CN220505130U - 基于plc的等温压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，包括压缩空气储能装置、控制系统，控制系统用于控制所述压缩空气储能装置进行压缩储能和膨胀释能，以及用于通过监测数据对压缩储能和膨胀释能过程进行启动预处理；压缩空气储能装置包括通过管道连接的分级等温压缩空气子系统、恒压储气子系统、液压势能转换子系统和抽蓄子系统；液压势能转换子系统用于与分级等温压缩空气子系统进行液体往返传输，分级等温压缩空气子系统用于与恒压储气子系统进行气体往返传输，抽蓄子系统和恒压储气子系统用于储能和释放能量。该系统实现了压缩空气储能系统在压缩膨胀过程中的稳定运行，分级等温压缩减少了热量损失，提高了工作效率。

Description

基于PLC的等温压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及压缩空气储能领域，具体的说，涉及了一种基于PLC的等温压缩空气储能系统。

背景技术

在诸多储能技术中，压缩空气储能设备全部为机械及电气结构组成，通过设备做功实现能量在“电能←→空气势能”之间转换，具有效率高、寿命长无废弃污染、无化学介质消耗等特点，因而压缩空气储能是具有发展潜力的纯绿色储能技术之一。

如申请公布号为CN104806313A的发明专利申请，具体公开了一种等温压缩空气储能系统及方法，在压缩机组和膨胀机组的进气口分别装有喷 射器，在储能压缩过程中，通过向被压缩空气中喷入雾状或者泡沫状液态换热介质实现准等温压缩过程，从而降低单位工质的压缩功，在压缩机组后装有气液分离器，分离压缩空气中的冷却介质并存储 ；在释能膨胀过程中，通过向膨胀过程的气体内喷射雾状或者泡沫状液态换热介质实现准等 温膨胀过程，从而提高单位工质的输出功量，并提高系统的整体效率。但该系统在运行前并没有预处理程序，导致系统不稳定。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

实用新型内容

为了实现等温压缩膨胀，减少热量损失，提高系统能量效率，且在启动系统运行前，能够通过数据输入信号的判断调整启动前的准备工作，提高系统工作的稳定性，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，包括压缩空气储能装置、控制系统，所述控制系统用于控制所述压缩空气储能装置进行压缩储能和膨胀释能，以及用于通过监测数据对压缩储能和膨胀释能过程进行启动预处理；

所述压缩空气储能装置包括通过管道连接的分级等温压缩空气子系统、恒压储气子系统、液压势能转换子系统和抽蓄子系统；

所述液压势能转换子系统用于与所述分级等温压缩空气子系统进行液体往返传输，所述分级等温压缩空气子系统用于与所述恒压储气子系统进行气体往返传输，所述抽蓄子系统和所述恒压储气子系统用于储能和释放能量。

基于上述，所述分级等温压缩空气子系统包括多级等温液体活塞装置，每级等温液体活塞装置包括两个压力罐，每个压力罐的顶部和底部分别通过三通水阀与液压势能子系统相连，每个压力罐的顶部和底部分别设置有三通气阀，每一级压力罐顶部的三通气阀与下一级压力罐底部的三通气阀相连。

基于上述，所述恒压储气子系统包括高压储气罐，所述高压储气罐的顶部通过输气管道与最后一级的所述等温液体活塞装置相连，所述高压储气罐的底部通过阀门管道与所述抽蓄子系统相连。

基于上述，所述抽蓄子系统包括高压水池、低压水池、水泵和水轮机，所述高压水池分别与高压储气罐、所述水泵和所述水轮机相连，所述水泵和所述水轮机连接在所述高压水池和所述低压水池之间。

基于上述，所述液压势能转换子系统包括直线电机、活塞连杆和多级液压活塞装置，所述多级液压活塞装置通过所述活塞连杆与所述直线电机同步连接传动；每级所述液压活塞装置包括液压缸和将所述液压缸分为左右两个活塞腔的活塞块；

其中前N级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第一上单向阀组与所述压力罐的顶部相连通，前N级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第一下单向阀组与所述压力罐的底部相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第二上单向阀组与所述高压水池相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第二下单向阀组与所述低压水池相连通。

基于上述，所述控制系统包括CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块和通讯模块，所述CPU模块分别与所述数字量输入输出模块、所述模拟量输入模块和所述通讯模块相连。其中，CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块和通讯模块组成PLC模块。

基于上述，所述压力罐和所述高压储气罐上均设置有温压一体传感器，所述压力罐、所述高压水池、所述低压水池上均设置有液位传感器，所述温压一体传感器和所述液位传感器分别与所述控制系统相连接。

具体地，根据位置分布，多级液压活塞装置可分为受力侧液压活塞缸，和动力侧液压活塞缸。受力侧液压活塞缸是指与高压储气罐连通的液压活塞装置。动力侧液压活塞缸是指与高压水池连通的液压活塞装置。

