CN116658795B - 一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，该发明用于压缩二氧化碳储能系统中的低压储气侧，其包外部保护结构单元，承压储气单元和柔性支撑单元。本发明利用气体优化储存技术和液压柔性结构技术，减少压缩二氧化碳储能项目选址难度，减少占地面积。本装置可用于地下、半地下及地上等工程环境中，亦可根据储能系统的装机规模需求，调整储气装置的数量，提高了压缩二氧化碳储能项目装机规模和选址的灵活性。

Description

一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置

技术领域

本发明涉及压缩二氧化碳技术领域，具体为一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置。

背景技术

随着太阳能、风能装机规模飞速发展，受太阳能和风能等清洁能源不稳定性和随机性影响，电网对大规模储能的需求越来越大，要求也越来越高。压缩气体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压缩气体储能系统，在需要时给释放转化为电能。压缩气体储能具有装机容量大、站址布局灵活、建设周期短、环境友好、具有交流同步发电机特性等优势，是可以与抽水蓄能相媲美的新型储能技术。

气体储能技术中压缩二氧化碳储能技术是唯一不受地域限制的，常压气态二氧化碳储存于常压气囊中，高压液化二氧化碳储存于高压液化罐中。储能工况下，压缩机吸收常压气囊中的二氧化碳气体，经加压吸热后二氧化碳储液化存储于高压液化罐中；发电工况下，高压液化罐中的液态压二氧化碳气化，高压二氧化碳气体推动透平机做功，做功后的常压气态二氧化碳返回常压气囊存储，从而实现大容量二氧化碳储能。储能介质二氧化碳系统内闭式循环，所有设备均可地面布置。二氧化碳储能系统工作原理简单，但因常压气囊特殊性导致其技术无法推广应用。常压气囊为大容积气囊，气囊占地空间巨大，占储能系统总用地面积的70%以上，储能时长越长，储能规模越大，占地面积大和安全性差的弊端也越发凸显。即使在西北荒芜地区，受恶劣天气影响，常压气囊也无法安全稳定应用。此外，气囊一旦破损，整个储能电站都会停止，气囊维护费用过高。因此，减少常压气囊占地面积，提高常压气囊的安全性和稳定性是压缩二氧化碳储能技术推广的关键措施。

发明内容

本发明的目的是为解决常压气态二氧化碳储存技术难题，而提供一种储气容量大、安全可靠的压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其占地面积少，安全性高，适应大容量特殊气体储存，利用场景更广泛。为此，本发明采用以下技术方案：

一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于包含外部保护结构单元，承压储气单元和柔性支撑单元；所述外部保护结构包括框架结构，框架性构向上敞口，底部固定于场址；承压储气单元包括储气囊，其充气状态时，向上延伸扩容，并且，上部暴露于框架结构上方；

所述承压储气单元对于储气囊在充满气后将要暴露在框架结构上方的部分匹配高度方向设置多道连接环，连接环之间连接多道连接绳；

所述外部保护结构单元对于最下层连接环设置多条竖向连接环限位轨道；并且，对于所述最下层的连接环，设置牵引机构，在排气时，由牵引机构通过牵引绳将其下拉至框架结构的底部；所述最下层的连接环设置导向配合结构与所述竖向连接环限位轨道配合。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

所述框架结构为圆柱形围墙结构。

所述牵引绳也经所述竖向连接环限位轨道与所述最下层的连接环连接。

所述竖向连接环限位轨道同时也作为框架结构的向外排水通道。

所述多道的连接环中，其直径自下而上依次递减，

所述储气囊，采用多层高分子柔性材料，外层为防腐蚀保护层，储气囊外层的底部固定于外部保护结构单元的底部，内层为承压储气层，构成储气囊腔，柔性支撑单元内置于所述内层和外层之间，在储气囊的内外层之间设置柔性支撑单元的润滑油主支撑通道并分布微型润滑油支撑通道。

润滑油主支撑通道和微型润滑油支撑通道均为可流通液压油并耐受弯折的软管，微型支撑通道分布为网状，实现储气囊内外层之间的液压支撑骨架。

所述连接环为中空结构，同时作为润滑油的分配器和连通器，润滑油主支撑通道沿气囊的周向布置，并分别与连接环连接并连通油路，通过多层连接环的中空通道均匀分配给润滑油主支撑通道，并再进一步分配给与润滑油主支撑通道连通的润滑油微型支撑通道。

所述大容积承压储气装置利用外部保护结构单元和承压储气单元实现储气装置竖向空间容积扩张，从而减少气囊的水平占地面积；所述大容积承压储气装置利用外部保护结构单元和柔性支撑单元的部件实现了上部结构的抗风稳定结构。本发明具有以下有益技术效果：

本发明压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置采用气体优化储存技术和液压柔性结构技术，减少压缩二氧化碳储能项目中的常压气囊的占地面积，使气囊体积向上扩张，解决了储气囊占地面积过大制约储能技术的瓶颈。

