CN115593809A - 气水共容罐及抽水压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气水共容罐及抽水压缩空气储能系统。本发明的技术方案为一种气水共容罐，其特征在于：具有罐体，罐体内的中间为容水区域，罐体内、容水区域外围为围绕容水区域一圈的气水共容区域；所述罐体底部接有与其内部容水区域连通的供排水管，供排水管上装有供排水阀门系统；所述气水共容区域内设有若干围绕容水区域均匀分布的橡胶承压储气囊，橡胶承压储气囊固定于罐体内壁上。本发明适用于抽水压缩空气储能技术领域。

Description

气水共容罐及抽水压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及一种气水共容罐及抽水压缩空气储能系统。适用于抽水压缩空气储能技术领域。

背景技术

风电、光伏等可再生能源无法像传统化石能源发电长时间稳定输出，而是具有随机性、间歇性与波动性等弊端，这意味着需要储能系统介入调节，起到电力调峰、平滑发电出力、系统调频、备用容量等作用，以缓解电力需求供给不匹配所导致的种种问题。因此，新能源发电有望带动储能产业同步实现快速增长。

抽水蓄能和压缩空气储能作为一种可以实现大容量和长时间电能存储的储能系统，将低谷、风能、太阳能等不容易储藏的电力用于储能系统，在需要时释放转化为电能。抽水蓄能和能压缩空气储能具有装机容量大、环境友好、具有交流同步发电机特性等优势。抽水蓄能电站电电转化效率可达≥80%以上，但站址选择和建设周期长的弊端制约了其建设布局。目前先进的绝热压缩空气储能效率约为60%，仅次于抽水蓄能电站，建设周期也仅为2年，但对所选矿洞需要具有足够的气密性和高承压性，也限制了其建设发展。

目前，业内专家提出了一种利用水和空气为介质的新型储能技术，将压缩空气储能和抽水蓄能两种技术相结合，扬长避短，解决抽水蓄能电站对上、下库高差和压缩空气储能电站对高承压矿洞等选址依赖性难题。虽然抽水压缩空气储能技术解决了选址的依耐性难题，但制约其技术推广应用的关键因素就是高压气、水两种介质共存问题。类似“气水原理”在高压条件下，水中溶解的空气将大大增加，导致水轮机发电时因压力下降，原先溶于水的气体在水轮机叶片处急剧释放，造成叶片出现气蚀现象，导致机组叶片损毁和机组停机。因此，在规模化储能系统中气水共容条件下，气体溶于水数量是决定抽水压缩空气储能技术能否推广引用的关键因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种气水共容罐及抽水压缩空气储能系统。

本发明所采用的技术方案是：一种气水共容罐，具有罐体，罐体内的中间为容水区域，罐体内、容水区域外围为围绕容水区域一圈的气水共容区域；

所述罐体底部接有与其内部容水区域连通的供排水管，供排水管上装有供排水阀门系统；所述气水共容区域内设有若干围绕容水区域均匀分布的橡胶承压储气囊，橡胶承压储气囊固定于罐体内壁上。

所述气水共容区域经若干隔板分隔成多个均匀分布且均与所述容水区域连通的气水共容单元，气水共容单元与所述橡胶承压储气囊一一对应，橡胶承压储气囊置于相对应的气水共容单元内。

