專利名稱：恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能物理儲(chǔ)能的系統(tǒng)，特別涉及一種利用水-氣共容艙實(shí)現(xiàn)電力儲(chǔ)能的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從去年開始，中國已經(jīng)超過美國成為世界第一大能源消費(fèi)國，未來，隨著中國的飛速發(fā)展，對(duì)能源的消耗還會(huì)大幅增加，我國在能源消費(fèi)和節(jié)能減排方面必將承受更多和更大的國際壓力。目前，世界能源發(fā)展的主流趨勢(shì)正在發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，正逐步走向摒棄核電和摒棄水電的道路，例如歐洲的核心國德國已宣布2020年棄核，其它歐洲國家已炸掉到期水電站；重點(diǎn)提高現(xiàn)有能源的利用率，逐步提高新興能源與可再生能源在電網(wǎng)中所占比重，逐步限制火電的發(fā)展。風(fēng)電是我國唯一已經(jīng)被大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源。2010年底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4473. 3萬千瓦，超過美國成為世界第一，風(fēng)電并網(wǎng)容量也達(dá)到了 2956萬千瓦，十二五末總裝機(jī)容量達(dá)到I億千瓦。隨著并網(wǎng)容量的增加，尤其是進(jìn)入2011年后，風(fēng)電基地的棄風(fēng)量急劇增加，一些風(fēng)電基地的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生，這些問題已經(jīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重影響。我國風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電波動(dòng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性差，電網(wǎng)調(diào)峰能力和吸納能力低是產(chǎn)生上述問題的根源。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，有效解決該問題的辦法通過對(duì)風(fēng)電的大規(guī)模儲(chǔ)存，提高其并網(wǎng)的穩(wěn)定性、可控性及電網(wǎng)的安全性。國外在上世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)開始研究電的大規(guī)模儲(chǔ)存問題，并建立了幾座大規(guī)模風(fēng)電儲(chǔ)存的示范工程。到目前為止，關(guān)于電力儲(chǔ)存的方法很多壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、電磁儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能、充電電池儲(chǔ)能等，但是能夠進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)電儲(chǔ)存的成熟技術(shù)只有兩種一種是抽水蓄能技術(shù)，另一種是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。目前，在國內(nèi)沒有商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，也沒有設(shè)計(jì)大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能的示范工程經(jīng)驗(yàn)，部分高校及科研院所僅進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。西安交通大學(xué)研究壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)開始于上世紀(jì)九十年代，開展了熱、電、冷聯(lián)供的電站及各種不同的壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)的理論研究；中國科學(xué)院進(jìn)行了超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能的相關(guān)研究；華北電力大學(xué)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析。