CN112555685B - 一种收颈式微余隙增压系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种收颈式微余隙增压系统及方法，包括第一收颈罐、第二收颈罐、进气管路、排气管路、喷头群和喷淋管路；第一收颈罐和第二收颈罐的结构相同，第一收颈罐和第二收颈罐的颈部均为收口状，且收口的颈部为圆滑曲面，两收颈罐颈部截面积由下到上逐渐变小；进气管路和排气管路均连接到第一收颈罐和第二收颈罐的顶部开口处，与收颈罐体内部连通，且排气管路位于进气管路的侧面；本发明在每个收颈罐中采用收颈设计，不但通过改变截面积的方式提高了传感器响应速度，而且有效降低了排气过程罐内残余气体体积。

Description

一种收颈式微余隙增压系统及方法

技术领域

本发明涉及物理储能技术领域，特别涉及一种收颈式微余隙增压系统及方法。

背景技术

随着新能源产业的快速发展，大规模物理储能技术中的压缩空气储能技术受到国内外学者普遍关注。在传统的压缩空气储能系统中，空气通过压缩机进行压缩，将电能转化为高品质的压力势能和低品质的热能，其中，热能占比达到30％以上。这是由于传统压缩机中叶轮快速转动做功，使得增压过程接近绝热过程，因此传统空气增压过程不可避免产生大量热量，限制了传统压缩空气储能系统效率的进一步提高。为从本质上解决空气增压过程发热问题，等温液体活塞技术被提出并进行大量实验，然而，由于现有的等温液体活塞装置均建立在已有罐体和水泵等设备的基础上，在实际过程中存在大量缺陷，增压效果难以达到可产业化的水平。

在传统的等温液体活塞增压装置中，气体排出过程主要分为两类。第一种是液体充满整个罐体，将全部气体排出，但是这种方法较为理想，缺乏实际可行性，液体充满整个罐体会不可避免地将罐内液体压入排气管路，不但损耗了罐内液体而且会对排出气体的质量产生影响，另外，液体充满整个罐体后存在较大安全隐患，可能因为调节不及时使得罐内液体迅速增压影响罐体可靠性或对水泵产生破坏，更会使得后续管路的脉动变得剧烈；第二种是排气过程中罐体顶部留有部分气体不排出，这种做法极大提高了系统的安全性和可行性，但是由于现有液体活塞实验装置多用圆柱形罐体或顶部接近半球形的柱状罐体，使得在满足传感器响应时长的条件下，剩余气体在罐内的体积占罐体总体积的比例难以降低，而在每一个循环中，罐内剩余气体都要经历膨胀过程，该过程中不但将压缩过程所做功耗散掉，而且来流进气由于压力低于罐内剩余气体的压力而无法保持连续进气。

发明内容

本发明的目的在于提供一种收颈式微余隙增压系统及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种收颈式微余隙增压系统，包括第一收颈罐、第二收颈罐、进气管路、排气管路、喷头群和喷淋管路；第一收颈罐和第二收颈罐的结构相同，第一收颈罐和第二收颈罐的颈部均为收口状，两收颈罐颈部截面积由下到上逐渐变小；进气管路和排气管路均连接到第一收颈罐和第二收颈罐的顶部开口处，与收颈罐体内部连通，且排气管路位于进气管路的侧面；第一收颈罐和第二收颈罐的底部均设置有排水口，排水口连接喷淋管路，喷淋管路的出口连接喷头群，喷头群朝向第一收颈罐和第二收颈罐的颈部曲面处。

进一步的，进气管路分为两路，一路连接第一收颈罐顶部，另一路连接第二收颈罐顶部，两条分路上分别设置有第一进气阀门和第二进气阀门。

进一步的，排气管路由第一收颈罐和第二收颈罐的顶部引出合为一条管路，其上连接有缓冲装置。

进一步的，排气管路伸进第一收颈罐和第二收颈罐内部的部分分别设置有第一排气阀门和第二排气阀门。

优选的，排气管路伸入第一收颈罐和第二收颈罐内部的部分用大口径管路连接，管径选取范围大于等于罐体外部排气管路管径小于罐体顶部内径。

进一步的，喷淋管路包括水泵机组、第一喷水阀门和第二喷水阀门；第一收颈罐的底部，以及第二收颈罐的底部均通过管路连接水泵机组；水泵机组和第一收颈罐之间，以及水泵机组和第二收颈罐之间均设置有分支管路，第一喷水阀门和第二喷水阀门分别设置在两个分支管路上。

