一种双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及压缩空气储能的技术领域，具体为一种双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法。


背景技术：

2.压缩空气储能技术，是继抽水蓄能之后，第二大被认为适合gw级大规模电力储能的技术。其工作原理是，在用电低谷时段，利用电能将空气压缩至高压并存于洞穴或压力容器中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时段，将高压空气从储气室释放，驱动涡轮机发电。该储能技术具有工作时间长、容量大、经济性能好、充放电循环等多个优点，目前该技术已发展成熟，且已经实现大规模商业化应用。其发电效率为60％，还具提升空间。
3.水轮机主要利用水的重力势能推动转子做功，其重力势能差的理论利用效率可达100％，考虑少量上游水的动能损失，实际上转化效率可达90％。若将压缩空气储能系统与水轮机发电系统相结合，可利用压缩空气储能技术和水轮机发电技术的优点，获得一套经济性好、容量大、充放电循环、工作时间长且效率高的储能系统。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双井液压式压缩空气储能系统及方法，该方法将波谷电或弃电转化存储在双井液压式压缩空气储能系统中，待到波峰用电时，将能量释放出来推动水轮机发电做功。该方法可将压缩空气储能发电效率提升至75％以上，极具应用前景。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双井液压式压缩空气储能系统，包括水源、双井、水轮机、控制系统以及储能系统；双井包括底部相互连通的第一井和第二井，第一井中填充水，第二井中填充空气，双井底部连通处设置水轮机，第二井的井封盖设置气孔，第二井通过气孔连接气源，第一井的井封盖设置出水口和入水口，所述出水口和入水口连接水源；第二井中设置换热器，换热器连接储能系统，换热器中的换热介质与双井中的介质换热；第一井中设置液位计，第二井底部设置液位指示装置；液位计和液位指示装置连接控制系统。
6.水源至第一井入水口的管路上设置流体输送装置，流体输送装置采用水泵，流体输送装置的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
7.水源为湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中的任意一种。
8.双井的井深为500-2000m，第一井和第二井的直径为2-10m，双井呈u形，双井是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成。
9.水轮机采用立式水轮机或卧式水轮机。
10.第一井的出水口设置阀门，阀门采用一种带信号输入输出的阀门，阀门的执行机构连接控制系统。
11.换热器采用任意一种可进行热量交换的装置或设备，换热器内的换热介质采用熔盐、油、液态金属、水蒸气中任意一种。
12.储能系统采用单一系统或混合储能系统。
13.本发明所述双井液压式压缩空气储能系统的运行方法，包括以下过程：
14.a，液位指示装置监测到液位未达到设定液面，控制系统启动流体输送装置将水输送至双井的第一井中储水，直至液位指示装置监测液位到达设定液面；
15.b，控制系统监测到波谷用电或是有弃电时，启动流体输送装置，关闭第一井的出水口，流体输送装置将水输送至双井的储水井中，在重力作用下，推动水轮机做功后，逐渐进入空气储存井压缩空气，空气在压缩过程中产热蓄能，换热器吸收压缩空气中的热能，并将热能存储在储能系统；液位计的液位示数不变时，表示压缩空气达到压缩极限，流体输送装置断电停止运行；
16.c，控制系统监测到波峰用电或是需要供电时，打开第一井的出水口，储能系统通过换热器将热能释放至第二井中，压缩空气受热膨胀，第二井水位下降，并推动水轮机快速转动发电，水储存井中的水流向水源；
17.d，需向双井中注入或排放空气时，则打开设置在气孔上的阀门。
18.运行过程中，如果液位到不了指定液位，则将信号传输至控制系统，控制系统启动故障报警程序。
19.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
20.本发明通过浇筑两口连通的井，并将空气和水分别放置在两口井中，实现利用波谷电及弃电启动流体输送装置传输水、并压缩空气将能量传递到在压缩空气中，随后通过换热器将压缩空气中的热能存储至储能系统，待需用电时，储能系统通过换热器将热量送至压缩空气中，压缩空气受热膨胀促使水位下降，并推动水轮机做功发电，整个过程中能量损失非常小，综合能量利用效率高达75％以上，极具应用前景。
