CN218844474U - 双洞式抽水压缩空气蓄能系统 - Google Patents

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王鸿振
李高会
刘宁
尹士吉
陈平志
陈阜南
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Abstract

本实用新型涉及一种所述双洞式抽水压缩空气蓄能系统。本实用新型的技术方案为：一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于，包括：水气共容洞库；高压储气洞库，设置于所述水气共容洞库上方，与水气共容洞库之间经若干连接竖井连通；抽水蓄能机组，经上引水洞和保压阀门连通所述水气共容洞库底部；地面水库，经下引水洞连通所述抽水蓄能机组。本实用新型适用于新能源储能技术领域。

Description

双洞式抽水压缩空气蓄能系统
技术领域
本实用新型涉及一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统。适用于新能源储能技术领域。
背景技术
随着新型电力系统建设的进程加快，大量的清洁可再生能源如光伏发电、风力发电等并入电网发电。由于上述新能源发电自身具有的间歇性、波动性等特点，大力发展大规模储能系统势在必行。通过大规模储能系统，可以在新能源发电高峰期，将电能转化为其他形式储存；在发电低谷时再将储存的能量发电进入电网，进而提高了电网对于可再生新能源的消纳能力。
目前大规模长时储能方式主要有两种，抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能技术成熟且能源转换效率高，可达75％；但是其弊端在于选址要求高，尤其需要选择可以形成较大容量的上水库库盆的区域，难度较大。压缩气体储能对选址的要求较低，可以在多种地质地形区域大量建设，目前机组技术也已逐渐成熟，但其主要弊端在于：(1)传统的非绝热型压缩空气储能需要采取化石燃料补燃，对天然气供应的依赖较大，而且储能效率较低，一般仅50％左右；(2)先进绝热型压缩空气储能则需要多级压缩和储热，系统内增加多个热交换器等设备，使得系统占地面积较大、且单位成本高昂、流程复杂。
公开号为CN102797613A的中国专利，一种抽水压缩空气储能系统，该申请案公开了一种通过高压气罐和蓄水池储能的系统，该系统在用电低谷时通过水泵将蓄水池的水压入高压罐内，然后在用电高峰时，高压罐内的气体将水压出，驱动水轮机并带动发电机发电。其不足之处在于高压气体与水面接触面积大，高压空气中的大量氧气、二氧化碳等会部分溶解于水体中，而且高压气罐容积一般较小，导致难以保持长时间的高压状态。
公开号为CN108425784A的中国专利，一种抽水压缩空气储能系统及其运行方法，该申请案公开了一种通过高压气水罐储存和常压储水池、发电机、水泵和水轮机进行储能的系统，其不足之处也在于高压气体与水面接触面积大，且未设置补气装置，储气效果难以保证。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统。
本实用新型所采用的技术方案是：一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于，包括：
水气共容洞库；
高压储气洞库，设置于所述水气共容洞库上方，与水气共容洞库之间经若干连接竖井连通；
抽水蓄能机组，经上引水洞和保压阀门连通所述水气共容洞库底部；
地面水库，经下引水洞连通所述抽水蓄能机组。
所述高压储气洞库上接有能为高压储气洞库补气的补气装置。
所述补气装置包括补气压缩机，补气压缩机经补气通道和补气阀门连通所述高压储气洞库顶部。
所述高压储气洞库内设有用于监测到高压储气洞库内压强的压强监测装置，该压强监测装置与所述保压阀门和所述补气压缩机电路连接，用于在保压阀门关闭且监测到高压储气洞库内压强下降超过预设值时控制补气压缩机启动。
所述水气共容洞库和所述高压储气洞库设置于山体内。
所述水气共容洞库的容积为所述高压储气洞库容积的2倍以上。
所述连接竖井的高度L，即为所述高压储气洞库和所述水气共容洞库之间的间距，按下式进行设计：
L≥5D
其中，D为所述高压储气洞库的直径和所述水气共容洞库的直径中的较大者。
所述连接竖井的高度的直径d和数目N，按下式进行设计：
Figure BDA0004022905640000031
其中，μ为所述连接竖井的流量系数，Q为所述抽水蓄能机组的最大运行流量，Hmin为所述抽水蓄能机组的最小运行水头
一种所述双洞式抽水压缩空气蓄能系统的运行方法，其特征在于：
在抽水过程中，抽水蓄能机组处于水泵状态，外部电网为抽水蓄能机组供电，通过抽水蓄能机组配合下引水洞和上引水洞将地面水库内的水体抽至所述水气共容洞库，水气共容洞库内气体被压缩并通过所述连接竖井储存至所述高压储气洞库，直到水气交界面上升到连接竖井的中间高度时，关闭上引水洞的保压阀门，进入高压保压状态；
在发电过程中，抽水蓄能机组处于水轮发电状态，打开所述保压阀门，高压气体膨胀做功，推动所述水气共容洞库内的水体经上引水洞、抽水蓄能机组和下引水洞输送至地面水库，驱动抽水蓄能机组发电，抽水蓄能机组发电进入外部电网；待气体充满水气共容洞库，水气交界面下降到上引水洞顶部高程时，关闭所述保压阀门，进入低压保压状态。
所述抽水压缩空气蓄能系统的储能容量W按下式进行计算：
Figure BDA0004022905640000041
其中，V1为所述高压储气洞容积；V2为所述水气共容洞库容积；P1为低压保压状态的压强。
所述抽水蓄能机组的最大运行水头H按下式进行计算：
Figure BDA0004022905640000042
其中，V1为所述高压储气洞容积；V2为所述水气共容洞库容积；P1为低压保压状态的压强。
所述抽水蓄能机组的最大水泵功率为PPump按下式进行计算：