进一步的，喷头群包括第一喷头群和第二喷头群，第一喷头群和第二喷头群分别连接分支管路，第一喷头群和第二喷头群分别分散布置于第一收颈罐和第二收颈罐的颈部曲面上；第一收颈罐的底部，以及第二收颈罐的底部排水口处设置有第一液体阀门和第二液体阀门；第一喷水阀门和第二喷水阀门分别连接于水泵机组与第一液体阀门之间、水泵机组与第二液体阀门之间。

进一步的，水泵机组采用双进水双排水管路连接；第一收颈罐和第二收颈罐顶部分别设置有第一液位传感器和第二液位传感器；第一排气阀门和第二排气阀门、第一液体阀门和第二液体阀门、第一进气阀门和第二进气阀门、第一喷水阀门和第二喷水阀门均由第一液位传感器和第二液位传感器的电信号控制开闭。

进一步的，第一喷头群和第二喷头群分别每圈均匀、隔圈间隔分散布置于第一收颈罐和第二收颈罐颈部曲面上；第一喷头群和第二喷头群中每一个喷头顶端均连接于罐体壁面，未将喷头大幅度伸入管内。

优选的，第一收颈罐和第二收颈罐收口的颈部为圆滑曲面。

进一步的，一种收颈式微余隙增压方法，包括以下步骤：

在初始阶段，向第一收颈罐和第二收颈罐内注水到预定位置；

在气体增压过程中，来流气体通过第一进气阀门进入第一收颈罐，与此同时，第二进气阀门处于关闭状态，第一排气阀门和第二排气阀门也处于关闭状态，随着水泵机组工作，第一收颈罐中水被压入第二收颈罐中，第二收颈罐内气体被压缩，当第二收颈罐内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第二排气阀门开启，水泵机组继续工作，将第二收颈罐内气体排出，直至液位到达预设位置，第二排气阀门关闭；

随后，第一液位传感器和第二液位传感器通过对液位感应将信号反馈给各阀门调节系统，来流气体通过第二进气阀门进入第二收颈罐，与此同时，第一进气阀门处于关闭状态，第一排气阀门和第二排气阀门也处于关闭状态，随着水泵机组工作，第二收颈罐中水被压入第一收颈罐中，第一收颈罐内气体被压缩，当第一收颈罐内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第一排气阀门开启，水泵机组继续工作，将第一收颈罐内气体排出，直至液位到达预设位置，第一排气阀门关闭；在罐内气体被压缩时，对应罐的喷头群为气体进行喷水冷却。

进一步的，在第一收颈罐内气体被压缩时，第二收颈罐内水通过水泵机组增压经过第一喷水阀门进入第一喷头群，为第一收颈罐内气体进行喷水冷却；在第二收颈罐内气体被压缩时，第一收颈罐内水通过水泵机组增压经过第二喷水阀门进入第二喷头群，为第二收颈罐内气体进行喷水冷却；水泵机组出口水流分别流入第一收颈罐底部和第一喷头群或第二收颈罐底部和第二喷头群，流入收颈罐和喷头群的水流流量通过喷水阀门和液体阀门联合调节进行分配。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明在每个收颈罐中采用收颈设计，不但通过改变截面积的方式提高了传感器响应速度，而且有效降低了排气过程罐内残余气体体积。

本发明中收颈罐通过收颈的曲面设计，喷头群的布置面积较传统的平面或半球面有了显著增大，冷却效果更明显。

本发明中收颈罐通过罐内排气阀门的设计，可以在收颈设计的基础上，进一步利用罐内排气管路所占空间来降低排气过程罐内残余气体的体积，有效减少需要膨胀的气体的总质量，减少膨胀时间，缩短进气不连续间隔。

