一种液压变压抽水压气混合式储能系统的制作方法

1.本发明属于新型储能技术领域，具体涉及一种液压变压抽水压气混合式储能系统。


背景技术：

2.随着间歇性风、光能源并网装机规模不断增加，储能技术在电网中发挥着日益关键的作用，其中抽水蓄能和压缩空气储能应用较广。但传统抽水蓄能存在着选址条件苛刻、储能密度低的缺陷；压缩空气储能存在着选址受限于洞穴、压缩机和透平机运行效率不高的缺点。在风、光能源并网装机容量不断增加、世界各国能源科技竞争日趋激烈的背景下，一套高效、紧凑、持久且环保的储能和发电系统亟待形成。
3.近年来，已有研究将水力机械与压缩空气储能技术相结合，解决了压缩机与透平机运行效率不高的问题，提升了储能效率，但在压缩和膨胀过程中，气体压力变化较大。而水力机械在大水头变幅下的运行效率和稳定性都较差、高含气条件下容易出现气蚀等极端情况，其运行安全性受到威胁。


技术实现要素：

4.针对现有液压压缩空气储能技术的不足，本发明提供一种液压变压抽水压气混合式储能系统。首先，引入了液压变压技术，近恒压地传递液压势能；其次，引入变速抽水蓄能技术，提升系统的变水头运行能力，实现储能和发电过程的高效、安全、稳定运行。
5.本发明采用的技术方案如下：一种液压变压抽水压气混合式储能系统，包括变速抽水蓄能子系统、液压变压子系统和近等温压缩膨胀子系统；
6.所述的变速抽水蓄能子系统包括变速抽水蓄能机组、蓄能器1和2、换向阀；变速抽水蓄能机组上、下游侧管道皆与换向阀相连，且管路上分别连接有蓄能器1和2；储能时，变速抽水蓄能机组来回抽取液压缸1/2中的液体，加压后推动液压缸2/1中活塞上行做功；发电时，液压缸1/2中活塞下行，将缸内水体排出到变速抽水蓄能机组处做功发电；
7.所述的液压变压子系统包括四个两两相同的液压缸1-4和活塞杆1、2，液压缸1、2完全相同，液压缸3、4完全相同，液压缸1、2与液压缸3、4内的活塞面积不同，可实现液压缸1、2内低液压势能与液压缸3、4内高液压势能的相互转换，达到近恒压传递液压势能的目的；储能时，变速抽水蓄能机组提供的大流量、低液压势能水流经液压缸增压后，转换成小流量、高液压势能水流进入到水气共容罐内储能；发电时，将水气共容罐给液压缸3/4提供的小流量、高液压势能水流转换成液压缸1/2内的大流量、低液压势能水流；
8.所述的近等温压缩膨胀子系统包括有水气共容罐、压缩机、循环水泵、喷雾装置和压力传感器；储能时，在液压缸1/2内活塞的作用下，液压缸3/4中水体被挤入到水气共容罐内压缩空气做功；发电时，罐内空气膨胀，下部水体被排入到液压缸3/4中，推动活塞下行，通过活塞杆1/2带动液压缸1/2内活塞下行，推动水流做功发电。
9.作为优选，所述系统的抽水和发电设备选用变速抽水蓄能机组，其与换向阀相连，
通过改变管路连接的方式，可实现变速抽水蓄能机组的连续高效抽水和发电运行。
10.作为优选，变速抽水蓄能机组的上、下游侧分别连接有蓄能器1、2，用以平抑水流换向时管道内的水击压力，提升变速抽水蓄能机组的运行安全性。
11.作为优选，水气共容罐内安装有压力传感器，将压力信号传输到变速抽水蓄能机组的调速系统中，可根据水气共容罐内的压力来实时调节变速抽水蓄能机组的抽水或发电功率。
12.作为优选，活塞杆1、2长度相同，液压缸1-4最大行程相等，液压缸1、3内活塞同步运行，可同时抵达最大、最小行程；液压缸2、4内活塞同步运行，可同时抵达最大、最小行程，当液压缸1、3位于最大/最小行程时，液压缸2、4位于最小/最大行程。
13.本发明提供的一种液压变压抽水压气混合式储能系统的运行方法包括以下步骤：
14.步骤1：系统首次运行前，此储能系统应进行压力预置过程，通过压缩机给水气共容罐内预置压力为p1的压缩空气。
