一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)及方法，屬于蓄能發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能、工業(yè)余熱、太陽能等完成增壓蓄能過程；利用水蒸汽與壓縮空氣的混合氣體形成的壓頭驅(qū)動工質(zhì)水流動并使水輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。本發(fā)明與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，具有對工程地質(zhì)條件要求低、運行模式靈活、儲能功耗小、儲能發(fā)電效率高、儲能密度高及對多種種類、不同品味能源進(jìn)行綜合梯級利用的特點。
【專利說明】一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)及方法，特別涉及一種利用空氣及蒸汽混合氣體增壓的抽水蓄能發(fā)電技術(shù)，屬于蓄能發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性、間歇性和電網(wǎng)峰谷差的不斷增大已成為影響電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運行的重大難題，發(fā)展電力儲能技術(shù)是解決上述問題的有效途徑。
[0003]迄今為止能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模(比如100麗以上)商業(yè)應(yīng)用的電力儲能技術(shù)只有抽水蓄能發(fā)電技術(shù)和壓縮空氣蓄能發(fā)電技術(shù)，不過這兩種電力儲能技術(shù)都不同程度的受地質(zhì)條件限制，無法大規(guī)模廣泛推廣應(yīng)用。而且上述兩種電力儲能系統(tǒng)的儲能效率不高，造成了大量電能的浪費(根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)的儲能發(fā)電效率最高只能接近70%，常規(guī)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的儲能發(fā)電效率為77%左右)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，提出一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)及方法，即利用壓縮空氣及高壓蒸汽的混合氣體增加工質(zhì)水的表面壓力，并利用該混合氣體壓力作為推動工質(zhì)水驅(qū)動水輪機(jī)組的動力，使其既不受地質(zhì)條件限制，又可進(jìn)一步提高儲能發(fā)電效率，從而實現(xiàn)大規(guī)模廣泛推廣應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，含有高壓儲水罐、水輪發(fā)電機(jī)組、抽水泵和水池/水箱，其特征在于:該系統(tǒng)還包括電動機(jī)、壓氣機(jī)、凝結(jié)水箱、增壓泵和二次輔助增壓熱源設(shè)備；在所述的高壓儲水罐內(nèi)安裝有隔離活塞，該隔離活塞將高壓儲水罐隔離為氣空間和水空間兩部分；
[0007]所述電動機(jī)與壓氣機(jī)通過傳動軸連接，壓氣機(jī)的排氣口通過管道和高壓儲水罐進(jìn)氣閥與高壓儲水罐的氣空間連接；高壓儲水罐的水空間下部設(shè)有上水口和凝結(jié)水出水口，高壓儲水罐底部設(shè)有放水口，放水口通過管道與水輪發(fā)電機(jī)組連接，水輪發(fā)電機(jī)組的排水管道直接與外部的水池/水箱相連；所述的上水口通過管道、閥門和抽水泵與水池/水箱連接；水空間通過凝結(jié)水出水口、閥門和管道與凝結(jié)水箱相連；凝結(jié)水箱依次通過深入凝結(jié)水箱底部的抽水管道、增壓泵、二次輔助增壓熱源設(shè)備的進(jìn)口閥門、二次輔助增壓熱源設(shè)備及二次輔助增壓熱源設(shè)備的出口閥門與高壓儲水罐的氣空間連接。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案中還包括以下技術(shù)特征:
