一種用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的製作方法

2023-06-01 22:06:11 1

本發明屬於液體活塞技術領域和壓縮空氣儲能技術領域，尤其涉及一種用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置。

背景技術：

隨著電力系統的發展，儲能技術對電網的穩定性和經濟性起到越來越重要的作用。同時，儲能技術輔助新能源發電，能有效解決新能源波動性、間歇性、隨機性等問題，使之形成持續穩定的能量輸出。然而現有的大容量儲能技術只有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能有對地理環境要求苛刻，建設周期長等等缺點；而壓縮空氣儲能則沒有這些方面的限制。

但傳統壓縮空氣儲能技術存在一定的局限性，主要缺點是通常與燃氣輪機配合，需要消耗燃氣，產生環境汙染，易洩漏，能量密度低，且空氣壓縮、膨脹時，溫度變化劇烈，對設備的傷害較大，造成檢修成本高。

雖然近年來液體活塞技術已經用於壓縮空氣儲能中來，解決了對環境汙染的問題，但空氣壓縮/膨脹過程多為絕熱或者自由膨脹過程，溫度變化劇烈，產生熱量不易保存，壓縮空氣勢能利用不完全，儲能利用效率低。

國內外現有的液體活塞中，每個活塞腔都由單一高壓容器組成，無蓄液單元部分設計，更無腔內溫控單元。其弊端在於氣體縮放過程多為絕熱、自由膨脹過程，使得壓縮空氣釋放能量效率低。

技術實現要素：

針對傳統壓縮空氣儲能的壓縮過程中存在熱量損失和膨脹時低溫導致壓強下降能量損耗大的問題，本發明提出了一種用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置，包括：壓力容器與低壓氣體管道和高壓氣體管道相連，壓力容器底部與液壓勢能轉換裝置相連，壓力容器腔內設置有促進氣液熱交換的填料或塔板或混合採用填料和塔板，壓力容器上方設置液體分布器，控溫液體注入裝置兩端分別與壓力容器上部和下部連接。

所述裝置有氣體儲能和釋能兩種工作方式：

所述氣體儲能工作方式是指，壓力容器內預置低壓氣體，各個氣體管道封閉，液壓勢能轉換裝置用外部能量將液體送入該壓力容器內，對氣體進行壓縮，氣體壓縮完成後送入高壓氣體管道；

所述氣體釋能工作方式是指，在釋能時，通過高壓氣體管道將高壓空氣送入壓力容器內部，氣體膨脹驅動液體通過液壓勢能轉換裝置對外做功，完成後氣體送入低壓氣體管道。

所述裝置的控溫過程為：

氣體壓縮儲能與膨脹釋能過程中，控溫液體注入裝置將控溫液體送入壓力容器上部，控溫液體通過液體分布器在容器內均勻分布後從容器上部流下，氣體與液體直接接觸進行熱交換；採用塔板和填料來劃分氣體和液體流經途徑，液體流經填料時在填料間形成液膜，塔板延緩氣體的流動，延長了氣體的流通路徑，同時塔板上可保留一定高度的液層，氣體通過塔板上設置的篩孔、浮閥或泡罩，穿過塔板上的液層，增大了液體與氣體的接觸面積和接觸時間，利用液體控制氣體體積變化時溫度波動，實現近似的等溫過程。

所述高壓氣體管道與壓力容器有兩種連接方式：

一種方式為高壓氣體管道只連接在壓力容器頂部，同時作為高壓氣體出氣口和入氣口，通過強制液體循環實現氣體溫度控制，即控溫液體注入裝置從壓力容器上方注入液體，液體分布器使液體均勻流下，氣體通過塔板、填料的作用與液體充分進行熱交換；

另一種方式為高壓氣體管道分別連接壓力容器的頂部和底部，頂部為高壓出氣口，底部為高壓入氣口，氣體膨脹過程中，高壓氣體從底部高壓入氣口送入壓力容器，在氣體膨脹逐漸上升的過程中，首先與壓力容器中已有液體進行熱量交換，底部塔板一定程度上阻擋了氣體的上升，增加了氣液接觸面積和接觸時間，使氣體充分與底部液體進行熱交換，當壓力容器上部氣體積累到一定量後，再採用強制液體循環方式對液體進行控溫，同時將液體送至液壓勢能轉換裝置做功，膨脹結束後，氣體從低壓氣體管道排出。

