CN115013225A - 一种压缩空气储能发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压缩空气储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能发电系统及方法。针对现有压缩空气储能系统存在的需要消耗大量燃料或者效率较低等的不足，本发明采用如下技术方案：一种压缩空气储能发电系统，包括：水池；空压机；储水罐；离心泵；气水分离装置；储气罐；低压侧水轮发电设备；高压侧水轮发电设备；在储能时，利用空压机使储水罐中的水进入低压侧水轮发电设备进行低压发电；在发电时，先进行高压发电，当储气罐中的压力下降到第三预设值时，进行低压发电。本发明的有益效果是：在储能时，通过注水压缩空气、排水的循环，可以使得储气罐中的气压更高；在储能时，排出的水进行低压发电，可以回收部分能量。

Description

一种压缩空气储能发电系统及方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能发电系统及方法。
背景技术
随着能源互联网及环保需求的发展，越来越多的可再生能源并入电网发电。这些可再生能源具有间歇性、波动性大的特点，其大规模利用必然造成电网的调峰难题，冲击电网负荷供需的稳定。因此，储能技术应运而生。通过储能系统，在用电低谷期或发电高峰期，将电能转化为其他能源型式储存，当用电高峰或发电低谷时，将储存的能量通过动力设备发电上网，从而保证电网中稳定的供需关系。
目前大规模的储能方式有两种，抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能能源转换效率高，可达75％，但需要形成一定高差的大容量上游和下游水库，对选址的要求很高，还可能破坏自然生态环境，局限性较大。相比而言，压缩空气储能没有前者的这些问题，具有广阔的发展与应用前景。
但是，现有的压缩空气储能系统，内部换热环节多，不可逆损失大，并且，为了保证较高的输出功率和效率，在发电阶段需要消耗大量燃料。
发明内容
本发明针对现有压缩空气储能系统存在的需要消耗大量燃料或者效率较低等的不足，提供一种压缩空气储能发电系统，以在某一方面得到改进。本发明同时提供一种压缩空气储能发电方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种压缩空气储能发电系统，所述压缩空气储能发电系统包括：
水池；
空压机；
储水罐；
离心泵；
气水分离装置；
储气罐；
管道及阀门；
低压侧水轮发电设备；
高压侧水轮发电设备；
在储能时，所述离心泵将水池中的水从储水罐上部注入储水罐中，当储水罐中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐中的混合气液进入气水分离装置，分离出的气体进入储气罐，分离出的水排入水池，当储水罐中的水注满后，利用空压机使储水罐中的水进入低压侧水轮发电设备进行低压发电，重复上述操作直到储气罐内的高压空气压力达到第二预设值且储水罐中已储满水；
在发电时，利用储气罐中的高压空气将储水罐中的水注入高压侧水轮发电设备进行高压发电，当储气罐中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐中的空气将储水罐中的水注入低压侧水轮发电设备进行低压发电。
本发明的压缩空气储能发电系统，在储能时，先利用水对空气压缩，再将压缩后的空气进行存储，在发电时，利用压缩空气使水流动进行发电，具有绿色无污染等优点；在储能时，通过注水压缩空气、排水的循环，可以使得储气罐中的气压更高；在储能时，排出的水进行低压发电，可以回收部分能量。
作为改进，在储能前，所述空压机对储水罐、储气罐、气水分离装置进行预压，预压后进行储能。在储能初期用空压机对系统快速建立一定的初始压力，在一定程度上可节约储能的总时间。
作为改进，所述储水罐和储气罐均埋入地表，以进行等温压缩；所述气水分离装置埋入地表。等温压缩方式，不仅可以对空气进行进一步压缩，而且可以以更低的能量消耗即可实现空气的压缩。利用土壤与出水管、储气罐甚至气水分离装置进行热交换，无需额外设置换热装置。
作为改进，在储能时，通过控制空压机的空气流量和储水罐的排水流量以实现恒压排水。