15.步骤2：储能时，变速抽水蓄能机组将液压缸1/2内的水体抽取到液压缸2/1中，继而将液压缸2/1内的活塞向上顶起，带动液压缸4/3中的活塞向上运行，将液压缸4/3中水体排入到水气共容罐内压缩空气做功；当液压缸2/1中活塞行程达到最大值时，通过换向阀改变抽水方向；循环往复进行，直至水气共容罐内气体压力达到设定值p2；
16.步骤3：发电时，压缩空气膨胀，将水气共容罐内下部水体挤出到液压缸3/4中，推动其内活塞下行，使得液压缸1/2内的水体流经变速抽水蓄能机组做功发电，做功后的水体返回到液压缸2/1中，将其内活塞向上顶起，将液压缸4/3中水体排出到低压水池中；当液压缸3/4中活塞行程达到最小值时，改变水流方向，继续发电；循环往复进行，直至水气共容罐内的空气压力降至设定值p1。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1)本发明所述系统通过4个液压缸实现了抽水运行时增压、发电运行时降压的近恒压液压势能传递，提升了系统的储能密度；
19.2)本发明所述系统采用了变速抽水蓄能机组，其抽水和发电效率较高，且可在较大的水头变幅内高效稳定安全地运行，提升了系统运行效率，改善了系统运行稳定性；
20.3)本发明所述系统将参与压缩空气的水体与下方液压缸1,2内的水体分隔开，变速抽水蓄能机组抽水和发电所用水体内里面的气体溶解量很小，机组的受气蚀影响小，更加安全；
21.4)本发明所述系统采用了两个蓄能器，可有效削减压力管道内的水击压力，保证机组的运行安全性；
22.5)本发明所述系统可通过提升储能容量、终止压力和变速抽水蓄能机组容量的方式改善系统的能量性能，系统大型化后的储能效率可达70％以上。
附图说明
23.参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。
24.图1为液压变压抽水压气混合式储能系统结构示意图；
25.图2为液压变压抽水压气混合式储能系统储能运行流程框图；
26.图3为液压变压抽水压气混合式储能系统发电运行流程框图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图所描述的实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明的适用范围。基于本发明实施例，任何熟悉本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他变换或替换，都属于本发明的保护范围。
28.以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
29.图1为本发明第一实施例的一种液压变压抽水压气混合式储能系统结构示意图。该系统包括有变速抽水蓄能机组、蓄能器1和2、液压缸1-4、水气共容罐、循环水泵、压力传感器、压缩机、低压水池、阀门f1～f8和换向阀。
30.具体地，本发明提出一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其中，将充满水的左侧大液压缸称为液压缸1，仅填充少量水的右侧大液压缸称为液压缸2，填充少量水的左侧小液压缸称为液压缸3，充满水的右侧小液压缸称为液压缸4；变速抽水蓄能机组与换向阀通过压力管道相连，上、下游侧管路中分别连接有蓄能器1、2；换向阀另一端与液压缸1、2通过压力管道相连；低压水池、液压缸3、4和水气共容罐也通过压力管道相连；水气共容罐与循环水泵通过管道相连；液压缸1-4行程以向上方向为正方向；
31.本实施例提供一种新型液压变压抽水压气混合式储能系统，包括变速抽水蓄能子系统、液压变压子系统和近等温压缩膨胀子系统；
