CN114962122B - 一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统及方法，系统包括抽水蓄能单元、补气单元、集热单元、透平机组和近等温压缩模块；抽水蓄能单元包括依次连接的上位水库、下位储气隧道组、中位储水储气隧道组、抽蓄一体水轮机组与下位水库；下位储气隧道组和中位储水储气隧道组连接补气单元；透平机组包括沿工质流向连接的第一换热器和透平机，透平机的出口连接近等温压缩模块的进气口，中位储水储气隧道组还连接近等温压缩模块的进气口；透平机、中位储水储气隧道组、近等温压缩模块和下位储气隧道组连接第一换热器的冷侧和下位储气隧道组，第一换热器的热侧进出口连接集热单元的工质出入口，集热单元包括并联的太阳能集热系统和地热系统。

Description

一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能及抽水蓄能技术领域，具体涉及一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统及方法。

背景技术

抽水蓄能具有调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动等功能，以及容量大、工况多、速度快、可靠性高、经济性好等技术经济优势，在保障大电网安全、促进新能源消纳、提升全系统性能中发挥着基础作用，是能源互联网的重要组成部分。加快发展抽水蓄能，是构建新型电力系统的迫切要求，是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑，是可再生能源大规模发展的重要保障。目前存在的抽水蓄能系统水头高度及装机规模很大程度上受上下水库高度差及高位水库水量的限制，因此，水头高度较大的抽水蓄能电站的建设对地理位置要求较高，且一般适合建设抽水蓄能电站的环境会有大量的光照资源及地热资源未被利用。对于压缩空气储能系统来说，使用节流阀维持透平前压力恒定会导致高压空气的压力能损失、大幅降低透平机功率，导致大量的能源浪费以及在储气过程中，一般采用恒容压缩也会导致一定的能量损失；压缩空气储能系统高压储气罐及管道等设备会大幅增加系统的前期投资；为了提高透平输出功率，在高压空气进入透平做功前需进行补热，采用煤等化石能源燃烧补热会对大气造成污染且会产生大量的二氧化碳，化石燃料的使用也会降低系统的经济性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统及方法，通过将压缩空气储能系统、抽水蓄能系统、太阳能集热与地热系统相耦合，在实现了建设低落差高水头抽水蓄能电站与空气的恒压压缩的同时避免了节流阀的使用导致的压力能损失，且降低了设备投资与资源的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，包括抽水蓄能单元、补气单元、集热单元、透平机组和近等温压缩模块；抽水蓄能单元包括依次连接的上位水库、下位储气隧道组、中位储水储气隧道组、抽蓄一体水轮机组与下位水库；下位储气隧道组和中位储水储气隧道组连接补气单元；透平机组包括沿工质流向连接的第一换热器和透平机，透平机的出口连接近等温压缩模块的气体入口，中位储水储气隧道组还连接近等温压缩模块的进气口；透平机、中位储水储气隧道组、近等温压缩模块和下位储气隧道组的气体出口连接第一换热器的冷侧和下位储气隧道组，第一换热器的热侧进出口连接集热单元的工质出入口，集热单元包括并联的太阳能集热系统和地热系统。

中位储水储气隧道组和近等温压缩模块至第一换热器的管路上设置双引射口自动调节引射器；中位储水储气隧道组包括第一中位储水储气隧道和第二中位储水储气隧道；透平机、近等温压缩模块、第一中位储水储气隧道和第二中位储水储气隧道均连接双引射口自动调节引射器的入口端，双引射口自动调节引射器的出口端连接第一换热器，第二中位储水储气隧道还连接第一换热器；近等温压缩模块采用双罐水气压缩模块，其中的双水气罐上有水位感应装置，近等温压缩模块的低压起源来自中位储水储气隧道组。

双引射口自动调节引射器的入口端开设双引射口自动调节引射器高压气体入口，在其靠近入口端的侧壁开设双引射口自动调节引射器第一低压气体入口和双引射口自动调节引射器第二低压气体入口，其出口端为双引射口自动调节引射器中压气体出口，双引射口自动调节引射器的喉部出口设置喷嘴出口面积自动调整装置；双引射口自动调节引射器高压气体入口连接近等温压缩模块出气口，双引射口自动调节引射器第一低压气体入口与第一中位储水储气隧道出气口连接，第二中位储水储气隧道经过三通阀分别连接第二低压气体入口和第一换热器；设置多个双引射口自动调节引射器。

在中位储气隧道组压力较高的中位储气隧道出口设置调压释能模块代替所述三通阀，调压释能模块包括第二透平机、第三换热器及固定式引射器；下位储气隧道经第三换热器与第二透平机相连，第二透平机出口与固定式引射器的被引射气体入口相连，固定式引射器的高压气体入口与下位储气隧道相连，固定式引射器中压混合气体出口与承压能力较大的中位储水储气隧道相连，下位储气隧道与第三换热器之间设置第一节流阀，下位储气隧道与固定式引射器高压气体入口之间设置第二节流阀，第三换热器的热侧连接集热单元。