所述壓力容器採用三種控溫技術，包括：單純採用填料塔技術，單純採用板式塔技術，混合採用填料塔和板式塔技術，來增加液體和氣體的接觸面積，控制液體和氣體流動方向，促進兩者充分接觸混合，實現氣體與液體間的高速熱質交換，利用液體比熱大的特點實現氣體變化近似等溫的過程。

所述填料塔技術是指容器內採用填料對容器空間進行填充，液體通過液體分布器在容器內均勻分布後從容器上部流下，流經填料時，在填料表面形成液膜，增大了氣體與液體的接觸面積，提高熱質交換效率。

所述板式塔技術是指容器內設置塔板，在塔板設置篩孔或浮閥或泡罩，並且在塔板設置有溢流堰、降液管，其中溢流堰使塔板能保持一定厚度的液層；氣體在氣壓差的作用下穿過篩孔與液層充分進行熱量交換，或氣體通過齒縫進入液層，被泡罩或浮閥分散成許多細小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層，為氣液兩相的傳熱和傳質提供大量的界面；液體通過塔板橫向流動，氣體通過篩孔或齒縫縱向流動，氣體和液體通過不同的路徑流動，增加了接觸面積和接觸時間，從而實現快速熱質交換。

所述混合採用填料塔和板式塔技術是指在壓力容器上部填充填料，下部設置塔板；氣體壓縮膨脹時集中在壓力容器上部，控溫液體在填料中形成液膜，促進氣液進行充分熱交換；壓力容器下部塔板的一定程度上減緩了氣體的流動，使氣體流動的距離變長，提高了換熱效率。

所述控溫液體注入裝置一端直接連入液體分布器，另一端連接壓力容器下部的液體或合適壓強的液體源，液體從壓力容器上部送入，通過液體分布器均勻流下，在儲能、釋能過程中為氣體控溫，以實現近似的等溫變化過程，包括以下兩種實現方式：

利用水泵或者液壓活塞實現壓力容器內部液體自循環，克服容器內液面到容器上部的高度差所導致的液體壓強差做功，將下部液體抽至上部，對氣體溫度進行控制；

利用水泵或者液壓活塞通過外部能量做功將外部合適的水源抽入壓力容器上部；

所述控溫液體注入裝置也可省去，直接採用液壓勢能轉換裝置通過外部能量做功直接將外部低壓液體抽入壓力容器上部。

所述液壓勢能轉換裝置包括水力設備，水力設備連接外部水源，水力設備可以為液壓活塞機構、各種抽蓄髮電機組、水泵水輪發電機組或液壓馬達，液壓活塞機構包括液壓活塞組及其控制運行的液壓控制機構，液壓控制機構包括直線電機、曲柄電機、電動液壓伺服機構。

所述液體分布器的上方增設附加控溫裝置，可在液體分布器上方增設噴頭對上方氣體噴淋液體以控制溫度，或增設管道，管道一端靠近容器頂部，另一端位於液體分布器的下方，液體在液體分布器上方形成一定高度的液層，以減少液體分布器上方的氣體體積，氣體則通過增設的管道送出到高壓出氣口和低壓出氣口。

所述裝置在壓力容器下部設置內部蓄氣單元或在壓力容器外部設置蓄氣緩衝裝置；膨脹前氣體應預先送入蓄氣單元或蓄氣緩衝裝置，當採用蓄氣單元時，氣體體積增大，從蓄氣單元溢出，實現熱質交換；當採用蓄氣緩衝裝置時，膨脹前應打開連接壓力容器的管道的閥門，氣體注入壓力容器，同時液體驅動液壓釋能轉換單元進行做功，做功的同時在壓力容器內實現氣體與液體的快速熱質交換。

