【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电能存储，具体涉及一种以水与空气为工质的变工况响应储能系统及其方法。
技术介绍
1、由于消耗化石能源生产电能引起的污染问题日益严重，近年来可再生能源发电规模大幅提升。然而由于风能、太阳能等可再生能源发电系统所具有的间歇性、波动性以及非周期性等特点，造成严重的“弃风”、“弃光”问题，具体表现为严峻的可再生能源电能消纳问题。
2、电能储存技术作为一种有效的能量转化技术不仅能有效匹配电力资源在“时域”、“空域”间不平衡问题，而且能减轻可再生能源电能对电网的冲击、促进可再生能源电力并网并提高能量利用率，对推动我国能源结构转型，保障能源安全具有重要意义。
3、目前，适用于大规模电能存储的市场成熟技术只有抽水蓄能技术及压缩空气储能技术，传统抽水蓄能技术具有响应时间快，能量转化效率高的优点，但其依赖于苛刻的地理位置选取，而且会造成生态系统及环境的重大影响，传统压缩空气储能技术具有低成本、释能时间长等优点，但同样具有地理局限性且响应时间慢。为此，传统抽水蓄能耦合压缩空气储能的技术试图从技术原理上解决上述两种技术的固有缺陷，但该系统在系统设计及运行过程中仍存在下述问题：
4、(1)压缩机机组为设计工况运行，储能系统容量规模不可调，应对负载变化能力及变工况运行能力不足；
5、(2)水-气共储容器中水与空气直接接触，使得湿空气进入透平机组，造成透平机组低效运行及安全问题；
6、(3)在压缩及膨胀过程中，水-气共储容器中水与空气直接接触，虽降低了压缩及膨胀的响应时间，但同时两工质
7、(4)在释能过程中，压力储气容器内气体温度随着气体压力的不断降低而迅速降低，导容器内压力势能无法完全释放，降低了系统输出电量及能量效率。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种以水与空气为工质的变工况响应储能系统及其方法，用于解决湿空气对透平造成的低效和安全，以及压力空气储罐内气体温度降低导致系统做功能力不足的技术问题。
2、本专利技术采用以下技术方案：
3、一种以水与空气为工质的变工况响应储能系统，包括等温水-气储能释能单元，等温水-气储能释能单元经蓄热循环单元分别连接变工况压缩空空气储能单元与压缩空气释能单元；
4、蓄热循环单元用于分别在系统储能与释能过程中储存及释放变工况压缩空气单元产生的压缩热能，等温水-气储能释能单元用于在系统储能与释能过程中优先运行，变工况压缩空空气储能单元与压缩空气释能单元分别在系统储能与释能过程中后运行。
5、优选地，等温水-气储能释能单元包括依次连接的储水罐、水泵、水-气储罐和水轮机，水-气储罐经储能压力单向阀连接蓄热循环单元的压力空气储罐，压力空气储罐经释能循环开关阀分两路，一路经第一释能节流阀连接水-气储罐，另一路经第二释能节流阀与蓄热循环单元的释能第二换热器冷端进口连接，水-气储罐经释能压力单向阀与蓄热循环单元的释能第二换热器冷端进口连接。
6、更优选地，水-气储罐的外壁、内壁及连接在内壁上的柔性伸缩材料的下壁面形成水储存及释放的下腔体，水-气储罐的内壁与柔性伸缩材料下壁面的形成压缩空气储存及释放的上腔体，水-气储罐内壁面带有突点式肋片、柔性伸缩材料的上壁面带有凹坑。
7、再优选地，水-气储罐出口处的压缩空气为干空气；水-气储罐水侧与空气侧间采用强化换热、水-气储罐内储能及释能过程为近等温压缩及膨胀过程。
8、优选地，蓄热循环单元包括三级蓄热循环，第一级蓄热循环包括依次连接的第一换热器、第一高温储罐、第七循环泵、释能第三换热器、第一低温储罐和第一循环泵；第二级蓄热循环包括依次连接的储能第二换热器、第二高温储罐、第六循环泵、释能第二换热器、第二低温储罐和第二循环泵；第三级蓄热循环包括储能第三换热器、第三高温储罐、第五循环泵、释能第一换热器、第三低温储罐和第三循环泵，释能第一换热器的冷端进口经水循环泵连接压力空气储罐预热器的出口，压力空气储罐预热器的进口与释能第一换热器的冷端出口连接。
9、更优选地，压缩空气释能单元包括同轴透平机组和连接同轴透平机组的透平机组发电机，同轴透平机组包括依次串联的高压透平和低压透平，高压透平的进口通过管道与释能第二换热器的冷端出口连接，高压透平的出口通过管道与释能第三换热器冷端进口连接；低压透平的进口通过管道与释能第三换热器冷端出口连接，低压透平的出口与大气环境连通。
10、更优选地，变工况压缩空气储能单元包括变工况压缩机和同轴压缩机机组；同轴压缩机机组包括依次串联的低压压缩机和高压压缩机；低压压缩机的进口经同轴压缩机机组驱动电机与大气环境连接，低压压缩机的出口与储能第一换热器的热端进口连通；高压压缩机的进口与储能第一换热器的热端出口连接，高压压缩机的出口与储能第二换热器的热端进口连接；变工况压缩机的进口与储能第二换热器的热端出口连接，变工况压缩机的出口与储能第三换热器的热端进口连接，储能第三换热器的热端出口经储能循环开关阀与压力空气储罐的上部连接。