下位储气隧道组包括若干下位储气隧道，下位储气隧道及中位储水储气隧道均为若干人工开凿或者已经存在的洞穴，其中设置挡水装置，形成水封结构，所述挡水装置上均设置有水位感应装置；同一运行组中下位储气隧道的位置低于中位储水储气隧道；上位水库与下位储气隧道组之间以及中位储水储气隧道与抽蓄一体水轮机组之间均设置有自动控制电磁阀；抽蓄一体水轮机组包括若干第一抽蓄一体水轮机与第二抽蓄一体水轮机，第一抽蓄一体水轮机设置在第一中位储水储气隧道与下位水库之间，第二抽蓄一体水轮机设置在第二中位储水储气隧道与下位水库之间。

太阳能集热系统和地热系统并联管路的两端接口分别设置三通阀；太阳能集热系统中设置若干太阳能集热板，地热系统包括若干地热井，地热井的出口设置介质循环泵；第一换热器的储热介质为水，第一换热器内部为逆流换热；透平机组包括若干组第一换热器和透平机，透平机还连接发电机；补气单元包括依次连接的绝热压缩机和第二换热器，第二换热器的出口通过串联的三通阀连接下位储气隧道组及中位储水储气隧道组。

本发明所述低落差高水头的抽水压缩空气储能系统的运行方法，包括准备阶段、储能阶段和释能阶段；

准备阶段，用补气单元进行空气与压缩，分别进行下位储气隧道组的空气预压缩，下位储气隧道的达到预设压力和预设水位时，进行中位储水储气隧道组的压缩，中位储水储气隧道内的水位达到预设要求后，进行中位储水储气隧道组气体预压缩至预设压力，完成补气；

储能阶段，打开中位储水储气隧道组与下位水库的管路，下位水库内水先经抽蓄一体水轮机内水泵的作用后经阀门进入中位储水储气隧道组；近等温压缩模块至中位储水储气隧道组管路打开，中位储水储气隧道组中隧道内气体受压进入近等温压缩模块中，气体在近等温压缩模块压缩至设定的压力状态，在于中位储水储气隧道组中的气体混合后进入下位储气隧道，下位储气隧道内的压力根据上位水库与下位储气隧道的高度差设定；

释能阶段：打开上位水库至下位储气隧道的管路，下位储气隧道内的气体以恒压的方式进入第一换热器，空气吸热变为高压空气后进入透平机做功，将压力能转化为机械能，透平机带动发电机发电，做功后的空气进入中位储水储气隧道组，中位储水储气隧道组内的水经闸阀与抽蓄一体水轮机进入下位水库，中位储水储气隧道组内空气与水的势能转化为机械能，进一步转化为电能，在中位储水储气库内空气的压力及中位储水储气库内水与下位水库的高度差的作用下，水轮机将以更大的功率运转，从而实现低落差高水头的抽水压缩空气储能系统运行；太阳能集热与地热灵活调配，当阳光充足的时候优先使用太阳能集热、地热为辅助供热；当夜晚或者无充足的阳光时进行，切换为地热供热。

储能阶段中，第一中位储水储气隧道内的气体先经近等温压缩模块压缩到设定的大于下位储气隧道内气体压力的高压状态，进入双引射口自动调节引射器的高压气体入口，与此同时第二中位储水储气隧道内的气体进入双引射口自动调节引射器的第二低压气体入口，第一中位储水储气隧道内的气体进入双引射口自动调节引射器的第一低压气体入口，一股高压气体与两股低压气体在双引射口自动调节引射器内充分混合后形成中压气体，所述中压气体先经自动调节引射器中压气体出口后经第二闸阀直接进入下位储气隧道，所述中压气体的压力为下位储气隧道的预置压力；双引射口自动调节引射器的引射比的大小根据两个中位储水储气隧道内气体的压力调节，自动调节装置通过改变双引射口自动调节引射器喷嘴出口的通流面积的大小来改变引射比。

根据中位储水储气隧道的承压能力给定该隧道的储气压力，当所述储气压力与下位储气隧道内的储气压力差较小时，下位储气隧道通过管道经节流阀直接连通中位储水储气隧道；当所述储气压力与下位储气隧道内的储气压力差较大时，则下位储气隧道先通过管道连通透平机组，再由透平机组经管道连接中位储水储气隧道；用来判定的压力差为2MPa，当压力差大于2MPa时，使用透平机组，当压力差不大于2MPa时，则不使用透平机组、通过阀门调节压降，此时仅通过水气联动，带动抽蓄一体水轮机做功释能。