[0009]其中，所述抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)還包括噴水霧化降壓子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括霧化噴水裝置、噴水泵和霧化噴水進(jìn)口閥門；霧化噴水裝置安裝在氣空間的頂部，該霧化噴水裝置通過管路及霧化噴水進(jìn)口閥門與噴水泵連接。
[0010]其中，所述的高壓儲水罐的氣空間內(nèi)設(shè)有高壓儲水罐換熱器，在凝結(jié)水箱的下部設(shè)置有凝結(jié)水箱換熱器，所述兩個換熱器均與供熱管網(wǎng)連接。
[0011]其中，所述高壓儲水罐與水池/水箱處在同一水平位置。
[0012]其中，所述的二次輔助增壓熱源設(shè)備采用工業(yè)廢熱利用設(shè)備、太陽能利用設(shè)備和熱泵中的一種或兩者的組合。
[0013]本發(fā)明提供的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
[0014]1)抽水蓄能過程:該抽水蓄能過程分為以下三個階段:
[0015]a)抽水蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能，驅(qū)動抽水泵將水從水池/水箱中抽出，送入到高壓儲水罐的隔離活塞下方的水空間，直至隔離活塞運動到高壓儲水罐一半高度的位置，從而完成對高壓儲水罐的抽水蓄能過程；
[0016]b)壓氣蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動電動機(jī)帶動壓氣機(jī)工作，將壓縮空氣存儲于隔離活塞上方的氣空間，最終使高壓儲水罐的氣空間內(nèi)的空氣分壓達(dá)到0.5?1.0MPa ；
[0017]c) 二次增壓蓄能階段:利用低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動增壓泵工作，將凝結(jié)水箱中的除鹽水輸送至二次輔助增壓熱源設(shè)備進(jìn)行加熱，吸熱后的除鹽水變?yōu)闇囟?30°C -300°C的過熱蒸汽后，送至高壓儲水罐的隔離活塞上方的氣空間，直至高壓儲水罐內(nèi)氣空間的水蒸汽分壓達(dá)到0.5?1.0MPa，并且保證氣空間內(nèi)蒸汽及空氣的分壓力之比為1:1，形成空氣及水蒸汽的混合氣體，完成二次增壓蓄能；
[0018]2)釋能發(fā)電過程:在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時，開啟高壓儲水罐底部的放水閥，利用高壓儲水罐內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體的壓頭，推動隔離活塞向下運動，推動工質(zhì)水進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組，驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電；當(dāng)高壓儲水罐內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體推動隔離活塞運動至其行程下限時，發(fā)電過程結(jié)束；
[0019]3)利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動噴水泵工作，開啟霧化噴水裝置進(jìn)口閥門，將除鹽水經(jīng)霧化噴水裝置噴入高壓儲水罐的氣空間，利用霧化水吸收高壓儲水罐氣空間內(nèi)殘存的熱量，使高壓儲水罐氣空間的水蒸汽迅速凝結(jié)，降低高壓儲水罐氣空間壓力，并使凝結(jié)水匯聚于隔離活塞的上方；
[0020]4)打開高壓儲水罐凝結(jié)水放水閥門，利用高壓儲水罐內(nèi)的自然壓力使凝結(jié)水自動流入凝結(jié)水箱。
[0021]本發(fā)明所述方法中，其特征在于，抽水蓄能和壓氣蓄能的時間段安排在夜間0:00 ?5:00 ;
[0022]其中，二次增壓蓄能階段分為三種情況:若利用工業(yè)廢熱作為二次輔助增壓熱源，則該時間段上午為6:00?10:00 ;若利用太陽能作為二次輔助增壓熱源，則該時間段為白天日照良好、且電網(wǎng)非高峰負(fù)荷階段，即該時間段為上午10:00?12:00 ;若利用熱泵機(jī)組從周圍環(huán)境獲取熱量，則該時間段安排在早上5:00?6:00。釋能發(fā)電過程的時間段為13:00 ?22:00。