32.如图1所示，所述的变速抽水蓄能子系统包括变速抽水蓄能机组、蓄能器1和2，换向阀；所述变速抽水蓄能机组的上游侧通过压力管道与蓄能器1相连，之后与换向阀相连，下游侧通过压力管道与蓄能器2相连，之后与换向阀相连；蓄能器1和2中填充有压力等于变速抽水蓄能机组的额定水头的压力气体；储能时，变速抽水蓄能机组来回抽取液压缸1/2中的液体，加压后推动液压缸2/1中活塞上行做功；发电时，液压缸1/2中活塞下行，将缸内水体挤出到变速抽水蓄能机组处做功发电；
33.如图1所示，所述的液压变压子系统包括四个两两相同的液压缸1-4，液压缸1、2完全相同，液压缸3、4完全相同，液压缸1、2与液压缸3、4内活塞的面积不同，其面积比为变压比的倒数，可实现液压缸1、2内低液压势能与液压缸3，4内高液压势能的来回转换，达到近恒压传递液压势能的目的；储能时，变速抽水蓄能机组提供的大流量、低势能水流经液压缸增压后，转换成小流量、高液压势能水流进入到水气共容罐内储能；发电时，将水气共容罐给液压缸3/4提供的小流量、高液压势能水流转换成液压缸1/2内的大流量、低液压势能水流；实现了水气共容罐内大压力变幅与变速抽水蓄能机组处小水头变幅来回转换的功能。
34.如图1所示，所述的近等温压缩膨胀子系统包括有水气共容罐、压缩机、循环水泵、喷雾装置和压力传感器；所述水气共容罐内包含有喷雾装置和压力传感器；所述喷雾装置用于在空气压缩和膨胀时喷雾换热，实现空气压缩和膨胀过程的近等温；所述压力传感器用于将罐内空气的压力值实时地传输到变速抽水蓄能机组处，实现机组的实时精细化控制；储能时，在液压缸1/2内活塞的作用下，液压缸3/4中水体被挤入到水气共容罐内压缩空气做功；发电时，罐内空气膨胀，下部水体被排入到液压缸3/4中，推动活塞下行，通过活塞
杆1/2带动液压缸1/2内活塞下行，推动水流做功发电；
35.基于上述液压变压抽水压气混合式储能系统，其运行方法包括以下步骤：
36.步骤1：系统首次运行前，此储能系统应进行压力预置过程，打开阀门f3和f6，通过压缩机给水气共容罐内预置压力空气，当罐内压力达到p1时停止；压力预置时，循环水泵一直工作，将罐体底部水体抽取到顶部喷雾降温；
37.步骤2：如图2所示，储能时，首先打开阀门f1，f3，f4，f7，变速抽水蓄能机组将液压缸1内的水体抽取到液压缸2中，将液压缸2内的活塞向上顶起，带动液压缸4中的活塞上行，将液压缸4中水体排入到水气共容罐内压缩空气做功；当液压缸2行程达到最大值l
max
时，通过换向阀改变抽水方向；打开阀门f2，f3，f5，f8，关闭其他阀门，变速抽水蓄能机组将液压缸2内的水体抽取到液压缸1中，继而将液压缸1内的活塞向上顶起，带动液压缸3中的活塞上行，将液压缸3中水体排入到水气共容罐内压缩空气做功；当液压缸1行程达到最大值l
max
时，通过换向阀改变抽水方向；循环往复进行，直至水气共容罐内气体压力增至设定值p2。储能时，循环水泵一直工作，将罐体底部水体抽取到顶部喷雾降温。
38.步骤3：如图3所示，发电时，首先打开阀门f2，f3，f5，f7，压缩空气膨胀，将水气共容罐内下部水体挤出到液压缸3中，推动其内活塞下行，使得液压缸1内的水体流经变速抽水蓄能机组做功发电，做功后的水体返回到液压缸2中，将其内活塞向上顶起；带动液压缸4内活塞上行，将缸内中水体排出到低压水池中；当液压缸3行程达到最小值l
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时，通过换向阀改变水流方向；打开阀门f1，f3，f4，f8，关闭其他阀门，压缩空气膨胀，将水气共容罐内下部水体挤出到液压缸4中，推动其内活塞下行，使得液压缸2内的水体流经变速抽水蓄能机组做功发电，做功后的水体返回到液压缸1中，将其内活塞向上顶起，将液压缸3中水体排出到低压水池中；当液压缸4行程达到最小值l
min
时，改变水流方向，继续发电。循环往复进行，直至水气共容罐内的空气压力降至设定值p1。发电时，循环水泵一直工作，将罐体底部水体抽取到顶部喷雾升温。