在压缩储能的过程中，水泵向高压水池内泵水，在高低压水池压力差的作用下，水驱动动力侧液压活塞运动；而在发电过程中，高压水池内的水推动水轮机发电。

具体地，根据安装位置，三通水阀可分为上三通水阀和下三通水阀。三通气阀可分为上三通气阀和下三通气阀。

具体地，根据安装位置，第一上单向阀组、第二上单向阀组、第一下单向阀组和第二下单向阀组可分为奇数阀门和偶数阀门，位于同侧的奇数阀门和偶数阀门位于不同的活塞腔内。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型提供的基于PLC的等温压缩空气储能系统，压缩空气储能系统为带级间换热的分级压缩储能控制系统，储能过程中，直线电机和水泵共同推动动力侧液压活塞往复运动，带动液压活塞运动，将气体逐级压缩至储气罐，同时气体下进上出、液体上进下出，在气体和液体接触的瞬间实现换热，从而实现等温过程。控制系统采集装置上的各种传感器实时监控系统状态，根据系统运行状态控制阀门启停。同时，在启动系统运行前，增加了启动预处理程序，通过数据输入信号的判断调整启动前的准备工作，提高了系统工作的稳定性。

因此，该系统实现了压缩空气储能系统在压缩膨胀过程中的稳定运行，分级等温压缩减少了热量损失，提高了工作效率。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于PLC的等温压缩空气储能系统结构连接关系示意图。

图2是本实用新型提供的基于PLC的等温压缩空气储能系统局部结构示意图。

图3是本实用新型提供的基于PLC的等温压缩空气储能系统预处理程序逻辑关系示意图。

图4是本实用新型提供的基于PLC的等温压缩空气储能系统启动程序逻辑关系示意图。

图中：1、左压力罐；2、上三通水阀；3、上三通气阀；4、右压力罐；5、第一间三通气阀；6、左上单通阀；7、液压活塞装置；8、左下单通阀；9、下三通水阀；10、下三通气阀；11、活塞连杆；12、右下单通阀；13、右上单通阀；14、一级受力侧液压活塞缸单元；15、连接管道；16、二级受力侧液压活塞缸单元；17、三级受力侧液压活塞缸单元；18、四级受力侧液压活塞缸单元；19、输气管道；20、第二间三通气阀；21、高压储气罐；22、高压水池；23、低压水池；24、直线电机；25、水轮机；26、动力侧液压活塞缸。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，如图1、图2、图3和图4所示，包括压缩空气储能装置、控制系统。所述控制系统用于控制所述压缩空气储能装置进行压缩储能和膨胀释能，以及用于通过监测数据对压缩储能和膨胀释能过程进行启动预处理。

具体的，如图1所示，所述压缩空气储能装置包括通过管道连接的分级等温压缩空气子系统、恒压储气子系统、液压势能转换子系统和抽蓄子系。

具体地，本实施例中，所述分级等温压缩空气子系统包括四级等温液体活塞装置。分为一级受力侧液压活塞缸单元14、二级受力侧液压活塞缸单元16、三级受力侧液压活塞缸单元17、四级受力侧液压活塞缸单元18。

所述液压势能转换子系统用于与所述分级等温压缩空气子系统进行液体往返传输。所述分级等温压缩空气子系统用于与所述恒压储气子系统进行气体往返传输，所述抽蓄子系统和所述恒压储气子系统用于储能和释放能量。

具体地，本实施例中，每级等温液体活塞装置包括两个压力罐。根据安装位置，可分为左压力罐1和右压力罐4。每个压力罐的顶部和底部分别通过三通水阀与液压势能子系统相连，每个压力罐的顶部和底部分别设置有三通气阀，每一级压力罐顶部的三通气阀通过连接管道15和第一间三通气阀5与下一级压力罐底部的三通气阀相连。

其中，第二级等温液体活塞装置、第三级等温液体活塞装置和第四级等温液体活塞装置之间的连接管道15上还设置有第二间三通气阀20。

具体地，根据安装位置，三通水阀可分为上三通水阀2和下三通水阀9。三通气阀可分为上三通气阀3和下三通气阀10。

本实施例中，所述恒压储气子系统包括高压储气罐21。所述高压储气罐21的顶部通过输气管道19与第四级的所述等温液体活塞装置相连，所述高压储气罐21的底部通过阀门管道与所述抽蓄子系统相连。

所述抽蓄子系统包括高压水池22、低压水池23、水泵和水轮机25。所述高压水池22分别与高压储气罐21、所述水泵和所述水轮机25相连。所述水泵和所述水轮机25连接在所述高压水池22和所述低压水池23之间。

