CN117318315B - 一种基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能装置及方法，包括高压储气仓、发电尾水仓、水轮发电机、至少两组循环回路；一组循环回路的结构包括水气循环仓、气体余压储存仓和供水仓，高压储气仓通过高压气管连接水气循环仓；水气循环仓与气体余压储存仓、供水仓分别通过管路连接，其中，水气循环仓与供水仓分别通过上部的平衡气管和下部的循环补水管两路连接，循环补水管上并联液体活塞压缩机；水气循环仓底部通过高压水管连至水轮发电机；供水仓底部与发电尾水仓侧壁通过管路连接；水轮发电机的尾水排至发电尾水仓。本发明采用多级水循环绝热抽水压缩空气储能，通过多组循环回路交替工作，实现少量水的多级循环储能及发电过程。

Description

一种基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能装置及方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种基于多级水循环绝热抽水压缩空气储能装置及方法。

背景技术

随着经济技术的发展，近年来大规模的新能源发电技术已得到大面积推广普及应用，而面对大规模新能源并网可能带来的电网运行稳定性问题，储能系统具有调节速率快，容量配置灵活等特点，能够提高电能质量，促进能源转型，提高电力系统的稳定性等优点，在电力行业得到了广泛的推广和应用。

目前在大规模储能方面，抽水蓄能电站作为该领域的最主要储能方式。但抽水蓄能电站对存在地形要求严苛，工程建设周期长，每千瓦投资相对其他储能方式较高等问题，限制了本技术的发展。

电化学储能作为储能的另一个主流技术，在实践中亦有较好的推广应用，但受电池技术的影响以及报废电池产生的污染问题等，制约了该技术的发展，目前该技术主要应用于小规模储能。

压缩空气储能，从储能系统的输出功率、效率、寿命、运行成本、存储周期等方面综合考虑，压缩空气储能是适用于大规模系统运行的储能技术之一，可用于电力系统调频调峰、能量管理、备用等领域。该技术受温度控制要求高、能量转化效率低等因素制约，制约其技术的推广。

飞轮储能是一种机械储能方式，利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。飞轮系统运行于真空度较高的环境中，其特点是没有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能质量保障。飞轮蓄能的缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势，目前主要应用于为蓄电池系统作补充。

发明内容

本方面的目的是提供一种基于多级水循环绝热抽水压缩空气储能装置及方法，该装置以压缩空气作为储能介质，以水作为能量传输介质，通过多级水循环实现储能和发电过程，为稳定高效低成本的大规模储能提供一种新的技术。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能装置，包括高压储气仓、发电尾水仓、水轮发电机、至少两组循环回路；

一组循环回路的结构包括水气循环仓、气体余压储存仓和供水仓，所述高压储气仓通过高压气管连接水气循环仓；

所述水气循环仓与气体余压储存仓、供水仓分别通过管路连接，其中，水气循环仓与供水仓分别通过上部的平衡气管和下部的循环补水管两路连接，平衡气管为气体流通管路，循环补水管为水体流通管路，循环补水管上并联液体活塞压缩机，供水仓底部高程高于水气循环仓；所述供水仓上设有供水仓排气口，所述水气循环仓上设有水气循环仓排气口，水气循环仓底部通过高压水管连至水轮发电机；

所述供水仓底部与发电尾水仓侧壁通过管路连接；各气体、水体管路上均设有阀门；

每组循环回路的结构相同；

所述水轮发电机的尾水排至发电尾水仓。

作为一种优选的实施方式，所述发电尾水仓为开敞式结构，发电尾水仓底部高程高于各循环回路的供水仓。发电尾水仓为开敞式结构，与大气连通，通过管道与水轮发电机相连，便于水轮发电机尾水进入其中，其主要功能是临时存储发电尾水，并及时向供水仓补水，尾水仓整体高于供水仓，可通过重力驱动实现向供水仓供水。

作为一种优选的实施方式，所述水气循环仓、供水仓为刚性封闭仓；水气循环仓设有保温层。进一步的，水气循环仓可采用压力罐体和保温层复合制作，其主体材质可为钢材、玻璃钢等刚强度材料。供水仓工作压力较低，可采用PVC或其他材质制作，无需设置保温层。