技术特征：
1.一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其特征在于，所述储能系统包括变速抽水蓄能子系统、液压变压子系统和近等温压缩膨胀子系统；所述的变速抽水蓄能子系统包括变速抽水蓄能机组、蓄能器1和蓄能器2以及换向阀；变速抽水蓄能机组上、下游侧管道皆与换向阀相连，且管路上分别连接有蓄能器1和蓄能器2；储能时，变速抽水蓄能机组来回抽取液压缸1/2中的液体，加压后推动液压缸2/1中活塞上行做功；发电时，液压缸1/2中活塞下行，推动缸内水体流经变速抽水蓄能机组，发电做功；所述的液压变压子系统包括四个两两相同的液压缸1-4和活塞杆1、2，液压缸1、2完全相同，液压缸3、4完全相同，液压缸1、2与液压缸3、4内的活塞面积不同，可实现液压缸1、2内低液压势能与液压缸3、4内高液压势能的相互转换，达到近恒压传递液压势能的目的；储能时，变速抽水蓄能机组提供的大流量、低液压势能水流经液压缸增压后，转换成小流量、高液压势能水流进入到水气共容罐内储能；发电时，将水气共容罐给液压缸3/4提供的小流量、高液压势能水流转换成液压缸1/2内的大流量、低液压势能水流；所述的近等温压缩膨胀子系统包括有水气共容罐、压缩机、循环水泵、喷雾装置和压力传感器；储能时，在液压缸1/2内活塞的作用下，液压缸3/4中水体被挤入到水气共容罐内压缩空气做功；发电时，罐内空气膨胀，下部水体被排入到液压缸3/4中，推动活塞下行，通过活塞杆1/2带动液压缸1/2内活塞下行，推动水流做功发电。2.根据权利要求1所述的一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其特征在于：抽水和发电设备为变速抽水蓄能机组，其与换向阀相连，可实现连续高效地抽水和发电运行。3.根据权利要求1所述的一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其特征在于：变速抽水蓄能机组的上下游侧管路中分别连接有蓄能器1和2，用以平抑水流换向时的管道内水击压力。4.根据权利要求1所述的一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其特征在于：水气共容罐内安装有压力传感器，将压力信号传输到变速抽水蓄能机组的调速系统中，以此为根据调节机组的出力或发电功率。5.根据权利要求1所述的一种液压变压抽水压气混合式储能系统，其特征在于：活塞杆1、2长度相同，液压缸1-4最大、最小行程相等，液压缸1、3内活塞同步运行，可同时抵达最大/最小行程；液压缸2、4内活塞同步运行，可同时抵达最大/最小行程，当液压缸1、3位于最大/最小行程时，液压缸2、4位于最小/最大行程。6.一种根据权利要求1所述的一种液压变压抽水压气混合式储能系统的运行方法，其特征在于，所述储能系统的运行方法包括以下步骤：步骤1：系统首次运行前，此储能系统应进行压力预置过程，通过压缩机给水气共容罐内预置压力为p1的压缩空气；步骤2：储能时，变速抽水蓄能机组将液压缸1/2内的水体抽取到液压缸2/1中，继而将液压缸2/1内的活塞向上顶起，带动液压缸4/3中的活塞向上运行，将液压缸4/3中水体排入到水气共容罐内压缩空气做功；当液压缸2/1内活塞行程到达最大值时，通过换向阀改变抽水方向；循环往复进行，直至水气共容罐内气体压力达到设定值p2；步骤3：发电时，压缩空气膨胀，将水气共容罐内下部水体挤出到液压缸3/4中，推动其内活塞下行，使得液压缸1/2内的水体流经变速抽水蓄能机组做功发电，做功后的水体返回
到液压缸2/1中，将其内活塞向上顶起，将液压缸4/3中水体排出到低压水池中；当液压缸3/4中活塞行程达到最小值时，改变水流方向，继续发电；循环往复进行，直至水气共容罐内的空气压力降至设定值p1。

技术总结
本发明提出一种液压变压抽水压气混合式储能系统。该系统包括变速抽水蓄能、液压变压和近等温压缩膨胀子系统；所述变速抽水蓄能子系统包括变速抽水蓄能机组、两个蓄能器和变向阀；所述液压变压子系统包括有四个液压缸和两根活塞杆；所述的近等温压缩膨胀子系统包括有水气共容罐、压缩机、循环水泵、喷雾装置和压力传感器；此系统实现了液压势能近恒压传递、变速抽水蓄能机组近额定工况运行和空气近等温压缩/膨胀，系统大型化后的能量转化效率较高。系统大型化后的能量转化效率较高。系统大型化后的能量转化效率较高。


技术研发人员：李德友 杨彪 付晓龙 王洪杰 刘海波 王春伟 宫汝志 韩磊
受保护的技术使用者：哈尔滨电气科学技术有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/9/5