离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及的是一种海上风电领域的技术，具体是一种离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统。

背景技术

抽水蓄能是一项正在发展中的技术。目前有许多抽水蓄能系统试点项目，这种储能系统的主要局限性在于地理限制。这种能源储存介质需要筑坝拦截水体，这就需要在开发此类项目时投入额外的初始资金。因此，抽水蓄能在世界上的某些地区受到了阻碍。另一个想法是压缩空气储能。在低需求/高供应周期内，通过将空气加压到洞穴、特殊容器或储气罐中来储存能量。在需求高峰时，则通过与发电机相连的空气涡轮机将空气膨胀。与抽水蓄能相比，压缩空气储能可利用的场地数量更多，如枯竭的油井/气井或盐矿。但现有压缩空气储能系统存在依靠化石燃料、储能密度低、依靠大型储气室(洞穴)、响应速度慢等缺点。

发明内容

本发明针对现有技术未充分利用压缩过程中的压缩热及回热以及压缩机中空气流量较高且储气室体积较大、氮氧化物的排放量较高的不足，提出一种离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统，释能时对工作空气进行加湿，并用汽轮机出口高温排气加热湿空气。加湿压缩空气储能系统增强了现有压缩空气储能系统的回热，并可使压缩机中空气流量减小，减小储气室的体积，同时可以降低燃烧室温度，使氮氧化物的排放量减少。加湿压缩空气储能系统也可以利用压缩过程中的压缩热，提高系统效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统，包括：分别并联设置于离岸风力涡轮机的输出端的高压、中压和低压支路，以及依次相连的带马达发电机、高压气轮机、燃烧室、低压汽轮机和回热器，其中：高压、中压和低压支路的输出端分别与热水能储罐和饱和器相连，饱和器与回热器相连，回热器通过补充水箱与高压、中压和低压支路相连。

所述的高压气轮机和低压汽轮机之间设有燃烧室。

所述的回热器的输出端通过燃烧室与高压气轮机相连，回热器的输出端另外设有烟囱。

所述的高压支路包括：依次相连的马达、高压空压机和后冷器，其中：后冷器的输入端通过补充水箱与回热器相连，输出端与热水能储罐相连。

所述的中压支路包括：依次相连的马达、中压空压机和中间冷却器，其中：中间冷却器的输入端通过补充水箱与回热器相连，输出端与热水能储罐相连。

所述的低压支路包括：依次相连的马达、低压空压机和中间冷却器，其中：中间冷却器的输入端通过补充水箱与回热器相连，输出端与热水能储罐相连。

所述的高压空压机、中压空压机和低压空压机依次相连，低压空压机的输出端通过离合器与带马达发电机相连。

技术效果

本发明通过释能时对工作空气进行加湿，并用汽轮机出口高温排气加热湿空气。加湿压缩空气储能系统也利用了压缩过程中的压缩热；通过加湿压缩空气储能系统增强了现有压缩空气储能系统的回热，并可使压缩机中空气流量减小，减小储气室的体积，同时可以降低燃烧室温度，使氮氧化物的排放量减少。加湿压缩空气储能系统利用压缩过程中的压缩热，提高了系统效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：离岸风力涡轮机1、第一马达2、高压空压机3、第二马达4、中压空压机5、低压空压机6、第三马达7、离合器8、第一发电机9、高压气轮机10、第一燃烧室11、低压汽轮机12、第二发电机13、回热器14、烟囱15、第二燃烧室16、饱和器17、泵18、第一中间冷却器19、第二中间冷却器20、后冷器21、热水能储罐22、洞穴23、补充水箱24；

图2为发电功率随排气质量流量的变化情况示意图；

图3为发电功率随环境空气温度的变化情况示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统，包括：分别并联设置于离岸风力涡轮机1的输出端的高压、中压和低压支路，以及依次相连的第一发电机9、高压气轮机10、第一燃烧室11、低压汽轮机12和回热器14，其中：高压、中压和低压支路的输出端分别与热水能储罐22和饱和器17相连，饱和器17与回热器14相连，回热器14通过补充水箱24与高压、中压和低压支路相连。

所述的高压气轮机10和低压汽轮机12之间设有第一燃烧室11，该第一燃烧室11中产生的气体驱动低压汽轮机12旋转，并进一步驱动第二发电机13发电。

所述的饱和器17用于增加空气中的水蒸气含量，水蒸气在进入第二燃烧室16之前会被回热器14中的涡轮废气加热，通过这种方式回收废气热量，在不增加燃料的情况下，通过膨胀机汽轮机10的单位质量流量的能量最多可增加30％，从而直接提高效率。由于加湿不需要进一步压缩，因此可直接提高效率。同时，燃烧温度降低，从而减少了氮氧化物的形成。

