CN114876701A - 一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法 - Google Patents

一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法，该系统中水源与增压泵进口相连，增压泵出口连接至水‑氮气共存罐液相进口，水‑氮气共存罐第一液相出口连接至第一水轮机进口，第一水轮机轴端与第一电机组相连，第一水轮机出口连接至第二水轮机第一进口，水‑氮气共存罐第二液相出口连接至第二水轮机第二进口，第二水轮机轴端连接第二电机组，第二水轮机出口连接至水源；第一管路连接至压缩机进口，压缩机轴端连接驱动电机，压缩机出口连接至高压氮气储存罐增压进口，高压氮气储存罐出口连接至水‑氮气共存罐气相进口；该方法涉及辅助加压、储能以及释能几个方面。本发明解决了传统抽水蓄能对特殊地形条件的依赖问题，具有广泛的应用前景。

Description

一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法
技术领域
本发明属于储能领域，具体涉及一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法。
背景技术
能源工业是发展国民经济的重要基础，也是保障国家安全的重要一环。安全、高效、低碳是现代能源技术特点的集中体现。近年来人们对能源的需求量越来越大，能源供应问题逐渐成为值得关注的主要问题。储能技术是实现在“双碳”目标的重要手段，也是未来能源领域的重点研究方向之一。
目前已有的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能和电磁储能等，其中抽水蓄能系统结构简单、效率高、无化学污染，是目前产业发展最为完善的储能技术，并且已经在世界范围内实现了了商业应用。抽水储能是在电力低负荷期将水从低位水库通过水泵抽至高位水库，把电能转化为水的势能存储起来，并在电力高负荷期释放高位水库的水至低位水库驱动水轮机发电。然而目前的抽水蓄能系统仍存在一些问题。抽水蓄能系统对于地形存在高度差要求，需要筑坝构建上下游水库存储水，而大坝的构建会影响当地生态环境，需要综合生态环境等多方面因素进行考虑；此外，传统抽水蓄能系统往往规模庞大，存在投资成本高、回收期限长、灵活性较差等缺点。
因此，亟需对传统的抽水蓄能系统进行改进，以提高系统储能效率，同时摆脱地形限制，增加系统灵活性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抽水压缩氮气储能系统及控制方法，以解决上述问题。本发明的系统解决了传统抽水蓄能对特殊地形条件的依赖问题，同时使得储能系统微型化，降低了系统投资成本，提高了储能系统灵活性及安全性，具有广泛的应用前景。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种抽水压缩氮气储能系统，包括水源、水-氮气共存罐、高压氮气储存罐、第一水轮机、第二水轮机、压缩机、增压泵、第一电机组、第二电机组和第一管路；
水源与增压泵进口相连，增压泵出口连接至水-氮气共存罐液相进口，水-氮气共存罐第一液相出口连接至第一水轮机进口，第一水轮机轴端与第一电机组相连，第一水轮机出口连接至第二水轮机第一进口，水-氮气共存罐第二液相出口连接至第二水轮机第二进口，第二水轮机轴端连接第二电机组，第二水轮机出口连接至水源；
第一管路通过第一加压阀连接至压缩机进口，压缩机轴端连接驱动电机，压缩机出口通过第二加压阀连接至高压氮气储存罐增压进口，高压氮气储存罐内布置有压力传感器，高压氮气储存罐出口连接至水-氮气共存罐气相进口。
本发明进一步的改进在于，水源通过第一调节阀与增压泵进口相连，增压泵出口经过第二调节阀连接至水-氮气共存罐液相进口；
水-氮气共存罐第一液相出口通过第三调节阀连接至第一水轮机进口；
第一水轮机出口通过第四调节阀连接至第二水轮机第一进口；
水-氮气共存罐第二液相出口通过第五调节阀连接至第二水轮机第二进口；
高压氮气储存罐出口通过第六调节阀连接至水-氮气共存罐气相进口。
本发明进一步的改进在于，水-氮气共存罐内布置有浮动式密封活塞。