Figure BDA0004022905640000043
其中，T为电网所需的储能时长。
本实用新型的有益效果是：本实用新型在高压储气洞库和水气共容洞库之间经若干连接竖井连通，且在高压保压时水气交界面位于连接竖井内，从而减少了水和高压状态空气的接触面积，降低了高压空气的溶解速度，有利于高压洞库的保压，提高了储能效率。
本实用新型取消了传统抽水蓄能电站的上水库，采用高压气体的势能来代替上水库的水体重力势能，克服了上水库选址的地形限制，具有更好的推广适用性。相比传统压缩空气储能系统和抽水压缩空气储能系统，本实用新型采用现有抽水蓄能电站常用的抽水蓄能机组，技术更加成熟可靠，储能效率较高。
附图说明
图1为实施例中高压保压状态的结构示意图。
图2为实施例中低压保压状态的结构示意图。
1、高压储气洞库；2、水气共容洞库；3、连接竖井；4、抽水蓄能机组；5、上引水洞；6、下引水洞；7、地面水库；8、山体；9、保压阀门；10、电缆；11、变压站；12、外部电网；13、补气阀门；14、补气通道；15、补气压缩机。
具体实施方式
本实施为一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统，具有水气共容洞库、高压储气洞库、抽水蓄能机组、地面水库和补气装置。
本例中水气共容洞库位于山体内，容积约为150万m3；高压储气洞库位于山体内、水气共容洞库的正上方，容积约为50万m3，水气共容洞库和高压储气洞库之间通过多个连接竖井相互连通。
本实施例中水气共容洞库底部通过上引水洞与抽水蓄能机组相连通，在上引水洞与水气共容洞库的连接处，设置有保压阀门；抽水蓄能机组通过下引水洞连接至地面水库，地面水库调节库容为300万m3。
本例中抽水蓄能机组通过电缆连接山体外的变压站，并经变压站连接外部电网。
本实施例中补气装置包括补气压缩机和补气阀门，其中补气阀门设置于高压储气洞库顶部，补气阀门通过补气通道连接至山体外的补气压缩机，以满足补气保压需求。补气通道可兼做检修进人通道，检修人员可以在高压气体放空后进入高压储气洞库，检查洞室情况。
本实施例中设有用于监测到高压储气洞库内压强的压强监测装置，该压强监测装置具有设置于补气阀门上并用于采集高压储气洞库内压强数据的压强监测传感器，压强监测传感器电路连接控制器，控制器电路连接保压阀门。
本实施例中连接竖井的高度L，即为所述高压储气洞库和所述水气共容洞库之间的间距，按下式进行设计：
L≥5D
其中，D为所述高压储气洞库的直径和所述水气共容洞库的直径中的较大者。
本例中连接竖井的高度的直径d和数目N，按下式进行设计：
Figure BDA0004022905640000061
其中，μ为所述连接竖井的流量系数，Q为所述抽水蓄能机组的最大运行流量，Hmin为所述抽水蓄能机组的最小运行水头；通常，N不小于2，d可取为：
Figure BDA0004022905640000062
本实施例中通过对连接竖井的尺寸、数量等参数的优化，在保证保证系统的正常运行的情况下，使水和高压空气接触面减小。
本实施例中双洞式抽水压缩空气蓄能系统的运行方法如下：
在抽水过程中，抽水蓄能机组处于水泵状态，外部电网通过变压站给抽水蓄能机组供电，蓄能机组通过下引水洞和上引水洞将水体抽至水气共容洞库，水气共容洞库内气体被压缩，并通过连接竖井不断储存至高压储气洞库，直到水气交界面上升到连接竖井的中间高度时，关闭上引水洞的保压阀门，进入高压保压状态。
在发电过程中，抽水蓄能机组处于水轮发电状态，打开保压阀门，高压气体膨胀做功，推动水气共容洞库内的水体依次经上引水洞、抽水蓄能机组和下引水洞进入地面水库，在此过程中水体带动抽水蓄能机组发电，抽水蓄能机组发出电量通过变压站进入外部电网。待气体充满水气共容洞库，水气交界面下降到上引水洞顶部高程，关闭保压阀门，进入低压保压状态。
本实施例中低压保压状态、抽水工况、高压保压状态和发电工况依次循环运行，实现在新能源发电高峰期，将电能转化为其他形式储存；在发电低谷时再将储存的能量发电进入电网，提高电网对于可再生新能源的消纳能力。
本实施例中当控制器经压强监测传感器采集到高压储气洞库1压强下降5％且此时保压阀门处于关闭状态(系统处于保压状态)时，启动补气压缩机，通过补气维持洞内压强。
本例中设高压储气洞容积为V1，水气共容洞库容积为V2，连接竖井的容积可忽略，低压保压状态的压强为P1，则双洞式抽水压缩空气储能系统的储能容量W按下式进行计算：
Figure BDA0004022905640000071
为提高抽水压缩空气储能系统的储能能力，低压保压状态的压强P1应不小于1MPa，水气共容洞库的容积应为高压储气洞库2倍以上，即：
V2≥2V1(2)
本例中抽水蓄能机组采用变转速可逆式水轮机组，满足在不同压力状态下的运行需求，其最大运行水头应满足：
Figure BDA0004022905640000072
式中P1为低压保压状态的压强。
本实施例总抽水蓄能机组的最大水泵功率为PPump，应满足
Figure BDA0004022905640000073
式中T为电网所需的储能时长。
本实施例中地面水库应满足其调节库容V3大于所述水气共容洞库的容积V2，即：
V3≥V2(5)
在低压保压状态下，高压储气洞库1和水气共容洞库2内部压强P1为1.5MPa，代入式(1)计算可得，系统的储能容量为W＝5200GJ≈1444MW/h。抽水蓄能机组的最大运行水头为650m，可以满足抽水压缩空气需求；最大水泵功率约为300MW，则计算可得最大储能时长约为4.8h，满足电网所需的最小4h储能时长需求。
以上所述，仅是用以说明本实用新型的具体实施案例而已，并非用以限定本实用新型的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本实用新型所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本实用新型权利要求的范围所覆盖。