[0023]本發(fā)明所述方法中，其特征還在于，在高壓儲水罐的氣空間和凝結(jié)水箱內(nèi)分別設(shè)置高壓儲水罐換熱器和凝結(jié)水箱換熱器，隔離活塞的行程上限為高壓儲水罐換熱器的下沿，隔離活塞行程下限為高壓儲水罐的底部；當(dāng)隔離活塞運動到其行程下限時，凝結(jié)水出水口剛好位于隔離活塞的上方，隔離活塞上方匯集的凝結(jié)水通過凝結(jié)水出水口排入凝結(jié)水箱；經(jīng)換熱后的熱水作為生活熱水或?qū)ν夤帷?br> [0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性的技術(shù)效果:①儲能功耗小:在存儲相同容量電能及相同邊界條件情況下，與現(xiàn)有的壓縮空氣儲能系統(tǒng)相比，只需給高壓儲水罐很小的初始工作壓力1?2MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣壓力9?lOMPa，因而壓縮單位質(zhì)量空氣的功耗??；與現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)相比，由于儲水罐與水源地可在同一水平位置，兩個儲水地之間沒有“高程差”，且不需要長距離輸水管道，因而單位工質(zhì)的抽水功耗也相對較小；②儲能發(fā)電效率高:本發(fā)明所述系統(tǒng)若單獨利用壓縮空氣進(jìn)行增壓抽水蓄能發(fā)電時，其儲能發(fā)電效率可以達(dá)到83%。基于水蒸汽與壓縮空氣的混合氣體進(jìn)行增壓抽水蓄能發(fā)電時，其純電能儲能發(fā)電效率可以達(dá)到184%。需要特別指出的是:在計算基于水蒸汽與壓縮空氣混合氣體增壓的抽水蓄能發(fā)電的儲能電力效率時，未計入產(chǎn)生蒸汽的能量，該效率指純電能存儲效率，因而該效率才可能大于100%。用于產(chǎn)生蒸汽的能量可來自于工業(yè)廢熱、太陽能或熱泵機(jī)組，上述能量屬于低品位、能量密度低的能量，對于儲存高品位的電能來說，我們將其看做可免費獲得的能源，故將其忽略；③儲能密度高:由于本發(fā)明所述系統(tǒng)采用水蒸汽與壓縮空氣增加工質(zhì)水表面的壓力，高于傳統(tǒng)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)水表面的大氣壓力，利用水蒸汽與壓縮空氣的混合氣體形成的壓頭驅(qū)動工質(zhì)水流動并使水輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。因而本發(fā)明所述系統(tǒng)的單位工質(zhì)具有比常規(guī)傳統(tǒng)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)具有更大的做功能力，也意味著單位容量的儲能空間能存儲更多的能量，因而具有儲能密度大，單位工質(zhì)發(fā)電功率高的特點；④多種種類、不同品味能源進(jìn)行綜合梯級利用:本發(fā)明所述系統(tǒng)可綜合利用電網(wǎng)低谷負(fù)荷電能、風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能、工業(yè)廢熱、太陽能等多種不同品味的能量，并將上述能量存儲并轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)聞峰負(fù)荷的聞價、聞品位的電能。⑤不受地質(zhì)條件限制:本發(fā)明所述系統(tǒng)采用鋼制儲氣罐作為儲氣與儲水的容器，儲水罐與水源地可在同一水平位置，不需要有“高程差”的兩個儲水地。同時也不需要礦洞作為壓縮空氣的儲氣室。⑥運行模式靈活:本發(fā)明所述系統(tǒng)既可以單獨利用壓縮空氣進(jìn)行增壓抽水蓄能發(fā)電，也可基于水蒸汽與壓縮空氣的混合氣體進(jìn)行增壓抽水蓄能發(fā)電，因而本系統(tǒng)具有根據(jù)運行條件及外部約束靈活選擇運行模式的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為利用工業(yè)廢熱輔助增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。
