范围内。
膨胀机发出的电能可以部分抵消液体泵抽取液体所消耗的电能；存在多级膨胀机串联时，最后一级膨胀机的出口压力最低为0.13MPa；
高压储气容器获得高压、气液混合容器获得发电用的液体，储能过程结束；在储能过程中，抽取液体消耗电能，但膨胀机发出电能，膨胀机发出电能可以抵消一部分液体泵消耗的电能，减小了电能损耗。膨胀机发电耗费空气，气压会降低，因此，在膨胀机发电过程中使用液体泵抽取液体压缩空气，抵消气压下降，从而维持气压恒定；液体泵出口压力不存在上升过程；
进一步地，所述低压气液混合子系统的气液混合容器容积大于等于高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积；高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积为高压储气容器容积的0.05～50倍。
通过容器容积的设置，可以降低系统的布置要求，并配合气压调节阀的使用，维持发电时的气压稳定；
进一步地，连接大气压的低压气液混合子系统底部与高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面。
位于同一水平方便建设、施工以及后期的运行维护。
进一步地，所述换热蓄热系统至少包括一组蓄热器、一组低温液体容器以及两组换热器；
所述空气压缩机的出口经第一换热器的进气口换热后，从第一换热器的出气口经过气阀与高压储气容器相连；所述高压储气容器经过气阀连接第二换热器的空气进口，所述第二换热器的空气出口连接膨胀机的进气口；
所述蓄热器的进口连接第一换热器的热源出口，低温液体容器的出口连接第一换热器的冷源进口，所述蓄热器的出口通过液阀与第二换热器的热源进口相连，所述第二换热器的冷源出口经过液阀与低温液体容器的进口相连。
进一步地，所述高压储气容器和高压气液混合子系统中的高压气液混合容器采用地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井/矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器中的任意一种。
进一步地，所述液力发电机组的水轮机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述水轮机为冲击式水轮机、工业透平或液力透平。
进一步地，所述水轮机进口角度在100°～150°范围，出口角度在10°～40°范围。
进一步地，所述气液混合系统中的气液混合容器内气体压力不低于2MPa。
进一步地，所述液力发电机组包括水轮机、水轮发电机，所述水轮机发电机为同步发电机、双馈发电机或永磁发电机。
进一步地，所述控制系统包括液力发电机组中水轮机和水轮发电机的调速系统，励磁系统，监控系统，保护系统以及气压控制系统，膨胀发电系统中的膨胀机和膨胀机发电机的调速系统，励磁系统，监控系统，保护系统以及气压控制系统。
换热器中的换热介质包括水、油或者其他导热性能良好的介质中的任意一种；蓄热器中的蓄热介质可以是油或岩石等保温性能良好的介质。
有益效果
本发明提供的技术方案为一种多能联合的压力恒定的发电系统，包括高压气系统、换热蓄热系统、气液混合系统、液力发电机组、膨胀发电系统、通道切换系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电机组、换热蓄热系统、膨胀发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；该系统在储能模式下从电网吸收多余的电能，将电能转化为压缩空气储存于高压气系统；在发电模式下高压空气系统在控制系统作用下能释放高压气体使得气液混合系统处于高压状态，高压液流驱动液力发电机组将空气能转化为电能。高压空气系统、气液混合容器中剩余的含压气体驱动膨胀机发电，实现剩余含压气体的利用、提供冷能，换热蓄热系统提供热能。
该系统相比于现有技术中的发电系统具有如下优点：
(1)本发明技术方案提供的发电系统中，设置的高压储气容器、气液混合容器、液力发电机组、膨胀机之间的连接关系单一，使得系统结构更为简单、操作更为便捷；
(2)高效的利用各部分能量，在储能过程中，巧妙的通过设置换热蓄热系统，充分吸收高压空气中的热量，并将热量提供给膨胀机加热空气，使得膨胀机在发电的同时，实现制冷；且膨胀机所发电可以提供给液体泵使用；
(3)依靠调节阀和容器体积比例来实现发电过程压力稳定，每次储能过程，空气压缩机和膨胀机都参与储能，液体泵先抽液体，空气压缩机后增压；
(4)依靠膨胀机来实现抽取液体过程压力稳定，维持泵工作于额定扬程附近，具有较高的效率，耗费较少的电能；
(5)膨胀机、液力发电机组、换热蓄热系统共同存在于该系统，可以实现冷、热、电的多种类型能源的联合供应。
附图说明
图1为本发明技术方案实施例一的结构示意图；