本发明进一步的改进在于，高压氮气储存罐为双层结构，由高压氮气储存罐混凝土外壁和高压氮气储存罐钢材内壁组成，在高压氮气储存罐钢材内壁上布置有压力传感器。
本发明进一步的改进在于，第一水轮机或第二水轮机的可变导叶布置于导叶底环上，可变导叶轴端固定有导叶转臂，导叶转臂的另一端于接力器连接，接力器由液压控制系统驱动，工作中通过推拉导叶转臂带动可变导叶转动。
一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，包括以下步骤：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态；
辅助加压过程：在系统工作前，打开第一加压阀、第二加压阀及第六调节阀，驱动电机驱动压缩机工作，预先压缩氮气进入高压氮气储存罐及水-氮气共存罐，通过压力传感器检测高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内压力，当压力满足设定值时，关闭第一加压阀及第二加压阀，高压氮气储存罐及水-氮气共存罐维持连通状态，辅助加压过程结束；
储能过程：当外部电网处于用电低谷时，打开第一调节阀、第二调节阀及增压泵，存储于水源中的常温常压的水经过增压泵抽至水-氮气共存罐，当水-氮气共存罐内压力达到额定最大压力或用电低谷结束时，关闭第一调节阀、第二调节阀及增压泵，完成储能阶段；
释能过程：当外部电网处于用电高峰时，根据压力传感器获取高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内压力值，压力满足第一水轮机运行工况时，打开第三调节阀及第四调节阀，水-氮气共存罐中的高压水在氮气压力及重力作用下依次流经第一水轮机及第二水轮机，第一水轮机、第二水轮机分别带动第一电机组、第二电机组工作输出电能，第二水轮机出口的低压水流入水源；随着释能过程进行，水-氮气共存罐中压力逐渐降低，当压力下降至不满足第一水轮机工况时，关闭第三调节阀及第四调节阀，打开第五调节阀，水-氮气共存罐中的高压水在氮气压力及重力作用下流经第二水轮机，第二水轮机带动第二电机组工作输出电能，第二水轮机出口的低压水流入水源，当水-氮气共存罐内高压水完全流出或用电高峰结束时，关闭第五调节阀，完成释能过程。
本发明进一步的改进在于，辅助加压过程中设定高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内氮气压力为4MPa-10MPa。
本发明进一步的改进在于，储能与释能过程中，高压氮气储存罐及水-氮气共存罐维持连通状态，忽略水的压力随水位高度的变化，水-氮气共存罐水头变化通过以下公式计算：
Figure RE-GDA0003688665980000041
其中，H1为任一时刻水-氮气共存罐内的水头，pi为设定的初始氮气压力， Vw为水-氮气共存罐内水的体积，V2为高压氮气储存罐的容积，V1为水-氮气共存罐的容积，ρ为水的密度，g为重力加速度。
本发明进一步的改进在于，释能过程中，根据水-氮气共存罐内实时水头变化及用户功率需求计算水轮机单位出力，查取水轮机最优开度曲线及最优单位转速曲线获得水轮机的最优导叶角度及最优单位转速，根据最优单位转速计算获得水轮机最优转速，随后调整水轮机的导叶角度及水轮机转速至最佳状态；
其中单位出力的计算公式为：
Figure RE-GDA0003688665980000042
式中，P11为水轮机单位出力，P为用户功率需求，D为水轮机标称直径，H1为任一时刻水-氮气共存罐内的水头；
最优转速的计算公式为：
Figure RE-GDA0003688665980000051
式中，nopt为最优转速，nopt,11为最优单位转速。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明一种抽水压缩氮气储能系统，采用水-氮气共存罐作为储能容器存储高压水，摆脱了传统水坝蓄能对于地形的要求，同时使得储能系统微型化，降低了系统投资成本，提高了储能系统灵活性；
进一步，系统可布置在小区中，水源可由经处理后的小区生活污水和雨水等提供，为水资源的循环再利用提供新的途径；
进一步，利用不溶于水的氮气提供储能容器中的高压条件，同时采用浮动式密封活塞减小水面与气体之间的接触面积，大幅降低了气体在水中的溶解度，避免了对水轮发电机组的叶片造成汽蚀，系统安全性及耐用性好；