[0026]圖2為利用太陽能輔助增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。
[0027]圖3為利用熱泵輔助增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。
[0028]圖中:各標(biāo)號清單為:1-電動機(jī)；2_壓氣機(jī)；3_高壓儲水罐進(jìn)氣閥；4_高壓儲水罐；5-隔離活塞；6_放水口 ；7_水輪發(fā)電機(jī)組；8_抽水泵；9_上水口 ；10_凝結(jié)水出水口 ；11-凝結(jié)水箱；12-增壓泵；13a-工業(yè)廢熱利用設(shè)備；13b-太陽能利用設(shè)備；13c_熱泵機(jī)組；14-霧化噴水裝置；15-高壓儲水罐換熱器；16-凝結(jié)水箱換熱器；17-水池或水箱；18_放氣閥門；19_霧化噴水進(jìn)口閥門；20_ 二次輔助增壓熱源設(shè)備進(jìn)口閥門；21_高壓儲水罐換熱器進(jìn)口閥門；22_噴水泵；23_ 二次輔助增壓熱源設(shè)備出口閥門；24_氣空間；25_水空間。

【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明提供的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)含有高壓儲水罐4、水輪發(fā)電機(jī)組7、抽水泵8和水池/水箱17、電動機(jī)1、壓氣機(jī)2、凝結(jié)水箱11、增壓泵12和二次輔助增壓熱源設(shè)備13。電動機(jī)1和壓氣機(jī)2構(gòu)成壓縮空氣子系統(tǒng)；凝結(jié)水箱11、增壓泵12及二次輔助增壓熱源設(shè)備構(gòu)成蒸汽增壓子系統(tǒng)。在所述的高壓儲水罐4內(nèi)安裝有隔離活塞5，該隔離活塞將高壓儲水罐隔離為氣空間24和水空間25兩部分。所述電動機(jī)1與壓氣機(jī)2通過傳動軸連接，壓氣機(jī)2的排氣口通過管道和高壓儲水罐進(jìn)氣閥3與高壓儲水罐4的氣空間24連接；高壓儲水罐的水空間下部設(shè)有上水口 9和凝結(jié)水出水口 10，高壓儲水罐的底部設(shè)有放水口 6，該放水口通過管道與水輪發(fā)電機(jī)組7連接，水輪發(fā)電機(jī)組7的排水管道直接與外部的水池/水箱17相連；所述的上水口 9通過管道、閥門和抽水泵8與水池/水箱17連接；水空間25通過凝結(jié)水出水口 10、閥門和管道與凝結(jié)水箱11相連；凝結(jié)水箱11依次通過深入凝結(jié)水箱底部的抽水管道、增壓泵12、二次輔助增壓熱源設(shè)備的進(jìn)口閥門20、二次輔助增壓熱源設(shè)備及二次輔助增壓熱源設(shè)備的出口閥門23與高壓儲水罐的氣空間24連接。凝結(jié)水出水口 10布置在隔離活塞5行程下限的上方，見虛線位置。
[0030]所述抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)還包括噴水霧化降壓子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括霧化噴水裝置14、噴水泵22和霧化噴水進(jìn)口閥門19 ;霧化噴水裝置14安裝在氣空間24的頂部，該霧化噴水裝置通過管路及霧化噴水進(jìn)口閥門19與噴水泵22連接。
[0031]在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在聞壓儲水4的氣空間內(nèi)設(shè)直聞壓儲水--!換熱器15，在凝結(jié)水箱11水側(cè)底部布置凝結(jié)水箱換熱器16，所述兩個換熱器均與供熱管網(wǎng)連接。
[0032]另外，所述高壓儲水罐4與水池/水箱17可處在同一水平位置，完全利用水蒸汽與壓縮空氣混合氣體的壓力形成的壓頭驅(qū)動工質(zhì)水流動，推動水輪機(jī)發(fā)電。這樣兩個儲水地之間沒有“高程差”，且不需要長距離輸水管道，因而單位工質(zhì)的抽水功耗也會相對較小。