标号说明：1-电动机，2-空气压缩机，3-第一换热器，4-蓄热器，5-低温液体容器，6-高压储气容器，7-第二换热器，8-膨胀机，9-高压气液混合容器，10-冲击式水轮机，11-低压气液混合容器，12-液体泵，21-第一气阀，22-压力调节控制装置，23-第一液阀，24-第二液阀，25-第三液阀，26-第四液阀，27-第五液阀，28-第六液阀，29-第七液阀，30-第八液阀，31-第三气阀。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步地说明。
一种多能联合的压力恒定发电系统，包括高压气系统、换热蓄热系统、气液混合系统、液力发电机组、膨胀发电系统、通道切换系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电机组、换热蓄热系统、膨胀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N1组并列的高压气子系统，N1≥1；
每组高压气子系统包括依次对应连接的空气压缩装置和高压储气容器，且所述空气压缩装置用于提供高压储气容器的初始运行压力，以及储能时高压储气容器能存储的最大压力；
所述气液混合系统至少包括1组高压气液混合子系统和1组低压气液混合子系统，且低压气液混合子系统中的气液混合容器与大气压相连；
所述膨胀发电系统至少包括1级膨胀机以及与膨胀机相连的膨胀机发电机；
高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面，连接大气压的低压气液混合子系统底部与高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面；
所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，出口经过换热蓄热系统后，再连接到对应高压储气容器进口，高压储气容器出口经过压力调节控制装置连接高压气液混合子系统的进气口，高压气液混合子系统的出液口经液力发电机组与低压气液混合子系统进液口相连，低压气液混合子系统出液口经过回液泵与高压气液混合子系统相连，各部件之间通过液阀或气阀控制通断；高压储气容器出口通过换热蓄热系统中连接到膨胀机发电系统的进气口；
储能时，利用空气压缩装置将常压空气转化为高压空气，经过换热蓄热系统后，存储于高压储气容器内；同时，低压气液混合子系统通过液体泵将发电液体增压，使得气液混合容器内液位持续上升；换热蓄热系统中存储的热能加热膨胀机进口空气，膨胀机产生电能，膨胀机消耗空气的流量和液体泵补偿液体的流量使得高压储气容器和高压气液混合容器内的压力维持恒定，从而实现液体泵和膨胀机均能工作于恒定压力状态，当高压气液混合容器内液位达到最大值时，膨胀机和液体泵均停止工作；
发电时，通过实时监测高压气液混合子系统与设定压力值间的压力差，采用压力闭环控制策略，控制高压储气容器与高压气液混合子系统之间的压力控制阀门开度，使得高压气液混合子系统内的压力维持在恒定范围内。
存在多级膨胀机串联时，最后一级膨胀机的出口压力最低为0.13MPa；
高压储气容器获得高压、气液混合容器获得发电用的液体，储能过程结束；在储能过程中，抽取液体消耗电能，但膨胀机发出电能，膨胀机发出电能可以抵消一部分液体泵消耗的电能，减小了电能损耗。膨胀机发电耗费空气，气压会降低，因此，在膨胀机发电过程中使用液体泵抽取液体压缩空气，抵消气压下降，从而维持气压恒定；液体泵出口压力不存在上升过程；
所述低压气液混合子系统的气液混合容器容积大于等于高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积；高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积为高压储气容器容积的0.05～50倍。
通过容器容积的设置，可以降低系统的布置要求，并配合气压调节阀的使用，维持发电时的气压稳定；
连接大气压的低压气液混合子系统底部与高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面；位于同一水平方便建设、施工以及后期的运行维护。
所述换热蓄热系统至少包括一组蓄热器、一组低温液体容器以及两组换热器；
所述空气压缩机的出口经第一换热器的进气口换热后，从第一换热器的出气口经过气阀与高压储气容器相连；所述高压储气容器经过气阀连接第二换热器的空气进口，所述第二换热器的空气出口连接膨胀机的进气口；
所述蓄热器的进口连接第一换热器的热源出口，低温液体容器的出口连接第一换热器的冷源进口，所述蓄热器的出口通过液阀与第二换热器的热源进口相连，所述第二换热器的冷源出口经过液阀与低温液体容器的进口相连。
所述高压储气容器和高压气液混合子系统中的气液混合容器采用地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井/矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器中的任意一种。