进一步，高压氮气储存罐采用双层结构，内层采用钢材，外层采用混凝土或纯水泥制成，保证了高压氮气储存罐密封性的同时减少了钢材的使用，降低了系统成本；当高压氮气储存罐发生泄漏时，外层混凝土结构保证了内层钢材罐体不会发生爆炸，系统安全性高；此外，双层结构使得高压氮气储存罐可以布置于地下或小区建筑物下方，系统布置灵活且占地面积小；
进一步，水-氮气共存罐内氮气压力为4MPa-10MPa，储存的水具有较高能量密度，实现了能量的高效存储；系统功率可通过调整辅助加压过程中水-氮气共存罐内气体压力进行调整，灵活方便。
进一步，储能及释能过程中，高压氮气储存罐与水-氮气共存罐连通，高压氮气储存罐的容积远大于水-氮气共存罐的容积，保证了水-氮气共存罐内压力不会发生大幅变化，水轮机工作在合理工况范围，提高了系统储能效率。
进一步，水轮机配置有可变导叶，同时水轮机转速可调，系统在释能过程中可根据水-氮气共存罐内压力以及用户负荷的要求调整水轮机导叶的角度和水轮机转速，实现流量及功率的实时调控，同时保证水轮机运行在高效区间，提高了系统储能效率。
进一步，系统采用两台水轮机并联布置，系统可根据水-氮气共存罐内压力及时调整工作的水轮机组，进一步提高了系统储能效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种抽水压缩氮气储能系统示意图；
图2为本发明实施例的高压氮气储存罐示意图；
图3为本发明实施例的水轮机可调导叶示意图。
附图标记说明：
1、水源；2、水-氮气共存罐；3、高压氮气储存罐；4、第一水轮机；5、第二水轮机；6、压缩机；7、增压泵；8、第一调节阀；9、第二调节阀；10、第三调节阀；11、第四调节阀；12、第五调节阀；13、第六调节阀；14、第一加压阀；15、第二加压阀；16、压力传感器；17、浮动式密封活塞；41、第一电机组；51、第二电机组；61、驱动电机；101、高压氮气储存罐混凝土外壁；102、高压氮气储存罐钢材内壁；201、可变导叶；202、导叶转臂；203、接力器；204、导叶底环。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种抽水压缩氮气储能系统示意图，包括：水源1、水-氮气共存罐2、高压氮气储存罐3、第一水轮机4、第二水轮机5、压缩机6、增压泵7、第一调节阀8、第二调节阀9、第三调节阀10、第四调节阀 11、第五调节阀12、第六调节阀13、第一加压阀14、第二加压阀15、压力传感器16、浮动式密封活塞17、第一电机组41、第二电机组51和驱动电机61。
水源1通过第一调节阀8与增压泵7进口相连，增压泵7出口经过第二调节阀9连接至水-氮气共存罐2液相进口，水-氮气共存罐2第一液相出口通过第三调节阀10连接至第一水轮机4进口，第一水轮机4轴端与第一电机组41相连，第一水轮机4出口通过第四调节阀11连接至第二水轮机5第一进口，水-氮气共存罐2第二液相出口通过第五调节阀12连接至第二水轮机5第二进口，第二水轮机5轴端连接第二电机组51，第二水轮机5出口连接至水源1，上述各部件构成储能循环系统。
第一管路通过第一加压阀14连接至压缩机6进口，压缩机6轴端连接驱动电机61，压缩机6出口通过第二加压阀15连接至高压氮气储存罐3增压进口，高压氮气储存罐3内布置有压力传感器16，高压氮气储存罐3出口通过第六调节阀13连接至水-氮气共存罐2气相进口，上述部件构成辅助加压系统。
水-氮气共存罐2内布置有浮动式密封活塞17。
参见图2，高压氮气储存罐3为双层结构，由高压氮气储存罐混凝土外壁 101和高压氮气储存罐钢材内壁102组成，在高压氮气储存罐钢材内壁102上布置有压力传感器16。
高压氮气储存罐3的容积远大于水-氮气共存罐2的容积，表示为
Figure RE-GDA0003688665980000081
式中，V2为高压氮气储存罐3的容积，V1为水-氮气共存罐2的容积。
参见图3，可变导叶201布置于导叶底环204上，可变导叶201轴端固定有导叶转臂202，导叶转臂202的另一端于接力器203连接，接力器203由液压控制系统驱动，工作中通过推拉导叶转臂202带动可变导叶201转动。
本发明实施例的一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，具体包括以下步骤：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态；
