CN115143087A - 一种开式等温压缩空气储能系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种开式等温压缩空气储能系统及其运行方法，包括储气罐组、第一工作缸、第二工作缸与水轮发电机；第一工作缸底部出口分为两路，一路经高压水泵进口阀与高压水泵入口相连，高压水泵出口与压水泵出口阀入口相连，压水泵出口阀出口分为三路，一路经第一工作缸进水阀与第一工作缸侧壁上的开口相连，水泵出口阀出口的另一路与第二工作缸侧壁上的开口相连，水泵出口阀出口的第三路与水轮发电机相连；第一工作缸排水阀出口的另一路与水轮发电机相连。本发明通过对水在两个工作缸间的反复转移，实现了水对空气的近等温压缩储能和膨胀释能过程，完全实现了储能系统的连续、高效运行。

Description

一种开式等温压缩空气储能系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及压缩空气进行电能或机械能的储存和释放技术领域，特别涉及一种开式等温压缩空气储能系统及其运行方法。
背景技术
等温压缩空气过程是一种理想的压缩空气储能过程，但实际中难以实现这种理想的过程。地面集成式压缩空气储能是目前具有良好发展前景的一类储能方式，尤其是采用高压气罐储气的方式，避免了利用天然岩洞或矿洞等的地理条件的限制，具有更加广阔的应用前景，但系统大多需要配置换热和储热设备以提高系统效率。因此等温压缩空气在原理上的优越性具有相当显著的工程价值，通过压力水对空气进行压缩获得近等温压缩过程的方法是实现等温压缩储能系统的方法之一，但是由于采用水为压缩介质，需增设大容量的储水系统，且系统工作过程不连续，操作繁琐，目前还没有成熟的此类系统应用，并且对于开式系统(相比于对固定质量空气进行压缩的闭式系统)而言，由于系统在储能阶段需要从环境大气不断吸入常压空气进行压缩，在释能阶段还需将高压空气高效膨胀做功至常压并排放出系统，目前还缺乏较为成熟可靠的设备和方法。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种开式等温压缩空气储能系统及其运行方法，通过两个个工作缸交替进行压缩过程和排水、进气过程，不断压缩空气且无需额外的储水装置，在释能时，实现储气罐内的高压空气充分膨胀推动水轮发电机完成高效的能量释放过程。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种开式等温压缩空气储能系统，包括储气罐组、第一工作缸、第二工作缸、高压水泵、水轮发电机、高压水泵进口阀以及压水泵出口阀；
其中，第一工作缸顶部开设有与储气罐组相连的气体入口，底部开设有出口，侧壁开设有开口；
第二工作缸顶部开设有与储气罐组相连的气体入口，底部开设有出口，侧壁开设有开口；
第一工作缸底部出口与第一工作缸排水阀相连，第一工作缸排水阀出口分为两路，一路经高压水泵进口阀与高压水泵入口相连，高压水泵出口与压水泵出口阀入口相连，压水泵出口阀出口分为三路，一路经第一工作缸进水阀与第一工作缸侧壁上的开口相连，水泵出口阀出口的另一路与第二工作缸侧壁上的开口相连，水泵出口阀出口的第三路与水轮发电机相连；
第一工作缸排水阀出口的另一路与水轮发电机相连。
进一步的，第一工作缸底部出口的管路上设置有第一工作缸排水阀，第一工作缸侧壁开口的管路上设置有第一工作缸进水阀。
进一步的，第二工作缸底部出口管路上设置有第二工作缸排水水阀，第二工作缸侧壁开口的管路上设置有第二工作缸进水阀。
进一步的，第一工作缸顶部设置有第一工作缸进排气阀，第二工作缸顶部设置有第二工作缸进排气阀。
进一步的，储罐组包括多个储气罐。
进一步的，每个储气罐与一个储气罐高压空气阀入口相连，储气罐高压空气阀出口分为两路，一路与第一工作缸高压空气阀入口相连，第一工作缸高压空气阀出口与第一工作缸顶部气体开口相连，另一路第二工作缸高压空气阀入口相连，第二工作缸高压空气阀出口与第二工作缸顶部气体开口相连。
