一种开放式水力压缩空气储能系统及方法与流程

本发明属于储能，涉及一种开放式水力压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

1、由于新能源的波动性、随机性和不确定性，给电力系统的安全稳定运行带来了严重挑战，电网峰谷差逐渐扩大的趋势使得该问题进一步恶化，电力系统对灵活性调节资源的需求大幅增加，电力系统迫切需要先进的大规模储能技术来解决可再生能源接入问题，以提高常规电力系统和区域能源系统的效率、安全性及经济性。

2、现有的非补燃式压缩空气储能做功介质和储能介质均为空气，启停过程长达10多分钟，功率增减速率缓慢；水力压缩空气储能做功介质为水、储能介质为空气，但是存在着汽水混合容器中循环水体积在系统总体积中占比高、汽水混合容器体积大、蓄水池土建施工量大、蓄水池和汽水混合容器体积占地面积大、系统建设周期长等问题，导致该系统技术经济性亟需提升，难以应用于大规模长时储能。

3、综上所述，现有非补燃式压缩空气储能系统和水力压缩空气储能系统存在以下问题：

4、储能容器和做功容器不能分离；

5、做功介质体积与储能介质体积强耦合，做功介质体积占比高、做功介质占地面积大、蓄水池体积大，导致系统技术经济性差、难以实现长时大功率储能等问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开放式水力压缩空气储能系统及方法，本发明能实现水力压缩空气储能，储能容器和做功容器分离相互解耦，做功介质交替循环利用，显著减小了做功容器的体积、蓄水池的体积，有利于大规模长时储能。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、参见图1，本发明公开了一种开放式水力压缩空气储能系统，包括第一汽水混合容器和第二汽水混合容器，第一汽水混合容器和第二汽水混合容器均通过排气管道连接高压储气容器，第一汽水混合容器与排气管道的接口处设有第二阀门，第二汽水混合容器与排气管道的接口处设有第三阀门，第一汽水混合容器上设有第五阀门，第二汽水混合容器上设有第四阀门；

4、第一汽水混合容器和第二汽水混合容器均连接给水管道，给水管道上依次设有第八阀门、第九阀门、第十阀门和第十一阀门，第八阀门和第九阀门之间连接第一汽水混合容器，第九阀门和第十阀门之间连接第二汽水混合容器，第九阀门和第十阀门之间连接水轮机，水轮机输出轴通过传动装置连接发电机，第八阀门位于第一水泵的出口，第十一阀门位于第二水泵的出口。

5、进一步的，第一汽水混合容器与排气管道的接口和第一汽水混合容器与第五阀门的接口均位于第一汽水混合容器的顶部。

6、进一步的，第一汽水混合容器与给水管道的接口处设有第六阀门，第六阀门分别连接第八阀门和第九阀门。

7、进一步的，第二汽水混合容器与排气管道的接口和第二汽水混合容器与第四阀门的接口均位于第二汽水混合容器的顶部。

8、进一步的，第二汽水混合容器与给水管道的接口处设有第七阀门，第七阀门分别连接第十阀门和第十一阀门。

9、进一步的，第一水泵连接第一电动机，第二水泵连接第二电动机。

10、进一步的，第一水泵的入口和第二水泵的入口均连接蓄水池，接蓄水池连接水轮机的出口。

11、进一步的，第九阀门和第十阀门之间连接排水管道，排水管道连接蓄水池，排水管道上设有第十二阀门。

12、进一步的，高压储气容器与排气管道接口处设有第一阀门，第一阀门分别连接第二阀门和第三阀门。

13、基于上述结构，本发明还公开了一种开放式水力压缩空气储能系统的运行方法，包括以下步骤：

14、储能过程：储能过程分为若干个压程，1个压程由第一汽水混合容器压缩储能和第二汽水混合容器压缩储能构成，第一汽水混合容器压缩储能和第二汽水混合容器压缩储能交替运行，提高高压储气容器中的压力，具体步骤如下：

15、第一汽水混合容器压缩储能：打开第二阀门、第四阀门、第八阀门和第十阀门，关闭第三阀门、第五阀门、第九阀门和第十一阀门，启动第一水泵，第一水泵将水排入第一汽水混合容器并将空气压缩排入高压储气容器，同时，第二汽水混合容器内的水通过水轮机排出，水轮机带动发电机发电，直至第一汽水混合容器达到预设最高水位，第二汽水混合容器达到预设最低水位，开启第二汽水混合容器压缩储能；

16、第二汽水混合容器压缩储能：打开第三阀门、第五阀门、第九阀门和第十一阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第八阀门和第十阀门，启动第二水泵，第二水泵将水排入第二汽水混合容器并将空气压缩排入高压储气容器，同时，第一汽水混合容器内的水通过水轮机排出，水轮机带动发电机发电，直至第二汽水混合容器达到预设最高水位，第一汽水混合容器达到预设最低水位，开启第一汽水混合容器压缩储能；

