CN113175415A - 一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法，包括等温压缩系统、等温等压储能系统及等温膨胀发电系统，其中，等温压缩系统的出口与等温等压储能系统的入口相连通，等温等压储能系统的出口与等温膨胀发电系统的入口相连通，该系统及方法能够实现压缩空气储能。

Description

一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法
技术领域
本发明属于海上风电及压缩空气储能领域，涉及一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法。
背景技术
为应对全球气候变化，必须大力推进新能源高速发展，尤其海上风电。而大量“阴晴不定”的新能源电量并网对电网造成极大冲击。
目前，国内外对海上风电研究工作十分活跃，主要涉及到叶片设计、远程控制、电池储能以及配套设备维护等，但至今对配套压缩空气储能研究涉及很少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法，该系统及方法能够实现压缩空气储能。
为达到上述目的，本发明所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统包括等温压缩系统、等温等压储能系统及等温膨胀发电系统，其中，等温压缩系统的出口与等温等压储能系统的入口相连通，等温等压储能系统的出口与等温膨胀发电系统的入口相连通。
等温等压储能系统为承压薄膜。
等温压缩系统包括一级压缩机、第一换热器、二级压缩机、第二换热器、三级压缩机、第三换热器、四级压缩机、第四换热器、五级压缩机及第五换热器；
一级压缩机的出口依次经第一换热器的放热侧、二级压缩机、第二换热器的放热侧、三级压缩机、第三换热器的放热侧、四级压缩机、第四换热器的放热侧、五级压缩机及第五换热器的放热侧与承压薄膜的入口相连通，冷却水给水泵的出口分为五路，其中，第一路与第一换热器的吸热侧相连通，第二路与第二换热器的吸热侧相连通，第三路与第三换热器的吸热侧相连通，第四路与第四换热器的吸热侧相连通，第五路与第五换热器的吸热侧相连通。
冷却水给水泵的出口分为五路，其中，第一路经第一调节阀与第一换热器的吸热侧相连通，第二路经第二调节阀与第二换热器的吸热侧相连通，第三路经第三调节阀与第三换热器的吸热侧相连通，第四路经第四调节阀与第四换热器的吸热侧相连通，第五路经第五调节阀与第五换热器的吸热侧相连通。
等温膨胀发电系统包括第六换热器、一级膨胀机、第七换热器、二级膨胀机、第八换热器、三级膨胀机及第九换热器与四级膨胀机，承压薄膜的出口依次经第六换热器的吸热侧、一级膨胀机、第七换热器的吸热侧、二级膨胀机、第八换热器的吸热侧、三级膨胀机及第九换热器的吸热侧与四级膨胀机的入口相连通，升温给水泵的出口分为四路，其中，第一路与第六换热器的放热侧相连通，第二路与第七换热器的放热侧相连通，第三路与第八换热器的放热侧相连通，第四路与第九换热器的放热侧相连通。
一级膨胀机连接有1号发电机，二级膨胀机连接有2号发电机，三级膨胀机连接有3号发电机，四级膨胀机连接有4号发电机。
第一路经第六调节阀与第六换热器的放热侧相连通，第二路经第七调节阀与第七换热器的放热侧相连通，第三路经第八调节阀与第八换热器的放热侧相连通，第四路经第九调节阀与第九换热器的放热侧相连通。
一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能方法包括以下步骤：
当间歇性海上风电出现时，关闭等温膨胀发电系统，启动等温压缩系统对空气进行等温压缩，然后将压缩空气存储于等温等压储能系统中；当电源侧需要发电供电时，则关闭等温压缩系统，启动等温膨胀发电系统，等温膨胀发电系统利用等温等压储能系统存储的压缩空气进行发电。
