CN112360725B - 一种离网运行的压缩空气储能试验平台及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离网运行的压缩空气储能试验平台及操作方法，它包括空气压缩机及电动机，电动机与空气压缩机通过皮带相连，空气透平与发电机通过皮带或轴相连；空气压缩机进口与大气相连，出口通过管道与逆止阀相连，逆止阀与高压储气罐、调节阀通过三通阀管道相连，调节阀与空气透平进口通过管道相连，空气透平出口与大气相连；发电机电源输出端与一组以上大功率灯泡相连；解决了现有技术的压缩空气储能实验平台都要并入电网进行试验操作；因实验工况变化大、突发异常情况多，并入电网运行时容易扰动电网安全运行，造成安全隐患等技术问题。

Description

一种离网运行的压缩空气储能试验平台及操作方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种离网运行的压缩空气储能试验平台及操作方法。
背景技术
随着电力事业的迅速发展，在传统能源的基础上大规模的新能源并入电网，而新能源发电的间隙性和波动性需要配备大量储能进行平抑，保证新能源的消纳。压缩空气储能有着容量大、污染小、寿命长等特点，是最具有发展空间的储能类型之一。
压缩空气储能系统在用电的低谷利用压缩机把空气加压到较高的压力后经过冷却存储到空气储罐中消耗电能，在用电高峰把储罐中的空气加热到一定温度后送入空气膨胀机发电向电网提供电能。压缩空气储能系统相对与其它储能技术具有机组容量大、单位功率投资低、设计寿命长等特点具有巨大的发展潜力。
目前压缩空气储能的研究还处于起步阶段，许多热力系统特点、过程控制、与电网耦合等特性还需进一步掌握；同时，压缩空气储能作为一种新型的储能形式，需要开展培训，让更多人了解其储能和释能的特点和工作流程；但是现有技术的压缩空气储能实验平台都要并入电网进行试验操作；因实验工况变化大、突发异常情况多，并入电网运行时容易扰动电网安全运行，造成安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种离网运行的压缩空气储能试验平台及操作方法，以解决现有技术的压缩空气储能实验平台都要并入电网进行试验操作；因实验工况变化大、突发异常情况多，并入电网运行时容易扰动电网安全运行，造成安全隐患等技术问题。
本发明的技术方案是：
一种离网运行的压缩空气储能试验平台，它包括空气压缩机及电动机，电动机与空气压缩机通过皮带相连，空气透平与发电机通过皮带或轴相连；空气压缩机进口与大气相连，出口通过管道与逆止阀相连，逆止阀与高压储气罐、调节阀通过三通阀管道相连，调节阀与空气透平进口通过管道相连，空气透平出口与大气相连；发电机电源输出端与一组以上大功率灯泡相连。
所述大功率灯泡卤素灯泡、钨灯泡、红外线灯泡或浴霸灯。
所述空气压缩机、电动机、空气透平和发电机上罩有防护罩；防护罩为透明色。
所述管道和阀门最高工作压力为20MPa；所述高压储气罐采用车载式储气罐，内胆为铝合金，外表面采用碳纤维全缠绕；空气压缩机采用往复活塞式，电动机采用三相感应电动机；空气透平膨采用单级结构，轴承采用固体润滑；发电机为同步交流三相发电机，采用自励恒压励磁方式。
所述大功率灯泡布置在高压储气罐至空气透平管道周围，使得灯光能够照射高压储气罐至空气透平进气管道。
启动储能过程和停止储能过程；所述启动储能过程的方法为：启动电动机驱动空气压缩机运转，将常温常压的空气进行绝热压缩，产生高温高压的空气，关闭调节阀，高压空气通过逆止阀及三通阀进入高压储气罐内存储；所述停止储能过程的方法为：停运电动机及空气压缩机。逆止阀的作用是保证空气压缩机停运时高压空气不会从高压储气罐向空气压缩机流出。
它包括启动释能过程和停运释能过程，所述启动释能过程的方法包括：开启调节阀，高压气体自高压储气罐通过高压三通和调节阀进入空气透平，进行绝热膨胀，输出机械能驱动发电机发电；由操作控制箱控制一组以上大功率灯泡开关，按实验要求投入每组大功率灯泡，实验过程中观察灯泡的亮度来判断试验进度。
每组大功率灯泡与发电机输出功率之间满足公式：
Figure BDA0002767461990000031
式中Wout表示发电机输出功率，i表示大功率灯泡编号，n表示大功率灯泡数量，Wi表示第i组大功率灯泡功率。
在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，增加负荷方法为：
步骤1、计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值
Figure BDA0002767461990000032