17、发电过程：发电过程分为若干个冲程，1个冲程由第一汽水混合容器膨胀发电和第二汽水混合容器膨胀发电构成，第一汽水混合容器膨胀发电和第二汽水混合容器膨胀发电交替运行，具体步骤如下：

18、第一汽水混合容器膨胀发电：

19、打开第二阀门、第四阀门、第九阀门、第十一阀门，关闭第三阀门、第五阀门、第八阀门和第十阀门，启动第二水泵，第二水泵将水排入第二汽水混合容器，用于第二汽水混合容器膨胀发电，高压储气容器与第一汽水混合容器连通，高压储气容器内的高压气体推动第一汽水混合容器内的水通过水轮机排出，水轮机带动发电机发电；

20、当第一汽水混合容器剩余水量达到预设阈值时，关闭第二阀门，第一汽水混合容器内的高压气体继续膨胀，排挤第一汽水混合容器内的水流推动水轮机带动发电机发电，直至第一汽水混合容器内的液位下降到预设最低值，第二汽水混合容器内的液位上升到预设最高值，开启第二汽水混合容器膨胀发电；

21、第二汽水混合容器膨胀发电：

22、打开第三阀门、第五阀门、第八阀门和第十阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第九阀门、第十一阀门，启动第一水泵，第一水泵将水排入第一汽水混合容器，用于第一汽水混合容器膨胀发电，高压储气容器与第二汽水混合容器连通，高压储气容器内的高压气体推动第二汽水混合容器内的水通过水轮机排出，水轮机带动发电机发电；

23、当第二汽水混合容器剩余水量达到预设阈值时，关闭第三阀门，第二汽水混合容器内的高压气体继续膨胀，排挤第二汽水混合容器内的水流推动水轮机带动发电机发电，直至第二汽水混合容器内的液位下降到预设最低值，第一汽水混合容器内的液位上升到预设最高值，开启第一汽水混合容器膨胀发电。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1、本发明储能时，通过第一汽水混合容器和第二汽水混合容器与高压储气容器交替连接实现高压储气容器的交替空气压缩储能，发电时，高压储气容器交替连接第一汽水混合容器和第二汽水混合容器，将高压储气容器内的高压空气交替排入第一汽水混合容器和第二汽水混合容器进行排水发电，做功介质交替循环利用，显著减小了做功容器的体积、蓄水池的体积。第一汽水混合容器和第二汽水混合容器均通过排气管道连接高压储气容器，实现了储能容器和做功容器分离相互解耦，第二阀门用于控制第一汽水混合容器与高压储气容器的通断，第三阀门用于控制第二汽水混合容器与高压储气容器的通断，第五阀门用于控制第一汽水混合容器与大气的连通与中断，第四阀门用于控制第二汽水混合容器与大气的连通与中断，水轮机输出轴通过传动装置连接发电机，水轮机通过传动装置带动发电机发电。第八阀门用于控制第一水泵与第一汽水混合容器的通断，第九阀门用于控制水轮机与第一汽水混合容器的通断，第十阀门用于控制水轮机与第二汽水混合容器的通断，第十一阀门用于控制第二水泵与第二汽水混合容器的通断。本发明能实现水力压缩空气储能，储能容器和做功容器分离相互解耦，做功介质交替循环利用，显著减小了做功容器的体积、蓄水池的体积，有利于大规模长时储能。

26、2、本发明第一汽水混合容器与排气管道的接口和第一汽水混合容器与第五阀门的接口均位于第一汽水混合容器的顶部，第二汽水混合容器与排气管道的接口和第二汽水混合容器与第四阀门的接口均位于第二汽水混合容器的顶部，由于压缩空气位于第一汽水混合容器和第二汽水混合容器的顶部，便于压缩空气进入高压储气容器。

27、3、本发明第九阀门和第十阀门之间连接排水管道，排水管道连接蓄水池，排水管道上设有第十二阀门，在装置不需要储能和发电时，用于直接通过排水管道将第一汽水混合容器和第二汽水混合容器内部的水排出。

28、4、本发明高压储气容器与排气管道接口处设有第一阀门，第一阀门分别连接第二阀门和第三阀门。第一汽水混合容器压缩储能阶段，当第一汽水混合容器内液位达到最高值时，断开第一阀门，关闭第四阀门、第十阀门，打开第三阀门，将第一汽水混合容器与第二汽水混合容器连通，将第一汽水混合容器中残余高压气体注入到第二汽水混合容器内，再关闭第二阀门，进入第二汽水混合容器压缩储能。同样，当第二汽水混合容器压缩储能即将结束时，当第二汽水混合容器内液位达到最高值时，将第二汽水混合容器中残余高压气体注入到第一汽水混合容器内，有利于减少第一汽水混合容器与第二汽水混合容器切换储能时减少能量损失。