具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术公开一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法，系统包括高压储气腔、冲击式水轮机、同步发电机以及至少两个工作单元，工作单元相互并联，工作单元顶端连通高压储气腔和冲击式水轮机尾水管道，其底端通过管道连通冲击式水轮机进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机中采用开度可调的喷嘴；能够长时间的定功率输出，通过多个独立工作单元的移相叠加，达到整体输出功率平稳的目的，喷嘴开度调节时间短，节流损失小。

【技术实现步骤摘要】
具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法
本专利技术涉及物理储能领域，具体为一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法。
技术介绍
近年来风电和光电规模发展迅速，但是风力资源和光资源在短时间的波动较大，再加上配合电网调频调负荷的需求，新能源的并网使得电网面临的变负荷和一次调频要求更高，由此催生出对储能的需求。目前成熟的大规模储能技术有压缩空气储能，抽水蓄能和电化学储能。抽水蓄能对地质条件有较高的要求；电化学储能全生命周期内污染较为严重，无功功率需要额外的设施提供，并且不能增加系统的转动惯量；压缩空气储能对地理条件的限制小同时污染也较为可控，且利用同步发电机的特性可以单独调节有功功率和无功功率，通过设计可以提高其响应速度，具备一次调频能力可以提高电网的稳定性和系统转动惯量，是目前适宜推广的大规模储能之一。目前，世界上的已经成功投入商业运营的压缩空气储能电站只有两个：11978年，在德国的亨托夫Huntorf诞生第一台商业运行的压缩空气储能机组。21991年5月第二座电站在美国阿拉巴马州麦金托夫市Mcintosh投入运行。但是现有的商业运行的压缩空气储能电站采用补燃的形式，热量利用存在不合理之处，导致整个系统效率低而且补燃会带来系统运行成本的升高以及对环境的污染。在传统压缩空气储能电站的基础上，后人提出了无补燃的压缩空气储能的技术。现有的初步的双罐压缩空气储能系统利用双罐循环，来达到压缩储能和膨胀释能的连续过程，但是在压缩最后阶段和膨胀的初始阶段，由于压比变化迅速，带来的温升较为明显，通过热量的耗散带来了额外的能量损失。一次调频，是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。一次调频要求的反应时间短，能够快速对频率变化做出响应。随着新能源电站规模的扩大，新能源发电量在电网中的占比逐渐升高，但现阶段风力发电机组多采用双馈异步发电机组，能量利用率高但是系统转动惯量小，一次调频能力弱；太阳能电站采用交流逆变器的形式将直流电转变为交流电并入电网，系统几乎无转动惯量，不能参与一次调频。但是各新能源电站在并网时要具备一定比例的一次调频能力，目前较为常用的一次调频手段为飞轮储能，但系统维护复杂，储能密度低，成本高。为此，本专利技术提出了一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，能减少储能和释能过程带来的能量损失，提高储能系统效率，提出一种带有喷淋功能的等温压缩空气储能系统。能够实时为新能源电站提供无功功率，由于持续接入电网，省去调整并网阶段，能够快速提供有功功率，配合新能源发电站提供一次调频能力。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，包括高压储气腔、冲击式水轮机、同步发电机、变压器以及N个工作单元，N≥2，工作单元相互并联，工作单元顶端的气路连通高压储气腔，工作单元顶端的水路连通冲击式水轮机尾水管道，工作单元的底端通过管道连通冲击式水轮机进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，其中，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机中采用开度可调的喷嘴；冲击式水轮机出口的尾水槽高度高于第一压缩罐的最高点；冲击式水轮机通过变速箱与同步发电机相连接，发电机的输出端通过变压器接入电网。压缩罐的外壁面喷涂聚脲。包括第一工作单元，其余工作单元的压缩罐，截止阀，水泵系统以及管路的连接方式与第一工作单元的连接方式相同；第一工作单元中：第一压缩罐和第二压缩罐并联，第一压缩罐底端和第二压缩罐底端设置两条管路，其中第一条管路连通冲击式水轮机进水口，第二条管路连通第一压缩罐底端和第二压缩罐底端，所述第二条管路上设置有一个第一水泵系统，第一压缩罐的顶端出口设置第一三通阀，第二压缩罐的顶端出口设置第二三通阀，第一压缩罐和第二压缩罐的顶端在第一三通阀的两个出口和第二三通阀的两个出口连通，分别组成水路和气路；第一压缩罐的底端出口设置第二截止阀，第二压缩罐的底端出口设置第二截止阀，第一压缩罐和第二压缩罐的底端在第一截止阀的出口和第二截止阀的出口连通；第一水泵系统的两端分别设置第三截止阀和第四截止阀。压缩罐内顶部设置分散装置，分散装置的外形呈圆锥状，分散装置包括一圆锥侧壁，圆锥侧壁上开有通孔；分散装置圆锥轴截面的底角角度为α，10°＜α＜45°。所述通孔为圆形，圆形通孔的半径RL和压缩罐的半径RS的对应关系为：0.005RS<RL<0.05RS。冲击式水轮机内设置2N个工作喷嘴和2个常开喷嘴，其中工作喷嘴的直径大于常开喷嘴的直径，N为工作单元数量；工作喷嘴和常开喷嘴按中心对称的形式分布在转轮的周向，两个中心对称的工作喷嘴为一组共享一个冲击式水轮机的进水口，2个常开喷嘴关于中心对称；常开喷嘴的进水口与其中一个工作喷嘴的进水口相连。同步发电机的极对数P≥3。基于本专利技术所述等温压缩空气储能系统的运行方法，包括储能阶段和释能阶段，储能阶段：空气从压缩罐上的进排气阀进入压缩罐内，水泵系统推动水流压缩空气，当空气被压缩到存储压力后，高压空气储存到高压储气腔内；在释能阶段，高压空气从高压储气腔进入压缩罐，推动压缩罐内的水流从冲击式水轮机喷嘴流出，之后关闭高压储气腔和压缩罐之间的通路，由压缩罐内的高压空气自由膨胀后从进排气阀排出；单个工作单元的工作周期为T，通过调节喷嘴开度，使得单个工作单元的水流输出功率在一个周期的前1/N维持连续上升的输出功率，一个周期剩余的时间内维持连续下降的输出功率，从第一个工作单元到第N个工作单元，输出功率的趋势和周期完全相同，但达到最大输出功率的时间点依次延迟1/N个周期，在N组输出叠加之后达到整体输出功率维持稳定的过程。额定工况下，通过变速箱和发电机极对数的配合，水轮机的转轮转速不高于每秒钟5转。同步发电机能作同步补偿机用，在完成并网后长期与电网接通，由常开喷嘴维持其转动，持续向电网提供无功功率；当电网负荷发生波动，引起电网频率波动时，冲击式水轮机转速变化：当转速低于额定转速时，表示电网频率低于50HZ时，电网需要有功功率的输入，此时打开工作喷嘴，工作水流推动水轮机做功，同步发电机组快速向电网提供有功功率；当转速高于额定转速时，表示电网频率高于50HZ，电网有功功率盈余，此时同步发电机可继续提供无功功率，同时迅速启动水泵系统，通过压缩空气将电网盈余的有功功率进行存储。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术的具备一次调频能力的近等温压缩空气储能系统相较于传统的双罐压缩空气储能系统运行时，能够长时间的定功率输出，传统的双罐压缩空气储能系统在运行过程中由于压缩罐内的高压空气在膨胀过程中压力逐渐降低导致水流的做功能力也会逐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括高压储气腔(3)、冲击式水轮机(4)、同步发电机(5)、变压器(6)以及N个工作单元，N≥2，工作单元相互并联，工作单元顶端的气路连通高压储气腔(3)，工作单元顶端的水路连通冲击式水轮机(4)尾水管道，工作单元的底端通过管道连通冲击式水轮机(4)进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，其中，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机(4)中采用开度可调的喷嘴；冲击式水轮机(4)出口的尾水槽高度高于第一压缩罐(11)的最高点；冲击式水轮机通过变速箱与同步发电机相连接，发电机的输出端通过变压器接入电网。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括高压储气腔(3)、冲击式水轮机(4)、同步发电机(5)、变压器(6)以及N个工作单元，N≥2，工作单元相互并联，工作单元顶端的气路连通高压储气腔(3)，工作单元顶端的水路连通冲击式水轮机(4)尾水管道，工作单元的底端通过管道连通冲击式水轮机(4)进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，其中，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机(4)中采用开度可调的喷嘴；冲击式水轮机(4)出口的尾水槽高度高于第一压缩罐(11)的最高点；冲击式水轮机通过变速箱与同步发电机相连接，发电机的输出端通过变压器接入电网。