[0033]本發(fā)明所述的二次輔助增壓熱源設(shè)備13可選用多種形式的熱源且熱源可根據(jù)需求或外部條件隨時切換，既可以利用工業(yè)廢熱利用設(shè)備13a(作為二次輔助增壓熱源設(shè)備，參見圖1 ;也可以利用太陽能利用設(shè)備13b(例如太陽能鍋爐)作為二次輔助增壓熱源設(shè)備，參見圖2 ;還可以利用熱泵機(jī)組13c作為二次輔助增壓熱源設(shè)備，參見圖3。無論采用哪種形式的二次輔助增壓熱源，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實施方式及運行方式并無區(qū)別。
[0034]本發(fā)明提供的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
[0035]1)抽水蓄能過程:該抽水蓄能過程分為以下三個階段:
[0036]a)抽水蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能，驅(qū)動抽水泵8將水從水池/水箱17中抽出，送入到高壓儲水罐的隔離活塞5下方的水空間，直至隔離活塞運動到高壓儲水罐中間高度位置，從而完成對高壓儲水罐的抽水蓄能過程；
[0037]b)壓氣蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動電動機(jī)1帶動壓氣機(jī)2工作，壓縮空氣并將其存儲于隔離活塞5上方的氣空間，最終使高壓儲水罐4氣空間的空氣分壓達(dá)到0.5?1.0MPa。
[0038]c) 二次增壓蓄能階段:利用低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動增壓泵12工作，將凝結(jié)水箱11中的除鹽水輸送至二次輔助增壓熱源設(shè)備進(jìn)行加熱，吸熱后的除鹽水變?yōu)闇囟?30°C _300°C的過熱蒸汽后，送至高壓儲水罐的隔離活塞上方的氣空間24，直至高壓儲水罐內(nèi)氣空間的水蒸汽分壓達(dá)到0.5?1.0MPa，并且保證氣空間內(nèi)蒸汽及空氣的分壓力之比為1:1，形成空氣及水蒸汽的混合氣體，完成二次增壓蓄能；需要特別指出的是二次輔助增壓熱源形式多樣且可根據(jù)需求及外部條件的不同隨時切換熱源，既可以利用工業(yè)廢熱作為熱源，也可以直接使用太陽能作為熱源，還可以利用熱泵機(jī)組從周圍環(huán)境獲得的能量作為輔助熱源。
[0039]2)釋能發(fā)電過程:在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(一天的電網(wǎng)負(fù)荷高峰時間段:13:00?22:00)，開啟高壓儲水罐4的放水閥6，利用高壓儲水罐4內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體的壓頭，推動工質(zhì)水進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組7，驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組7做功發(fā)電。當(dāng)高壓儲水罐4內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體推動隔離活塞5運動至其行程下限時，發(fā)電過程結(jié)束。
[0040]3)利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動噴水泵22工作，開啟霧化噴水裝置進(jìn)口閥門19，將除鹽水經(jīng)霧化噴水裝置14噴入高壓儲水罐4的氣空間，利用霧化水吸收高壓儲水罐4氣空間內(nèi)殘存的熱量，使高壓儲水罐4氣空間的水蒸汽迅速凝結(jié)，并匯聚于隔離活塞5的上方，達(dá)到降低高壓儲水罐4氣空間壓力的目的；
[0041]4)打開高壓儲水罐凝結(jié)水放水閥門10，利用高壓儲水罐內(nèi)的自然壓力使凝結(jié)水自動流入凝結(jié)水箱11。
[0042]所述技術(shù)方案中，抽水蓄能和壓氣蓄能的時間段一般安排在夜間0:00?5:00 ；二次增壓蓄能階段分為三種情況:若利用工業(yè)廢熱作為二次輔助增壓熱源，則該時間段一般為上午6:00?10:00 ;若利用太陽能作為二次輔助增壓熱源，則該時間段一般為白天日照良好、且電網(wǎng)非高峰負(fù)荷階段，即該時間段為上午10:00?12:00 ;若利用熱泵機(jī)組從周圍環(huán)境獲取熱量，則該時間段一般安排在早上5:00?6:00。釋能發(fā)電過程的時間段為13:00 ?22:00。