压力差不大于2MPa时，在释能时，根据储气参数及固定式引射器的设计参数分配气体流量，一部分气体从固定式引射器高压气体入口进入固定式引射器，另一部分气体进入第三换热器，吸收热量后进入第二透平机做功，第二透平机带动发电机发电，透平排气压力较低，之后低压气体进入固定式引射器被引射气体入口，经固定式引射器引射混合达到第二中位储水储气隧道的压力要求进入第二中位储水储气隧道；水在中位储水储气隧道内气体的压力及本身水头压力的作用下带动第一抽蓄一体水轮机释能，第三换热器中储热介质的热量来自于集热单元。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明将压缩空气储能系统、抽水蓄能系统、太阳能集热与地热系统相耦合，充分利用现有的地理条件，在实现了低落差高水头抽水压缩空气储能的同时使当地的太阳能及地热能资源得到充分利用，减少了压缩空气储能的运行成本，基于本申请所述系统能根据现有的地理条件，因地制宜，各个隧道之间联动配合，增加系统的灵活性；该系统耦合压缩空气储能系统，在增加抽水蓄能水头的同时兼具储气功能，从而进一步增加了系统的释能功率，增加了储能规模。

本申请所述系统运行过程中，在释能阶段下位储气隧道内气体始终保持恒压，特别是在进入透平做功时，恒压运行更是避免了节流阀的使用，进一步提高系统㶲效率。

进一步的，设定下位储气隧道5内气体压力位6MPa，第一中位储水储气隧道内气体压力为4MPa，第一中位储水储气隧道相对于下位水库29高度差所产生的压力差为4MPa，则叠加水头压力能达到8MPa，从而在低落差的情况下获得更大的压力水头。

进一步的，利用现有的洞穴或者人工开凿的隧道可以节省前期的投资，从而实现了系统的低成本。

进一步地，近等温压缩与双引射口自动调节引射器联动储气，使用双引射口自动调节引射器引射承压能力较大的中位储水储气隧道(即与下位储气隧道组压差较小的中位储水储气隧道)与承压能力较小的中位储水储气隧道(即与近等温压缩模块气体入口连接的隧道)内的气体，避免了小压比压缩机的使用的同时，强化了储能阶段的储气过程、提高了储气流量，从而在节省了系统设备投资、提高系统的运行效率的同时强化了系统的储能能力，减小了储能时间。

进一步地，双引射口自动调节引射器含有两个低压气体入口并使用自动控制装置调整引射器内喷嘴出口的通流面积，从而可以实现不同低压气体同时被引射的功能同时根据需要自动调整引射比，减少了引射器数量的使用，提高系统的灵活性。

进一步的，近等温压缩模块出口压力可根据需要进行调节，进而控制双引射口自动调节引射器的引射能力，从而使储能过程更加灵活。

进一步的，各个隧道与进排水管道连接处设置了水位感应装置与挡水装置，通过负反馈调节，防止高压气体外泄及进入抽蓄一体水轮机，提高了系统的安全性能。

进一步的使用调压释能模块代替节流阀压降，释能调压模块中透平机膨胀比较大，同时避免了膨胀比透平机及节流阀的使用，可进一步提高释能功率，减小压力能损失。

附图说明

图1为本发明一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统设备图。

图2为本发明一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统场景图。

图3为本发明中释能时调压释能模块图。

图4为本发明中双引射口自动调节引射器正视图。

图5为本发明中双引射口自动调节引射器侧视图。

图中：1、上位水库；2、第一闸阀；3、第一水位感应装置；4、第一挡水装置；5、下位储气隧道；6、第一换热器；7、透平机；8、第一三通阀；9、第一水气罐；10、第二水气罐；11、变频水泵；12、双引射口自动调节引射器；13、第二闸阀；14、第二三通阀；15、第一中位储水储气隧道；16、第二中位储水储气隧道；17、第三三通阀；18、太阳能集热板；19、第四三通阀；20、地热井；21、第二水位感应装置；22、第二挡水装置；23、第三水位感应装置；24、第三挡水装置；25、第三闸阀；26、第四闸阀；27、第一抽蓄一体水轮机；28、第二抽蓄一体水轮机；29、下位水库；30、第五三通阀；31、第六三通阀；32、第二换热器；33、绝热压缩机；34、第五闸阀；35、透平机组；36、近等温压缩模块；37、第五闸阀；38、第一节流阀；39、第三换热器；40、第二透平机；41、第二节流阀；42、固定式引射器；121、双引射口自动调节引射器高压气体入口；122、双引射口自动调节引射器第一低压气体入口；123、双引射口自动调节引射器第二低压气体入口；124、双引射口自动调节引射器中压气体出口；125、喷嘴出口面积自动调整装置；A，B，C，D，E，F均为双引射口自动调节引射器的沿程状态点。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是完全按比例绘制的，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。