进一步的，第一工作缸、第二工作缸结构相同；第一工作缸内的常压空气全部压缩进一个储气罐时，储气罐内的空气压力为设计充气压力，一个储气罐向充满水的第一工作缸膨胀做功时，能够充分膨胀至常压，并将第一工作缸内的水全部排出。
进一步的，水力发电机连接水轮发电机进口阀和水轮发电机出口阀。
进一步的，通过第一工作缸与第二工作缸交替、反复地进行充水压缩和排水吸气过程，通过高压水泵增压，实现高压水近等温压缩空气储能过程，并通过第一工作缸与第二工作缸交替、反复地进行膨胀排水和充水排气过程，使水轮发电机发电，实现高压空气近等温推动水发电的释能过程。
一种根据如上所述的运行方法，包括储能阶段和释能阶段，储能阶段包括以下步骤：
1)打开一个储气罐的储气罐高压空气阀、第一工作缸高压空气阀、高压水泵进口阀和高压水泵出口阀，通过高压水泵将第二工作缸内的水经高压水泵进口阀抽出，加压后经高压水泵出口阀与第一工作缸进水阀充入第一工作缸，同时常压空气进入第二工作缸，直至第一工作缸完全被水充满，储气罐达到设计充气压力，第二工作缸完全充满常压空气，关闭所有阀门；
2)打开下一个储气罐的储气罐高压空气阀、高压水泵进口阀和高压水泵出口阀，第一工作缸内的水经第一工作缸排水水阀、高压水泵进口阀、压水泵、高压水泵出口阀与第二工作缸进水阀进入第二工作缸中，通过高压水泵将第一工作缸内的水抽出，全部充入第二工作缸，当前储气罐达到设计充气压力，关闭所有阀门；
3)重复步骤2)，直至所有的储气罐都被充至设计充气压力，储能过程完成；
释能阶段包括以下步骤：
4)第一工作缸内充满水，第二工作缸内充满空气，打开储气罐的储气罐高压空气阀、第一工作缸高压空气阀和第一工作缸排水水阀，第一工作缸内的水在高压空气的推动下，经第一工作缸排水水阀进入水轮发电机中，带动水轮发电机发电，并流入第二工作缸，储气罐内的高压空气完全膨胀直至常压，关闭所有阀门；
5)打开下一个储气罐的储气罐高压空气阀，使第二工作缸中的水驱动水轮发电机发电并流入第一工作缸；
6)重复步骤5)，直至所有的储气罐都被放气至常压，释能过程完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过设置第一工作缸和第二工作缸，利用两个工作缸进行排水和充气过程的交替进行，实现了系统的连续运行且无需专门的储水装置，采用储气罐组与相应的两个工作缸，实现储气罐组内高压空气可以完全膨胀至常压，通过对水在两个工作缸间的反复转移，实现了水对空气的近等温压缩储能和膨胀释能过程，完全实现了储能系统的连续、高效运行。该开式等温压缩空气储能系统，是一套可以实现储能与释能过程的基本装置单元，对于实际中的大规模储能系统，可采用多个此种基本装置单元并联组合，以实现更大的规模和更加灵活的控制、运行方式。
进一步的，第一工作缸内的常压空气全部压缩进一个储气罐时，储气罐内的空气压力为设计充气压力，一个储气罐向充满水的第一工作缸1膨胀做功时，能够充分膨胀至常压，并将第一工作缸内的水全部排出。采用一定设计容积比例的储气罐与两个工作缸，实现储气罐内高压空气可以完全膨胀至常压，通过对水在两个工作缸间的反复转移，实现了水对空气的近等温压缩储能和膨胀释能过程。
本发明在运行时，利用两个工作缸进行排水和充气过程的交替进行，实现了系统的连续运行，采用一定设计容积比例的储气罐与工作缸，实现储气罐内高压空气可以完全膨胀至常压，通过将一个工作缸内充水，同时工作缸内的空气充入储气罐，直至第一工作缸完全被水充满时，储气罐3达到设计充气压力，实现储能；通过对水在两个工作缸间的反复转移，实现了水对空气的近等温压缩储能和膨胀释能过程，完全实现了储能系统的连续、高效运行。
附图说明
图1为本发明的系统构成示意图。
图中，1为第一工作缸，2为第二工作缸，3为储气罐，4为高压水泵，5为水轮发电机，6为第一工作缸进排气阀，7为第二工作缸进排气阀，8为第一工作缸高压空气阀，9为第二工作缸高压空气阀，10为储气罐高压空气阀，11为第一工作缸排水阀，12为第二工作缸排水水阀，13为第一工作缸进水阀，14为第二工作缸进水阀，15为高压水泵进口阀，16为水轮发电机进口阀，17为高压水泵出口阀，18为水轮发电机出口阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明利用高压水以近等温的方式压缩空气储能和空气近等温膨胀推动水释能。