現(xiàn)有壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程中需要采用帶有中間冷卻器和后冷器的多級(jí) 壓縮機(jī)組，設(shè)備造價(jià)高、換熱系統(tǒng)復(fù)雜、產(chǎn)生大量低品位熱量；在壓縮空氣膨脹發(fā)電過程中，為了獲取盡可能多的膨脹功，必須對(duì)氣體透平的進(jìn)氣進(jìn)行加熱至600度左右，為此需要給該系統(tǒng)配套燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，從燃?xì)馔钙綑C(jī)高溫尾氣獲取熱量，或者加裝輔助加熱裝置，燃料(天然氣、煤或燃油)補(bǔ)給系統(tǒng)，需要消耗數(shù)量可觀的不可再生資源
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有壓縮空氣儲(chǔ)能電站設(shè)備造價(jià)高、以及抽水蓄能電站要求的特殊地理環(huán)境等缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的水氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但可降低儲(chǔ)能造價(jià)，提高儲(chǔ)能裝置能量轉(zhuǎn)化效率，而且可解決系統(tǒng)在發(fā)電過程中水氣共容艙內(nèi)壓力穩(wěn)定的問題。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括一個(gè)水-氣共容艙、一個(gè)為水-氣共容艙提供預(yù)置高壓氣體用的氣體壓縮機(jī)組、一個(gè)抽水蓄能的水泵機(jī)組、一個(gè)上方與大氣相通的儲(chǔ)水池以及一個(gè)發(fā)電用水輪機(jī)，其中，驅(qū)動(dòng)氣體壓縮機(jī)組和水泵機(jī)組運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)取自電網(wǎng)的富余電能，所述水輪機(jī)的排水口通過管道為儲(chǔ)水池提供進(jìn)水，水泵機(jī)組通過管道從儲(chǔ)水池中抽水，所述氣體壓縮機(jī)組的出口通過閥門及管道連通水-氣共容艙，該水-氣共容艙的出口通過管道及閥門連通水輪機(jī)，由水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電能，其特征在于，還包括一個(gè)蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐通過第一智能閥和蒸汽輸送管道連接水氣共容艙；所述水泵機(jī)組的出口經(jīng)第三智能閥，一路通過管道與水-氣共容艙的下部連通，另一路通過第二智能閥及噴淋管與水-氣共容艙上部連通；所述三個(gè)智能閥由一個(gè)氣體壓力穩(wěn)定控制裝置控制。上述方案中，所述氣體壓力穩(wěn)定控制裝置的信號(hào)輸入連接壓力變送器和水位傳感器，該壓力變送器的輸入與水氣共容艙內(nèi)連通；該水位傳感器的輸入連接水氣共容艙內(nèi)的水體；氣體壓力穩(wěn)定控制裝置至少包括兩個(gè)流量控制器和一個(gè)閘閥控制器，流量控制器用于控制第一智能閥及蒸汽的流量或第二智能閥及噴淋水的流量；閘閥控制器用于控制第三智能閥的啟閉。在水泵機(jī)組與儲(chǔ)水池之間設(shè)置有回水閥門，該回水閥門受氣體壓力穩(wěn)定控制裝置中的閘閥控制器控制。所述水-氣共容艙內(nèi)置漂浮于水面之上的隔熱墊，隔熱墊上開有許多豎孔。所述水泵機(jī)組為多級(jí)水泵串聯(lián)而成。所述氣體壓縮機(jī)組用高壓氣瓶組替換。所述水-氣共容艙埋于地表以下100-150m。所述水氣共容艙出口先通過一個(gè)熱交換器，然后再通過管道及閥門連通水輪機(jī)。本發(fā)明電力儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理首先利用氣體壓縮機(jī)組或者高壓氣瓶對(duì)高壓水-氣共容艙充氣加壓至某預(yù)置壓力，相當(dāng)于在該地區(qū)修建一定高度的水壩，如當(dāng)水-氣共容艙內(nèi)空氣壓力為IOMPa相當(dāng)于將水抽至水位高度為IOOOm的蓄水壩內(nèi)，此后氣體壓縮機(jī)或者高壓氣瓶組就不再工作，除非水氣共容艙漏氣；需要儲(chǔ)能時(shí)，開啟水泵機(jī)組，通過輸水管道對(duì)水-氣共容倉注水，隨著水-氣共容艙內(nèi)水位的增加，水體擠壓壓縮水-氣共容艙內(nèi)部氣體，氣體被等溫壓縮，壓力升高，抽水所消耗的能量也隨之增加，相當(dāng)于抽同樣體積的水所要儲(chǔ)存的能量也增大了。發(fā)電時(shí)，高壓水推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，為維持工況穩(wěn)定，借助水氣共容艙氣體壓力穩(wěn)定控制裝置，由蒸汽鍋爐，通過智能蒸汽流量控制閥和蒸汽輸送管道向水氣共容艙氣體部分補(bǔ)充水蒸氣。