通过将压缩空气储能系统、抽水蓄能系统、太阳能集热与地热系统相耦合，在实现了建设低落差高水头抽水蓄能电站与空气的恒压压缩的同时避免了节流阀的使用导致的压力能损失，且降低了设备投资与资源的浪费，与此同时，在压缩空气储能系统中使用了本发明所设计的双引射口自动调节引射器，强化了储气过程的同时实现了引射比的自动调节，进一步降低设备投资，增加系统的灵活性。

如图1和图2所示，本发明提供一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，包括抽水蓄能单元、压缩空气储能单元、补气单元及集热单元；具体包括上位水库1、第一闸阀2、第一水位感应装置3、第一挡水装置4、下位储气隧道5、第一换热器6、透平机7、第一三通阀8、第一水气罐9、第二水气罐10、变频水泵11、双引射口自动调节引射器12、第二闸阀13、第二三通阀14、第一中位储水储气隧道15、第二中位储水储气隧道16、第三三通阀17、太阳能集热板18、第四三通阀19、地热井20、第二水位感应装置21、第二挡水装置22、第三水位感应装置23、第三挡水装置24、第三闸阀25、第四闸阀26、第一抽蓄一体水轮机27、第二抽蓄一体水轮机28、下位水库29、第五三通阀30、第六三通阀31、第二换热器32、绝热压缩机33、第五闸阀34、透平机组35、近等温压缩模块36；第五闸阀37；

参考图2，抽水蓄能单元包括依次连接的上位水库1、下位储气隧道组、中位储水储气隧道组、抽蓄一体水轮机组与下位水库29，下位储气隧道组包括若干下位储气隧道5，中位储水储气隧道组包括若干第一中位储水储气隧道15与第二中位储水储气隧道16、抽蓄一体水轮机组包括若干第一抽蓄一体水轮机27与第二抽蓄一体水轮机28，第一抽蓄一体水轮机27设置在第一中位储水储气隧道15与下位水库29之间，第二抽蓄一体水轮机28设置在第二中位储水储气隧道16与下位水库29之间；上位水库1与下位储气隧道5之间设有第一闸阀2，第一中位储水储气隧道15与第一抽蓄一体水轮机27间设置有第三闸阀25，第二中位储水储气隧道16与第二抽蓄一体水轮机28间设置有第四闸阀26，下位储气隧道5与第一换热器6之间设有第五闸阀37，下位储气隧道组与中位储水储气隧道组中间设置压缩空气储能单元，下位储气隧道组中设置第一挡水装置4，第一中位储水储气隧道15中设置第二挡水装置22，第二中位储水储气隧道16中设置第三挡水装置24，第一挡水装置4、第二挡水装置22以及第三挡水装置24上分别对应设置有第一水位感应装置3、第二水位感应装置21以及第三水位感应装置23。

压缩空气储能单元包括透平机组35、近等温压缩模块36与双引射口自动调节引射器模块，透平机组35包括若干第一换热器6与透平机7，第一换热器6的冷侧出口连接透平机7的入口，透平机7的出口通过第一三通阀8连接近等温压缩模块36气体入口和双引射口自动调节引射器第一低压气体入口122；近等温压缩模块包括第一水气罐9、第二水气罐10、变频水泵11及相应的阀门，第一水气罐9和第二水气罐10水流通道相互连通，并且变频水泵11设置在所述水流通道上，第一水气罐9和第二水气罐10的介质进出口均设置阀门，第一水气罐9和第二水气罐10的空气入口连接透平机7的出口，第一水气罐9和第二水气罐10的空气出口连接双引射口自动调节引射器高压气体入口121，双引射口自动调节引射器模块包括若干双引射口自动调节引射器12，透平机7与下位储气隧道5之间连接第一换热器6，透平机7、第一中位储水储气隧道15及近等温压缩模块36连接处设置有第一三通阀8，双引射口自动调节引射器12通过双引射口自动调节引射器中压气体出口124与下位储气隧道5之间设置第二闸阀13；双引射口自动调节引射器12并联设置。

参考图4和图5，双引射口自动调节引射器12的入口端开设双引射口自动调节引射器高压气体入口121，在其靠近入口端的侧壁开设双引射口自动调节引射器第一低压气体入口122和双引射口自动调节引射器第二低压气体入口123，其出口端为双引射口自动调节引射器中压气体出口124，双引射口自动调节引射器的喉部出口设置喷嘴出口面积自动调整装置125，

补气单元分别与下位储气隧道组及中位储水储气隧道组空气入口相连，补气单元包括依次连接的绝热压缩机33和第二换热器32，第二换热器32热侧出口与下位储气隧道组和中位储水储气隧道组之间分别对应设置第六三通阀31和第五三通阀30，下位储气隧道5与第六三通阀31相连，第一中位储水储气隧道15及第二中位储水储气隧道16分别与第五三通阀30相连。