作为一种优选的实施方式，所述高压储气仓、气体余压储存仓为柔性保温材质，或带有保温层的刚性罐体。进一步的，高压储气仓、气体余压储存仓采用柔性保温材质时，仓体由内向外分别为内保温层、密封层、多层高强度纤维层(碳纤维、凯夫拉纤维等)、外保温层和钢筋网保护层组成。采用压力罐体结构时，其罐体材质可采用钢材，内外分别布设保温层。

作为一种优选的实施方式，所述高压储气仓的工作压力范围为3MPa-8MPa；所述水气循环仓的工作压力范围为0.1MPa-8MPa；所述气体余压储存仓的最大承受压力≥4Mpa。通常的，气体余压储存仓的工作压力范围在0.1MPa-4MPa(最大压力取决于系统运行过程的气体压力工作范围)。

作为一种优选的实施方式，所述气体余压储存仓的容积为高压储气仓的0.5-1.0倍；所述供水仓体积为水气循环仓的1.2-1.5倍。

气体余压储存仓的功能主要是存储水气循环仓中剩余气体余压，同时在储能阶段将其中的余压注入到水气循环仓，提高储能过程中起始气体压力

作为一种优选的实施方式，所述高压储气仓为单个仓体，或由多个仓体并联组成；多个仓体并联时，每个仓体单独设置常开阀门，当某个仓体出现故障时，可关闭阀门进行维修和更换，不影响整体系统工作。

作为一种优选的实施方式，在装置中包含的高压水管、供水仓补水管以及循环补水管内部涂装疏水材料，以降低水流的沿程损失，进一步减少能量转化过程中的能耗。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置进行储能的方法，包括：

储能开始前，所有阀门处于关闭状态，高压储气仓、每个循环回路的气体余压储存仓的初始压力相等且等于高压储气仓的最低工作压力，其他结构内部气体压力为一个大气压，每个循环回路的水气循环仓交替呈无水、充满常压水的状态；

(1)对第一组循环回路执行水气循环仓注水储能操作：通过阀门启闭操作，使第一组循环回路的气体余压储存仓中的气体注入水气循环仓中直至水气循环仓中水被完全排出；之后通过液体活塞压缩机做功将供水仓中的水经循环补水管加压注入水气循环仓，直至水气循环仓中注满水，同时水气循环仓中的空气被压缩进入高压储气仓；

同步的，对第二组循环回路执行水气循环仓排水操作：通过阀门启闭操作，利用第二组循环回路的气体余压储存仓中的高压气体将水气循环仓中的水经循环补水管压入供水仓，直至水气循环仓中的水完全排出；

(2)完成注水、排水操作后，

对第二循环回路执行水气循环仓注水储能操作，对第一循环回路执行水气循环仓排水操作；

(3)重复(1)-(2)实现多级水循环条件下的压缩空气储能；

当循环回路超过两组时，按照第一组、第二组循环回路的操作方式对后续的循环回路按顺序循环执行操作。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置进行发电的方法，包括：

发电开始前，所有阀门处于关闭状态，高压储气仓中气体压力为最高压力，两个气体余压储存仓中初始压力为标准大气压，每个循环回路的水气循环仓交替呈充满水、无水的状态，对应的供水仓交替呈少量水、充满水的状态；

(1)对第一组循环回路执行排水发电及余压储存操作：通过阀门启闭操作，将高压储气仓中的气体注入第一组循环回路的水气循环仓，驱动水气循环仓中的水推动水轮发电机发电，直至水气循环仓中的水完全排出，发电后的无压尾水进入发电尾水仓，之后将水气循环仓中剩余的气压储存至气体余压储存仓；

同步的，对第二组循环回路执行水气循环仓补水操作：通过阀门启闭操作，利用液位高度差产生的重力势能将第二组循环回路的供水仓中的水经循环补水管补充至水气循环仓，直至完成补水；水气循环仓内压力超过一个大气压时，先通过平衡气管平衡水气循环仓和供水仓中的气压，之后重力势能与压差将供水仓中的水经循环补水管补充至水气循环仓；