所述壓力容器採用成對或多個壓力容器成組運行來提高效率，即兩個壓力容器的頂部分別與高壓氣體管道和低壓氣體管道相連，兩個壓力容器的底部與高壓氣體管道相連，兩個壓力容器之間通過液壓勢能轉換裝置連接；初始時刻，兩個壓力容器中必有一個壓力容器內充滿液體，另外一個壓力容器內只有少量液體。

本發明的有益效益包括以下幾個方面：

(1)本發明對傳統壓縮空氣儲能技術進行改造，以液體為介質對空氣進行壓縮和釋放，減少了損耗。同時利用液體比熱容大的特點，穩定氣體溫度變化，提高了壓縮空氣中能量的利用效率。穩定氣體溫度變化解決了氣體縮放時劇烈溫度變化對設備的損壞和危害，同時也降低了對儲能設備硬體要求。

(2)本發明在壓力容器中加入了填料和塔板技術，促進了氣體和液體進行充分的熱交換，有利於控溫，實現等溫縮放，提高能量利用效率。

(3)本發明採用液體活塞，可以通過液體勢能裝換裝置實現液體勢能和其他形式的能之間的轉化。

(4)本發明可以就地安裝，不需要特定的地理條件，降低了建設成本和難度。

附圖說明

圖1是用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的實施例一；

圖2是用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的實施例二；

圖3是用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的實施例三，壓力容器下部設置有蓄氣緩衝裝置；

圖4是用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的實施例四，在圖2高壓氣體管道連接方式下，採用壓力容器成對運行方式；

圖5為用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置的實施例五，直接採用液壓勢能轉換裝置將控溫液體送入壓力容器上部；

圖6a～c分別是腔內單純採用填料塔結構、腔內單純採用平板塔結構、腔內採用填料和平板混合結構的示意圖；

圖7a～b分別是帶有降液管的平板透視圖和平板塔剖面圖；

圖8a～b分別是不帶有降液管的平板透視圖和平板塔剖面圖；

圖9a為液體分布器上部設置額外噴淋裝置的示意圖；

圖9b為液體分布器上部設置溢流管道裝置的示意圖。

圖中標號：

1-高壓氣體埠，2-低壓氣體埠，3～14-液體埠，15～24、48～51～53-閥門，25～26-壓力容器，27～28-填料，29～30-平板，31～32-水泵，33-開孔，34-溢流閥，35-降液管，36-液壓勢能轉換裝置，37～42-液體管道，43～44-高壓氣體管道，45低壓氣體管道，46～47-液體分布器，54-噴頭，55-蓄氣緩衝裝置，56-溢流管道。

具體實施方式

下面結合附圖，對實施例作詳細說明。

圖1和圖2是用於等溫壓縮空氣儲能的內控溫液體活塞裝置高壓管道的兩種連接方式。壓力容器25與高壓氣體管道1、低壓氣體管道2、液壓勢能轉換裝置36相連，控溫液體注入裝置31兩端分別連接壓力容器的頂部和底部，液壓勢能轉換裝置36連接到外部水源；壓力容器從上到下一次設置有液體分布器46、填料27、塔板29。

圖1所示高壓氣體管道連接方式為：高壓氣體管道只連接在壓力容器頂部，同時作為高壓氣體出氣口和入氣口。

其壓縮過程為：初始狀態壓力容器25中充滿液體，所有閥門均關閉；打開閥門16、21，從低壓氣體管道45送入低壓氣體，將壓力容器25內的液體通過液壓勢能轉換裝置36排出到外部水源，此時液體驅動液壓勢能轉換裝置對外做功；壓力容器中送入所需進行壓縮的氣體後，關閉閥門16，液壓勢能轉換裝置36將外部水源中的液體送入壓力容器25中，壓縮氣體；同時，打開閥門19，控溫液體注入裝置31將壓力容器底部部分液體抽到頂部，該液體經液體分布器46後從壓力容器頂部均勻流下，與壓縮的氣體直接對撞進行熱交換，液體通過填料時，在填料間形成液膜，增大了氣液接觸面積，塔板減緩了氣體上升、液體流下的速率，塔板上的溢流堰使得流下的液體在塔板上形成有一定高度的液層，氣體體積減小的過程中，氣體穿過塔板上的篩孔與液層進行充分熱交換；壓縮結束後，關閉閥門19，打開閥門15，液壓勢能轉換裝置向壓力容器中注入液體，將壓縮氣體送入高壓氣體管道44。