参见图1，本发明的一种开式等温压缩空气储能系统，包括储气罐组、第一工作缸1、第二工作缸2、高压水泵4、水轮发电机5、第一工作缸高压空气阀8、第二工作缸高压空气阀9、水轮发电机进口阀16以及水轮发电机出口阀18。
第一工作缸1顶部设置有第一工作缸进排气阀6，底部出口管路上设置有第一工作缸排水阀11，第一工作缸1侧壁开口的管路上设置有第一工作缸进水阀13。
第二工作缸2顶部设置有第二工作缸进排气阀7，底部出口管路上设置有第二工作缸排水水阀12，侧壁上的开口管路上设置有第二工作缸进水阀14。
第一工作缸排水阀11出口分为两路，一路与高压水泵进口阀15入口相连，高压水泵进口阀15出口与高压水泵4入口相连，高压水泵4出口与压水泵出口阀17入口相连，压水泵出口阀17出口分为三路，一路与第一工作缸进水阀13入口相连，第一工作缸进水阀13出口与第一工作缸1侧壁上的开口相连，水泵出口阀17出口的一路与第二工作缸进水阀14入口相连，第二工作缸进水阀14出口与第二工作缸2侧壁上的开口相连，水泵出口阀17出口的第三路与水轮发电机出口阀18相连。
第一工作缸排水阀11出口的另一路与第二工作缸排水水阀12相连，第二工作缸排水水阀12还与水轮发电机进口阀16相连，水轮发电机进口阀16与水轮发电机5相连，水轮发电机5与水轮发电机出口阀18相连。
储罐组由多个储气罐3组成，储气罐3为钢制耐压容器，用以存储高压空气。在设计上，储气罐3的容积与单个工作缸的容积需设计为一定的比例，其设计容积的原则为单个工作缸内的常压空气被全部压缩进一个储气罐3时，储气罐3内的空气压力正好为储气系统的设计充气压力(根据实际确定，可以为10MPa)。该设计的意义在于单个工作缸通过充水压缩空气，每充满一次水即可完成一个储气罐3的充气过程，达到储气系统的设计充气压力。当单个储气罐3向单个充满水的工作缸膨胀做功时，能够充分膨胀至常压，并将单个工作缸内的水全部排出。
每个储气罐3与一个储气罐高压空气阀10入口相连接，储气罐高压空气阀10出口分为两路，一路与第一工作缸高压空气阀8入口相连，第一工作缸高压空气阀8出口与第一工作缸1顶部气体开口相连，另一路第二工作缸高压空气阀9入口相连，第二工作缸高压空气阀9出口与第二工作缸2顶部气体开口相连。
水力发电机5连接水轮发电机进口阀16和水轮发电机出口阀18。
所述开式等温压缩空气储能系统，是一套可以实现储能与释能过程的基本装置单元，对于实际中的大规模储能系统，可采用多个此种基本装置单元并联组合，以实现更大的规模和更加灵活的控制、运行方式。
所述开式等温压缩空气储能系统的工作介质不仅限于采用水和空气，还可以采用其他液体和气体介质组合，例如油与氮气等。
所述第一工作缸1与第二工作缸2结构相同，均为钢制耐压的容器，可容纳水和空气的混合物，包括外壳，外壳具备良好的散热性能，是储释能过程利用高压水压缩空气和高压空气膨胀排水做功的主要部件。系统利用两个工作缸交替、反复地进行充水压缩和排水吸气过程，实现高压水近等温压缩空气储能过程，并通过两个工作缸交替、反复地进行膨胀排水和充水排气过程，实现高压空气近等温推动水发电的释能过程。
一种开式等温压缩空气储能系统的运行方法，包括以下步骤：
系统工作前，将两个工作缸中的一个(假设为第二工作缸)充满经过严格过滤的水或纯水，另一个工作缸(假设为第一工作缸)中为常压空气，关闭所有的阀门，完成准备工作。
储能时，打开一个储气罐3的储气罐高压空气阀10，打开第一工作缸高压空气阀8，打开第二工作缸排水水阀12和第二工作缸进排气阀7，打开高压水泵进口阀15和高压水泵出口阀17，打开第一工作缸进水阀13。