2.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，压缩罐的外壁面喷涂聚脲。


3.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括第一工作单元，其余工作单元的压缩罐，截止阀，水泵系统以及管路的连接方式与第一工作单元的连接方式相同；
第一工作单元中：第一压缩罐(11)和第二压缩罐(12)并联，第一压缩罐(11)底端和第二压缩罐(12)底端设置两条管路，其中第一条管路连通冲击式水轮机(4)进水口，第二条管路连通第一压缩罐(11)底端和第二压缩罐(12)底端，所述第二条管路上设置有一个第一水泵系统(13)，第一压缩罐(11)的顶端出口设置第一三通阀(14)，第二压缩罐(12)的顶端出口设置第二三通阀(15)，第一压缩罐(11)和第二压缩罐(12)的顶端在第一三通阀(14)的两个出口和第二三通阀(15)的两个出口连通，分别组成水路和气路；第一压缩罐(11)的底端出口设置第二截止阀(16)，第二压缩罐(12)的底端出口设置第二截止阀(17)，第一压缩罐(11)和第二压缩罐(12)的底端在第一截止阀(16)的出口和第二截止阀(17)的出口连通；第一水泵系统(13)的两端分别设置第三截止阀(18)和第四截止阀(19)。


4.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，压缩罐内顶部设置分散装置，分散装置的外形呈圆锥状，分散装置包括一圆锥侧壁，圆锥侧壁上开有通孔；分散装置圆锥轴截面的底角角度为α，10°＜α＜45°。


5.根据权利要求4所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕然，葛刚强，陶飞跃，贺新，杨珍帅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61