作为改进，所述离心泵有多个；所述储水罐有多个；所述储气罐有多个。
作为改进，所述离心泵和储水罐间设有阀门；所述储水罐和气水分离装置间设有阀门；所述气水分离装置与储气罐间设有阀门；所述储气罐和储水罐间设有阀门；所述空压机和储水罐间设有阀门；所述空压机和储气罐间设有阀门；所述储水罐和高压侧水轮发电设备间设有阀门；所述储水罐和低压侧水轮发电设备间设有阀门。
一种压缩空气储能发电方法，所述压缩空气储能发电方法包括以下步骤：
步骤S2、采用离心泵将水池中的水从储水罐上部注入储水罐中，当储水罐中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐中的混合气液进入气水分离装置，分离出的气体进入储气罐，分离出的水排入水池，当储水罐中的水注满后，采用空压机将储水罐中的水送入低压侧水轮发电设备进行低压发电，重复上述操作直到储气罐内的空气压力达到第二预设值且储水罐中已储满水；
步骤S3、利用储气罐中的高压空气向储水罐加压，储水罐中的水注入高压侧水轮发电设备进行高压发电；
步骤S4、储气罐中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐中的剩余空气向储水罐加压，储水罐中的水注入低压侧水轮发电设备进行低压发电。
作为储能发电方法的改进，所述压缩空气储能发电方法还包括：
步骤S1、采用空压机对储水罐、气水分离装置、储气罐进行预压，使储水罐、气水分离装置、储气罐内的压力提升至一定数值。
作为储能发电方法的改进，步骤S2中，在压缩时，储气罐和储水罐与土壤进行热交换。
作为储能发电方法的改进，步骤S2中，在储能时，通过控制空压机的空气流量和储水罐的排水流量以实现恒压排水。
本发明的压缩空气储能发电系统的有益效果是：在储能时，先利用水对空气压缩，再将压缩后的空气进行存储，在发电时，利用压缩空气使水流动进行发电，具有绿色无污染等优点；在储能时，通过注水压缩空气、排水的循环，使得储气罐中的气压可以更高；在储能时，排出的水进行低压发电，可以回收部分能量。
附图说明
图1是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统的结构框图。
图2是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统预压时的结构框图。
图3是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统储能时的结构框图。
图4是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统储能过程中低压侧发电的结构框图。
图5是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统高压侧发电时的结构框图。
图6是本发明实施例一的压缩空气储能发电系统低压侧发电时的结构框图。
图中，1、第一离心泵；
2、第二离心泵；
3、储水罐；
4、储气罐；
5、气水分离装置；
6、空压机；
7、水池；
8、高压侧水轮发电设备；
9、低压侧水轮发电设备；
10至21、阀门(阀门填充黑色表示关闭)；22至31、管道。
具体实施方式
下面结合本发明创造实施例的附图，对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。
参见图1至图6，本发明的一种压缩空气储能发电系统，所述压缩空气储能发电系统包括：
水池；
空压机；
储水罐；
离心泵；
气水分离装置；
储气罐；
管道及阀门；
低压侧水轮发电设备；
高压侧水轮发电设备；
在储能时，所述离心泵将水池中的水从储水罐上部注入储水罐中，当储水罐中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐中的混合气液进入气水分离装置，分离出的气体进入储气罐，分离出的水排入水池，当储水罐中的水注满后，利用空压机使储水罐中的水进入低压侧水轮发电设备进行低压发电，重复上述操作直到储气罐内的高压空气压力达到第二预设值且储水罐中已储满水；
在发电时，利用储气罐中的高压空气将储水罐中的水注入高压侧水轮发电设备进行高压发电，当储气罐中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐中的空气将储水罐中的水注入低压侧水轮发电设备进行低压发电。