集热单元包括太阳能集热板18与地热井20，太阳能集热板18与地热井20并联连接，并联两端接口分别对应设置第三三通阀17与第四三通阀19。

下位储气隧道组及中位储水储气隧道组为若干人工开凿或者已经存在的洞穴，隧道设置挡水装置，形成水封结构；下位储气隧道组与中位储水储气隧道组隧道的位置相对灵活，需保证同一运行组中下位储气隧道5的位置低于第一中位储水储气隧道15与第二中位储水储气隧道16。

根据中位储水储气隧道的承压能力给定该隧道的储气压力，当该储气压力与下位储气隧道5内的储气压力差较小时，下位储气隧道5通过管道经第二三通阀14直接连接该中位储水储气隧道；当该储气压力与下位储气隧道5内的储气压力差较大时，则下位储气隧道先通过管道连接透平机组35，再由透平机组经管道连接中位储水储气隧道。作为一个示例，用来判定的压力差可以为2MPa，当压力差大于2MPa时，使用透平机组35，当压力差不大于2MPa时，则不使用透平机组35。

双引射口自动调节引射器12高压气体入口121连接近等温压缩模块36出口、双引射口自动调节引射器第一低压气体入口122与第一中位储水储气隧道15连接、第二低压气体入口123经第五闸阀34与第二中位储水储气隧道16连接；双引射口自动调节引射器的引射比的大小可根据两个中位储水储气隧道内气体的具体情况灵活调节，自动调节装置125通过改变双引射口自动调节引射器喷嘴出口的通流面积的大小来改变引射比。

第一水气罐9与第二水气罐10上有水位感应装置；近等温压缩模块36与透平机组35并联应用，用于第一中位储水储气隧道15与下位储气隧道5之间；

压缩空气储能单元的第一换热器6的冷端经第三三通阀17分别与太阳能集热板及地热井入口相连，第一换热器的热端经第四三通阀19分别与太阳能集热板18及地热井20出口相连，换热器的储热介质为水，换热器内部为逆流换热。其中，太阳能集热与地热灵活调配，当阳光充足的时候优先使用太阳能集热、地热为辅助供热；当夜晚或者无充足的阳光时进行，切换为地热供热。

所有的阀门的开合及开度均有自动控制系统控制；下位储气隧道5与第一中位储水储气隧道15及第二中位储水储气隧道16配合运行，可根据实际情况需要对隧道进行串联或者并联运行。

本发明所述低落差高水头的抽水压缩空气储能系统的运行方法，包括准备阶段、储能阶段和释能阶段；准备阶段，用补气单元进行空气与压缩，分别进行下位储气隧道组的空气预压缩，下位储气隧道5的达到预设压力和预设水位时，进行中位储水储气隧道组的压缩，中位储水储气隧道内的水位达到预设要求后，进行中位储水储气隧道组气体预压缩至预设压力，完成补气；

储能阶段，打开中位储水储气隧道组与下位水库29的管路，下位水库29内水先经抽蓄一体水轮机内水泵的作用后经阀门进入中位储水储气隧道组；近等温压缩模块36至中位储水储气隧道组管路打开，中位储水储气隧道组中隧道内气体受压进入近等温压缩模块36中，气体在近等温压缩模块36压缩至设定的压力状态，在于中位储水储气隧道组中的气体混合后进入下位储气隧道5，下位储气隧道5内的压力根据上位水库1与下位储气隧道的高度差设定；

释能阶段：打开上位水库1至下位储气隧道5的管路，下位储气隧道5内的气体以恒压的方式经第五闸阀37进入第一换热器6，空气吸热变为高压空气后进入透平机7做功，将压力能转化为机械能，透平机7带动发电机发电，做功后的空气进入中位储水储气隧道组，中位储水储气隧道组内的水经闸阀与抽蓄一体水轮机进入下位水库29，中位储水储气隧道组内空气与水的势能转化为机械能，进一步转化为电能，在中位储水储气库内空气的压力及中位储水储气库内水与下位水库的高度差的作用下，水轮机将以更大的功率运转，从而实现低落差高水头的抽水压缩空气储能系统运行；太阳能集热与地热灵活调配，当阳光充足的时候优先使用太阳能集热、地热为辅助供热；当夜晚或者无充足的阳光时进行，切换为地热供热。