附图说明
21.图1为本发明一种可实施的系统结构示意图。
22.附图中，1-流体输送装置、2-空气、3-水、4-双井、5-水轮机、6-阀门、7-控制系统、8-液位计、9-液位指示装置、10-气孔、11-换热器。
具体实施方式
23.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
24.参考图1，一种双井液压式压缩空气储能系统及方法，包括流体输送装置1、空气2、水源3、双井4、水轮机5、阀门6、控制系统7、液位计8、液位指示装置9、气孔10、换热器11、以及储能系统12；换热器11设置在第二井中，换热器11连接储能系统，换热器11中的工质与双井中的气或水换热。
25.水源可以是湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中的任意一种。
26.流体输送装置1可以是任意一种可抽取水并将水送入双井4储水端的装置或设备，可根据具体情况设置一台或多台，例如根据装机容量进行配置。
27.双井4包括下端连通的第一井和第二井，其中第一井用于容纳空气、第二井用于容纳水，且在第一井和第二井下端连通处设置水轮机5。
28.双井4的井深为500-2000m，第一井和第二井的直径为2-10m，双井4呈u形，一端为空气存储井、一端为水存储井，两井直径可以相同也可以不同。
29.双井4是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成，整体密封性、机械强度及抗压性能良好，可有效防止水和空气的泄露。其空气储存井顶盖仅设一个气孔10，用于补充或排出空气储井中的空气，存储空气的井顶盖与井筒无缝连接密封，有效防止空气泄露。水储存井上端设有两个接口，其中一个接口与流体输送装置出口连接，承接流体输送装置输送过来的水，另一接口通过管道与水源连接，负责将从水存储井里溢出来的水送回水源处。
30.水轮机5采用任意一种可以将水转化为电能或机械能的水轮机，可以是立式水轮机或卧式水轮机。
31.阀门6可以是任意一种带信号输入输出的阀门，可根据控制信号启停。
32.控制系统7跟踪电网供需情况，依据电能供需控制系统的运行，储水井液位、储气井的压力和温度反馈至控制系统7，控制系统7控制流体输送装置1及阀门6的启停。
33.液位计8可以是任意一种带信号输出且可监测水液面的液位计。
34.液位指示装置9可以是任意一种带信号输出的、可指示特定液位的系统或装置，监测到液体到达指定液面后，将信号输送给控制系统7，方可启动整套系统。
35.换热器11可以是任意一种可进行热量交换的装置或设备，换热器11内的换热介质可以是任意一种诸如熔盐、油、液态金属、水蒸气的介质。
36.储能系统可以是熔盐储能系统、高低温固体储热系统、相变储热系统、液流电池储能系统及锂离子电池储能系统中的任意一种单一或混合的储能系统。
37.一种双井液压式压缩空气储能系统的运行方法，具体包括如下步骤：
38.a，液位指示装置9监测到液位未达到指定液面，控制系统7启动流体输送装置将水输送至双井4中储水，直至液位指示装置9监测液位到达指定液面，以为整套系统的启动做好准备。运行过程中，如果液位到不了指定液位，则将信号传输至控制系统7，控制系统7启动故障报警程序。
39.b，控制系统7监测到波谷用电或是有弃电时，立即启动流体输送装置1，关闭阀门6。流体输送装置1将水输送至双井4的储水井中，在重力势能的作用下，推动水轮机5做功，同时使水储存井的水逐渐进入空气储存井压缩空气，空气在压缩过程中产热蓄能，换热器11吸收压缩空气中的热能，并将热能存储在储能系统。当液位计8的液位示数不变时，表示压缩空气达到压缩极限，流体输送装置1断电停止运行。
40.c，控制系统7监测到波峰用电或是需要供电时，打开阀门6，储能系统通过换热器将热能通入压缩空气中，压缩空气受热膨胀，水位下降，并推动水轮机快速转动发电，水储存井中的水经阀门6流向水源。该过程的发电效率大于90％，整套系统的发电效率》75％。
41.d，当需向双井中注入或排放空气时，则打开设置在气孔10上的阀门6，注入或排除空气结束时，关闭阀门。
42.实施例1
43.如图1所示，本实施例中使用本发明中的双井液压式压缩空气储能系统及方法。实
施例在图1系统基础上实施。
44.本实施例中所述的井深为600m，单井直径为5m，流体输送装置液体流速为5000m3/h，流体输送装置功率为3kw，内置9800m3空气，利用超临界布雷顿试验台的弃电进行储能利用，其综合能量利用效率高达75.6％。