本发明的压缩空气储能发电系统，在储能时，先利用水对空气压缩，再将压缩后的空气进行存储，在发电时，利用压缩空气使水流动进行发电，具有绿色无污染等优点；在储能时，通过注水压缩空气、排水的循环，使得储气罐中的气压可以更高；在储能时，排出的水进行低压发电，可以回收部分能量。
实施例一
参见图1至图6，本发明实施例一的一种压缩空气储能发电系统，所述压缩空气储能发电系统包括：
水池7；
空压机6；
储水罐3；
离心泵；
气水分离装置5；
储气罐4；
管道及阀门；
低压侧水轮发电设备9；
高压侧水轮发电设备8；
在储能时，所述离心泵将水池7中的水从储水罐3上部注入储水罐3中，当储水罐3中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐3中的混合气液进入气水分离装置5，分离出的气体进入储气罐4，分离出的水排入水池7，当储水罐3中的水注满后，利用空压机6使储水罐3中的水进入低压侧水轮发电设备9进行低压发电，重复上述操作直到储气罐4内的高压空气压力达到第二预设值且储水罐3中已储满水；
在发电时，利用储气罐4中的高压空气将储水罐3中的水注入高压侧水轮发电设备8进行高压发电，当储气罐4中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐4中的空气将储水罐3中的水注入低压侧水轮发电设备9进行低压发电。
本实施例中，在储能前，所述空压机6对储水罐3、储气罐4、气水分离装置5进行预压，预压后进行储能。
本实施例中，所述储水罐3和储气罐4均埋入地表，以进行等温压缩；所述气水分离装置5埋入地表。等温压缩方式，不仅可以对空气进行进一步压缩，而且可以以更低的能量消耗即可实现空气的压缩。
本实施例中，在储能时，通过控制空压机6的空气流量和储水罐3的排水流量以实现恒压排水。
本实施例中，所述离心泵有两个，第一离心泵1和第二离心泵2并联。
在其它实施例中，储水罐3可以有多个；储气罐4可以有多个。
本实施例中，所述离心泵和储水罐3间设有阀门；所述储水罐3和气水分离装置5间设有阀门；所述气水分离装置5与储气罐4间设有阀门；所述储气罐4和储水罐3间设有阀门；所述空压机6和储水罐3间设有阀门；所述空压机6和储气罐4间设有阀门；所述储水罐3和高压侧水轮发电设备8间设有阀门；所述储水罐3和低压侧水轮发电设备9间设有阀门。
本实施例中，压缩空气储能发电系统在预压时的具体过程为：在系统启动初期，打开阀门16、17、18、20，关闭阀门10、11、12、13、14、15、19、21，将空压机6开启，通过管道27(包括27-1和27-2)、28、29对储水罐3、储气罐4、气水分离装置5内的压力进行预压，使储水罐3、储气罐4、气水分离装置5内的压力提升至一定数值。
本实施例中，系统储能和低压侧发电运行方式的具体过程为：储能时，停运空压机6，关闭阀门16、17，开启离心泵1、2，打开阀门10、11、12，离心泵1、2将水池7中的水输送通过管道22，往储水罐3中进行注水，随着储水罐3中的水位提高，在等温压缩的原理下空气被逐渐压缩，通过管道28至气水分离装置5，被分离的空气通过管道29注入储气罐4。
低压侧发电时，待储水罐3中的水注满后，停运离心泵1、2，关闭阀门10、11、12、18，将空压机6开启，打开阀门14、16，通过管道27(27-1)，将储水罐3中的水通过管道24进入低压侧水轮发电机设备9将水的势能再转换成电能，做功完的水通过管道25排入水池7。待储水罐3中的水排尽后，停运空压机6，关闭阀门16，打开阀门10、11、12、18。
重复进行上述储能和低压发电操作，直到将储气罐4内储满被压缩完的高压空气。
本实施例中，系统高、低压侧发电的具体过程为：系统高压侧发电时，确认储水罐3中水已储满，储气罐4中已储满空气，关闭阀门10、11、12、14、16、18、20，打开阀门17、13，利用储气罐4的中高压空气，通过管道27-1、27-2向储水罐3中的水加压，水通过管道23注入高压侧水轮发电设备8将水的势能转换成机械能再转换成电能。系统低压侧发电时，待储水罐3中的压力下降到一定值后，打开阀门14，关闭阀门13，水通过管道24注入低压侧水轮发电设备9，进一步将水的势能转换成机械能再转换成电能，水轮发电设备做完功的水均通过25、30排入水池7。