启动高压水泵4，高压水泵4将第二工作缸2内的水经高压水泵进口阀15抽出，加压后经高压水泵出口阀17与第一工作缸进水阀13充入第一工作缸1，同时常压空气经第二工作缸进排气阀7进入第二工作缸2，随着第一工作缸1水位的缓慢上升，空气被以近等温的方式缓慢压缩并充入一个储气罐3，直至第一工作缸1完全被水充满，储气罐3达到设计充气压力，第二工作缸2完全充满常压空气，关闭所有阀门，打开下一个储气罐3的储气罐高压空气阀10，打开第二工作缸高压空气阀9，打开第一工作缸排水水阀11和第一工作缸进排气阀6，打开高压水泵进口阀15和高压水泵出口阀17，打开第二工作缸进水阀14，第一工作缸1内的水经第一工作缸排水水阀11、高压水泵进口阀15、压水泵4、高压水泵出口阀17与第二工作缸进水阀14进入第二工作缸2，高压水泵4将第一工作缸1内的水抽出，全部充入第二工作缸2，当前储气罐3达到设计充气压力(本实施例中为空气压力)，关闭所有阀门。重复上述的过程，直至所有的储气罐3都被充至设计充气压力，停运高压水泵4，储能过程完成。
释能时，假设第一工作缸1内充满水，第二工作缸2内充满空气，打开一个储气罐3的储气罐高压空气阀10，打开第一工作缸高压空气阀8，打开第一工作缸排水水阀11，打开第二工作缸进排气阀7和第二工作缸进水阀14，打开水轮发电机进口阀16和水轮发电机出口阀18，第一工作缸1内的水在高压空气的推动下，经第一工作缸排水水阀11、水轮发电机进口阀16，带动水轮发电机5发电，并经水轮发电机出口阀18和第二工作缸进水阀14流入第二工作缸2，由于储气罐3与工作缸的容积符合一定的设计原则，因此储气罐3内的高压空气可以完全膨胀直至常压，之后关闭所有阀门。打开下一个储气罐3的储气罐高压空气阀10，并打开相应的阀门使第二工作缸2中的水驱动水轮发电机5发电并流入第一工作缸1，具体过程为：打开第二工作缸排水水阀12、水轮发电机进口阀16、水轮发电机出口阀18与第一工作缸进水阀13，第二工作缸2中的水经水轮发电机进口阀16，驱动水轮发电机5发电后，经水轮发电机出口阀18与第一工作缸进水阀13进入第一工作缸1中。重复上述的过程，直至所有的储气罐3都被放气至常压，停运水轮发电机5，释能过程完成。
本发明采用小型的储气罐3组成大型储气罐组，并通过设计、匹配储气罐3与第一工作缸和第二工作缸2的容积，采用高压水泵4实现高压水或其他液体对常压空气进行压缩，在第一工作缸和第二工作缸2内通过水位的缓慢提升实现近等温过程的空气压缩，将第一工作缸或第二工作缸2每一次压缩的空气存储进一个储气罐3，通过两个个工作缸交替进行压缩过程和排水、进气过程，不断压缩空气且无需额外的储水装置。在释能时，利用储气罐与工作缸的容积匹配关系，实现储气罐内的高压空气充分膨胀推动水轮发电机5完成高效的能量释放过程。

Claims (10)

1.一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括储气罐组、第一工作缸(1)、第二工作缸(2)、高压水泵(4)、水轮发电机(5)、高压水泵进口阀(15)以及压水泵出口阀(17)；
其中，第一工作缸(1)顶部开设有与储气罐组相连的气体入口，底部开设有出口，侧壁开设有开口；
第二工作缸(2)顶部开设有与储气罐组相连的气体入口，底部开设有出口，侧壁开设有开口；
第一工作缸(1)底部出口与第一工作缸排水阀(11)相连，第一工作缸排水阀(11)出口分为两路，一路经高压水泵进口阀(15)与高压水泵(4)入口相连，高压水泵(4)出口与压水泵出口阀(17)入口相连，压水泵出口阀(17)出口分为三路，一路经第一工作缸进水阀(13)与第一工作缸(1)侧壁上的开口相连，水泵出口阀(17)出口的另一路与第二工作缸(2)侧壁上的开口相连，水泵出口阀(17)出口的第三路与水轮发电机(5)相连；
第一工作缸排水阀(11)出口的另一路与水轮发电机(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，第一工作缸(1)底部出口的管路上设置有第一工作缸排水阀(11)，第一工作缸(1)侧壁开口的管路上设置有第一工作缸进水阀(13)。
3.根据权利要求1所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，第二工作缸(2)底部出口管路上设置有第二工作缸排水水阀(12)，第二工作缸(2)侧壁开口的管路上设置有第二工作缸进水阀(14)。