(2)对第二组循环回路执行排水发电及余压储存操作；，通过阀门启闭操作，将高压储气仓1中的高压气体注入水气循环仓Ⅱ，推动水气循环仓Ⅱ中的水驱动水轮发电机发电；

同步的，对第一组循环回路执行供水仓补水操作：利用供水仓排气阀平衡供水仓内外气压后，通过发电尾水仓对供水仓补水至设计水位；

(3)对第一组循环回路执行水气循环仓补水操作；

同步的，对第二组循环回路执行供水仓补水操作；

(4)重复(1)-(3)实现多级水循环条件下的发电过程；

当循环回路超过两组时，按照第一组、第二组循环回路的操作方式对后续的循环回路按顺序循环执行操作。

作为一种优选的实施方式，当水气循环仓中水被排出预设体积后高压储气仓停止供气，利用水气循环仓中气体的余压继续驱动水体发电，直至水气循环仓中的水完全排出。

本发明中，通过电力驱动多组液体活塞压缩机依次交替将供水仓中的水加压送至水气循环仓，将水气循环仓中空气挤压至高压储气仓，当第一组液体活塞压缩机完成将水气循环仓中空气完全压缩至高压储气仓后，通过阀门控制打开第二组液体活塞压缩机完成同第一组液体活塞压缩机同样的工作，同步通过阀门控制利用气体余压储存仓中的气压将第一组水气循环仓中水体送至第一组供水仓，同时第一组水气循环仓完成气体的注入。两组或多组装置交替，实现水多级循环条件下将电能转化为压缩空气的弹性势能和内能的过程。发电时，水气循环仓中初始充满水，通过阀门控制使高压储气仓中的高温高压气体依次交替进入水气循环仓，驱动其中的水气循环仓中的水经过高压水管进入水轮机发电，当第一组水气循环仓中水被排出后，切换阀门开闭，高压储气仓中的高温高压空气进入第二组水气循环仓，驱动其中的水继续发电，同步的第一组水气循环仓中的气体余压存储至气体余压储存仓后，关闭余压储存仓气阀，并通过平衡气阀利用水气循环仓中的剩余气压驱动供水仓中的水进入水气循环仓，将第一组水气循环仓注满水，此时第二组水气循环仓中的水已被全部排出，重新切换阀门开闭，进行循环动作，在此期间不断的将发电尾水仓中的水补充给供水仓，完成水多级循环条件下的发电过程。

本发明采用多级水循环方式进行抽水压缩空气的储能和发电，通过多组水气循环仓、补水仓的循环交替工作，实现少量水的多级循环储能及发电过程，大大减少了系统运转过程中的对水量的需求，从而较少了储存大量水所需要的建设成本及占地面积。同时系统采用绝热压缩方式进行储能，通过多级循环，在储能和发电阶段，大大减少高温高压气体与水体接触时间，且高压储气仓和气体余压储存仓均采用强隔热保温处理，极大的降低了空气和水、压缩空气和外界之间的热交换，压缩空气所产生的热量极少的耗散，可基本满足发电过程中气体膨胀需要的热量补给，且整个过程均在一个封闭的近似绝热空间完成，有效的提高了压缩空气的能量转化效率，实现高效的电能存储和稳定释放。本装置在电能的存储和释放过程中不产生污染，设备对外界环境无特殊要求，可广泛应用到风电、光伏等新能源发电系统的储能装置，亦可为电网进行调节配套。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图：

其中，1.高压储气仓，2.水气循环仓Ⅰ，3.气体余压储存仓Ⅰ，4.高压气阀Ⅰ，5.余压储存仓气阀Ⅰ，6.供水仓Ⅰ，7.平衡气阀Ⅰ，8.平衡气管Ⅰ，9.循环补水阀Ⅰ，10.储能通道阀Ⅰ，11.循环补水管Ⅰ，12.水气循环仓排气口Ⅰ，13.水气循环仓排气阀Ⅰ，14.供水仓排气口Ⅰ，15.供水仓排气阀Ⅰ，16.发电尾水仓，17.水轮发电机，18.液体活塞压缩机Ⅰ，19.供水仓补水阀Ⅰ，20.供水仓补水管Ⅰ，21.高压气管Ⅰ，22.水气循环仓Ⅱ，23.高压气管Ⅱ，24.高压气阀Ⅱ，25.气体余压储存仓Ⅱ，26.余压储存仓气阀Ⅱ，27.发电调压阀Ⅰ，28.发电调压阀Ⅱ，29.高压水管，30.液体活塞压缩机Ⅱ，31.储能通道阀Ⅱ，32.循环补水阀Ⅱ，33.循环补水管Ⅱ，34.供水仓Ⅱ，35.供水仓排气口Ⅱ，36.供水仓排气阀Ⅱ，37.平衡气管Ⅱ，38.水气循环仓排气口Ⅱ，39.水气循环仓排气阀Ⅱ，40.供水仓补水管Ⅱ，41.供水仓补水阀Ⅱ，42.平衡气阀Ⅱ。