进一步的，近等温压缩模块与透平机组并联排布，用于承压能力较小的中位储水储气隧道与下位储气隧道之间，近等温压缩模块用于储能阶段，透平机组用于释能阶段。

下位储气隧道与中位储水储气隧道组配合运行，其中承压能力相同的隧道可串联使用、承压能力不同的隧道并联使用。

作为一个优选的实施例，本发明所述的一种低落差高水头的抽水压缩空气储能运行方法具体如下：

准备阶段：在该系统进行储能前需要由补气单元进行空气预压缩，首先进行下位储气隧道组的空气预压缩，除上位水库1与下位储气隧道5之间的第一闸阀2打开外，其余阀门均闭合，空气在绝热压缩机33的作用下达到下位储气隧道5的预置压力，经第二换热器32换热后进入下位储气隧道5，此过程气体维持恒压压缩，压缩过程为多级压缩，级间进行换热，当达到下位储气隧道5的预置水位时，进行中位储水储气隧道的压缩；中位储水储气隧道内气体预压缩之前，中位储水储气隧道内的水位达到预置要求，之后空气经绝热压缩机33压缩及第二换热器32换热后进入中位储水储气隧道内，直到最后一个中位储水储气隧道内气体预压缩完成，准备阶段完成；此准备阶段只需系统建设完成后运行一次，后续该补气单元仅在系统有漏气的情况时为系统补气。作为一个示例，下位储气隧道5准备阶段的预置水位为空气占该隧道体积的10%时停止，第一中位储水储气隧道15与第二中位储水储气隧道16准备阶段的预置水位为空气占该隧道体积的90%时停止。

储能阶段：打开第一抽蓄一体水轮机27与第一中位储水储气隧道15之间的第三闸阀25，同时打开第二抽蓄一体水轮机28与第二中位储水储气隧道16之间的第四闸阀26，下位水库29内水先经抽蓄一体水轮机内水泵的作用后经阀门进入中位储水储气隧道组，第一中位储水储气隧道15内的气体先经第一三通阀8后经近等温压缩模块36压缩到设定的大于下位储气隧道内气体压力的高压状态进入双引射口自动调节引射器的高压气体入口121，与此同时第二中位储水储气隧道16内的气体经第二三通阀14进入双引射口自动调节引射器的第二低压气体入口123、第一中位储水储气隧道15内的气体经闸阀进入双引射口自动调节引射器的第一低压气体入口122，一股高压气体与两股低压气体在双引射口自动调节引射器内充分混合后形成中压气体，该中压气体先经自动调节引射器中压气体出口124后经第二闸阀13直接进入下位储气隧道5，该中压气体的压力为下位储气隧道5的预置压力。

下位储气隧道5内的压力与上位水库1与下位储气隧道的高度差有关，中位储水储气隧道内的压力与该隧道的承压能力有关，双引射口自动调节引射器高压气体入口121压力与两个低压气体入口压力可根据中位储水储气隧道组内的储气压力及体积进行设定。其中，近等温压缩模块为双罐压缩，在变频水泵11的作用下第一水气罐9与第二水气罐10内气体交替压缩、排气、吸气与膨胀，其低压起源来自于第一中位储水储气隧道15；近等温压缩模块水泵使用变频水泵，进一步提高系统效率。

释能阶段：在上位水库1的作用下，下位储气隧道5内的气体以恒压的方式进入第一换热器6，空气吸热变为高压空气后进入透平机7做功，将压力能转化为机械能，透平机7带动发电机发电，进一步转化为电能，之后经第一三通阀8进入第一中位储水储气隧道15或者经第二三通阀14降压进入第二中位储水储气隧道16内，与此同时中位储水储气隧道组内的水经闸阀与抽蓄一体水轮机进入下位水库29，中位储水储气隧道组内空气与水的势能转化为机械能，进一步转化为电能，在中位储水储气库内空气的压力及中位储水储气库内水与下位水库的高度差的作用下，水轮机将以更大的功率运转，从而实现低落差高水头的抽水压缩空气储能系统运行。

储热介质从地热井20出口或太阳能集热板18出口进入第一换热器6，在第一换热器6内释放热量后进入地热井20或太阳能集热板18入口。

参考图3，作为一个替代实施方案，可将压力差不大于2MPa，需使用第二三通阀14调节压降时的阀门替换为调压释能模块。调压释能模块包括第二透平机40、第三换热器39及固定式引射器42；下位储气隧道5经第三换热器39与第二透平机40相连，第二透平机40出口与固定式引射器42的被引射气体入口相连，固定式引射器42的高压气体入口与下位储气隧道5相连，固定式引射器42中压混合气体出口与承压能力较大的第二中位储水储气隧道16相连，下位储气隧道5与第三换热器39之间设置第一节流阀38，下位储气隧道5与固定式引射器42高压气体入口之间也设置第二节流阀41，在释能时，根据储气参数及固定式引射器42的设计参数分配气体流量，一部分气体从固定式引射器42高压气体入口进入固定式引射器42，另一部分气体进入第三换热器39，吸收热量后进入第二透平机40做功，第二透平机40带动发电机发电，透平排气压力较低，之后低压气体进入固定式引射器42被引射气体入口，经固定式引射器42引射混合达到第二中位储水储气隧道16的压力要求进入第二中位储水储气隧道16；水在中位储水储气隧道16内气体的压力及本身水头压力的作用下带动第一抽蓄一体水轮机28释能；第三换热器39中储热介质的热量来自于集热单元。