所述橡胶承压储气囊的靠所述容水区域端接有内端曲面钢板，橡胶承压储气囊的靠所述罐体内壁端接有外端曲面钢板，并经外端曲面钢板连接罐体内壁。

所述气水共容单元内壁上设有限制其内所述内端曲面钢板移动范围的内端低压限位件和外端高压限位件。

所述橡胶承压储气囊内设有若干传热管，该传热管接于所述内端曲面钢板上，能将储气囊内空气挤压产生的热量经传热管和内端曲面钢板传递给与内端曲面钢板接触的水体。

所述橡胶承压储气囊外缘设有若干套于储气囊上的折叠支撑框，通过该若干折叠支撑框限制橡胶承压储气囊仅能在所述罐体径向形变伸缩。

所述气水共容单元内壁上设有从其内端延伸至外端的滑轨，滑轨上装有多个能沿滑轨轴线移动的滑块机构，滑块机构接于相应的所述折叠支撑框上。

所述排水阀门系统包括电动切断阀、电动快切阀、过滤器、压力表和电动切断阀。

一种抽水压缩空气储能系统，其特征在于：具有一个或多个所述的气水共容罐。

系统储能时，利用系统中水泵工况下的抽水蓄能机组通过供排水管往所述罐体内注水，待罐体注满水罐体内容水区域后继续注水，使水压升高，通过高压水压缩容水区域周围的橡胶承压储气囊，进而使储气囊内气压升高；

系统发电时，橡胶承压储气囊在其内高压气体作用下挤压罐体内水体，使罐体内水体经供排水管流出，系统发电时，橡胶承压储气囊在其内高压气体作用下挤压罐体内水体，使罐体内水体经供排水管流出，与抽水蓄能机组进口的调节阀共同调配进水流量，确保水流量以恒压形态冲击水轮机，保障供抽水蓄能机组发电稳定性。

本发明的有益效果是：本发明在罐体内的中间位置设置容水区域，且还设有若干围绕容水区域的橡胶承压储气囊，形成类橘瓣仿生结构，每个橡胶承压储气囊受力均匀，整体承压结构性能稳定。在抽水蓄能工况下，容水区域内高压水挤压橡胶承压储气囊，使橡胶承压储气囊压缩，储气囊内气压升高；发电工况下，高压储气囊挤压罐体内水体，使水体经供排水管流出冲击抽水蓄能机组进行发电。

本发明可通过气水共容罐替换现有抽水压缩空气储能项目中的气水共存区的高压洞穴，解决了洞穴选址对承压和密闭性的要求高、选址难的问题；本发明通过设置橡胶承压储气囊，使气水分隔，解决了高压储存条件下气溶于水后造成水轮机叶片腐蚀问题。

本发明可通过增加气水共容罐，积木式的增容实现储能规模化，又可独立利用于负荷侧小规模储能系统，适用性更广。

附图说明

图1为实施例中气水容罐的结构示意图。

图2为实施例中气水容罐的纵向截面示意图（储气囊未受高压水挤压状态）。

图3为实施例中气水容罐的横向断面示意图（储气囊未受高压水挤压状态）。

图4为实施例中气水容罐的纵向截面示意图（储气囊压缩状态）。

图5为实施例中最内端折叠支撑框与侧面滑轨的位置关系示意图。

图6为实施例中最外端折叠支撑框与侧面滑轨的位置关系示意图。

1、罐体；2、变容单元；21、外端曲面钢板；22、橡胶承压储气囊；23、折叠支撑框；24、内端曲面钢板；25、导热管；26、补气阀；3、承压单元；31、隔板；32、外端高压限位件；33、侧面滑轨；34、内端低压限位件；35、顶部滑轨；36、滑块机构；4、供排水阀门系统；41、电动切断阀Ⅰ；42、电动快切阀；43、过滤器；44、压力表；45、电动切断阀Ⅱ；46、供排水管。

具体实施方式

本实施例为一种抽水压缩空气储能系统，具有抽水蓄能机组，以及一个或多个气水共容罐，储能时抽水蓄能机组将外部的水体输送至气水共容罐内进行高压存储，发电时气水共容罐内的水在高压作用下被挤出，冲击抽水蓄能机组进行发电。

本例中气水共容罐具有罐体，该罐体为呈圆柱状的塔型壳体，顶部呈球冠状，其结构稳定，受力均匀。本实施例中以罐体内中间的柱状区域作为容水区域，容水区域外围为一圈气水共容区域，气水共容区域内设有承压单元和变容单元。

本实施例中承压单元包括隔板、滑轨、承压限位件等，其中隔板具有12块，隔板沿罐体的径向布置并将气水共容区域分隔成12个围绕容水区域均匀分布的气水共容单元，气水共容单元内端（靠罐体中心端）经连通口连通容水区域，连通口形成于相邻两隔板的内端之间，气水共容单元外端（远离罐体中心端）与罐体内壁衔接。

