CN115163389A - 一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法 - Google Patents

一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法，其中，水箱的出水口与高压水泵的入口相连通，高压储罐的出口分为两路，高压储罐的一路出口与高压水泵的出口相连通，高压储罐的另一路出口与水力发电机的入口相连通，高压储罐与高压水泵的连接管路之间设置有注水阀，高压储罐与水力发电机的连接管路之间设置有排水阀，水力发电机的出口与水箱的进水口相连通。通过高压水泵对水进行加压，利用高压水在高压储罐内缓慢压缩可凝结气体实现等温、等压的相变压缩过程，将电能或机械能转换为水和气体的压力能，并利用气体相变和膨胀过程体积增大推动高压水驱动水力发电机将压力能释放为电能或机械能的过程，实现了系统储能和释能的过程。

Description

一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法
技术领域
本发明属于高压水压缩可凝结气体储能技术领域，涉及一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法。
背景技术
抽水蓄能是人类较早利用采用的一种储能系统，具有系统简单，效率高的特点，但需利用天然的地势或已建成的水电站等先决条件。压缩气体储能是目前发展极为迅速的一中储能技术，特别是采用高压气罐储气的方式，大大提高了系统应用的地域灵活性，具有更加广阔的应用前景。但是在系统实际运行过程中，由于受到压缩机和膨胀机的主机设备运行参数区间和特性的影响，系统实际的变压力运行方式会对储能系统的性能产生很大的影响，降低了系统的性能和效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法，利用可凝结气体相变过程实现等温、等压过程的压缩气体储能系统及运行方式，大大提高压缩气体储能系统的性能与效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种水压缩可凝结气体储能系统，包括，
包括多级高压储罐、多级高压水泵、多级水力发电机和水箱；各级高压储罐，各级高压水泵和各级水力发电机之间均并联连接，所述水箱的出水口分别与各级高压水泵的入口相连通，各级高压水泵的出口分为两路，其中，各级高压储罐的一路出口与各级高压水泵的出口相连通，各级高压储罐的另一路出口均与各级水力发电机的入口相连通，各级高压储罐与各级高压水泵的连接管路之间设置有注水阀，各级高压储罐与水力发电机的连接管路之间设置有排水阀，各级水力发电机的出口均与水箱的进水口相连通。
优选的，所述高压储罐的罐体顶部的外壁上设置有用于强化换热的金属翅片。
优选的，所述高压储罐的罐内设置有水和可凝结气体，所述水位于高压储罐的罐内的下部，所述可凝结气体位于高压储罐的罐内的上部，所述水与可凝结气体通过相界面隔开。
优选的，所述可凝结气体不溶于水，所述可凝结气体液化后的密度小于水的密度。
优选的，可凝结气体采用制冷剂R41。
优选的，所述水箱的顶部设置有连接外部的进水口A，所述水箱的出水口设置在箱体的底部，所述水箱的侧壁上设置有进水口B，所述进水口B与水力发电机连通。
优选的，水箱的容积大于高压储罐的容积。
优选的，所述高压储罐的材质采用多钢制。
一种水压缩可凝结气体储能系统的运行方法，其包括，
储能时，将注水阀打开，排水阀关闭，高压水泵将水箱中的水加压后注入高压储罐，随着高压水进入高压储罐，液面缓慢升高，当高压储罐中的可凝结气体被压缩至液体时，关闭注水阀，关停高压水泵，完成储能过程；
释能时，打开排水阀，高压储罐内的高压水排出，通过高压水的压力能推动水力发电机运行工作，输出机械能或电能，高压储罐内的高压水持续汽化膨胀做工，直至高压储罐内的水完全排出，完成释能过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法，通过高压水泵对水进行加压，利用高压水在高压储罐的罐体内缓慢压缩可凝结气体实现等温、等压的相变压缩过程，将电能或机械能转换为水和气体的压力能，并利用气体相变和膨胀过程体积增大推动高压水驱动水力发电机将压力能释放为电能或机械能的过程，实现了系统储能和释能的过程。同时，该系统原理简单，等温压缩和膨胀过程热损失极小，不需要额外的换热和蓄热设备，等压的过程令系统具有高的运行效率，最终使整体储能、释能过程具有非常高的转化效率和储能密度。
进一步，本发明通过在高压储罐的外壁上设置具有强化换热的金属翅片，以使罐内的物质与环境进行快速换热。