辅助加压过程：在系统工作前，打开第一加压阀14、第二加压阀15及第六调节阀13，驱动电机61驱动压缩机6工作，预先压缩氮气进入高压氮气储存罐 3及水-氮气共存罐2，通过压力传感器16检测高压氮气储存罐3及水-氮气共存罐2内压力，当压力满足设定值时，关闭第一加压阀14及第二加压阀15，高压氮气储存罐3及水-氮气共存罐2维持连通状态，辅助加压过程结束；
储能过程：当外部电网处于用电低谷时，打开第一调节阀8、第二调节阀9 及增压泵7，存储于水源1中的常温常压的水经过增压泵7抽至水-氮气共存罐 2，当水-氮气共存罐2内压力达到额定最大压力或用电低谷结束时，关闭第一调节阀8、第二调节阀9及增压泵7，完成储能阶段；
释能过程：当外部电网处于用电高峰时，根据压力传感器16获取高压氮气储存罐3及水-氮气共存罐2内压力值，压力满足第一水轮机4运行工况时，打开第三调节阀10及第四调节阀11，水-氮气共存罐2中的高压水在氮气压力及重力作用下依次流经第一水轮机4及第二水轮机5，第一水轮机4、第二水轮机5分别带动第一电机组41、第二电机组51工作输出电能，第二水轮机5出口的低压水流入水源1；随着释能过程进行，水-氮气共存罐2中压力逐渐降低，当压力下降至不满足第一水轮机4工况时，关闭第三调节阀10及第四调节阀11，打开第五调节阀12，水-氮气共存罐2中的高压水在氮气压力及重力作用下流经第二水轮机5，第二水轮机5带动第二电机组51工作输出电能，第二水轮机5 出口的低压水流入水源1，当水-氮气共存罐2内高压水完全流出或用电高峰结束时，关闭第五调节阀12，完成释能过程。
优选的，系统可布置于小区中，水源1可由经处理后的小区生活污水和雨水等提供。
优选的，辅助加压过程中设定高压氮气储存罐3及水-氮气共存罐2内氮气压力为4MPa-10MPa。
优选的，储能与释能过程中，高压氮气储存罐3及水-氮气共存罐2维持连通状态，忽略水的压力随水位高度的变化，水-氮气共存罐2水头变化通过以下公式计算：
Figure RE-GDA0003688665980000091
其中，H1为任一时刻水-氮气共存罐2内的水头，pi为设定的初始氮气压力， Vw为水-氮气共存罐2内水的体积，V2为高压氮气储存罐3的容积，V1为水-氮气共存罐2的容积，ρ为水的密度，g为重力加速度。
优选的，释能过程中，根据水-氮气共存罐2内实时水头变化及用户功率需求计算水轮机单位出力，查取水轮机最优开度曲线及最优单位转速曲线获得水轮机的最优导叶角度及最优单位转速，根据最优单位转速计算获得水轮机最优转速，随后调整水轮机的导叶角度及水轮机转速至最佳状态。
其中单位出力的计算公式为：
Figure RE-GDA0003688665980000101
式中，P11为水轮机单位出力，P为用户功率需求，D为水轮机标称直径，H1为任一时刻水-氮气共存罐2内的水头。
最优转速的计算公式为：
Figure RE-GDA0003688665980000102
式中，nopt为最优转速，nopt,11为最优单位转速。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抽水压缩氮气储能系统，其特征在于，包括水源、水-氮气共存罐、高压氮气储存罐、第一水轮机、第二水轮机、压缩机、增压泵、第一电机组、第二电机组和第一管路；
水源与增压泵进口相连，增压泵出口连接至水-氮气共存罐液相进口，水-氮气共存罐第一液相出口连接至第一水轮机进口，第一水轮机轴端与第一电机组相连，第一水轮机出口连接至第二水轮机第一进口，水-氮气共存罐第二液相出口连接至第二水轮机第二进口，第二水轮机轴端连接第二电机组，第二水轮机出口连接至水源；
第一管路通过第一加压阀连接至压缩机进口，压缩机轴端连接驱动电机，压缩机出口通过第二加压阀连接至高压氮气储存罐增压进口，高压氮气储存罐内布置有压力传感器，高压氮气储存罐出口连接至水-氮气共存罐气相进口。
2.根据权利要求1所述的一种抽水压缩氮气储能系统，其特征在于，水源通过第一调节阀与增压泵进口相连，增压泵出口经过第二调节阀连接至水-氮气共存罐液相进口；
水-氮气共存罐第一液相出口通过第三调节阀连接至第一水轮机进口；
第一水轮机出口通过第四调节阀连接至第二水轮机第一进口；