所述液压势能转换子系统包括直线电机24、活塞连杆11和多级液压活塞装置7。多级所述液压活塞装置7通过所述活塞连杆11与所述直线电机24同步连接传动。每级所述液压活塞装置7包括液压缸和将所述液压缸分为左右两个活塞腔的活塞块。

其中，前四级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第一上单向阀组与所述压力罐的顶部相连通。

前四级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第一下单向阀组与所述压力罐的底部相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第二上单向阀组与所述高压水池相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第二下单向阀组与所述低压水池相连通。

具体地，根据安装位置，第一上单向阀组、第二上单向阀组、第一下单向阀组和第二下单向阀组可分为奇数阀门和偶数阀门，位于同侧的奇数阀门和偶数阀门位于不同的活塞腔内。第一上单向阀组可分为左上单通阀6和右上单通阀13。第一下单向阀组可分为左下单通阀8和右下单通阀12。

所述控制系统包括CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块和通讯模块，所述CPU模块分别与所述数字量输入输出模块、所述模拟量输入模块和所述通讯模块相连。其中，CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块和通讯模块组成PLC模块。

具体地，根据位置分布，多级液压活塞装置可分为受力侧液压活塞缸，和动力侧液压活塞缸26。受力侧液压活塞缸是指与高压储气罐连通的液压活塞装置。动力侧液压活塞缸26是指与高压水池22连通的液压活塞装置。

在压缩储能的过程中，水泵向高压水池22内泵水，在高低压水池压力差的作用下，水驱动动力侧液压活塞运动；而在发电过程中，高压水池内的水推动水轮机发电。

具体地，如图3和图4所示，该基于PLC的等温压缩空气储能系统压缩储能启动预处理包括以下步骤：

步骤1.1：确认系统当前工作模式，若处于报警模式，消除报警进入步骤1.2。

步骤1.2：判断等温压缩空气子系统1和恒压储气子系统2中的塔罐压力是否为常压，塔罐压力都为常压0.1Mpa，执行步骤1.3，塔罐压力为非常压状态，进入步骤1.4。

步骤1.3：常压状态下判断1-4级压力罐液位相差是否较大，如果液位相差较大，则为初始状态，进入初始化复位手动调试，如果液位相差较小，则对电机、阀门进行归位，调整完成进入步骤1.6。

步骤1.4：判断系统运行周期是否为奇数，运行周期不是奇数，执行步骤1.5，运行周期是奇数，对三通阀门状态归位，同时根据周期内行行程值调整电机位置，对液压势能转换子系统3中的单通阀门进行归位，阀门状态调整完成执行步骤1.6。

步骤1.5：运行周期是偶数，调整三通阀门状态，同时根据周期内行行程值调整电机位置，对液压势能转换子系统3中的单通阀门进行归位，阀门状态调整完成执行步骤1.6。

步骤1.6：进入压缩储能启动运行主程序。

具体的，该基于PLC的等温压缩空气储能系统压缩储能启动主程序包括以下步骤：

步骤2.1：判断直线电机在右限位，若电机不在右限位，执行步骤2.2，若电机在右限位，判断行程是否等于12，若行程不等于12，执行步骤2.3，若行程等于12，周期加1，行程清零，判断高压储气罐压力是否到达1.67Mpa，若压力没有到达1.67Mpa，执行步骤2.4，若压力到达1.67Mpa，判断储气罐液位是否下降至下水位限，若没有到达下水位线，执行步骤2.4，若到达下水位线，停止运行。

步骤2.2：电机到达左限位，行程加1，根据行程值调节液压势能转换子系统3中5-7级单通阀门的开关状态，根据行程偶数调节1-4级单通阀门的开关状态，阀门完成后调节电机反转，执行步骤2.1。

步骤2.3：行程不等于12，行程加1，根据行程值调节液压势能转换子系统3中5-7级单通阀门的开关状态，根据行程奇数数调节1-4级单通阀门的开关状态，阀门完成后调节电机正转，执行步骤2.3。

步骤2.4：根据周期值奇数偶数调节等温压缩空气子系统中1-4级三通阀门状态，执行步骤2.3。

具体地，所述控制系统膨胀释能启动预处理步骤与压缩储能启动预处理步骤一致。所述控制系统膨胀释能启动程序步骤膨胀过程中与压缩步骤相同，仅气体运行方向相反，阀门开关顺序相反。

实施例2

本实施例提供一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，具体结构与实施例1的区别在于：本实施例中，所述压力罐和所述高压储气罐上均设置有温压一体传感器，所述压力罐、所述高压水池、所述低压水池上均设置有液位传感器，所述温压一体传感器和所述液位传感器分别与所述控制系统相连接。

具体地，本实用新型提供一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，该系统由分级等温压缩空气子系统、恒压储气子系统、液压势能转换子系统、抽蓄子系统构成。