11、再优选地，低压压缩机、高压压缩机、低压透平和高压透平始终处于设计工况运行，变工况压缩机处于变工况运行。
12、更优选地，第一蓄热循环和第二级蓄热循环的工质为液体工质；第二级蓄热循环的蓄热温度大于第一级蓄热循环的蓄热温度；第三级蓄热循环的工质为水，第三级蓄热循环所蓄压缩热能交换给压力空气储罐预热器，为释能过程空气进行预热。
13、本专利技术的另一技术方案是，以水与空气为工质的变工况响应储能系统的工作方法，当电网电力富裕或者可再生能源电能有储存需求时，等温水-气储能单启动，随后变工况压缩空气储能单元启动；
14、储能第一阶段：泵水进入等温水-气储能释能单元的水-气储罐中，带压水进入水-气储罐下腔体推动柔性伸缩材料下壁面上移，进而压缩水-气储罐上腔体内的空气，当压缩空气压力值达到预设压力值时，压缩空气进入压力空气储罐存储，此过程中，常温水与压缩空气进行充分换热，空气压缩过程为近等温过程；
15、储能第二阶段：变工况压缩空气储能单元的同轴压缩机机组在设计工况下运行，变工况压缩机在变工况下运行；低压压缩机压缩常温常压空气经储能第一换热器进入高压压缩机升压，经储能第二换热器换热后进入变工况压缩机升压调温，再经储能第三换热器换热后进入压力空气储罐存储；
16、空气压缩过程产生的压缩热能经三级蓄热循环依次进行存储，第一低温储罐中的常温液体换热介质经第一循环泵驱动进入储能第一换热器，吸热后的中温换热介质存储于第一高温储罐；第二低温储罐中的常温液体换热介质经第二循环泵驱动进入储能第二换热器，吸热后的高温换热介质存储于第二高温储罐，第三低温储罐中的常温水经第三循环泵驱动进入储能第三换热器，吸热后的中低温水存储于第三高温储罐；
17、当电网及用户侧用电需求时，第三级蓄热循环及等本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，包括等温水-气储能释能单元，等温水-气储能释能单元经蓄热循环单元分别连接变工况压缩空空气储能单元与压缩空气释能单元；
2.根据权利要求1所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，等温水-气储能释能单元包括依次连接的储水罐(1)、水泵(2)、水-气储罐(3)和水轮机(4)，水-气储罐(3)经储能压力单向阀(5)连接蓄热循环单元的压力空气储罐(11)，压力空气储罐(11)经释能循环开关阀(6)分两路，一路经第一释能节流阀(7)连接水-气储罐(3)，另一路经第二释能节流阀(13)与蓄热循环单元的释能第二换热器(31)冷端进口连接，水-气储罐(3)经释能压力单向阀(8)与蓄热循环单元的释能第二换热器(31)冷端进口连接。
3.根据权利要求2所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，水-气储罐(3)的外壁、内壁及连接在内壁上的柔性伸缩材料的下壁面形成水储存及释放的下腔体，水-气储罐(3)的内壁与柔性伸缩材料下壁面的形成压缩空气储存及释放的上腔体，水-气储罐(3)内壁面带有突点式肋片
4.根据权利要求3所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，水-气储罐(3)出口处的压缩空气为干空气；水-气储罐(3)水侧与空气侧间采用强化换热、水-气储罐(3)内储能及释能过程为近等温压缩及膨胀过程。
5.根据权利要求1所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，蓄热循环单元包括三级蓄热循环，第一级蓄热循环包括依次连接的第一换热器(22)、第一高温储罐(23)、第七循环泵(24)、释能第三换热器(25)、第一低温储罐(26)和第一循环泵(27)；第二级蓄热循环包括依次连接的储能第二换热器(28)、第二高温储罐(29)、第六循环泵(30)、释能第二换热器(31)、第二低温储罐(32)和第二循环泵(33)；第三级蓄热循环包括储能第三换热器(34)、第三高温储罐(35)、第五循环泵(36)、释能第一换热器(37)、第三低温储罐(38)和第三循环泵(39)，释能第一换热器(37)的冷端进口经水循环泵(41)连接压力空气储罐预热器(40)的出口，压力空气储罐预热器(40)的进口与释能第一换热器(37)的冷端出口连接。
6.根据权利要求5所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，压缩空气释能单元包括同轴透平机组和连接同轴透平机组的透平机组发电机(21)，同轴透平机组包括依次串联的高压透平(19)和低压透平(20)，高压透平(19)的进口通过管道与释能第二换热器(31)的冷端出口连接，高压透平(19)的出口通过管道与释能第三换热器(25)冷端进口连接；低压透平(20)的进口通过管道与释能第三换热器(25)冷端出口连接，低压透平(20)的出口与大气环境连通。