4.根据权利要求1所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，第一工作缸(1)顶部设置有第一工作缸进排气阀(6)，第二工作缸(2)顶部设置有第二工作缸进排气阀(7)。
5.根据权利要求1所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，储罐组包括多个储气罐(3)。
6.根据权利要求5所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，每个储气罐(3)与一个储气罐高压空气阀(10)入口相连，储气罐高压空气阀(10)出口分为两路，一路与第一工作缸高压空气阀(8)入口相连，第一工作缸高压空气阀(8)出口与第一工作缸(1)顶部气体开口相连，另一路第二工作缸高压空气阀(9)入口相连，第二工作缸高压空气阀(9)出口与第二工作缸(2)顶部气体开口相连。
7.根据权利要求6所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，第一工作缸(1)、第二工作缸(2)结构相同；第一工作缸(1)内的常压空气全部压缩进一个储气罐(3)时，储气罐(3)内的空气压力为设计充气压力，一个储气罐(3)向充满水的第一工作缸(1)膨胀做功时，能够充分膨胀至常压，并将第一工作缸(1)内的水全部排出。
8.根据权利要求1所述的一种开式等温压缩空气储能系统，其特征在于，水力发电机(5)连接水轮发电机进口阀(16)和水轮发电机出口阀(18)。
9.一种基于权利要求7所述的开式等温压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，通过第一工作缸(1)与第二工作缸(2)交替、反复地进行充水压缩和排水吸气过程，通过高压水泵(4)增压，实现高压水近等温压缩空气储能过程，并通过第一工作缸(1)与第二工作缸(2)交替、反复地进行膨胀排水和充水排气过程，使水轮发电机(5)发电，实现高压空气近等温推动水发电的释能过程。
10.一种根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，包括储能阶段和释能阶段，储能阶段包括以下步骤：
1)打开一个储气罐(3)的储气罐高压空气阀(10)、第一工作缸高压空气阀(8)、高压水泵进口阀(15)和高压水泵出口阀(17)，通过高压水泵(4)将第二工作缸(2)内的水经高压水泵进口阀(15)抽出，加压后经高压水泵出口阀(17)与第一工作缸进水阀(13)充入第一工作缸(1)，同时常压空气进入第二工作缸(2)，直至第一工作缸(1)完全被水充满，储气罐(3)达到设计充气压力，第二工作缸(2)完全充满常压空气，关闭所有阀门；
2)打开下一个储气罐(3)的储气罐高压空气阀(10)、高压水泵进口阀(15)和高压水泵出口阀(17)，第一工作缸(1)内的水经第一工作缸排水水阀(11)、高压水泵进口阀(15)、压水泵(4)、高压水泵出口阀(17)与第二工作缸进水阀(14)进入第二工作缸(2)中，通过高压水泵(4)将第一工作缸(1)内的水抽出，全部充入第二工作缸(2)，当前储气罐(3)达到设计充气压力，关闭所有阀门；
3)重复步骤2)，直至所有的储气罐(3)都被充至设计充气压力，储能过程完成；
释能阶段，包括以下步骤：
4)第一工作缸(1)内充满水，第二工作缸(2)内充满空气，打开储气罐(3)的储气罐高压空气阀(10)、第一工作缸高压空气阀(8)和第一工作缸排水水阀(11)，第一工作缸(1)内的水在高压空气的推动下，经第一工作缸排水水阀(11)进入水轮发电机(5)中，带动水轮发电机(5)发电，并流入第二工作缸(2)，储气罐(3)内的高压空气完全膨胀直至常压，关闭所有阀门；
5)打开下一个储气罐(3)的储气罐高压空气阀(10)，使第二工作缸(2)中的水驱动水轮发电机(5)发电并流入第一工作缸(1)；
6)重复步骤5)，直至所有的储气罐(3)都被放气至常压，释能过程完成。
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