[0043]本發(fā)明所述的隔離活塞5可以在高壓儲水罐內(nèi)自由移動，隔離活塞5將高壓儲水罐4分隔為氣空間和水空間兩部分。在高壓儲水罐的氣空間和凝結(jié)水箱內(nèi)可分別設(shè)置高壓儲水罐換熱器15和凝結(jié)水箱換熱器16，兩個換熱器與供熱管網(wǎng)連接，可利用高壓儲水罐4及凝結(jié)水箱11的余熱對外供熱，該技術(shù)方案既可以實現(xiàn)能源的梯級利用，又可以降低高壓儲水罐4內(nèi)的溫度，使高壓儲水罐4內(nèi)殘存的蒸汽快速凝結(jié)。
[0044]當(dāng)高壓儲水罐的氣空間和凝結(jié)水箱內(nèi)分別設(shè)置高壓儲水罐換熱器15和凝結(jié)水箱換熱器16時，隔離活塞5的行程上限為高壓儲水罐換熱器的下沿，隔離活塞行程下限為高壓儲水罐的底部；當(dāng)隔離活塞運動到其行程下限時，凝結(jié)水出水口 10剛好位于隔離活塞的上方，隔離活塞5上方匯集的凝結(jié)水通過凝結(jié)水出水口排入凝結(jié)水箱11 ;經(jīng)換熱后的熱水作為生活熱水或?qū)ν夤帷?br> 【權(quán)利要求】
1.一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，含有高壓儲水罐(4)、水輪發(fā)電機(jī)組(7)、抽水泵(8)和水池/水箱(17)，其特征在于:該系統(tǒng)還包括電動機(jī)(I)、壓氣機(jī)(2)、凝結(jié)水箱(11)、增壓泵(12)和二次輔助增壓熱源設(shè)備(13);在所述的高壓儲水罐(4)內(nèi)安裝有隔離活塞(5)，該隔離活塞將高壓儲水罐隔離為氣空間(24)和水空間(25)兩部分； 所述電動機(jī)(I)與壓氣機(jī)(2)通過傳動軸連接，壓氣機(jī)(2)的排氣口通過管道和高壓儲水罐進(jìn)氣閥(3)與高壓儲水罐(4)的氣空間(24)連接；高壓儲水罐(4)的水空間下部設(shè)有上水口(9)和凝結(jié)水出水口(10)，高壓儲水罐(4)底部設(shè)有放水口(6)，放水口(6)通過管道與水輪發(fā)電機(jī)組(7)連接，水輪發(fā)電機(jī)組(7)的排水管道直接與外部的水池/水箱(17)相連；所述的上水口(9)通過管道、閥門和抽水泵⑶與水池/水箱(17)連接；水空間(25)通過凝結(jié)水出水口(10)、閥門和管道與凝結(jié)水箱(11)相連；凝結(jié)水箱(11)依次通過深入凝結(jié)水箱底部的抽水管道、增壓泵(12)、二次輔助增壓熱源設(shè)備的進(jìn)口閥門(20)、二次輔助增壓熱源設(shè)備及二次輔助增壓熱源設(shè)備的出口閥門(23)與高壓儲水罐(4)的氣空間(24)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)還包括噴水霧化降壓子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括霧化噴水裝置(14)、噴水泵(22)和霧化噴水進(jìn)口閥門(19);霧化噴水裝置(14)安裝在氣空間(24)的頂部，該霧化噴水裝置通過管路及霧化噴水進(jìn)口閥門(19)與噴水泵(22)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:在所述的高壓儲水罐的氣空間(24)內(nèi)設(shè)有高壓儲水罐換熱器(15)，在凝結(jié)水箱(11)的下部設(shè)置有凝結(jié)水箱換熱器(16)，所述兩個換熱器均與供熱管網(wǎng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述高壓儲水罐(4)與水池/水箱(17)處在同一水平位置。
5.按照權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述的二次輔助增壓熱源設(shè)備采用工業(yè)廢熱利用設(shè)備、太陽能利用設(shè)備和熱泵中的一種或兩者的組合。