本發(fā)明與水氣共容艙儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)中配置了高壓蒸汽鍋爐和氣體壓力穩(wěn)定控制裝置，解決了在發(fā)電過程中水氣共容艙水壓穩(wěn)定問題。其中，在抽水儲(chǔ)能過程中，隨著水氣共容艙內(nèi)部水體體積的增加，其內(nèi)部氣體壓力會(huì)升高，導(dǎo)致水泵機(jī)組出口壓力不穩(wěn)，為了穩(wěn)定水泵機(jī)組出口壓力，必須穩(wěn)定水氣共容艙內(nèi)的氣體壓力，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置在接收到壓力變送器發(fā)送的壓力升高信號(hào)后，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置中的一個(gè)智能流量控制器就可以控制第二智能閥輸送噴淋水的流量，通過降低水氣共容艙內(nèi)氣體溫度和冷凝水蒸氣，降低水氣共容艙內(nèi)氣體壓力。 在發(fā)電過程中，水氣共容艙內(nèi)的氣體壓力會(huì)減低，這時(shí)，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置在接收到壓力變送器發(fā)送的壓力降低信號(hào)后，其中的另一個(gè)智能流量控制器就可以控制第一智能閥由蒸汽鍋爐向水氣共容艙輸入水蒸汽，達(dá)到穩(wěn)定水氣共容艙內(nèi)氣體壓力的目的。
以下結(jié)合附圖
及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明恒壓儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明水-氣共容艙地下部分施工示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括由壓縮機(jī)電機(jī)17驅(qū)動(dòng)的氣體壓縮機(jī)組4、由水泵電機(jī)16驅(qū)動(dòng)的水泵機(jī)組2、上方與大氣相通的儲(chǔ)水池3以及可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)15發(fā)電的水輪機(jī)1，水輪機(jī)I的排水口通過管道為儲(chǔ)水池提供進(jìn)水，水泵機(jī)組2通過管道從儲(chǔ)水池中抽水，氣體壓縮機(jī)組4的出口通過閥門12及管道與水-氣共容艙8的上部連通；水泵機(jī)組2的出口經(jīng)閥門11，一路通過管道與水-氣共容艙的下部連通，另一路通過智能閥14及噴淋管與水-氣共容艙上部連通。水-氣共容艙8的出口的高壓水通過管道、熱交換器6和閥門10連通水輪機(jī)1，由水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)15發(fā)電輸出至電網(wǎng)。壓縮電機(jī)17和水泵電機(jī)16取自電網(wǎng)的富余電能或風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電能。以上系統(tǒng)中，水泵機(jī)組2可以是二至三級(jí)水泵串聯(lián)而成，與水泵電機(jī)16構(gòu)成抽水裝置。氣體壓縮機(jī)組4可用高壓氣瓶組替換。水-氣共容艙的內(nèi)部設(shè)置有一自由漂浮在水面上的隔熱墊9，隔熱墊上開有許多豎直小孔，并且隔熱墊能夠上下運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明系統(tǒng)還包括一個(gè)蒸汽鍋爐5和一個(gè)氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18，在水泵機(jī)組2與儲(chǔ)水池3之間可增加一回水閥門(圖中未畫出)，該閥門的作用是在關(guān)閉閥門11時(shí)用于水泵回水，水流通過回水管返儲(chǔ)水池，以免突然關(guān)閉水泵時(shí)對(duì)水泵造成的沖擊破壞。蒸汽鍋爐通過智能閥13和蒸汽輸送管道連接水氣共容艙，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18的輸出控制信號(hào)連接閥門11、13、14以及回水閥門，其壓力檢測(cè)信號(hào)通過一個(gè)壓力變送器7的輸出獲取，該壓力變送器的輸入與水氣共容艙內(nèi)連通。蒸汽鍋爐在發(fā)電和儲(chǔ)能過程中為水氣共容艙氣體壓力穩(wěn)定提供蒸汽源；壓力穩(wěn)定控制裝置用于維持水輪機(jī)發(fā)電過程、水泵抽水儲(chǔ)能過程工況穩(wěn)定。氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18的水位檢測(cè)信號(hào)通過一個(gè)水位傳感器26的輸出獲取，該水位傳感器26的輸入連接水氣共容艙內(nèi)的水體。氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18內(nèi)共裝有兩套控制器，其中有一套備用。每套控制器包括兩個(gè)流量控制器和兩個(gè)閘閥控制器。其中，兩個(gè)流量控制器用于控制閥門13、14及蒸汽的流量或噴淋水的流量；兩個(gè)閘閥控制器用于控制閥門11和回水閥的啟閉。在水氣共容艙頂部可設(shè)置一個(gè)安全閥門(圖中未畫出)，當(dāng)艙內(nèi)壓力超過警戒壓力時(shí)可自動(dòng)泄壓以保持容器的安全。
本發(fā)明系統(tǒng)中的水-氣共容艙可埋于地表以下，也可以置于地表之上。如埋于地表以下的情況可參見圖2，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)水池3、水泵機(jī)組2、水輪機(jī)I、氣體壓縮機(jī)組4等為地面設(shè)施25，建于地表24上。水-氣共容艙8及引出管道為地下設(shè)施，建于地下。水-氣共容艙的埋置深度h = 100-150m，可利用山體先在一側(cè)通過隧道口 22及施工隧道19巖石挖掘出地下洞室21，并在地面打管道井23連通洞室，然后在其中建造水-氣共容艙5，最后連接引出管道，并在水-氣共容艙外充填混凝土 20加固。
本發(fā)明的儲(chǔ)能機(jī)理不同于傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)理，在本發(fā)明系統(tǒng)中，在開始儲(chǔ)存能量前，關(guān)閉閥門10、11、13、14，打開閥門12，開啟壓縮電機(jī)17，通過氣體壓縮機(jī)組4將氣體預(yù)先被壓縮至水-氣共容艙8內(nèi)，使其內(nèi)部氣體壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)置壓力，如5Mpa，或8MPa等，此后氣體壓縮機(jī)組就不再工作，并關(guān)閉閥門12。儲(chǔ)能時(shí)，開啟水泵機(jī)組2，打開閥門11和噴淋閥14對(duì)水-氣共容倉8注水，水泵機(jī)組吸納富余電能產(chǎn)生足夠高的水壓(IOMpa或16Mpa等)，將儲(chǔ)水池3中的水注入水-氣共容倉，隨著水-氣共容艙內(nèi)水量的增加，水體擠壓水-氣共容艙內(nèi)的預(yù)壓縮氣體，預(yù)壓縮氣體被等溫壓縮，壓力升高，迫使抽水所消耗的能量也隨之增加,相當(dāng)于抽同樣體積的水所要儲(chǔ)存的能量也增大了。例如水-氣共容艙內(nèi)部氣體的體積被壓縮至二分之一，相當(dāng)于空氣壓力被提高原來壓力(5MPa)的兩倍(IOMPa)，從而使高壓水的壓力被維持，實(shí)現(xiàn)了富余電能儲(chǔ)存的目的。在發(fā)電前首先啟動(dòng)蒸汽鍋爐5生產(chǎn)高壓蒸汽(12MPa)以備待用，發(fā)電時(shí)，打開閥門10，水-氣共容艙中的高壓水被放出，先通過熱交換器6，將水冷卻后再進(jìn)入水輪機(jī)1，推動(dòng)發(fā)電機(jī)15發(fā)電輸出電能，同時(shí)由于水氣共容艙內(nèi)水量減少，壓力變送器7測(cè)得壓力變化通過氣體壓力穩(wěn)定裝置18打開智能閥13向水氣共容艙內(nèi)補(bǔ)充水蒸氣，維持水氣共容艙內(nèi)壓力穩(wěn)定。對(duì)水輪機(jī)I做功后的高壓水壓力降低，在殘余壓力作用下流回儲(chǔ)水池3。為了減少水蒸汽的冷凝和氣體在水中溶解問題，在水氣共容艙中水面上設(shè)置開有漏水孔的漂浮隔熱層，漏水孔可將泵水儲(chǔ)能過程中水氣共容艙內(nèi)水蒸汽的冷凝水以及通過智能閥14進(jìn)入的噴淋水流入隔熱層下方，從而保持氣體壓縮過程中的氣體壓力恒定。在抽水儲(chǔ)能過程中，隨著水氣共容艙8內(nèi)部水體體積的增加，其內(nèi)部氣體壓力會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致水泵機(jī)組2出口壓力不穩(wěn)，為了穩(wěn)定水泵機(jī)組出口壓力，必須穩(wěn)定水氣共容艙8內(nèi)的氣體壓力，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18在接收到壓力變送器7發(fā)送的壓力升高信號(hào)后，氣體壓力穩(wěn)定控制裝置中的一個(gè)智能流量控制器控制閥門14向水氣共容艙被壓縮氣體噴淋水的流量，通過降低水氣共容艙8內(nèi)氣體溫度和冷凝水蒸氣，降低水氣共容艙內(nèi)氣體壓力。氣體壓力穩(wěn)定控制裝置18在接收到水位傳感器26發(fā)送的水位設(shè)定值信號(hào)后，關(guān)閉水泵出口閥門11，打開回水閥門，切斷水泵電源，停止向水氣共容艙供水，從而完成抽水儲(chǔ)能。