所述液力发电机组的水轮机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW，所述水轮机为冲击式水轮机、工业透平或液力透平。
所述水轮机进口角度在100°～150°范围，出口角度在10°～40°范围。
所述气液混合系统中的气液混合容器内气体压力不低于2MPa。
所述液力发电机组包括水轮机、水轮发电机，所述水轮机发电机为同步发电机、双馈发电机或永磁发电机。
所述控制系统包括液力发电机组中水轮机和水轮发电机的调速系统，励磁系统，监控系统，保护系统以及气压控制系统，膨胀发电系统中的膨胀机和发电机的调速系统，励磁系统，监控系统，保护系统以及气压控制系统。
换热器中的换热介质包括水、油或者其他导热性能良好的介质中的任意一种；蓄热器中的蓄热介质可以是油或岩石等保温性能良好的介质。在本实施例中，汽水混合容器中的液体以水为工作介质，且液力发电机组中的水轮机以冲击式水轮机为例。
图1给出了该系统的一个实现方式。空气压缩机、高压储气容器形成了高压气系统的实现方式之一；高压气液混合容器、低压气液混合容器形成了气-液系统的实现方式之一；第一气阀21、压力调节控制装置22、第一液阀23、第二液阀24、第三液阀25、第四液阀26、第三气阀31以及不同设备间的管路形成了通道切换系统的实现方式之一；水轮机及其发电机形成了液力发电机组的实现方式之一；第一级膨胀机、第二级膨胀机、第三级膨胀机及其发电机形成了膨胀发电系统的实现方式之一；高压储气容器、高压气液混合容器、压力调节控制装置22、液体泵12、第三液阀25、第四液阀26及其电动机辅助控制系统系统形成了液力发电系统、膨胀发电系统压力稳定的具体实现方式之一；冲击式水轮机及其发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统、气压控制系统等辅助控制系统系统和膨胀机的调速、励磁、监控、保护、气压等辅助控制系统系统形成了控制系统的具体实现方式之一；液体使用水作为工作介质。
压力调节控制装置为带有压力调节阀的气阀；
该系统的一种运行方式描述如下：
初始状态下，高压储气容器6、高压气液混合容器9内均为常压，低压气液混合容器11内盛满液体水，高压气液混合容器、高压储气容器、低压气液混合容器位于同一水平面上。建压前将高压气液混合容器与大气压相连接，打开第三液阀25、第四液阀26，依靠液体泵将低压气液混合容器内的水流通过阀门流入到高压气液混合容器内，使得在常压下将高压气液混合容器充满水液。打开第一气阀21，关闭压力调节控制装置22中的气阀、第三气阀31、第一液阀23、第二液阀24、第三液阀25、第四液阀26，利用富裕的电能驱动空气压缩机，使得高压储气容器内气压达到设定的压力。
储能阶段。打开第一气阀21，关闭压力调节控制装置22中的气阀、第三气阀31、第一液阀23、第二液阀24、第三液阀25、第四液阀26，利用富裕的电能驱动空气压缩机，将常压空气转化为高压空气，储存于高压储气容器内，在初始压力的基础上进一步增加压力。待高压储气容器、高压气液混合容器内气压值达到设定的最大值时，储能阶段结束。在空气压缩过程中产生压缩热，利用换热器进行换热，将高温高压空气的热量传递给低压低温水，该低温低压水来自冷却水源，经过换热器后低温低压水吸收压缩机出口空气中的热量，温度升高、压力基本不变，储存于蓄热器内，用于加热膨胀机进口空气和对外提供热源。
发电阶段，第一液阀23、第二液阀24打开，第三气阀31关闭，压力调节控制装置22中的气阀根据高压气液混合容器内压力下降情况进行开关调节使得高压气液混合容器内压力维持在第一级压力Ps1；高压气液混合容器高压空气膨胀，推动水轮机旋转，将高压空气能转化为电能；待高压气液混合容器内水流下降至最低液位时，高压气液混合容器发电完成，但此时高压储气容器和高压气液混合容器内仍有剩余压力，但高压气液混合容器缺少液力发电所用的液体。
过渡阶段。过渡阶段中利用膨胀机进行发电、利用液体泵抽水，以实现高压储气容器、高压气液混合容器内剩余压力的利用和高压气液混合容器内液位的补充同时进行、膨胀机和液体泵高效运行的目的。具体过程描述为：关闭阀第一液阀23、第二液阀24、第一气阀21，打开压力调节控制装置22中的气阀、第三液阀25、第四液阀26，在膨胀机发电情况下，高压储气容器、高压气液混合容器内压力将会降低，此时使用液体泵抽水，使得高压储气容器、高压气液混合容器中空气密度、温度维持不变，从而实现膨胀机进口空气压力维持恒定该阶段过程中，膨胀机除了提供电能，还可以提供冷能。待高压气液混合容器内液位达到设定的最高值，过渡阶段结束。
最后应说明的是，以上实施仅用以对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，包括高压气系统、换热蓄热系统、气液混合系统、液力发电机组、膨胀发电系统、通道切换系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电机组、换热蓄热系统、膨胀发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；其中所述液力发电机组包括水轮机和水轮发电机；