本发明通过用第二收颈罐中水冷却第一收颈罐中的气、用第一收颈罐中水冷却第二收颈罐中的气，较传统系统中利用自身罐内水冷却自身罐内气的设计，可以减少系统中水泵的数量，而且可以充分利用气体膨胀过程的低温，将低温用于冷却，设计更为合理。

附图说明

图1为收颈式微余隙增压系统示意图。

图2为系统图中左侧收颈罐示意图。

图3为系统图中左侧收颈罐喷头群布置俯视图。

图4为系统图中左侧收颈罐喷头连接示意图。

其中：11、第一收颈罐；12、第二收颈罐；2、水泵机组；31、第一液体阀门；32、第二液体阀门；41、第一喷水阀门；42、第二喷水阀门；51、第一进气阀门；52、第二进气阀门；61、第一排气阀门；62、第二排气阀门；71、第一液位传感器；72、第二液位传感器；81、第一喷头群；82、第二喷头群；9、缓冲装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图4，收颈式微余隙增压系统，包括用于控制进排气的进排气管路、用于气体增压的两收颈罐、用于喷淋降温的喷淋管路、用于连接两收颈罐的水泵机组和进排水管路以及用于缓减消除排气管路中的气体脉动的缓冲装置。

如图1所示，所述的进排气管路包括并联连接两收颈罐的进气管路和排气管路；第一收颈罐11和第二收颈罐12对应的进气管路上分别有第一进气阀门51和第二进气阀门52；第一收颈罐11和第二收颈罐12对应的排气管路上分别有第一排气阀门61和第二排气阀门62；第一收颈罐11和第二收颈罐12的进气管路连接于来流气体；第一收颈罐11和第二收颈罐12的排气管路通过缓冲装置9连接于后续管路或储气容器；

所述的两收颈罐结构相同，包括第一收颈罐11和第二收颈罐12；两收颈罐底部均为圆柱形，顶部均进行收颈处理，颈部截面积由下到上逐渐变小，可以但不限于进行内凹式收缩；两收颈罐底部均设置有进排水口；进排水管路通过水泵机组2将两收颈罐底部连通；喷淋管路包括连接第一喷水阀门41的第一喷头群81和连接第二喷水阀门42的第二喷头群82；第一喷水阀门41和第二喷水阀门42分别连接于水泵机组2与第一液体阀门31之间、水泵机组2与第二液体阀门32之间；第一喷头群81和第二喷头群82分别分散布置于第一收颈罐11和第二收颈罐12的颈部曲面上，喷头每圈均匀分布、隔圈间隔分布；

所述的水泵机组2采用双进水双排水管路连接，通过进水排水阀门的切换实现两收颈罐进排水管路中水流的交替双向流动；

所述的缓冲装置9可选用专业设备或利用容器充入液体或加入弹性材料(薄膜)等进行替代；

所述的第一液位传感器71和第二液位传感器72分别从第一收颈罐11和第二收颈罐12顶部插入罐内。

如图2所示，为系统图中第一收颈罐11示意图，第一排气阀门61进行罐内阀门设计和布置，排气阀门可在罐体内部将罐内气体与排气管路中气体隔开；第二排气阀门62也进行相同设计和布置。

如图3所示，为系统图中第一收颈罐11中颈部曲面俯视图，第一喷头群81每圈均匀、隔圈间隔分散布置于第一收颈罐11颈部曲面上；第二喷头群82也相同。

如图4所示，为系统图中第一收颈罐11中喷头连接示意图，第一喷头群81中每一个喷头顶部均连接于罐体壁面，未将喷头大幅度伸入罐内；第二喷头群82中每一个喷头也做相同处理。