进一步，本发明的水压缩可凝结气体储能系统中可以设置有多级高压储罐，多级高压水泵和多级水力发电机形成多级储能单元，使得系统在等温、等压压缩气体过程中，在储能和释能时的转化效率和储能密度进一步提高，且还可以提高系统的规模或实现灵活的运行方式。
附图说明
图1为本发明的系统构成示意图。
图2为本发明的多级储能系统构成示意图。
图中：高压储罐1、高压水泵2、水力发电机3、水箱4、注水阀5、排水阀6、管道7、金属翅片8、进水口A9、进水口B10。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明属于高压水压缩可凝结气体共同进行电能或机械能的储存和释放技术领域，一种水压缩可凝结气体储能系统，如图1所示，包括多级高压储罐1、多级高压水泵2、多级水力发电机3和水箱4；各级高压储罐1，各级高压水泵2和各级水力发电机3之间均并联连接，所述水箱4的出水口分别与各级高压水泵2的入口相连通，各级高压水泵2的出口分为两路，其中，各级高压储罐1的一路出口与各级高压水泵2的出口相连通，各级高压储罐1的另一路出口均与各级水力发电机3的入口相连通，各级高压储罐1与各级高压水泵2的连接管路之间设置有注水阀5，各级高压储罐1与水力发电机3的连接管路之间设置有排水阀6，各级水力发电机3的出口均与水箱4的进水口相连通。所述水力发电机3的出口与水箱4通过管道7相连通，所述高压储罐1的罐内设置有水和可凝结气体，所述管道7为系统各设备之间相连接的管道。所述高压储罐1的出口设置在罐体的底部，高压储罐1可以同时容纳水和气体，高压的水和可凝结气体共同作为储能的介质，水在系统工作中需要充入或排除高压储罐1，而空可凝结气体始终留存于高压储罐1内，正常工作情况下无需补充。本发明通过在高压储罐内通过水位的提升缓慢压缩可凝结气体实现等温压缩，在压缩过程中可凝结气体逐渐液化为液体状态，实现等压压缩过程，通过相反的膨胀过程，最终系统通过存储大量的高压水和释放高压水推动水力机械带动发电机完成能量存储与释放的储能应用系统。
作为本发明的优选实施方式，所述高压储罐1的罐体顶部的外壁上设置有用于强化换热的金属翅片，罐体上部的安装具有强化换热的金属翅片等结构，以使罐内的物质与环境进行快速换热。
所述水位于高压储罐1的罐内的下部，所述可凝结气体位于高压储罐1的罐内的上部，所述水与可凝结气体通过相界面隔开。所述可凝结气体不溶于水，所述可凝结气体液化后的密度小于水的密度。可凝结气体采用制冷剂R41。
所述水箱4为常压的储水箱体，内部与大气相通，其容积需略大于高压储罐1的容积以提供足够的用水量，所述水箱4的顶部设置有连接外部的进水口A，所述水箱4的出水口设置在箱体的底部，所述水箱4的侧壁上设置有进水口B，所述进水口B与水力发电机3连通。
作为本发明的优选实施方式，所述高压储罐1为多钢制材料制成，可承受压力的固定容积罐体，罐体表面具备导热能力，罐体上部的安装具有强化换热的金属翅片等结构，以使罐内的物质与环境进行快速换热。
所述高压水泵2用电能或机械能驱动，将水箱4内的水加压后从高压储罐1的底部注入，利用水与可凝结气体的相界面隔绝并缓慢压缩罐内的气体，气体的压缩过程很缓慢，可凝结气体在压缩过程中发生液化，为近似等温、等压缩过程。
所述水力发电机3为将高压水的压力能高效转化为机械能的装置，在系统释放能量时通过高压水持续做功实现机械功或电功的输出，释能过程气体的膨胀过程保持缓慢进行，也为近似的等温过程。
所述注水阀5和排水阀6为在系统进行储能和释能运行过程时起到关断和导通水流作用。
作为本发明的优选实施方式，所述水压缩可凝结气体储能系统可设置有多个高压储罐1，多台高压水泵2和多台水力发电机3；其中，高压储罐1，高压水泵2和水力发电机3是数量至少大于等于1，其中，各个高压储罐1与高压水泵2和水力发电机3之间通过并联连接，每个高压储罐1与每个高压水泵2和每个水力发电机3为一组的组成一级储能系统，多个高压储罐1，多台高压水泵2和多台水力发电机3形成多级储能单元，每级储能系统通过并联连接，可以提高水压缩可凝结气体储能系统的规模或实现灵活的运行方式，以及使得系统在等温、等压压缩气体过程中，在储能和释能时的转化效率和储能密度进一步提高。
所述水压缩可凝结气体储能系统的高压储罐1具有相对较大的容积以容纳大量的高压水和可凝结气体，以实现对气体的缓慢压缩，且系统的储能的容量由高压储罐1的容积决定。高压储罐1的罐体和其强化换热翅片具备较强导热能力以使罐内的物质与环境进行换热。
一种水压缩可凝结气体储能的运行方法，包括，
储能时，将注水阀5打开，排水阀6关闭，高压水泵2将水箱4中的水加压后注入高压储罐1，随着高压水进入高压储罐1，液面缓慢升高，当高压储罐1中的可凝结气体被压缩至液体时，关闭注水阀5，关停高压水泵2，完成储能过程；
释能时，打开排水阀6，高压储罐1内的高压水排出，通过高压水的压力能推动水力发电机3运行工作，输出机械能或电能，高压储罐1内的高压水持续汽化膨胀做工，直至高压储罐1内的水完全排出，完成释能过程。
