一种燃烧型双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法与流程

1.本发明属于压缩空气储能的技术领域，具体涉及一种燃烧型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，本发明提供一种燃烧型双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法，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换热器中，随后通过换热器将压缩空气中的热能存储至储热系统，储热系统可为余热利用系统提供余热。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃烧型双井液压式压缩空气储能系统，包括流体输送装置、水源、双井、水轮机、控制系统、燃烧器、氢气供应系统、电解水制氢系统、储热系统以及换热器；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；电解水制氢系统、氢气供应系统和燃烧器依次连通，氢气供应系统还连接储热系统，储热系统还连接换热器；储热系统的连接余热利用系统。
6.水源为湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中的任意一种。
7.换热器中的换热介质采用熔盐、油、液态金属或水蒸气；储热系统采用任意一种单一或混合储热系统。
8.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，流体输送装置设置一台或多台，流体输送装置的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
9.双井的井深为500-1000m，单井直径为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。
10.水轮机采用立式水轮机或卧式水轮机。
11.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。
12.燃烧器为氢气和空气混合气体燃烧器。
13.氢气供应系统中设置固态储氢装置，制氢系统采用电解水制氢或化工制氢系统。
14.本发明所述燃烧型双井液压式压缩空气储能系统的运行方法，包括以下过程：
15.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储水井，直至液位指示装置监测液位到达设定液面，以为整套系统的启动做好准备，运行过程中，如果液位到不了设定液位，则将信号传输至控制系统，控制系统启动故障报警程序；
16.b，控制系统监测到波谷用电或是有弃电时，启动流体输送装置抽水并关闭第一井的入水口，并启动制氢系统以制备氢气并存储在氢气供应系统中备用；流体输送装置将水输送至双井的储水井中，储水水井的水逐渐进入储空气井压缩空气，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，并将热能存储在储热系统；当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；
17.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，储热系统将部分热量输送至氢气供应系统，并开启氢气供应系统释氢，氢气通向燃烧器与空气混合后在燃烧器中燃烧释放热量；储热系统一部分热送去余热利用系统，一部分热量通过换热器送往储空气井中传递给压缩空气，空气膨胀，使液体水向储水井侧退回，推动水轮机快速旋转做功发电；水储存井中的水流向水源；
18.d，当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，注入或排除空气结束时，关闭阀门。
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，并将空气和水分别储存在两口井中，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换热器中，随后通过换热器将压缩空气中的热能存储至储热系统，储热系统可为余热利用系统提供余热；待需用电时，储热系统一边通过换热器将热量送至氢气供应系统以释放氢气，另一边通过换热器将热量送至压缩空气储井中，以点燃氢气供应系统释放的氢气，促使其和压缩空气中的氧气的碰撞燃烧，并在燃烧器中燃烧释放热量，从而进一步提升储空气侧的压缩空气压力及热量，引发空气膨胀，迫使液体水向储水井侧退回，推动水轮机快速旋转做功发电。水储存井中的水经阀门流向水源；该过程的发电效率大于90％，整套系统的发电效率》75％。
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.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-燃烧器、12-氢气供应系统、13-电解水制氢系统、14-储热系统、15-余热利用系统、16-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。
24.一种双井液压式压缩空气储能的系统及方法，包括水源、流体输送装置1、气源、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、换热器11、氢气供应系统12以及电解水制氢系统13；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；电解水制氢系统13、氢气供应系统12和燃烧器11依次连通，氢气供应系统12还连接储热系统14，储热系统14还连接换热器16；储热系统14的连接余热利用系统。
25.可选的，水源可以是湖泊、池塘、大海、水槽等任意一种可提供水的器具或装置。
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。
27.双井4为两口下端连通的井，其中一井中主要用于储存空气、另一井中主要用于储存水，且在下端连通处设置水轮机。
28.双井4的井深为500-1000m，单井直径为2-10m，两井直径可以相同或不同。
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。其空气储存井上顶盖设一气孔10，用于补充或排空空气储井中的空气，空气储存井上顶盖无缝连接密封，可有效防止空气泄露。水储存井上端设有两个接口，其中，一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为任意一种可以将水转化为电能或机械能的水轮机，可以采用立式或卧式水轮机。
31.阀门6采用任意一种带信号输入输出的阀门，可根据控制系统发出的信号启停。
32.控制系统7跟踪电网供需情况、储水井液位8示数上涨情况以及鉴别峰谷电并控制流体输送装置1及阀门6的启停。
33.液位计8采用一种带信号输出且可监测水液面的液位计；液位指示装置9采用一种带信号输出的、可指示特定液位的系统或装置，监测到液体到达设定液面后，将信号输送给控制系统7，方可启动整套系统。
34.燃烧器11采用可用于氢气和空气混燃的装置或设备。
35.氢气供应系统12为包含固态储氢在内的任意可以提供氢气气源的装置设备。
36.制氢系统13可以是电解水制氢或化工制氢的系统或装置。
37.换热器16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。
38.储热系统14可以是任意一种单一或混合储热系统。
39.一种燃烧型双井液压式压缩空气储能的系统及方法，具体包括如下过程：
40.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启动流体输送装置将水输送至储水井，直至液位指示装置9监测液位到达设定液面，以为整套系统的启动做好准备。运行过程中，如果液位到不了设定液位，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。
41.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抽水程序并关闭阀门6，并启动制氢系统13以制备氢气并存储在氢气供应系统中备用。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，储水井端中的水位向下移动，使储水水井的水逐渐进入储空气井压缩空气，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，并将热能存储在储热系统。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。
42.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，储热系统将部分热量输送至氢气供应系统12，并开启12的释氢，释放的氢气通向燃烧器11氢气和空气中的氧气碰撞并在燃烧器11中燃烧释放热量；储热系统一部分热送去余热利用系统15、剩下的热量通过换热器16送往储空气井中传递给压缩空气，引燃氢气与氧气的燃烧反应，并进一步提升空气储侧的空气的压力及热量，引发空气膨胀，迫使液体水向储水井侧退回，推动水轮机5快速旋转做功发电。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％。
43.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。
44.实施例1
45.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的系统及方法。实施例在图1系统上实施。
46.本实施例中所述的井深为600m，储空气井侧直径为8m，储水井测直径为5m，流体输送装置液体流速为10000m3/h，流体输送装置功率为7kw，内置20000m3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75.3％。