作为一个示例，可设定下位储气隧道5内气体压力位6MPa，第一中位储水储气隧道内气体压力为4MPa，第一中位储水储气隧道相对于下位水库29高度差所产生的压力差为4MPa，则叠加水头压力能达到8MPa，从而在低落差的情况下获得更大的压力水头。

如图2所示，为本发明一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统场景图，作为一个示例，图2表示出了一种具体的布局方案，其中地热井20与第一换热器6连接的管道应与其他设备错开布置，为表清晰，单独列出。

综上所述，本发明通过将压缩空气储能系统、抽水蓄能系统、太阳能集热与地热系统相耦合，在实现了建设低落差高水头抽水蓄能电站与空气的恒压压缩的同时避免使用节流阀而导致的压力能损失，且降低了设备投资与资源的浪费，与此同时，使用本发明设计的双引射口自动调节引射器，强化了储气过程的同时实现了引射比的自动调节，进一步降低设备投资，增加系统的灵活性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，包括抽水蓄能单元、补气单元、集热单元、透平机组（35）和近等温压缩模块（36）；抽水蓄能单元包括依次连接的上位水库（1）、下位储气隧道组、中位储水储气隧道组、抽蓄一体水轮机组与下位水库（29）；下位储气隧道组和中位储水储气隧道组连接补气单元；透平机组（35）包括沿工质流向连接的第一换热器（6）和透平机（7），透平机（7）的出口连接近等温压缩模块（36）的气体入口，中位储水储气隧道组还连接近等温压缩模块（36）的进气口；透平机（7）、中位储水储气隧道组、近等温压缩模块（36）和下位储气隧道组的气体出口连接第一换热器（6）的冷侧和下位储气隧道组，第一换热器（6）的热侧进出口连接集热单元的工质出入口，集热单元包括并联的太阳能集热系统和地热系统；中位储水储气隧道组和近等温压缩模块（36）至第一换热器（6）的管路上设置双引射口自动调节引射器（12）；中位储水储气隧道组包括第一中位储水储气隧道（15）和第二中位储水储气隧道（16）；透平机（7）、近等温压缩模块（36）、第一中位储水储气隧道（15）和第二中位储水储气隧道（16）均连接双引射口自动调节引射器（12）的入口端，双引射口自动调节引射器（12）的出口端连接第一换热器（6），第二中位储水储气隧道（16）还连接第一换热器（6）；近等温压缩模块（36）采用双罐水气压缩模块，其中的双水气罐上有水位感应装置，近等温压缩模块（36）的低压起源来自中位储水储气隧道组；双引射口自动调节引射器（12）的入口端开设双引射口自动调节引射器高压气体入口（121），在其靠近入口端的侧壁开设双引射口自动调节引射器第一低压气体入口（122）和双引射口自动调节引射器第二低压气体入口（123），其出口端为双引射口自动调节引射器中压气体出口（124），双引射口自动调节引射器的喉部出口设置喷嘴出口面积自动调整装置（125）；双引射口自动调节引射器高压气体入口（121）连接近等温压缩模块（36）出气口，双引射口自动调节引射器第一低压气体入口（122）与第一中位储水储气隧道（15）出气口连接，第二中位储水储气隧道（16）经过三通阀分别连接第二低压气体入口（123）和第一换热器（6）；设置多个双引射口自动调节引射器（12）。

2.根据权利要求1所述的低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，在中位储气隧道组压力较高的中位储气隧道出口设置调压释能模块代替所述三通阀，调压释能模块包括第二透平机（40）、第三换热器（39）及固定式引射器（42）；下位储气隧道（5）经第三换热器（39）与第二透平机（40）相连，第二透平机（40）出口与固定式引射器（42）的被引射气体入口相连，固定式引射器（42）的高压气体入口与下位储气隧道（5）相连，固定式引射器（42）中压混合气体出口与承压能力较大的中位储水储气隧道相连，下位储气隧道（5）与第三换热器（39）之间设置第一节流阀（38），下位储气隧道（5）与固定式引射器（42）高压气体入口之间设置第二节流阀（41），第三换热器（39）的热侧连接集热单元。

3.根据权利要求1所述的低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，下位储气隧道组包括若干下位储气隧道（5），下位储气隧道（5）及中位储水储气隧道均为若干人工开凿或者已经存在的洞穴，其中设置挡水装置，形成水封结构，所述挡水装置上均设置有水位感应装置；同一运行组中下位储气隧道的位置低于中位储水储气隧道；上位水库（1）与下位储气隧道组之间以及中位储水储气隧道与抽蓄一体水轮机组之间均设置有自动控制电磁阀；抽蓄一体水轮机组包括若干第一抽蓄一体水轮机（27）与第二抽蓄一体水轮机（28），第一抽蓄一体水轮机（27）设置在第一中位储水储气隧道（15）与下位水库（29）之间，第二抽蓄一体水轮机（28）设置在第二中位储水储气隧道（16）与下位水库（29）之间。