当间歇性海上风电出现时，启动一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机、四级压缩机、五级压缩机及冷却给水泵，空气进入到一级压缩机中一级压缩，一级压缩机输出的空气经海水降温，然后进入到二级压缩机中进行二级压缩，二级压缩机输出的空气经海水降温，然后进入到三级压缩机中进行三级压缩，其中，三级压缩机输出的空气经海水降温，然后进入到四级压缩机中进行四级压缩，四级压缩机输出的空气经海水降温，再经五级压缩机进行五级压缩，五级压缩机输出的空气经海水降温，然后进入到承压薄膜内存储。
当电源侧需要发电供电时，关闭一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机、四级压缩机、五级压缩机及冷却给水泵，启动升温给水泵，将储存在水下承压薄膜内的高压空气送入到一级膨胀机内做功发电；一级膨胀机输出的空气经级间海水升温，再送入到二级膨胀机内做功，二级膨胀机输出的空气经级间海水升温，然后送入到三级膨胀机中做功，三级膨胀机输出的空气经级间海水升温，然后送入到四级膨胀机中做功，四级膨胀机输出的空气排入海水中。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法在具体操作时，当间歇性海上风电出现时，关闭等温膨胀发电系统，启动等温压缩系统对空气进行等温压缩，然后将压缩空气存储于等温等压储能系统中，即利用间歇性海上风电压缩空气储能；当电源侧需要发电供电时，则关闭等温压缩系统，启动等温膨胀发电系统，等温膨胀发电系统利用等温等压储能系统存储的压缩空气进行发电，使得电源侧始终处于稳定运行，解决间歇性海上风电周期对电网的冲击，能够为目前海上风电提供一种经济可靠的技术路线，同时本发明利用海水冷却、升温，能够彻底解决海上风电储能所带来的制约，具有系统简单、储能效率高、安全及经济性好等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为一级压缩机、2为二级压缩机、3为三级压缩机、4为四级压缩机、5为五级压缩机、6为承压薄膜、7为冷却给水泵、8为一级膨胀机、9为二级膨胀机、10为三级膨胀机、11为四级膨胀机、12为4号发电机、13为3号发电机、14为2号发电机、15为1号发电机、16为升温给水泵、17为第一调节阀、18为第二调节阀、19为第三调节阀、20为第四调节阀、21为第五调节阀、22为第六调节阀、23为第七调节阀、24为第八调节阀、25为第九调节阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统包括等温压缩系统、等温等压储能系统及等温膨胀发电系统；
等温压缩系统包括一级压缩机1、第一换热器的放热侧、二级压缩机2、第二换热器、三级压缩机3、第三换热器、四级压缩机4、第四换热器、五级压缩机5及第五换热器；
一级压缩机1的出口依次经第一换热器的放热侧、二级压缩机2、第二换热器的放热侧、三级压缩机3、第三换热器的放热侧、四级压缩机4、第四换热器的放热侧、五级压缩机5及第五换热器的放热侧与承压薄膜6的入口相连通，级间海水管道的出口经冷却水给水泵后分为五路，其中第一路经第一调节阀17与第一换热器的吸热侧相连通，第二路经第二调节阀18与第二换热器的吸热侧相连通，第三路经第三调节阀19与第三换热器的吸热侧相连通，第四路经第四调节阀20与第四换热器的吸热侧相连通，第五路经第五调节阀21与第五换热器的吸热侧相连通，级间海水通过冷却给水泵7、第一调节阀17、第二调节阀18、第三调节阀19、第四调节阀20及第五调节阀21供给调节，保证各级间温度接近海水温度(5℃～10℃)。
等温等压储能系统包括承压薄膜6，等温膨胀发电系统包括第六换热器、一级膨胀机8、第七换热器、二级膨胀机9、第八换热器、三级膨胀机10及第九换热器及四级膨胀机11；承压薄膜6的出口依次经第六换热器的吸热侧、一级膨胀机8、第七换热器的吸热侧、二级膨胀机9、第八换热器的吸热侧、三级膨胀机10及第九换热器的吸热侧与四级膨胀机11的入口相连通，一级膨胀机8连接有1号发电机15，二级膨胀机9连接有2号发电机14，三级膨胀机10连接有3号发电机13，四级膨胀机11连接有4号发电机12，升温给水泵16的出口分为四路，其中第一路经第六调节阀22与第六换热器的放热侧相连通，第二路经第七调节阀23与第七换热器的放热侧相连通，第三路经第八调节阀24与第八换热器的放热侧相连通，第四路经第九调节阀25与第九换热器的放热侧相连通，通过升温给水泵16、第六调节阀22、第七调节阀23、第八调节阀24及第九调节阀25调节级间给水，保证各级间温度接近海水温度(5℃～10℃)。