本发明实施例一的压缩空气储能发电系统的有益效果是：在储能时，先利用水对空气压缩，再将压缩后的空气进行存储，在发电时，利用压缩空气使水流动进行发电，具有绿色无污染等优点；在储能时，通过注水压缩空气、排水的循环，使得储气罐4中的气压可以更高；在储能时，排出的水进行低压发电，可以回收部分能量。
以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述压缩空气储能发电系统包括：
水池；
空压机；
储水罐；
离心泵；
气水分离装置；
储气罐；
管道及阀门；
低压侧水轮发电设备；
高压侧水轮发电设备；
在储能时，所述离心泵将水池中的水从储水罐上部注入储水罐中，当储水罐中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐中的混合气液进入气水分离装置，分离出的气体进入储气罐，分离出的水排入水池，当储水罐中的水注满后，利用空压机使储水罐中的水进入低压侧水轮发电设备进行低压发电，重复上述操作直到储气罐内的高压空气压力达到第二预设值且储水罐中已储满水；
在发电时，利用储气罐中的高压空气将储水罐中的水注入高压侧水轮发电设备进行高压发电，当储气罐中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐中的空气将储水罐中的水注入低压侧水轮发电设备进行低压发电。
2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：在储能前，所述空压机对储水罐、储气罐、气水分离装置进行预压，预压后进行储能。
3.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述储水罐和储气罐均埋入地表，以进行等温压缩；所述气水分离装置埋入地表。
4.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：在储能时，通过控制空压机的空气流量和储水罐的排水流量以实现恒压排水。
5.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述离心泵有多个；所述储水罐有多个；所述储气罐有多个。
6.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述离心泵和储水罐间设有阀门；所述储水罐和气水分离装置间设有阀门；所述气水分离装置与储气罐间设有阀门；所述储气罐和储水罐间设有阀门；所述空压机和储水罐间设有阀门；所述空压机和储气罐间设有阀门；所述储水罐和高压侧水轮发电设备间设有阀门；所述储水罐和低压侧水轮发电设备间设有阀门。
7.一种压缩空气储能发电方法，其特征在于：所述压缩空气储能发电方法包括以下步骤：
步骤S2、采用离心泵将水池中的水从储水罐上部注入储水罐中，当储水罐中的空气压力达到第一预设值时，打开阀门使储水罐中的混合气液进入气水分离装置，分离出的气体进入储气罐，分离出的水排入水池，当储水罐中的水注满后，采用空压机将储水罐中的水送入低压侧水轮发电设备进行低压发电，重复上述操作直到储气罐内的空气压力达到第二预设值且储水罐中已储满水；
步骤S3、利用储气罐中的高压空气向储水罐加压，储水罐中的水注入高压侧水轮发电设备进行高压发电；
步骤S4、储气罐中的压力下降到第三预设值时，利用储气罐中的剩余空气向储水罐加压，储水罐中的水注入低压侧水轮发电设备进行低压发电。
8.根据权利要求7所述的一种压缩空气储能发电方法，其特征在于：所述压缩空气储能发电方法还包括：
步骤S1、采用空压机对储水罐、气水分离装置、储气罐进行预压，使储水罐、气水分离装置、储气罐内的压力提升至一定数值。
9.根据权利要求7所述的一种压缩空气储能发电方法，其特征在于：步骤S2中，在压缩时，储气罐和储水罐与土壤进行热交换。
10.根据权利要求7所述的一种压缩空气储能发电方法，其特征在于：步骤S2中，在储能时，通过控制空压机的空气流量和储水罐的排水流量以实现恒压排水。
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