基于上述的系统，本发明收颈式微余隙增压方法，包括以下步骤：

在初始阶段，向第一收颈罐11和第二收颈罐12内注水到预定位置；

在气体增压过程中，以一个工作循环为例。来流气体通过第一进气阀门51进入第一收颈罐11，与此同时，第二进气阀门52处于关闭状态，第一排气阀门61和第二排气阀门62也处于关闭状态，随着水泵机组2工作，第一收颈罐11中水被压入第二收颈罐12中，第二收颈罐12内气体被压缩，当第二收颈罐12内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第二排气阀门62开启，水泵机组2继续工作，将第二收颈罐12内气体排出，直至液位到达预设位置，第二排气阀门62关闭；随后，第一液位传感器71和第二液位传感器72通过对液位感应将信号反馈给各阀门调节系统，来流气体通过第二进气阀门52进入第二收颈罐12，与此同时，第一进气阀门51处于关闭状态，第一排气阀门61和第二排气阀门62也处于关闭状态，随着水泵机组2工作，第二收颈罐12中水被压入第一收颈罐11中，第一收颈罐11内气体被压缩，当第一收颈罐11内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第一排气阀门61开启，水泵机组2继续工作，将第一收颈罐11内气体排出，直至液位到达预设位置，第一排气阀门61关闭。在第一收颈罐11内气体被压缩时，第二收颈罐12内水通过水泵机组2增压经过第一喷水阀门41进入第一喷头群81，为第一收颈罐11内气体进行喷水冷却；在第二收颈罐12内气体被压缩时，第一收颈罐11内水通过水泵机组增压经过第二喷水阀门42进入第二喷头群82，为第二收颈罐12内气体进行喷水冷却。

进一步的，第一排气阀门61和第二排气阀门62、第一液体阀门31和第二液体阀门32、第一进气阀门51和第二进气阀门52、第一喷水阀门41和第二喷水阀门42均由第一液位传感器71和第二液位传感器72的电信号控制开闭。

进一步地，通过用第二收颈罐12中水冷却第一收颈罐11中的气、用第一收颈罐11中水冷却第二收颈罐12中的气，可以减少系统中水泵的数量，而且可以充分利用气体膨胀过程的低温，将低温用于冷却。

如图2所示，为第一收颈罐11内第一排气阀门61的设计和布置方式，通过将排气过程中残余气体部分封闭在排气管路中，减少参与膨胀过程的残余气体质量，不但可以减少膨胀时间，而且有效减小了进气间断时长。

如图2、图3和图4所示，通过对罐体进行收颈设计，不但可以通过提高液面变化程度来改进液位传感器响应时长，减少排气过程气体残余质量，而且有效增大了喷头布置面积，强化了冷却效果；喷头每圈均匀分布、隔圈间隔分布的设计减小了曲面上的应力集中，使得整体喷淋效果更均匀；喷头连接于罐体外侧，既保护了喷头，防止水流反复冲击，又减少了罐内设备对气体压缩和排出的干扰。

Claims (8)

1.一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，包括第一收颈罐(11)、第二收颈罐(12)、进气管路、排气管路、喷头群和喷淋管路；第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的结构相同，第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的颈部均为收口状，两收颈罐颈部截面积由下到上逐渐变小；进气管路和排气管路均连接到第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的顶部开口处，与收颈罐体内部连通，且排气管路位于进气管路的侧面；第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的底部均设置有排水口，排水口连接喷淋管路，喷淋管路的出口连接喷头群，喷头群朝向第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的颈部曲面处；

排气管路由第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的顶部引出合为一条管路，其上连接有缓冲装置(9)；

排气管路伸进第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)内部的部分分别设置有第一排气阀门(61)和第二排气阀门(62)；排气管路伸入第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)内部的部分用大口径管路连接，管径选取范围大于等于罐体外部排气管路管径小于罐体顶部内径。

2.根据权利要求1所述的一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，进气管路分为两路，一路连接第一收颈罐(11)顶部，另一路连接第二收颈罐(12)顶部，两条分路上分别设置有第一进气阀门(51)和第二进气阀门(52)。