本例中变容单元包括橡胶承压储气囊、外端曲面钢板和内端曲面钢板等，其中橡胶承压储气囊具有12个，与气水共容单元一一对应，橡胶承压储气囊置于相应的气水共容单元内，橡胶承压储气囊的内端连接内端曲面钢板，内端曲面钢板的形状大小与气水共容单元内端的连通口适配，橡胶承压储气囊的外端连接外端曲面钢板并经外端曲面钢板连接罐体的内壁。

本实施例中在橡胶承压储气囊外缘设有若干套于储气囊上的折叠支撑框，该若干折叠支撑框相互平行并从橡胶承压储气囊内端至其外端均匀分布，通过该若干折叠支撑框限制橡胶承压储气囊在上下左右方向上的形变伸缩，使橡胶承压储气囊仅能在其内端和外端所处方向（储气囊中轴线方向）上伸缩变形。

本实施例中各变容单元之间是相互独立，即使单个变容单元中的橡胶承压储气囊发生破损，也不会影响整个罐体应用。此外，变容单元设置有补气阀，可确保储气囊的气体储存量和承压能力。变容单元和承压单元采用类橘瓣仿生结构，变容单元内的储气囊在充足气后呈橘瓣状，储气囊材质为IIR丁基橡胶，最高承压可达22MPa，具有良好的气密性，使用寿命长。IIR丁基橡胶由异丁烯和少量异戊二烯合成，气密性能优异，且能耐冷热、耐臭氧、耐老化、耐化学药品，并有吸震、电绝缘性能。

本例中在橡胶承压储气囊内设有若干位于不同高度位置且水平布置的导热管，导热管固定于内端曲面钢板上。橡胶承压储气囊内空气挤压后内能增加温度升高，气水两侧温差可由导热管传递至内端曲面钢板，产生的热量迅速传热给高压水，保障罐内温度稳定，防止频繁高温工况下储气囊出现温度型应力疲劳破碎。

本实施例中气水共容单元内壁上设有从其内端延伸至外端的滑轨，滑轨上装有多个能沿滑轨轴线移动的滑块机构，滑块机构接于该气水共容单元内储气囊的相应折叠支撑框上。通过滑轨与滑块机构配合，使折叠支撑框仅能在其内端和外端所处方向上移动。本例中滑轨包括设置于气水共容单元顶部的顶部滑轨，以及设置于气水共容单元两侧内壁上的侧面滑轨，气水共容单元两侧的侧面滑轨相互平行且平行气水共容单元内储气囊的中轴线布置。

本实施例中承压单元的承压限位件包括设置于气水共容单元内端的内端低压限位件，以及设置于气水共容单元靠近外端位置的外端高压限位件，其中气水共容单元连通口处的内端低压限位件能与内端曲面钢板适配，限制内端曲面钢板经连通口进入容水区域；外端高压限位件固定于侧面滑轨上，并能与内端曲面钢板适配，当内端曲面钢板从内端向外端移动到外端高压限位件位置时，外端高压限位件限制内端曲面钢板继续向外端移动，避免橡胶承压储气囊被罐体内的高压水过渡挤压。

本实施例中在罐体下端接有供排水管，供排水管连通罐体内的容水区域，供排水管上装有供排水阀门系统，包括沿往罐体输水方向依次设有电动切断阀Ⅰ、电动快切阀、过滤器、压力表和电动切断阀Ⅱ，其中电动快切阀可采用电动速关结构，相比与电动切断阀Ⅰ和Ⅱ，电动快切阀可以在0.5S内实现快速关闭系统，此外，电动快切阀与压力表连锁，确保系统的安全性。