Claims (8)

1.一种双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于，包括：
水气共容洞库；
高压储气洞库，设置于所述水气共容洞库上方，与水气共容洞库之间经若干连接竖井连通；
抽水蓄能机组，经上引水洞和保压阀门连通所述水气共容洞库底部；
地面水库，经下引水洞连通所述抽水蓄能机组。
2.根据权利要求1所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述高压储气洞库上接有能为高压储气洞库补气的补气装置。
3.根据权利要求2所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述补气装置包括补气压缩机，补气压缩机经补气通道和补气阀门连通所述高压储气洞库顶部。
4.根据权利要求3所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述高压储气洞库内设有用于监测到高压储气洞库内压强的压强监测装置，该压强监测装置与所述保压阀门和所述补气压缩机电路连接，用于在保压阀门关闭且监测到高压储气洞库内压强下降超过预设值时控制补气压缩机启动。
5.根据权利要求1所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述水气共容洞库和所述高压储气洞库设置于山体内。
6.根据权利要求1所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述水气共容洞库的容积为所述高压储气洞库容积的2倍以上。
7.根据权利要求1所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：所述连接竖井的高度L，即为所述高压储气洞库和所述水气共容洞库之间的间距，按下式进行设计：
L≥5D
其中，D为所述高压储气洞库的直径和所述水气共容洞库的直径的较大者。
8.根据权利要求1或7所述的双洞式抽水压缩空气蓄能系统，其特征在于：
所述连接竖井的直径d和数目N，按下式进行设计：
Figure FDA0004022905630000021
其中，μ为所述连接竖井的流量系数，Q为所述抽水蓄能机组的最大运行流量，Hmin为所述抽水蓄能机组的最小运行水头。
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