其次，本发明装置相对于行业内现有的气囊，采用“外硬内透”设计，承压储气气囊采用多层结构设计，承压能力和使用寿命大大提高。

第三，本发明装置采用仿生结构，利用润滑油作为气囊支撑骨架，使其安全性、稳性更高，液压骨架系统辅助实现储存气体的充装和泄放，减少机组吸气阻力和排气阻力。

第四，本发明的方案可用于地下、半地下及地上等工程环境中，对站址无特殊要求，适应性好。本发明装置规模可以标准化，可根据储能系统的装机规模需求，调整储气装置的数量，具有良好的推广意义。

第五、本发明装置可拆卸地脚固定装置，从而增加气囊的灵活性，给气囊检修带来了灵活性。

附图说明

图1是本发明一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置的系统图。

图2是本发明一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置充气状态下的示意图。

图3是本发明一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置放空状态下的示意图。

图4是本发明一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置放空状态下的俯视图。

图5是承压储气单元微型支撑通道的结构示意图。

图6是最下层的连接环运行示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明提供的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，包括外部保护结构单元1，承压储气单元2和柔性支撑单元3。

外部保护结构单元为框架性结构，框架性结构底部固定于场址，外部保护结构单元高于内置承压储气单元最大容积高度一半以上但最好小于高度2/3。框架性结构包括框架结构101、框架结构固定装置102，框架结构固定装置102位于框架结构101的底部。

框架结构101可以采用圆柱形围墙结构，框架结构101设有朝上完全开放的内部空间，用于储、放气后的柔性气囊固定和充气后的储放柔性气囊的定型，框架结构101的口部敞开确保承压储气单元2沿竖向空间方向扩容和收缩。所述圆柱形围墙结构可采用钢板拼接焊制、水泥混凝土浇筑或其它适当的结构。框架结构固定装置102可采用多种方式将框架结构101固定于建设场区内，如采用地锚等形式固定。

所述承压储气单元2对于柔性气囊在充满气后将要暴露在框架结构101上方的部分设置多道连接环204，连接环204之间连接多道连接绳203，形成对充气后暴露在框架结构上方的柔性气囊的柔性限位。外部保护结构单元对于最下层连接环204设置多条竖向连接环限位轨道103，而能够让最下层连接环204均匀进行升降运动，而也使得其它的连接环也能均匀运动，并且，对于所述最下层的连接环204，设置牵引机构205，在排气时，由牵引机构的驱动电机通过牵引绳206将其下拉至框架结构101的底部，而在排气过程中，可以通过电机的工作，进行主动下压，将储存的气尽可能地平稳排空。在实施时，所述牵引绳206可采用卷扬机，可以各条牵引绳206均配置一个卷扬机，优选地，所述牵引绳206与限位轨道103的位置匹配而隐藏在限位轨道103中进行牵引工作，可以保证柔性气囊的下部尽可能地贴合框架结构101内壁以及牵引绳206本身，提高气囊利用率及下部气囊的稳定性，并通过牵引绳206的稳定性和下部气囊的稳定性而提高上部暴露在外的气囊的稳定性。所述最下层的连接环204的外径比框架结构101的内径稍小些而能够顺利落入框架结构101内部，所述最下层的连接环204可以设置与限位轨道103配合的导向块207，进一步地，所述限位轨道103可设置与导向块207配合的导向口，便于对最下层的连接环实现全柔性连接。

进一步地，所述竖向连接环限位轨道103可被利用来排水，沿高度方向设置多道排水口105，可将雨雪水泄放。

所述多道的连接环204中，其直径自下而上依次递减，不仅增加暴露在外的气囊的抗风能力，且也便于更尽地排放储存气体，提高气囊的有效容积。另外，还可在顶部的连接环设置配重连接位而视需要安装不同的配重

承压储气单元2的柔性储气囊，采用多层高分子柔性材料，外层201为防腐蚀保护层，具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，柔性储气囊外层201依靠底部固定于外部保护结构单元，柔性储气囊内层202为承压储气层，构成储气囊腔，储存大容量的微正压二氧化碳气体。柔性支撑单元3内置于所述内层202和外层201之间，在柔性储气囊的内外层之间设置柔性支撑单元3的润滑油主支撑通道301并分布微型润滑油支撑通道302，通过调节润滑油在支撑通道的储量调节承压储气单元2的容积，所述润滑油采用液压润滑油。承压储气单元2的外层201与所述多道连接环204连接。

如上所述，所述承压储气单元柔性储气囊内外层之间设置柔性支撑单元，可通过润滑油的填充量调节储气容积。确保发电工况下，微正压二氧化碳气体顺利进入储气装置中，减少充气过程中的阻力；储能工况下，通过润滑油的释放和、牵引机构的工作以及调节顶部连接环的配重实现均匀供气，储能规模可通过调节柔性支撑单元实现。

柔性支撑单元3被设置为承压储气单元2一部分，如前所述，包括润滑油主支撑通道301和润滑油微型支撑通道302，其均为可流通液压油并耐受弯折的软管。所述润滑油主支撑通道301为纵向多根立式润滑油通道。微型支撑通道302分布为网状，各微型支撑通道302与主支撑通道301的预留接口连接。优选地，采用仿生设计，采用平面蜂窝六边形通道，实现承压储气单元内外层之间的液压支撑骨架。