其膨脹過程為：初始狀態壓力容器25中充滿液體，所有閥門關閉；打開閥門15、21，從高壓氣體管道44向壓力容器中送入高壓氣體，送入一定氣體後關閉閥門15；氣體在壓力容器中膨脹，推動液體通過液體管道9、39驅動液壓勢能轉換裝置對外做功，液體排出到外部水源；氣體膨脹的同時，控溫液體注入裝置31不斷將壓力容器底部液體送入頂部，對氣體進行控溫；氣體膨脹過程結束後，打開閥門16，液壓勢能轉換裝置向壓力容器中注入液體將氣體送出到低壓氣體管道45。

控溫液體注入裝置的一端連接壓力容器頂部，另一端可以連接壓力容器底部，也可以連接其他合適的水源，控溫時將其他合適水源中的液體送入壓力容器上部。

圖2所示高壓氣體管道連接方式為：高壓氣體管道分別連接壓力容器的頂部和底部，頂部為高壓出氣口，底部為高壓入氣口。與圖1所示連接方式的運作不同之處在於其膨脹過程：氣體從壓力容器底部送入，先經過壓力容器底部液體進行熱交換，壓力容器下部塔板阻礙了氣體的上升，使氣體能充分與液體進行熱交換；高壓氣體在壓力容器25中膨脹做功，使壓力容器25中液體自液體埠9流出；當壓力容器頂部積累一定量氣體後，控溫液體注入裝置將壓力容器底部的液體通過液體管道41、37送入壓力容器頂部，液體經液體分布器46後從壓力容器頂部均勻流下，與膨脹的氣體直接對撞進行熱交換，同時液體通過填料時，在填料間形成液膜，增大了氣液接觸面積；氣體膨脹結束後，打開閥門16，將氣體送入低壓氣體管道45。

圖3為在壓力容器高壓入氣口設置蓄氣緩衝單元的示意圖。氣體膨脹時，初始狀態所有閥門關閉，壓力容器25中充滿液體，蓄氣緩衝裝置55中充滿高壓氣體；打開閥門20，氣體溢出到壓力容器25中，當液體充滿蓄氣緩衝裝置後，關閉閥門20，打開閥門21，氣體在壓力容器25中膨脹釋能；打開閥門52、53，向蓄氣緩衝裝置中送入高壓氣體，將液體排出到外部水源中。

圖4所示為壓力容器成對運行的示意圖。高壓氣體管道分別連接壓力容器頂部和底部，頂部為高壓出氣口，底部為高壓入氣口。

液壓勢能轉換裝置36採用雙向水泵實現。當需要向壓力容器25內注入液體時，有兩種實現方案：一種方案為，打開閥門21、24、49，關閉閥門48、50、51，水泵將液體從壓力容器26送入壓力容器25中；另一種方案為，打開閥門21、49、51，關閉閥門24、48、50，水泵將液體從外部水源送入壓力容器25中。當需要將液體從壓力容器25中排出時，有三種方案：一種方案為，打開閥門21、24、48，關閉閥門49、50、51，水泵將液體從壓力容器25送入壓力容器26中；一種方案為，打開閥門21、48、51，關閉閥門24、49、50，液體驅動水泵對外做功，同時將液體從壓力容器25排出到外部水源中；一種方案為，打開閥門21、50，直接將壓力容器25中的液體排出到外部水源，此時沒有做功過程。