具体的优选实施效果如下：
一种水压缩可凝结气体储能系统及其运行方法，包括以下步骤：
系统工作前，需将水箱4充入足量的经过严格过滤的水或纯水，关闭注水阀5和排水阀6，并将高压储罐1内充入饱和压力的可凝结气体，如R41，作为系统工作的最低压力。
储能时，注水阀5为打开状态，排水阀6关闭，高压水泵2将水箱4中的水加压后注入高压储罐1，随着高压水进入高压储罐1，液面缓慢升高，由于罐体与外界环境能够换热，可凝结气体经过近似的等温过程被压缩，当可凝结气体压力高于温度所对应的饱和压力时，气体开始发生凝结液化，由于液体密度远大于气体密度，因此实现近似的等压过程。当气体被绝大部分压缩至液体，关闭注水阀5，停运高压水泵2，完成储能过程。
释能时，打开排水阀6，高压储罐1内的高压水排出，利用高压水的压力能推动水力发电机3工作，输出机械能或带动发电机输出电能，高压储罐1内的高压水，通过可压缩气体吸收环境的热量发生气化和膨胀持续排出并做功，直至高压储罐1内的水完全排出，完成释能过程，此时，高压储罐1内的可凝结气体，并没有减少，仍然维持在系统工作最低压力。
其中，系统储能和释能的过程中，可凝结气体伴随有相变的的压缩和膨胀过程为近似等温、等压过程，在实际应用过程中高压储罐中的承受的压力参数与高压水泵的加压压力参数均通过系统进行设置，可根据实施操作场景、环境的平衡进行调整。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，包括多级高压储罐(1)、多级高压水泵(2)、多级水力发电机(3)和水箱(4)；各级高压储罐(1)，各级高压水泵(2)和各级水力发电机(3)之间均并联连接，所述水箱(4)的出水口分别与各级高压水泵(2)的入口相连通，各级高压水泵(2)的出口分为两路，其中，高压储罐(1)的一路出口与高压水泵(2)的出口相连通，高压储罐(1)的另一路出口与水力发电机(3)的入口相连通，高压储罐(1)与高压水泵(2)的连接管路之间设置有注水阀(5)，高压储罐(1)与水力发电机(3)的连接管路之间设置有排水阀(6)，各级水力发电机(3)的出口均与水箱(4)的进水口相连通。
2.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述高压储罐(1)的罐体顶部的外壁上设置有金属翅片(8)。
3.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述高压储罐(1)的罐内设置有水和可凝结气体，所述水位于高压储罐(1)的罐内的下部，所述可凝结气体位于高压储罐(1)的罐内的上部，所述水与可凝结气体通过相界面隔开。
4.根据权利要求3所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述可凝结气体不溶于水，所述可凝结气体液化后的密度小于水的密度。
5.根据权利要求3所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述可凝结气体采用制冷剂R41。
6.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述水箱(4)的顶部设置有连接外部的进水口A(9)，所述水箱(4)的侧壁上设置有进水口B(10)，所述进水口B(10)与水力发电机(3)连通。
7.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，水箱(4)的容积大于高压储罐(1)的容积。
8.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述高压储罐(1)的材质采用多钢制。
9.根据权利要求1所述一种水压缩可凝结气体储能系统，其特征在于，所述水箱(4)的出水口设置在箱体的底部。
10.一种水压缩可凝结气体储能系统的运行方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的储能系统，包括，
储能时，将注水阀(5)打开，排水阀(6)关闭，各级高压水泵(2)同时工作，将水箱(4)中的水加压后注入高压储罐(1)中，随着高压水进入高压储罐(1)，液面缓慢升高，当高压储罐(1)中的可凝结气体被压缩至液体时，关闭注水阀(5)，关停高压水泵(2)，完成储能过程；
释能时，打开排水阀(6)，各级高压储罐(1)内的高压水排出，通过高压水的压力能推动水力发电机(3)运行工作，输出机械能或电能，高压储罐(1)内的高压水持续汽化膨胀做工，直至高压储罐(1)内的水完全排出，完成释能过程。
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