3.根据权利要求1所述的一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，喷淋管路包括水泵机组(2)、第一喷水阀门(41)和第二喷水阀门(42)；第一收颈罐(11)的底部，以及第二收颈罐(12)的底部均通过管路连接水泵机组(2)；水泵机组(2)和第一收颈罐(11)之间，以及水泵机组(2)和第二收颈罐(12)之间均设置有分支管路，第一喷水阀门(41)和第二喷水阀门(42)分别设置在两个分支管路上。

4.根据权利要求3所述的一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，喷头群包括第一喷头群(81)和第二喷头群(82)，第一喷头群(81)和第二喷头群(82)分别连接分支管路，第一喷头群(81)和第二喷头群(82)分别分散布置于第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)的颈部曲面上；第一收颈罐(11)的底部，以及第二收颈罐(12)的底部排水口处设置有第一液体阀门(31)和第二液体阀门(32)；第一喷水阀门(41)和第二喷水阀门(42)分别连接于水泵机组(2)与第一液体阀门(31)之间、水泵机组(2)与第二液体阀门(32)之间。

5.根据权利要求3所述的一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，水泵机组(2)采用双进水双排水管路连接；第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)顶部分别设置有第一液位传感器(71)和第二液位传感器(72)；第一排气阀门(61)和第二排气阀门(62)、第一液体阀门(31)和第二液体阀门(32)、第一进气阀门(51)和第二进气阀门(52)、第一喷水阀门(41)和第二喷水阀门(42)均由第一液位传感器(71)和第二液位传感器(72)的电信号控制开闭。

6.根据权利要求4所述的一种收颈式微余隙增压系统，其特征在于，第一喷头群(81)和第二喷头群(82)分别每圈均匀、隔圈间隔分散布置于第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)颈部曲面上；第一喷头群(81)和第二喷头群(82)中每一个喷头顶部均连接于罐体壁面。

7.一种收颈式微余隙增压方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的一种收颈式微余隙增压系统，包括以下步骤：

在初始阶段，向第一收颈罐(11)和第二收颈罐(12)内注水到预定位置；

在气体增压过程中，来流气体通过第一进气阀门(51)进入第一收颈罐(11)，与此同时，第二进气阀门(52)处于关闭状态，第一排气阀门(61)和第二排气阀门(62)也处于关闭状态，随着水泵机组(2)工作，第一收颈罐(11)中水被压入第二收颈罐(12)中，第二收颈罐(12)内气体被压缩，当第二收颈罐(12)内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第二排气阀门(62)开启，水泵机组(2)继续工作，将第二收颈罐(12)内气体排出，直至液位到达预设位置，第二排气阀门(62)关闭；

随后，第一液位传感器(71)和第二液位传感器(72)通过对液位感应将信号反馈给各阀门调节系统，来流气体通过第二进气阀门(52)进入第二收颈罐(12)，与此同时，第一进气阀门(51)处于关闭状态，第一排气阀门(61)和第二排气阀门(62)也处于关闭状态，随着水泵机组(2)工作，第二收颈罐(12)中水被压入第一收颈罐(11)中，第一收颈罐(11)内气体被压缩，当第一收颈罐(11)内气体压力达到后续管路或储气容器相等压力后，第一排气阀门(61)开启，水泵机组(2)继续工作，将第一收颈罐(11)内气体排出，直至液位到达预设位置，第一排气阀门(61)关闭；在罐内气体被压缩时，对应罐的喷头群为气体进行喷水冷却。

8.根据权利要求7所述的一种收颈式微余隙增压方法，其特征在于，在第一收颈罐(11)内气体被压缩时，第二收颈罐(12)内水通过水泵机组(2)增压经过第一喷水阀门(41)进入第一喷头群(81)，为第一收颈罐(11)内气体进行喷水冷却；在第二收颈罐(12)内气体被压缩时，第一收颈罐(11)内水通过水泵机组增压经过第二喷水阀门(42)进入第二喷头群(82)，为第二收颈罐(12)内气体进行喷水冷却；水泵机组(2)出口水流分别流入第一收颈罐(11)底部和第一喷头群(81)或第二收颈罐(12)底部和第二喷头群(82)，流入收颈罐和喷头群的水流流量通过喷水阀门和液体阀门联合调节进行分配。

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