權(quán)利要求
1.一種恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括一個(gè)水-氣共容艙、一個(gè)為水-氣共容艙提供預(yù)置高壓氣體用的氣體壓縮機(jī)組、一個(gè)抽水蓄能的水泵機(jī)組、一個(gè)上方與大氣相通的儲(chǔ)水池以及一個(gè)發(fā)電用水輪機(jī)，其中，驅(qū)動(dòng)氣體壓縮機(jī)組和水泵機(jī)組運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)取自電網(wǎng)的富余電能，所述水輪機(jī)的排水口通過管道為儲(chǔ)水池提供進(jìn)水，水泵機(jī)組通過管道從儲(chǔ)水池中抽水，所述氣體壓縮機(jī)組的出口通過閥門及管道連通水-氣共容艙，該水-氣共容艙的出口通過管道及閥門連通水輪機(jī)，由水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電能，其特征在于，還包括一個(gè)蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐通過第一智能閥和蒸汽輸送管道連接水氣共容艙；所述水泵機(jī)組的出口經(jīng)第三智能閥，一路通過管道與水-氣共容艙的下部連通，另一路通過第二智能閥及噴淋管與水-氣共容艙上部連通；所述三個(gè)智能閥由一個(gè)氣體壓力穩(wěn)定控制裝置控制。
2.如權(quán)利要求I所述的恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體壓力穩(wěn)定控制裝置的信號(hào)輸入連接壓力變送器和水位傳感器，該壓力變送器的輸入與水氣共容艙內(nèi)連通；該水位傳感器的輸入連接水氣共容艙內(nèi)的水體；氣體壓力穩(wěn)定控制裝置至少包括兩個(gè)流量控制器和一個(gè)閘閥控制器，流量控制器用于控制第一智能閥及蒸汽的流量或第二智能閥及噴淋水的流量；閘閥控制器用于控制第三智能閥的啟閉。
3.如權(quán)利要求2所述的恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，在水泵機(jī)組與儲(chǔ)水池之間設(shè)置有回水閥門，該回水閥門受氣體壓力穩(wěn)定控制裝置中的閘閥控制器控制。
4.如權(quán)利要求I所述的恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體壓縮機(jī)組用高壓氣瓶組替換。
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述水-氣共容艙內(nèi)置漂浮于水面之上的隔熱墊，隔熱墊上開有許多豎孔。
6.如權(quán)利要求I所述的水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述水泵機(jī)組為多級(jí)水泵串聯(lián)而成。
7.如權(quán)利要求I所述的水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述水-氣共容艙埋于地表以下100-150m。
8.如權(quán)利要求I所述的水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述水氣共容艙出口先通過一個(gè)熱交換器，然后再通過管道及閥門連通水輪機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種恒壓水-氣共容艙電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括水-氣共容艙、氣體壓縮機(jī)組、水泵機(jī)組、儲(chǔ)水池以及水輪機(jī)，水輪機(jī)的排水口通過管道為儲(chǔ)水池提供進(jìn)水，水泵機(jī)組通過管道從儲(chǔ)水池中抽水，氣體壓縮機(jī)組的出口通過閥門及管道連通水-氣共容艙，該水-氣共容艙的出口通過管道及閥門連通水輪機(jī)，由水輪機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電能，其特征在于，還包括一個(gè)蒸汽鍋爐，該蒸汽鍋爐通過第一智能閥和蒸汽輸送管道連接水氣共容艙；水泵機(jī)組的出口經(jīng)第三智能閥，一路通過管道與水-氣共容艙的下部連通，另一路通過第二智能閥及噴淋管與水-氣共容艙上部連通；三個(gè)智能閥由一個(gè)氣體壓力穩(wěn)定控制裝置控制。
文檔編號(hào)F03B13/06GK102619668SQ201210099690
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者王煥然 申請(qǐng)人:王煥然