水-氮气共存罐第二液相出口通过第五调节阀连接至第二水轮机第二进口；
高压氮气储存罐出口通过第六调节阀连接至水-氮气共存罐气相进口。
3.根据权利要求2所述的一种抽水压缩氮气储能系统，其特征在于，水-氮气共存罐内布置有浮动式密封活塞。
4.根据权利要求2所述的一种抽水压缩氮气储能系统，其特征在于，高压氮气储存罐为双层结构，由高压氮气储存罐混凝土外壁和高压氮气储存罐钢材内壁组成，在高压氮气储存罐钢材内壁上布置有压力传感器。
5.根据权利要求2所述的一种抽水压缩氮气储能系统，其特征在于，第一水轮机或第二水轮机的可变导叶布置于导叶底环上，可变导叶轴端固定有导叶转臂，导叶转臂的另一端于接力器连接，接力器由液压控制系统驱动，工作中通过推拉导叶转臂带动可变导叶转动。
6.权利要求2至5中任一项所述的一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始状态下，所有调节阀为关闭状态；
辅助加压过程：在系统工作前，打开第一加压阀、第二加压阀及第六调节阀，驱动电机驱动压缩机工作，预先压缩氮气进入高压氮气储存罐及水-氮气共存罐，通过压力传感器检测高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内压力，当压力满足设定值时，关闭第一加压阀及第二加压阀，高压氮气储存罐及水-氮气共存罐维持连通状态，辅助加压过程结束；
储能过程：当外部电网处于用电低谷时，打开第一调节阀、第二调节阀及增压泵，存储于水源中的常温常压的水经过增压泵抽至水-氮气共存罐，当水-氮气共存罐内压力达到额定最大压力或用电低谷结束时，关闭第一调节阀、第二调节阀及增压泵，完成储能阶段；
释能过程：当外部电网处于用电高峰时，根据压力传感器获取高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内压力值，压力满足第一水轮机运行工况时，打开第三调节阀及第四调节阀，水-氮气共存罐中的高压水在氮气压力及重力作用下依次流经第一水轮机及第二水轮机，第一水轮机、第二水轮机分别带动第一电机组、第二电机组工作输出电能，第二水轮机出口的低压水流入水源；随着释能过程进行，水-氮气共存罐中压力逐渐降低，当压力下降至不满足第一水轮机工况时，关闭第三调节阀及第四调节阀，打开第五调节阀，水-氮气共存罐中的高压水在氮气压力及重力作用下流经第二水轮机，第二水轮机带动第二电机组工作输出电能，第二水轮机出口的低压水流入水源，当水-氮气共存罐内高压水完全流出或用电高峰结束时，关闭第五调节阀，完成释能过程。
7.根据权利要求6所述的一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，其特征在于，辅助加压过程中设定高压氮气储存罐及水-氮气共存罐内氮气压力为4MPa-10MPa。
8.根据权利要求6所述的一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，其特征在于，储能与释能过程中，高压氮气储存罐及水-氮气共存罐维持连通状态，忽略水的压力随水位高度的变化，水-氮气共存罐水头变化通过以下公式计算：
Figure FDA0003556792780000031
其中，H1为任一时刻水-氮气共存罐内的水头，pi为设定的初始氮气压力，Vw为水-氮气共存罐内水的体积，V2为高压氮气储存罐的容积，V1为水-氮气共存罐的容积，ρ为水的密度，g为重力加速度。
9.根据权利要求6所述的一种抽水压缩氮气储能系统的控制方法，其特征在于，释能过程中，根据水-氮气共存罐内实时水头变化及用户功率需求计算水轮机单位出力，查取水轮机最优开度曲线及最优单位转速曲线获得水轮机的最优导叶角度及最优单位转速，根据最优单位转速计算获得水轮机最优转速，随后调整水轮机的导叶角度及水轮机转速至最佳状态；
其中单位出力的计算公式为：
Figure FDA0003556792780000032
式中，P11为水轮机单位出力，P为用户功率需求，D为水轮机标称直径，H1为任一时刻水-氮气共存罐内的水头；
最优转速的计算公式为：
Figure FDA0003556792780000041
式中，nopt为最优转速，nopt,11为最优单位转速。
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