本实施例中抽水压缩空气储能系统的工作原理如下：

系统储能时，利用系统中水泵工况下的抽水蓄能机组通过供排水管往罐体内注水，44MPa、20℃的水流依次经过电动切断阀Ⅰ、电动快切阀、过滤器、压力表和电动切断阀Ⅱ进入供排水总管注入气水共容罐，不断注入的高压水水平稳定挤压内端曲面钢板，内端曲面钢板受容水区域侧高压水挤压后带动储气囊沿滑轨部件规则收缩，直至内端曲面钢板移动至外端高压限位件后被阻挡，停止向外端移动，停止对储气囊的压缩，气、水两种介质压力平衡，使储气囊内气压升高，完成能量储存，并依次关闭管道入口阀门。

系统发电时，依次打开电动切断阀Ⅰ、电动快切阀、过滤器、压力表和电动切断阀Ⅱ，罐体内水能通过供排水管排出，内端曲面钢板两侧的气、水压力失去平衡，储气囊膨胀，内端曲面钢板在储气囊内高压作用下向气水共容单元内端移动挤压水体，直至内端曲面钢板移动至内端低压限位件后被阻挡，移动过程中使罐体内水体经供排水管流出，与抽水蓄能机组进口的调节阀共同调配进水流量，确保水流量以恒压形态冲击水轮机，保障供抽水蓄能机组发电稳定性。

凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种气水共容罐，其特征在于：具有罐体，罐体内的中间为容水区域，罐体内、容水区域外围为围绕容水区域一圈的气水共容区域；

所述罐体底部接有与其内部容水区域连通的供排水管，供排水管上装有供排水阀门系统；所述气水共容区域内设有若干围绕容水区域均匀分布的橡胶承压储气囊，橡胶承压储气囊固定于罐体内壁上。

2.根据权利要求1所述的气水共容罐，其特征在于：所述气水共容区域经若干隔板分隔成多个均匀分布且均与所述容水区域连通的气水共容单元，气水共容单元与所述橡胶承压储气囊一一对应，橡胶承压储气囊置于相对应的气水共容单元内。

3.根据权利要求2所述的气水共容罐，其特征在于：所述橡胶承压储气囊的靠所述容水区域端接有内端曲面钢板，橡胶承压储气囊的靠所述罐体内壁端接有外端曲面钢板，并经外端曲面钢板连接罐体内壁。

4.根据权利要求3所述的气水共容罐，其特征在于：所述气水共容单元内壁上设有限制其内所述内端曲面钢板移动范围的内端低压限位件和外端高压限位件。

5.根据权利要求3所述的气水共容罐，其特征在于：所述橡胶承压储气囊内设有若干导热管，该导热管接于所述内端曲面钢板上，能将储气囊内空气挤压产生的热量经导热管和内端曲面钢板传递给与内端曲面钢板接触的水体。

6.根据权利要求2所述的气水共容罐，其特征在于：所述橡胶承压储气囊外缘设有若干套于储气囊上的折叠支撑框，通过该若干折叠支撑框限制橡胶承压储气囊仅能在所述罐体径向形变伸缩。

7.根据权利要求6所述的气水共容罐，其特征在于：所述气水共容单元内壁上设有从其内端延伸至外端的滑轨，滑轨上装有多个能沿滑轨轴线移动的滑块机构，滑块机构接于相应的所述折叠支撑框上。

8.根据权利要求1所述的气水共容罐，其特征在于：所述排水阀门系统包括电动切断阀、电动快切阀、过滤器、压力表和电动切断阀。

9.一种抽水压缩空气储能系统，其特征在于：具有一个或多个权利要求1~8任意一项所述的气水共容罐。

10.根据权利要求9所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：

系统储能时，利用系统中水泵工况下的抽水蓄能机组通过供排水管往所述罐体内注水，待罐体注满水罐体内容水区域后继续注水，使水压升高，通过高压水压缩容水区域周围的橡胶承压储气囊，进而使储气囊内气压升高；

系统发电时，橡胶承压储气囊在其内高压气体作用下挤压罐体内水体，使罐体内水体经供排水管流出，与抽水蓄能机组进口的调节阀共同调配进水流量，确保水流量以恒压形态冲击水轮机，保障供抽水蓄能机组发电稳定性。

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