7.根据权利要求5所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，变工况压缩空气储能单元包括变工况压缩机(16)和同轴压缩机机组；同轴压缩机机组包括依次串联的低压压缩机(14)和高压压缩机(15)；低压压缩机(14)的进口经同轴压缩机机组驱动电机(17)与大气环境连接，低压压缩机(14)的出口与储能第一换热器(22)的热端进口连通；高压压缩机(15)的进口与储能第一换热器(22)的热端出口连接，高压压缩机(15)的出口与储能第二换热器(28)的热端进口连接；变工况压缩机(16)的进口与储能第二换热器(28)的热端出口连接，变工况压缩机(16)的出口与储能第三换热器(34)的热端进口连接，储能第三换热器(34)的热端出口经储能循环开关阀(12)与压力空气储罐(11)的上部连接。
8.根据权利要求6或7所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，低压压缩机(14)、高压压缩机(15)、低压透平(20)和高压透平(19)始终处于设计工况运行，变工况压缩机(16)处于变工况运行。
9.根据权利要求5所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，第一蓄热循环和第二级蓄热循环的工质为液体工质；第二级蓄热循环的蓄热温度大于第一级蓄热循环的蓄热温度；第三级蓄热循环的工质为水，第三级蓄热循环所蓄压缩热能交换给压力空气储罐预热器(40)，为释能过程空气进行预热。
10.根据权利要求1至9中任一项所述以水与空气为工质的变工况响应储能系统的工作方法，其特征在于，当电网电力富裕或者可再生能源电能有储存需求时，等温水-气储能单启动，随后变工况压缩空气储能单元启动；
...【技术特征摘要】
1.一种以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，包括等温水-气储能释能单元，等温水-气储能释能单元经蓄热循环单元分别连接变工况压缩空空气储能单元与压缩空气释能单元；
2.根据权利要求1所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，等温水-气储能释能单元包括依次连接的储水罐(1)、水泵(2)、水-气储罐(3)和水轮机(4)，水-气储罐(3)经储能压力单向阀(5)连接蓄热循环单元的压力空气储罐(11)，压力空气储罐(11)经释能循环开关阀(6)分两路，一路经第一释能节流阀(7)连接水-气储罐(3)，另一路经第二释能节流阀(13)与蓄热循环单元的释能第二换热器(31)冷端进口连接，水-气储罐(3)经释能压力单向阀(8)与蓄热循环单元的释能第二换热器(31)冷端进口连接。
3.根据权利要求2所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，水-气储罐(3)的外壁、内壁及连接在内壁上的柔性伸缩材料的下壁面形成水储存及释放的下腔体，水-气储罐(3)的内壁与柔性伸缩材料下壁面的形成压缩空气储存及释放的上腔体，水-气储罐(3)内壁面带有突点式肋片、柔性伸缩材料的上壁面带有凹坑。
4.根据权利要求3所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，水-气储罐(3)出口处的压缩空气为干空气；水-气储罐(3)水侧与空气侧间采用强化换热、水-气储罐(3)内储能及释能过程为近等温压缩及膨胀过程。
5.根据权利要求1所述的以水与空气为工质的变工况响应储能系统，其特征在于，蓄热循环单元包括三级蓄热循环，第一级蓄热循环包括依次连接的第一换热器(22)、第一高温储罐(23)、第七循环泵(24)、释能第三换热器(25)、第一低温储罐(26)和第一循环泵(27)；第二级蓄热循环包括依次连接的储能第二换热器(28)、第二高温储罐(29)、第六循环泵(30)、释能第二换热器(31)、第二低温储罐(32)和第二循环泵(33)；第三级蓄热循环包括储能第三换热器(34)、第三高温储罐(35)、第五循环泵(36)、释能第一换热器(37)、第三低温储罐(38)和第三循环泵(39)，释能第一换热器(37)的冷端进口经水循环泵(41)连接压力空气储罐预热器(40)的出口，压力空气储罐预热器(40)...
【专利技术属性】
技术研发人员：席光，姚尔人，胡杨，李瑞雄，王焕然，孙中国，党政，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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