优选地，连接环204为中空结构，同时作为润滑油的分配器和连通器，纵向多根立式润滑油通道沿气囊的周向布置，并分别与连接环204连接并连通油路，通过多层连接环204的中空通道均匀分配给润滑油主支撑通道301，并再进一步分配给与润滑油主支撑通道301连通的润滑油微型支撑通道302。

柔性支撑单元采用的液压润滑油单独设置供排油系统。所述供排油系统由油箱309、油泵305、管路及阀组组成。所述阀包括调节阀303、止回阀304、电动切断阀307、卸油阀308，通过油泵305和调节阀303调节液压润滑油在柔性支撑单元通道中的容量。在油路上还设置过滤器306，供排油系统可为单套储气装置供油，亦可通过调节分配阀为多套储气装置供油。

以下进一步详细说明本发明储气装置的在不同状态下的运行：

充气状态下，油箱309提供润滑油依次通过电动调节阀303和止回阀阀304进入油泵305加压，加压后的润滑油经过滤器306和电动切断阀307，进入连接环204，分配给立式润滑油主支撑通道301和微型润滑油支撑通道302，润滑油逐步向上扩充，将内层气囊202向上扩充至需要的容积，牵引机构同步放绳，当达到最大容积后，牵引绳206、连接绳203拉紧连接环204，系统达到稳定状态停止供油。此时关闭油泵305。

排气状态下，打开油箱卸油阀308，液压润滑油主支撑通道301和微型液压润滑油支撑通道302中的润滑油，沿连接环204进入卸油管道；启动牵引机构205，将最下层的连接环204主动下拉，在连接环204重力下，内层气囊202逐层收缩，最下层连接环204通过连接环限位轨道103的导向，回降至框架性结构101内，储存气体全部排出。

本发明利用外部保护结构单元和承压储气单元实现储气装置来半柔性地（下部框架刚性约束而上部被柔性限位）约束容积扩张方向，使柔性气囊竖向空间容积扩张，从而减少气囊的水平占地面积。同时，利用外部保护结构单元和柔性支撑单元的部件实现了抗风稳定结构，使其系统安全性提升。

所述承压储气装置可用于地下、半地下及地上等储能环境，通过竖向伸缩调整容积，降低了压缩二氧化碳储能对用地指标。亦可根据压缩二氧化碳储能装机规模需求，调整装置数量，提高了压缩二氧化碳储能项目储气系统装机规模和选址灵活性。

本发明不仅可用于压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，亦可用于其他气体的大容积储存。

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 (8)

1.一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于包含外部保护结构单元，承压储气单元和柔性支撑单元；所述外部保护结构包括框架结构，框架性构向上敞口，底部固定于场址；承压储气单元包括储气囊，其充气状态时，向上延伸扩容，并且，上部暴露于框架结构上方；

所述承压储气单元对于储气囊在充满气后将要暴露在框架结构上方的部分匹配高度方向设置多道连接环，连接环之间连接多道连接绳；

所述外部保护结构单元对于最下层连接环设置多条竖向连接环限位轨道；并且，对于所述最下层的连接环，设置牵引机构，在排气时，由牵引机构通过牵引绳将其下拉至框架结构的底部；所述最下层的连接环设置导向配合结构与所述竖向连接环限位轨道配合；所述连接环为中空结构，同时作为润滑油的分配器和连通器，润滑油主支撑通道沿气囊的周向布置，并分别与连接环连接并连通油路，通过多层连接环的中空通道均匀分配给润滑油主支撑通道，并再进一步分配给与润滑油主支撑通道连通的润滑油微型支撑通道；

柔性储气囊的外层为防腐蚀保护层，内层为承压储气层，在内层和外层之间设置包括润滑油主支撑通道和网状润滑油微型支撑通道的柔性支撑单元，通过多层连接环的中空通道均匀向润滑油主支撑通道和网状润滑油微型支撑通道分配润滑油，进而在充气储能时利用润滑油作为液压支撑骨架；

通过润滑油的填充量调节储气容积，确保发电工况下，微正压二氧化碳气体顺利进入储气装置中，减少充气过程中的阻力；储能工况下，通过润滑油的释放和牵引机构的工作以及调节顶部连接环的配重实现均匀供气。

2.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述框架结构为圆柱形围墙结构。

3.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述牵引绳也经所述竖向连接环限位轨道与所述最下层的连接环连接。

4.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述竖向连接环限位轨道同时也作为框架结构的向外排水通道。

5.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述多道的连接环中，其直径自下而上依次递减。

6.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述储气囊，采用多层高分子柔性材料，储气囊外层的底部固定于外部保护结构单元的底部。

7.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于润滑油主支撑通道和润滑油微型支撑通道均为可流通液压油并耐受弯折的软管。

8.如权利要求1所述的一种压缩二氧化碳储能系统大容积承压储气装置，其特征在于所述大容积承压储气装置利用外部保护结构单元和承压储气单元实现储气装置竖向空间容积扩张，从而减少气囊的水平占地面积；所述大容积承压储气装置利用外部保护结构单元和柔性支撑单元的部件实现了上部结构的抗风稳定结构。