4.根据权利要求1所述的低落差高水头的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，太阳能集热系统和地热系统并联管路的两端接口分别设置三通阀；太阳能集热系统中设置若干太阳能集热板（18），地热系统包括若干地热井（20），地热井的出口设置介质循环泵；第一换热器（6）的储热介质为水，第一换热器（6）内部为逆流换热；透平机组（35）包括若干组第一换热器（6）和透平机（7），透平机（7）还连接发电机；补气单元包括依次连接的绝热压缩机（33）和第二换热器（32），第二换热器（32）的出口通过串联的三通阀连接下位储气隧道组及中位储水储气隧道组。

5.权利要求1至4中任一项所述低落差高水头的抽水压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，包括准备阶段、储能阶段和释能阶段；

准备阶段，用补气单元进行空气与压缩，分别进行下位储气隧道组的空气预压缩，下位储气隧道（5）的达到预设压力和预设水位时，进行中位储水储气隧道组的压缩，中位储水储气隧道内的水位达到预设要求后，进行中位储水储气隧道组气体预压缩至预设压力，完成补气；

储能阶段，打开中位储水储气隧道组与下位水库（29）的管路，下位水库（29）内水先经抽蓄一体水轮机内水泵的作用后经阀门进入中位储水储气隧道组；近等温压缩模块（36）至中位储水储气隧道组管路打开，中位储水储气隧道组中隧道内气体受压进入近等温压缩模块（36）中，气体在近等温压缩模块（36）压缩至设定的压力状态，在于中位储水储气隧道组中的气体混合后进入下位储气隧道（5），下位储气隧道（5）内的压力根据上位水库（1）与下位储气隧道的高度差设定；

释能阶段：打开上位水库（1）至下位储气隧道（5）的管路，下位储气隧道（5）内的气体以恒压的方式进入第一换热器（6），空气吸热变为高压空气后进入透平机（7）做功，将压力能转化为机械能，透平机（7）带动发电机发电，做功后的空气进入中位储水储气隧道组，中位储水储气隧道组内的水经闸阀与抽蓄一体水轮机进入下位水库（29），中位储水储气隧道组内空气与水的势能转化为机械能，进一步转化为电能，在中位储水储气库内空气的压力及中位储水储气库内水与下位水库的高度差的作用下，水轮机将以更大的功率运转，从而实现低落差高水头的抽水压缩空气储能系统运行；太阳能集热与地热灵活调配，当阳光充足的时候使用太阳能集热，地热辅助供热；当无充足的阳光时，切换为地热供热；储能阶段中，第一中位储水储气隧道（15）内的气体先经近等温压缩模块（36）压缩到设定的大于下位储气隧道（5）内气体压力的高压状态，进入双引射口自动调节引射器的高压气体入口（121），与此同时第二中位储水储气隧道（16）内的气体进入双引射口自动调节引射器的第二低压气体入口（123），第一中位储水储气隧道（15）内的气体进入双引射口自动调节引射器的第一低压气体入口（122），一股高压气体与两股低压气体在双引射口自动调节引射器内充分混合后形成中压气体，所述中压气体先经自动调节引射器中压气体出口（124）后经第二闸阀（13）直接进入下位储气隧道（5），所述中压气体的压力为下位储气隧道（5）的预置压力；双引射口自动调节引射器（12）的引射比的大小根据两个中位储水储气隧道内气体的压力调节，自动调节装置通过改变双引射口自动调节引射器喷嘴出口的通流面积的大小来改变引射比。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，根据中位储水储气隧道的承压能力给定该隧道的储气压力，当所述储气压力与下位储气隧道内的储气压力差较小时，下位储气隧道通过管道经节流阀直接连通中位储水储气隧道；当所述储气压力与下位储气隧道内的储气压力差较大时，则下位储气隧道先通过管道连通透平机组，再由透平机组经管道连接中位储水储气隧道；用来判定的压力差为2MPa，当压力差大于2MPa时，使用透平机组（35），当压力差不大于2MPa时，则不使用透平机组（35）。

7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，压力差不大于2MPa时，在释能时，根据储气参数及固定式引射器（42）的设计参数分配气体流量，一部分气体从固定式引射器（42）高压气体入口进入固定式引射器（42），另一部分气体进入第三换热器（39），吸收热量后进入第二透平机（40）做功，第二透平机（40）带动发电机发电，第二透平机（40）排气压力较低，之后低压气体进入固定式引射器（42）被引射气体入口，经固定式引射器（42）引射混合达到第二中位储水储气隧道（16）的压力要求进入第二中位储水储气隧道（16）；水在中位储水储气隧道（16）内气体的压力及本身水头压力的作用下带动第一抽蓄一体水轮机（28）释能，第三换热器（39）中储热介质的热量来自于集热单元。

Images