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟投入某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％；
步骤2、投入该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值；
步骤3、膨胀发电机发电功率增加，新投入的大功率灯泡灯变亮，膨胀发电机转速下降，系统频率下降，继续增加压缩空气进气调节阀门的开度至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，大功率灯泡亮度正常，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，减少负荷方法为：
步骤1、计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值为：
Figure BDA0002767461990000041
Figure BDA0002767461990000042
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟切除某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％；
步骤2、切除该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值；
步骤3、膨胀发电机发电功率减少，切除的大功率灯泡灯熄灭，膨胀发电机转速上升，系统频率上升，继续减少压缩空气进气调节阀门的开度，至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
本发明有益效果：
本发明采用多组大功率照明灯泡作为负载，结构简单、成本低，适应电压范围宽，可实现发电机全功率范围调节，易于实验结果观察，并利用灯光热量提升进气温度。
本发明将多组大功率灯泡作为负载，不并入电网，结构简单、成本低。
本发明用灯照射高压储气罐至空气透平进气管道，利用灯光热量提升进气温度，防止进气温度下降造成试验中断。
本发明在进行投入/切除大功率灯泡的同时，进行压缩空气进气调节阀门的开度预调，防止膨胀发电机转速波动大甚至发生超速事故。
本发明解决了压缩空气储能实验平台实验工况变化大、突发异常情况多，并入电网运行时容易扰动电网安全运行的问题。
本发明结构简单、成本低。
本发明灯的适应电压范围宽，依次投入灯作为负荷，可实现发电机全功率范围调节，易于实验控制。
本发明通过灯泡的亮度观察发电机功率大小，易于实验结果观察。
本发明用灯照射高压储气罐至空气透平进气管道，利用灯光热量提升进气温度，防止进气温度下降造成试验中断。
本发明在进行投入/切除大功率灯泡的同时，进行压缩空气进气调节阀门的开度预调，防止膨胀发电机转速波动大甚至发生超速事故。
解决了现有技术的压缩空气储能实验平台都要并入电网进行试验操作；因实验工况变化大、突发异常情况多，并入电网运行时容易扰动电网安全运行，造成安全隐患等技术问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明(见图1)包括空气压缩机及电动机，高压储气罐，空气透平及发电机，操作监控箱。电动机与空气压缩机通过皮带相连，空气透平与发电机通过皮带或轴相连。空气压缩机进口与大气相连，出口通过管道与逆止阀相连，逆止阀与高压储气罐、调节阀通过三通阀管道相连，调节阀与空气透平进口通过管道相连，空气透平出口与大气相连。
发电机出口与多组大功率灯泡相连，电动机、调节阀和多组大功率灯泡开关由操作监控箱控制。
大功率灯泡包括卤素灯泡或钨灯泡、或红外线灯泡。
每组大功率灯泡的功率可以一样，也可以不一样。发电机输出功率、大功率灯泡功率满足下式要求：
Figure BDA0002767461990000061
式中，Wout表示发电机输出功率，i表示大功率灯泡编号，n表示大功率灯泡数量，Wi表示第i组大功率灯泡功率。
多组大功率灯泡布置在高压储气罐至空气透平管道附近，保证其光能够照射高压储气罐至空气透平进气管道。因压缩空气在膨胀发电时会造成气体温度降低至零度以下，造成实验终止，因此利用灯泡照明发出的容量能够提升空气透平进气温度，保证实验能够长时间开展。
启动储能过程为：启动电动机，驱动空气压缩机运转，将常温常压的空气进行绝热压缩，产生高温高压的空气，关闭调节阀，高压空气通过逆止阀及三通阀进入高压储气罐内存储。停止储能过程为：停运电动机及空气压缩机。逆止阀的作用是保证空气压缩机停运时高压空气不会从高压储气罐向空气压缩机流出。
启动释能过程为：开启调节阀，高压气体自高压储气罐通过高压三通和调节阀进入空气透平，进行绝热膨胀，输出机械能驱动发电机发电。由操作控制箱控制多组大功率灯泡开关，按实验要求投入多组大功率灯泡，实验过程中可观察灯泡的亮度来判断。