其中，分级等温压缩空气子系统将整个压缩过程按照不同的压强值分为多个区间，分别对应串联的多个耐压能力不同的塔罐。主要分为四级液体活塞，每级液体活塞有两个耐压塔罐，气体首先预置在1级低压容器中。

储能时，水泵将低压水池水输送到高压水池与直线电机共同提供动力，通过连杆带动活塞往复运动，七级液压势能转换子系统所连接的单通阀门动作。

直线电机正向运行时，每一级的奇数阀门打开，偶数阀门关闭。直线电机反向运行时，每一级的奇数阀门关闭，偶数阀门打开。例如，以第一级分级等温压缩空气子系统为例左上单通阀6和右下单通阀12阀门打开，右上单通阀13、左下单通阀8阀门关闭。直线电机在正向运行过程中将第一级液压活塞左腔中的水经左上单通阀6压入至左压力罐1中，此时右压力罐4中的水经右下单通阀12进入第一级液压活塞右腔中。

直线电机反向运行时，左上单通阀6和右下单通阀12阀门关闭，右上单通阀13、左下单通阀8阀门打开。第一级液压活塞右腔中的水经右上单通阀13压入至左压力罐1中，右压力罐4中的水经左下单通阀8进入第一级液压活塞左腔中，从而将右压力罐4中的水压入左压力罐1中。左压力罐1中的气体被压缩，经第一间三通气阀5从液体活塞顶部向第二级液体活塞中的左压力罐1中迁移。

如此往复，分级压缩，直到高压储气罐21中气体含量和压强满足要求。膨胀过程中与压缩原理相同，仅气体运行方向相反。

液压势能转换子系统包括七组液压活塞缸，前四级为受力侧液压活塞缸，后三级为动力侧液压活塞缸，在压缩储能的过程中通过调节动力侧液压活塞缸的使用数量匹配液体势能，完成势能的传递。

抽蓄子系统主要包括水泵、水轮机和一组高低压储水容器，在压缩储能的过程中，水泵向高压水池内泵水，在高低压容器压力差的作用下，水驱动动力侧液压活塞运动；而在发电过程中，高压容器内的水推动水轮机发电。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：包括压缩空气储能装置、控制系统，所述控制系统用于控制所述压缩空气储能装置进行压缩储能和膨胀释能，以及用于通过监测数据对压缩储能和膨胀释能过程进行启动预处理；

所述压缩空气储能装置包括通过管道连接的分级等温压缩空气子系统、恒压储气子系统、液压势能转换子系统和抽蓄子系统；

所述液压势能转换子系统用于与所述分级等温压缩空气子系统进行液体往返传输，所述分级等温压缩空气子系统用于与所述恒压储气子系统进行气体往返传输，所述抽蓄子系统和所述恒压储气子系统用于储能和释放能量。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述分级等温压缩空气子系统包括多级等温液体活塞装置，每级等温液体活塞装置包括两个压力罐，每个压力罐的顶部和底部分别通过三通水阀与液压势能子系统相连，每个压力罐的顶部和底部分别设置有三通气阀，每一级压力罐顶部的三通气阀与下一级压力罐底部的三通气阀相连。

3.根据权利要求2所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述恒压储气子系统包括高压储气罐，所述高压储气罐的顶部通过输气管道与最后一级的所述等温液体活塞装置相连，所述高压储气罐的底部通过阀门管道与所述抽蓄子系统相连。

4.根据权利要求3所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述抽蓄子系统包括高压水池、低压水池、水泵和水轮机，所述高压水池分别与高压储气罐、所述水泵和所述水轮机相连，所述水泵和所述水轮机连接在所述高压水池和所述低压水池之间。

5.根据权利要求4所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述液压势能转换子系统包括直线电机、活塞连杆和多级液压活塞装置，所述多级液压活塞装置通过所述活塞连杆与所述直线电机同步连接传动；每级所述液压活塞装置包括液压缸和将所述液压缸分为左右两个活塞腔的活塞块，

其中前N级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第一上单向阀组与所述压力罐的顶部相连通，前N级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第一下单向阀组与所述压力罐的底部相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔顶部分别通过第二上单向阀组与所述高压水池相连通，剩余级液压活塞装置中的每个所述活塞腔底部分别通过第二下单向阀组与所述低压水池相连通。

6.根据权利要求5所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述控制系统包括CPU模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块和通讯模块，所述CPU模块分别与所述数字量输入输出模块、所述模拟量输入模块和所述通讯模块相连。

7.根据权利要求6所述的基于PLC的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述压力罐和所述高压储气罐上均设置有温压一体传感器，所述压力罐、所述高压水池、所述低压水池上均设置有液位传感器，所述温压一体传感器和所述液位传感器分别与所述控制系统相连接。