6.一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于該方法包括如下步驟: I)抽水蓄能過程:該抽水蓄能過程分為以下三個階段: a)抽水蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能，驅(qū)動抽水泵(8)將水從水池/水箱(17)中抽出，送入到高壓儲水罐的隔離活塞(5)下方的水空間，直至隔離活塞運動到高壓儲水罐的中間位置，從而完成對高壓儲水罐的抽水蓄能過程； b)壓氣蓄能階段:利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動電動機(jī)(I)帶動壓氣機(jī)(2)工作，將壓縮空氣存儲于隔離活塞上方的氣空間(24)，最終使高壓儲水罐的氣空間內(nèi)的空氣分壓達(dá)到0.5?1.0MPa ； c)二次增壓蓄能階段:利用低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動增壓泵(12)工作，將凝結(jié)水箱(11)中的除鹽水輸送至二次輔助增壓熱源設(shè)備進(jìn)行加熱，吸熱后的除鹽水變?yōu)闇囟?30°C _300°C的過熱蒸汽后，送至高壓儲水罐的隔離活塞上方的氣空間(24)，直至高壓儲水罐內(nèi)氣空間的水蒸汽分壓達(dá)到0.5?1.0MPa,并且保證氣空間內(nèi)蒸汽及空氣的分壓力之比為1:1，形成空氣及水蒸汽的混合氣體，完成二次增壓蓄能； 2)釋能發(fā)電過程:在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時，開啟高壓儲水罐底部的放水閥￠)，利用高壓儲水罐內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體的壓頭，推動隔離活塞向下運動，推動工質(zhì)水進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組(7)，驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電；當(dāng)高壓儲水罐內(nèi)空氣及水蒸汽混合氣體推動隔離活塞運動至其行程下限時，發(fā)電過程結(jié)束； 3)利用電網(wǎng)低谷電能或風(fēng)電廠的“后夜風(fēng)”所產(chǎn)生的電能驅(qū)動噴水泵(22)工作，開啟霧化噴水裝置進(jìn)口閥門(19)，將除鹽水經(jīng)霧化噴水裝置(14)噴入高壓儲水罐(4)的氣空間，利用霧化水吸收高壓儲水罐(4)氣空間內(nèi)殘存的熱量，使高壓儲水罐(4)氣空間的水蒸汽迅速凝結(jié)，降低高壓儲水罐(4)氣空間壓力，并使凝結(jié)水匯聚于隔離活塞(5)的上方； 4)打開高壓儲水罐凝結(jié)水放水閥門(10)，利用高壓儲水罐內(nèi)的自然壓力使凝結(jié)水自動流入凝結(jié)水箱(11)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于，抽水蓄能和壓氣蓄能的時間段安排在夜間0:00?5:00 ; 二次增壓蓄能階段分為三種情況:若利用工業(yè)廢熱作為產(chǎn)汽增壓的熱源，則該時間段上午為6:00?10:00;若利用太陽能作為產(chǎn)汽增壓的熱源，則該時間段為白天日照良好、且電網(wǎng)非高峰負(fù)荷階段，即該時間段為上午10:00?12:00 ;若利用熱泵機(jī)組從周圍環(huán)境獲取熱量，則該時間段安排在早上的5:00?6:00。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于，釋能發(fā)電過程的時間段為13:00?22:00。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于水蒸汽與空氣增壓的抽水蓄能發(fā)電方法，其特征在于，在高壓儲水罐的氣空間和凝結(jié)水箱內(nèi)分別設(shè)置高壓儲水罐換熱器(15)和凝結(jié)水箱換熱器(16)，隔離活塞(5)的行程上限為高壓儲水罐換熱器的下沿，隔離活塞行程下限為高壓儲水罐的底部；當(dāng)隔離活塞運動到其行程下限時，凝結(jié)水出水口(10)剛好位于隔離活塞的上方，隔離活塞(5)上方匯集的凝結(jié)水通過凝結(jié)水出水口排入凝結(jié)水箱(11);經(jīng)換熱后的熱水作為生活熱水或?qū)ν夤帷?br> 【文檔編號】F04B41/02GK104454304SQ201410602591
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】李政, 李運澤, 冉鵬, 王哲, 劉培 申請人:清華大學(xué)