技术特征：
1.一种燃烧型双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，包括流体输送装置(1)、水源(3)、双井(4)、水轮机(5)、控制系统(7)、燃烧器(11)、氢气供应系统(12)、电解水制氢系统(13)、储热系统(14)以及换热器(16)；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)；电解水制氢系统(13)、氢气供应系统(12)和燃烧器(11)依次连通，氢气供应系统(12)还连接储热系统(14)，储热系统(14)还连接换热器(16)；储热系统(14)的连接余热利用系统。2.根据权利要求1所述的燃烧型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。3.根据权利要求1所述的燃烧型双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，换热器(16)中的换热介质采用熔盐、油、液态金属或水蒸气；储热系统(14)采用任意一种单一或混合储热系统。4.根据权利要求1所述的燃烧型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)设置一台或多台，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。5.根据权利要求1所述的燃烧型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500-1000m，单井直径为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。6.根据权利要求1所述的燃烧型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。7.根据权利要求1所述的燃烧型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)。8.根据权利要求1所述的燃烧型双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，燃烧器(11)为氢气和空气混合气体燃烧器。9.根据权利要求1所述的燃烧型双井液压式压缩空气储能系统，其特征在于，氢气供应系统(12)中设置固态储氢装置，制氢系统(13)采用电解水制氢或化工制氢系统。10.权利要求1-9任一项所述燃烧型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)将水输送至储水井，直至液位指示装置(9)监测液位到达设定液面，以为整套系统的启动做好准备，运行过程中，如果液位到不了设定液位，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；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)抽水并关闭第一井的入水口，并启动制氢系统(13)以制备氢气并存储在氢气供应系统中备用；流体输送装置(1)将水输送至双井(4)的储水井中，储水水井的水逐渐进入储空气井压缩空气，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，并将热能存储在储热系统；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；
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，储热系统将部分热量输送至氢气供应系统(12)，并开启氢气供应系统(12)释氢，氢气通向燃烧器(11)与空气混合后在燃烧器(11)中燃烧释放热量；储热系统一部分热送去余热利用系统(15)，一部分热量通过换热器(16)送往储空气井中传递给压缩空气，空气膨胀，使液体水向储水井侧退回，推动水轮机(5)快速旋转做功发电；水储存井中的水流向水源；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。

技术总结
本发明公开一种燃烧型双井液压式压缩空气储能系统及其运行方法，系统包括流体输送装置、双井、水轮机、控制系统、燃烧器、氢气供应系统以及电解水制氢系统；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，第二井连接气源，第一井的出水口和入水口连接水源；第二井中设置换热器；电解水制氢系统、氢气供应系统和燃烧器依次连通，氢气供应系统还连接储热系统，储热系统还连接换热器；储热系统的连接余热利用系统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换热器中，随后通过换热器将压缩空气中的热能存储至储热系统，储热系统可为余热利用系统提供余热。供余热。供余热。


技术研发人员：付康丽 韩伟 于在松 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