所述高压气系统包括N1组并列的高压气子系统，N1≥1；
每组高压气子系统包括依次对应连接的空气压缩装置和高压储气容器，且所述空气压缩装置用于提供高压储气容器的初始运行压力，以及储能时高压储气容器能存储的最大压力；
所述气液混合系统至少包括1组高压气液混合子系统和1组低压气液混合子系统，且低压气液混合子系统中的气液混合容器与大气压相连；高压气液混合子系统包括高压气液混合容器；
所述膨胀发电系统至少包括1级膨胀机以及与膨胀机相连的膨胀机发电机；
高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面，连接大气压的低压气液混合子系统底部与高压储气容器、高压气液混合子系统位于相同的水平面；
所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，出口经过换热蓄热系统后，再连接到对应高压储气容器进口，高压储气容器出口经过压力调节控制装置连接高压气液混合子系统的进气口，高压气液混合子系统的出液口经液力发电机组与低压气液混合子系统进液口相连，低压气液混合子系统出液口经过液体泵与高压气液混合子系统相连；高压储气容器出口通过换热蓄热系统连接到膨胀发电系统的进气口；
储能阶段，利用空气压缩装置将常压空气转化为高压空气，经过换热蓄热系统后，存储于高压储气容器内；
发电阶段，通过实时监测高压气液混合子系统与设定压力值间的压力差，采用压力闭环控制策略，控制高压储气容器与高压气液混合子系统之间的压力调节控制装置开度，使得高压气液混合子系统内的压力维持在恒定范围内，高压气液混合容器中高压空气膨胀，推动水轮机旋转，待高压气液混合容器内水流下降至最低液位时，高压气液混合容器发电完成；
过渡阶段中利用膨胀机进行发电、利用液体泵抽水，以实现高压储气容器、高压气液混合容器内剩余压力的利用和高压气液混合容器内液位的补充同时进行；换热蓄热系统中存储的热能加热膨胀机进口空气，膨胀机产生电能，膨胀机消耗空气的流量和液体泵补偿液体的流量使得高压储气容器和高压气液混合容器内的压力维持恒定，从而实现液体泵和膨胀机均能工作于恒定压力状态，当高压气液混合容器内液位达到最大值时，膨胀机和液体泵均停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述低压气液混合子系统的气液混合容器容积大于等于高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积；高压气液混合子系统的高压气液混合容器容积为高压储气容器容积的0.05~50倍。
3.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述换热蓄热系统至少包括一组蓄热器、一组低温液体容器以及两组换热器；
所述空气压缩装置的出口与第一换热器的进气口相连，第一换热器的出气口经过气阀与高压储气容器相连；所述高压储气容器经过气阀连接第二换热器的空气进口，所述第二换热器的空气出口连接膨胀机的进气口；
所述蓄热器的进口连接第一换热器的热源出口，低温液体容器的出口连接第一换热器的冷源进口，所述蓄热器的出口通过液阀与第二换热器的热源进口相连，所述第二换热器的冷源出口经过液阀与低温液体容器的进口相连。
4.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述高压储气容器和高压气液混合子系统中的高压气液混合容器采用地下洞穴、地面储气装置或水下储气容器中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述液力发电机组的水轮机具有低比转速100m·kW～200m·kW和超低比转速10m·kW～100m·kW。
6.根据权利要求5所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述水轮机进口角度在100°~150°范围，出口角度在10°~40°范围。
7.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述水轮发电机为同步发电机、双馈发电机或永磁发电机。
8.根据权利要求1所述的一种多能联合的压力恒定的发电系统，其特征在于，所述控制系统包括液力发电机组中水轮机和水轮发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统以及气压控制系统，膨胀发电系统中的膨胀机和膨胀机发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统以及气压控制系统。
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