停运释能过程为：关闭调节阀，空气透平和发电机停止运行。
在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，增加负荷方法如下：
1计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值为
Figure BDA0002767461990000062
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟投入某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％。
2投入该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值。
3膨胀发电机发电功率增加，新投入的大功率灯泡灯变亮，膨胀发电机转速下降，系统频率下降，继续增加压缩空气进气调节阀门的开度，至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，大功率灯泡亮度正常，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，减少负荷方法如下：
1计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值为：
Figure BDA0002767461990000071
Figure BDA0002767461990000072
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟切除某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％。
2切除该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值。
3膨胀发电机发电功率减少，切除的大功率灯泡灯熄灭，膨胀发电机转速上升，系统频率上升，继续减少压缩空气进气调节阀门的开度，至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
操作监控箱实现启动/停运电动机、系统紧急停运、发电机并网功能。操作监控箱启动/停运电动机有“远方/就地”切换开关，可实现操作监控箱就地控制和远方计算机控制。调节阀为电动控制，可以就地阀门手动控制和远方计算机控制。
操作监控箱具有高压储气罐压力表，调节阀前压力表，调节阀后压力表，空气透平转速表，电动机综合电力仪和发电机综合电力仪。电动机综合电力仪包含三相电流、电压、耗电有功功率、功率因素，总耗电有功功率及频率。发电机综合电力仪包含三相电流、电压、发电有功功率和功率因素，总发电有功功率及频率。
防护罩罩住空气压缩机及电动机、空气透平及发电机，为透明色，便于观察设备运行状况。
电气控制板包括接线端子排、电源开关、开关量采集卡、模拟量采集卡、继电器。
所有管道和阀门最高工作压力为20MPa。
工业计算机实现监控运行控制参数、控制调节阀开度、启动/停运电动机功能。
高压储气罐采用车载式储气罐，内胆为铝合金，外表面采用碳纤维全缠绕。
空气压缩机采用往复活塞式，电动机采用三相感应电动机。
空气透平膨采用单级结构，轴承采用固体润滑。发电机为同步交流三相发电机，采用自励恒压励磁方式。
调节阀为电动控制，可以就地阀门手动控制和远方计算机控制。型号为382LSA-20直行程智能式电动执行器。
所有管道和阀门最高工作压力为20MPa。
工业计算机实现监控运行控制参数、控制调节阀开度、启动/停运电动机功能。运行控制参数及单位为：
Figure BDA0002767461990000081
Figure BDA0002767461990000091
高压储气罐采用车载式储气罐，内胆为铝合金，外表面采用碳纤维全缠绕。
空气压缩机采用往复活塞式，型号为RZX100/GT，出口压力额定20MPa。电动机采用三相感应电动机，型号为YE2-112M-6。
空气透平膨采用单级结构，轴承采用固体润滑，型号为E15H022A。发电机为同步交流三相发电机，采用自励恒压励磁方式，型号为NE-1。

Claims (8)

1.一种离网运行的压缩空气储能试验平台，它包括空气压缩机及电动机，其特征在于：电动机与空气压缩机通过皮带相连，空气透平与发电机通过皮带或轴相连；空气压缩机进口与大气相连，出口通过管道与逆止阀相连，逆止阀与高压储气罐、调节阀通过三通阀管道相连，调节阀与空气透平进口通过管道相连，空气透平出口与大气相连；发电机电源输出端与一组以上大功率灯泡相连；所述大功率灯泡布置在高压储气罐至空气透平管道周围，使得灯光能够照射高压储气罐至空气透平进气管道。