技术特征：
1.一种双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，包括水源(3)、双井(4)、水轮机(5)、控制系统(7)以及储能系统(12)；双井(4)包括底部相互连通的第一井和第二井，第一井中填充水，第二井中填充空气，双井(4)底部连通处设置水轮机(5)，第二井的井封盖设置气孔(10)，第二井通过气孔(10)连接气源，第一井的井封盖设置出水口和入水口，所述出水口和入水口连接水源；第二井中设置换热器(11)，换热器(11)连接储能系统，换热器(11)中的换热介质与双井中的介质换热；第一井中设置液位计(8)，第二井底部设置液位指示装置(9)；液位计(8)和液位指示装置(9)连接控制系统(7)。2.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，水源(3)至第一井入水口的管路上设置流体输送装置(1)，流体输送装置(1)采用水泵，流体输送装置(1)的控制信号输入端连接控制系统(7)的输出端。3.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，水源为湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中的任意一种。4.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，双井(4)的井深为500-2000m，第一井和第二井的直径为2-10m，双井(4)呈u形，双井(4)是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成。5.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，水轮机(5)采用立式水轮机或卧式水轮机。6.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，第一井的出水口设置阀门(6)，阀门(6)采用一种带信号输入输出的阀门，阀门(6)的执行机构连接控制系统(7)。7.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，换热器(11)内的换热介质采用熔盐、油、液态金属、水蒸气中任意一种。8.根据权利要求1所述的双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，储能系统采用单一系统或混合储能系统。9.权利要求1-8任一项所述双井液压式压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，包括以下过程：a，液位指示装置(9)监测到液位未达到设定液面，控制系统(7)启动流体输送装置(1)将水输送至双井(4)的第一井中储水，直至液位指示装置(9)监测液位到达设定液面；b，控制系统(7)监测到波谷用电或是有弃电时，启动流体输送装置(1)，关闭第一井的出水口，流体输送装置(1)将水输送至双井(4)的储水井中，在重力作用下，推动水轮机(5)做功后，逐渐进入空气储存井压缩空气，空气在压缩过程中产热蓄能，换热器(11)吸收压缩空气中的热能，并将热能存储在储能系统；液位计(8)的液位示数不变时，表示压缩空气达到压缩极限，流体输送装置(1)断电停止运行；c，控制系统(7)监测到波峰用电或是需要供电时，打开第一井的出水口，储能系统通过换热器(11)将热能释放至第二井中，压缩空气受热膨胀，第二井水位下降，并推动水轮机快速转动发电，水储存井中的水流向水源；d，需向双井中注入或排放空气时，则打开设置在气孔(10)上的阀门(6)。10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，运行过程中，如果液位到不了指定液位，则将信号传输至控制系统(7)，控制系统(7)启动故障报警程序。

技术总结
本发明公开一种双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法，系统包括水源、双井、水轮机、控制系统以及储能系统；双井包括底部相互连通的第一井和第二井，第一井中填充水，第二井中填充空气，双井底部连通处设置水轮机，第二井的井封盖设置气孔，第二井通过气孔连接气源，第一井的井封盖设置出水口和入水口，所述出水口和入水口连接水源；第二井中设置换热器，换热器连接储能系统；第一井和第二井中分别液位计和液位指示装置；液位计和液位指示装置连接控制系统；本发明能实现利用波谷电及弃电启动流体输送装置传输水、并压缩空气将能量传递到在压缩空气中，随后通过换热器将压缩空气中的热能存储至储能系统，综合能量利用效率高达75％以上。高达75％以上。高达75％以上。


技术研发人员：韩伟 于在松 付康丽 陆续 姚明宇 宋晓辉 姬海民 白文刚
受保护的技术使用者：华能集团技术创新中心有限公司
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8