所述的回热器14的输出端通过第二燃烧室16与高压气轮机10相连，回热器14的输出端另外设有烟囱15，回热器14中产生的废气由烟囱15排到外界环境中；回热器14中产生的废水由泵18排到补充水箱24，再进一步循环到后冷器21、第二中间冷却器20和第一中间冷却器19中被循环利用。

所述的回热器14通过涡轮废气加热水蒸气，在不增加燃料的情况下，通过膨胀机汽轮机10的单位质量流量的能量最多可增加30％，从而直接提高效率。同时，燃烧温度降低，从而减少了氮氧化物的形成。

所述的高压支路包括：依次相连的第一马达2、高压空压机3和后冷器21，其中：后冷器21的输入端通过补充水箱24与回热器14相连，输出端与热水能储罐22相连。

所述的中压支路包括：依次相连的第二马达4、中压空压机5和第二中间冷却器20，其中：第二中间冷却器20的输入端通过补充水箱24与回热器14相连，输出端与热水能储罐22相连。

所述的低压支路包括：依次相连的第三马达7、低压空压机6和第一中间冷却器19，其中：第一中间冷却器19的输入端通过补充水箱24与回热器14相连，输出端与热水能储罐22相连。

所述的高压空压机3、中压空压机5和低压空压机6依次相连，低压空压机6的输出端通过离合器8与第一发电机9相连。

所述的第一至第三马达2、4、7利用相对廉价的非峰值风电能分别驱动高压空压机3、中压空压机5和低压空压机6；通过第一和第二中间冷却器19、20以及后冷器21降低离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的压缩负荷，还能为加湿压缩空气储能系统提供产生水蒸气所需的热量。压缩机将高压空气泵入地下气库23(盐穹顶、多孔介质或硬岩)，膨胀机部分断开离合器8的连接，发电厂使用来自电网的外部电力。

所述的储能系统在储能时压缩空气产生热量，压缩热储存在热水能储罐22的热水中，释放能量时，储存压缩热的热水与压缩空气在饱和器17中混合，一部分蒸气与空气混合后进入回热器14和第二燃烧室16，另一部分水重新进入冷却水循环经泵18送至补充水箱24。由于本实施例回收了空气压缩过程中的压缩热，且水蒸气能够提高混合物的比热容，在燃烧室和回热器中能更好的吸收热量。

当电网需要电力时，通过关闭离合器8将膨胀机连接到第一发电机9上，第一发电机9充当发电机发电。

由于离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统具有双重用途(调峰发电和储能)，有两种不同质量的能源输入(分别是充放电阶段的电能和燃料)，因此离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的评估标准与常规发电站不同。对现有燃气轮机和离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的保守估计显示，离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的成本比燃气轮机每月每千瓦便宜30元。1000兆瓦的发电量每年可为电力系统节省36，000万元。离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的其他公用事业优势还包括负荷均衡的灵活性：灵活周转储备能力、减少火电机组的启动、停止和负荷循环。

离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统利用增加水分含量来提高汽轮机的质量流量，从而消除了现有联合循环系统的蒸汽触底循环，减少了整个系统的复杂性、并大大降低了运行和维护成本。在部分负荷时，离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的运行不会产生明显的热效率损失。与其他概念相比，离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的问题明显较少，特别是它可以无需仔细匹配汽轮机和压缩机，因为它们并不直接相连。

经过具体实际实验，在现有的和新发明的两种压缩空气储能系统的具体环境设置下，以排放空气质量流量和环境温度参数运行上述装置，能够得到的实验数据是：两种压缩空气储能系统的发电功率。经MATLAB仿真分析，该分析旨在研究排出空气的质量流量、环境温度的变化对两种不同压缩空气储能系统性能参数的影响。

如图2所示，为离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的发电功率随排放空气质量流量的变化以及现有压缩空气储能系统的发电功率随排出空气质量流量的变化情况。当排出空气质量流量增加时，两个系统的发电功率也随之增加。我们注意到，离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的发电功率较高。

如图3所示，为离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的发电功率随环境空气温度的变化以及现有压缩空气储能系统的发电功率随环境空气温度的变化情况。当环境空气温度升高时，两个系统的发电功率都会降低。我们注意到离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的发电功率更高。

与现有技术相比，本装置离岸风力涡轮机加湿压缩空气储能系统的性能优于现有压缩空气储能系统。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。