圖4所示的成對運行方式下氣體膨脹做功過程為：初始狀態為，壓力容器25充滿液體，壓力容器26隻有少量的液體，閥門15、16、17、22、23、49、50、51關閉，閥門18、19、20、21、24、48開啟，適量的高壓氣體通過高壓氣體管道43進入壓力容器25中，關閉閥門20，高壓氣體在壓力容器25中膨脹做功，使壓力容器25中液體自液體埠9流出，由於壓力容器26與低壓氣體管道連接，液體埠9和10之間形成了勢能差，為液體勢能轉換單元36提供原動力，將液體勢能轉換成其他形式的能量，同時將液體送入壓力容器26中，將壓力容器26中的低壓氣體送入低壓氣體管道45，壓力容器25中的液體減少。在氣體膨脹過程中，控溫液體注入裝置31不斷地將液體抽至壓力容器25上部，並噴淋下來。填料27表面所形成的液膜增大了氣液熱交換面積，塔板29上形成的液層與空氣進行熱交換，從而控制氣體膨脹過程中溫度穩定。膨脹做功階段結束時，壓力容器25內只有少量液體，壓力容器26內充滿液體。閥門18、19關閉，閥門16、22、23開啟。適量的高壓氣體由高壓氣體管道43進入壓力容器26中，然後閥門23關閉。氣體在壓力容器26中的膨脹過程與上述壓力容器25內氣體膨脹過程相同。如此反覆可以將壓縮空氣中的能量完全釋放。

圖4所示的成對運行方式下氣體壓縮儲能的過程為：初始狀態為，壓力容器25內預置一定體積的低壓氣體，壓力容器26內充滿液體。閥門15、16、17、20、22、23、48、50、51關閉，閥門18、19、21、24、49開啟。液壓勢能轉換裝置36做功將壓力容器26內的液體通過液體管道39、40抽至壓力容器25中，壓力容器25內的液面逐漸上升，氣壓逐漸升高，當壓力容器25內的氣壓大於高壓氣體管道44中的氣壓時，打開閥門15，將高壓氣體送入高壓氣體管道44中。在氣體壓縮過程中，控溫液體注入裝置31不斷地將液體抽至壓力容器25上部，並噴淋下來，液體在填料27表面所形成的液膜增大了氣液熱交換面積，在塔板29上形成液層與空氣進行熱交換，從而控制氣體膨脹過程中溫度穩定。高壓氣體送入到高壓氣體管道44中後，壓力容器25中充滿液體，壓力容器26中只有少量的液體，低壓氣體被抽入壓力容器26內，關閉閥門15、18、19、49，閥門16、22、48開啟，液壓勢能轉換裝置36將壓力容器25中的液體抽到壓力容器26中對壓力容器26內的低壓氣體進行壓縮，過程與上述相同。如此反覆可以將其他形式的能量不斷地轉換成壓縮空氣的勢能儲存起來。

圖5為壓力容器成對運行的另一種方式。控溫液體注入裝置31可以將壓力容器26中的液體或其他合適水源中的液體送入壓力容器25頂部，也可以直接採用液壓勢能轉換裝置通過外部能量做功將合適水源中液體抽入壓力容器上部，如圖4所示。以壓力容器25為例，膨脹過程中，氣體在壓力容器25中膨脹，將液體通過管道39、38及液壓勢能轉換裝置36(a)送入壓力容器26中，液壓勢能轉換裝置36(b)則將壓力容器26中的液體送入壓力容器25頂部，對氣體進行溫度控制；壓縮過程中，液壓勢能轉換裝置36(b)直接將壓力容器26中的液體送入壓力容器25頂部，該液體既起到控溫作用，也起到壓縮氣體的作用。

圖6a、6b、6c分別是腔內單純採用填料塔結構、單純採用塔板結構、採用填料和塔板混合結構的示意圖。

圖7a、7b、8a、8b表現的是塔板的2種實現形式：帶有降液管35和不帶有降液管。溢流堰34能使塔板上形成液層，氣體從開孔33向上流動，形成強烈的熱質交換。

圖9a為液體分布器上方增設噴頭的示意圖。在壓縮過程中，液體分布器無法對上方氣體進行溫度控制，使得氣體溫度不斷升高，因此採用噴頭54對上方氣體噴射液體進行控溫。

圖9b所述的液體分布器上方的預留體積過大時，應當在液體分布器的上方增設溢流管道56，溢流管道一端靠近容器頂部，一端位於液體分布器的下方。控溫液體在液體分布器上方形成液層，使上方的氣體通過溢流管道擠壓到液體分布器下部，從而進行控溫；壓縮膨脹過程結束後，氣體通過溢流管道送入低/高壓出氣口。

此實施例僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。