通过承压薄膜6进行高压空气储存，等温膨胀发电系统中各级膨胀机间温度保持不变。
本发明所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能方法包括以下步骤：
当间歇性海上风电出现时，启动一级压缩机1、二级压缩机2、三级压缩机3、四级压缩机4、五级压缩机5及冷却给水泵7，0.1MPa、5～10℃的空气进入到一级压缩机1中一级压缩，一级压缩机1输出的0.2～0.3MPa、110～120℃空气经海水降温至5～10℃，然后进入到二级压缩机2中进行二级压缩，二级压缩机2输出的0.7～0.9MPa、200～210℃空气经海水降温至5～10℃，然后进入到三级压缩机3中进行三级压缩，其中，三级压缩机3输出的2.5～2.6MPa、240～250℃空气经海水降温至5～10℃，然后进入到四级压缩机4中进行四级压缩，四级压缩机4输出的7.5～8MPa、300～310℃空气经海水降温至5～10℃中，再经五级压缩机5进行五级压缩，五级压缩机5输出的20～22MPa、460～510℃空气经海水降温至5～10℃，然后进入到承压薄膜6内，压缩过程消耗电功率(20～22)MW，该过程消耗电能，将电能转化成高压压缩空气在水下进行储存。
当电源侧需要发电供电时，关闭一级压缩机1、二级压缩机2、三级压缩机3、四级压缩机4、五级压缩机5及冷却给水泵7，启动升温给水泵16，将储存在水下承压薄膜6内的高压空气送入到一级膨胀机8内做功发电；一级膨胀机8输出的7～7.5MPa，-40～-45℃空气经级间海水加热至5～7℃，再送入到二级膨胀机9内做功，二级膨胀机9输出的3～3.2MPa，-40～-45℃空气经级间海水升温至5～7℃，然后送入到三级膨胀机10中做功，三级膨胀机10输出的1～1.3MPa，-40～-45℃空气经级间海水升温至5～7℃，然后送入到四级膨胀机11中做功，四级膨胀机11输出的0.2～0.3MPa，-65～-70℃空气排入海水中，系统发电量为12～13MW，该过程为电源侧可以迅速提供稳定电量，增加发电量，系统效率为55％～60％，等温膨胀发电系统从水下输送到膨胀机入口的空气压力受海底压力原因，始终处于20～22MPa，保证膨胀做功的能力。

Claims (10)

1.一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，包括等温压缩系统、等温等压储能系统及等温膨胀发电系统，其中，等温压缩系统的出口与等温等压储能系统的入口相连通，等温等压储能系统的出口与等温膨胀发电系统的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，等温等压储能系统为承压薄膜(6)。
3.根据权利要求2所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，等温压缩系统包括一级压缩机(1)、第一换热器、二级压缩机(2)、第二换热器、三级压缩机(3)、第三换热器、四级压缩机(4)、第四换热器、五级压缩机(5)及第五换热器；
一级压缩机(1)的出口依次经第一换热器的放热侧、二级压缩机(2)、第二换热器的放热侧、三级压缩机(3)、第三换热器的放热侧、四级压缩机(4)、第四换热器的放热侧、五级压缩机(5)及第五换热器的放热侧与承压薄膜(6)的入口相连通，冷却水给水泵的出口分为五路，其中，第一路与第一换热器的吸热侧相连通，第二路与第二换热器的吸热侧相连通，第三路与第三换热器的吸热侧相连通，第四路与第四换热器的吸热侧相连通，第五路与第五换热器的吸热侧相连通。