2.根据权利要求1所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台，其特征在于：所述大功率灯泡卤素灯泡、钨灯泡、红外线灯泡或浴霸灯。
3.根据权利要求1所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台，其特征在于：所述空气压缩机、电动机、空气透平和发电机上罩有防护罩；防护罩为透明色。
4.根据权利要求1所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台，其特征在于：所述管道和阀门最高工作压力为20MPa；所述高压储气罐采用车载式储气罐，内胆为铝合金，外表面采用碳纤维全缠绕；空气压缩机采用往复活塞式，电动机采用三相感应电动机；空气透平膨采用单级结构，轴承采用固体润滑；发电机为同步交流三相发电机，采用自励恒压励磁方式。
5.如权利要求1所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台的操作方法，其特征在于：它包括：启动储能过程和停止储能过程；所述启动储能过程的方法为：启动电动机驱动空气压缩机运转，将常温常压的空气进行绝热压缩，产生高温高压的空气，关闭调节阀，高压空气通过逆止阀及三通阀进入高压储气罐内存储；所述停止储能过程的方法为：停运电动机及空气压缩机。逆止阀的作用是保证空气压缩机停运时高压空气不会从高压储气罐向空气压缩机流出；
在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，增加负荷方法为：
步骤1、计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值
Figure FDA0003746097560000021
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟投入某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％；
步骤2、投入该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值；
步骤3、膨胀发电机发电功率增加，新投入的大功率灯泡灯变亮，膨胀发电机转速下降，系统频率下降，继续增加压缩空气进气调节阀门的开度至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，大功率灯泡亮度正常，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
6.根据权利要求5所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台的操作方法，其特征在于：它包括启动释能过程和停运释能过程，所述启动释能过程的方法包括：开启调节阀，高压气体自高压储气罐通过高压三通和调节阀进入空气透平，进行绝热膨胀，输出机械能驱动发电机发电；由操作控制箱控制一组以上大功率灯泡开关，按实验要求投入每组大功率灯泡，实验过程中观察灯泡的亮度来判断试验进度。
7.根据权利要求5所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台的操作方法，其特征在于：每组大功率灯泡与发电机输出功率之间满足公式：
Figure FDA0003746097560000031
式中Wout表示发电机输出功率，i表示大功率灯泡编号，n表示大功率灯泡数量，Wi表示第i组大功率灯泡功率。
8.根据权利要求5所述的一种离网运行的压缩空气储能试验平台的操作方法，其特征在于：在发电功率和大功率灯泡负荷平衡的情况下，减少负荷方法为：
步骤1、计算压缩空气进气调节阀门的开度预调值为：
Figure FDA0003746097560000032
Figure FDA0003746097560000033
其中Δl为阀门预调值，单位为％，Wl为拟切除某组大功率灯泡的功率，Wt为膨胀发电机发电额定功率，lr为当前阀门开度值，单位为％；
步骤2、切除该组大功率灯泡，同时将压缩空气进气调节阀门的开度调整为预调值；
步骤3、膨胀发电机发电功率减少，切除的大功率灯泡灯熄灭，膨胀发电机转速上升，系统频率上升，继续减少压缩空气进气调节阀门的开度，至发电功率和大功率灯泡负荷平衡，膨胀发电机转速达额定值，系统频率达额定值。
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