4.根据权利要求3所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，冷却水给水泵的出口分为五路，其中，第一路经第一调节阀(17)与第一换热器的吸热侧相连通，第二路经第二调节阀(18)与第二换热器的吸热侧相连通，第三路经第三调节阀(19)与第三换热器的吸热侧相连通，第四路经第四调节阀(20)与第四换热器的吸热侧相连通，第五路经第五调节阀(21)与第五换热器的吸热侧相连通。
5.根据权利要求2所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，等温膨胀发电系统包括第六换热器、一级膨胀机(8)、第七换热器、二级膨胀机(9)、第八换热器、三级膨胀机(10)及第九换热器与四级膨胀机(11)，承压薄膜(6)的出口依次经第六换热器的吸热侧、一级膨胀机(8)、第七换热器的吸热侧、二级膨胀机(9)、第八换热器的吸热侧、三级膨胀机(10)及第九换热器的吸热侧与四级膨胀机(11)的入口相连通，升温给水泵(16)的出口分为四路，其中，第一路与第六换热器的放热侧相连通，第二路与第七换热器的放热侧相连通，第三路与第八换热器的放热侧相连通，第四路与第九换热器的放热侧相连通。
6.根据权利要求5所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，一级膨胀机(8)连接有1号发电机(15)，二级膨胀机(9)连接有2号发电机(14)，三级膨胀机(10)连接有3号发电机(13)，四级膨胀机(11)连接有4号发电机(12)。
7.根据权利要求5所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统，其特征在于，第一路经第六调节阀(22)与第六换热器的放热侧相连通，第二路经第七调节阀(23)与第七换热器的放热侧相连通，第三路经第八调节阀(24)与第八换热器的放热侧相连通，第四路经第九调节阀(25)与第九换热器的放热侧相连通。
8.一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能方法，其特征在于，包括以下步骤：
当间歇性海上风电出现时，关闭等温膨胀发电系统，启动等温压缩系统对空气进行等温压缩，然后将压缩空气存储于等温等压储能系统中；当电源侧需要发电供电时，则关闭等温压缩系统，启动等温膨胀发电系统，等温膨胀发电系统利用等温等压储能系统存储的压缩空气进行发电。
9.根据权利要求8所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能方法，其特征在于，当间歇性海上风电出现时，启动一级压缩机(1)、二级压缩机(2)、三级压缩机(3)、四级压缩机(4)、五级压缩机(5)及冷却给水泵(7)，空气进入到一级压缩机(1)中一级压缩，一级压缩机(1)输出的空气经海水降温，然后进入到二级压缩机(2)中进行二级压缩，二级压缩机(2)输出的空气经海水降温，然后进入到三级压缩机(3)中进行三级压缩，其中，三级压缩机(3)输出的空气经海水降温，然后进入到四级压缩机(4)中进行四级压缩，四级压缩机(4)输出的空气经海水降温，再经五级压缩机(5)进行五级压缩，五级压缩机(5)输出的空气经海水降温，然后进入到承压薄膜(6)内存储。
10.根据权利要求8所述的海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能方法，其特征在于，当电源侧需要发电供电时，关闭一级压缩机(1)、二级压缩机(2)、三级压缩机(3)、四级压缩机(4)、五级压缩机(5)及冷却给水泵(7)，启动升温给水泵(16)，将储存在水下承压薄膜(6)内的高压空气送入到一级膨胀机(8)内做功发电；一级膨胀机(8)输出的空气经级间海水升温，再送入到二级膨胀机(9)内做功，二级膨胀机(9)输出的空气经级间海水升温，然后送入到三级膨胀机(10)中做功，三级膨胀机(10)输出的空气经级间海水升温，然后送入到四级膨胀机(11)中做功，四级膨胀机(11)输出的空气排入海水中。
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