图2为储能过程中高压储气仓1中压力变化曲线。

图3为储能过程中高压储气仓1中温度变化曲线。

图4为发电过程中高压储气仓1中压力变化曲线。

图5为发电过程中高压储气仓1中温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例以两组循环回路为例，说明本发明所述装置的结构及运行方式，当有三组以上循环回路时，各循环回路以同样的运行逻辑依次运行。

实施例1

如图1所示的基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能发电装置，包括高压储气仓1、发电尾水仓16、水轮发电机17、第一循环回路和第二循环回路；

所述第一循环回路结构包括水气循环仓I2、气体余压储存仓I3和供水仓I6，所述高压储气仓1通过高压气管I21连接水气循环仓I2，高压气管I21上设有高压气阀I4；

所述水气循环仓I2与气体余压储存仓I3、供水仓I6分别通过管路连接，其中，水气循环仓I2与气体余压储存仓I3的连接管路上设有余压储存仓气阀I5；水气循环仓I2与供水仓I6分别通过上部的平衡气管I8和下部的循环补水管I11两路连接，平衡气管I8为气体流通管路，上设有平衡气阀I7，循环补水管I11为水体流通管路，上设有循环补水阀I9，循环补水阀I9上并联水流管路，水流管路上设有液体活塞压缩机I18和储能通道阀I10，供水仓I6底部高程高于水气循环仓I2；所述供水仓I6上设有供水仓排气口I14，供水仓排气口I14上设有控制供水仓排气口I14启闭的供水仓排气阀Ⅰ15，所述水气循环仓I2上设有水气循环仓排气口I12，水气循环仓排气口I12上设有控制水气循环仓排气口I12启闭的水气循环仓排气阀Ⅰ13，水气循环仓I2底部通过高压水管29连至水轮发电机17，水气循环仓I2与水轮发电机17的连接管路上设有发电调压阀I27。所述供水仓I6底部与发电尾水仓16侧壁通过供水仓补水管I20连接，供水仓补水管I20上设有供水管补水阀I19。

所述第二循环回路结构与第一循环回路相同，包括水气循环仓II22、气体余压储存仓II25和供水仓II34，所述高压储气仓1通过高压气管II23连接水气循环仓II22，高压气管II23上设有高压气阀II24；

所述水气循环仓II22与气体余压储存仓II25、供水仓II34分别通过管路连接，其中，水气循环仓II22与气体余压储存仓II25的连接管路上设有余压储存仓气阀II26；水气循环仓II22与供水仓II34分别通过上部的平衡气管II37和下部的循环补水管II33两路连接，平衡气管II37为气体流通管路，上设有平衡气阀II42，循环补水管II33为水体流通管路，上设有循环补水阀II32，循环补水阀II32上并联水流管路，水流管路上设有液体活塞压缩机II30和储能通道阀II31，供水仓II34底部高程高于水气循环仓II22；所述供水仓II34上设有供水仓排气口II35，供水仓排气口II35上设有控制供水仓排气口II35启闭的供水仓排气阀ⅠI36，所述水气循环仓II22上设有水气循环仓排气口II38，水气循环仓排气口II38上设有控制水气循环仓排气口II38启闭的水气循环仓排气阀II39，水气循环仓II22底部通过高压水管29连至水轮发电机17。水气循环仓II22与水轮发电机17的连接管路上设有发电调压阀II28，所述供水仓II34底部与发电尾水仓16侧壁通过供水仓补水管II40连接，供水仓补水管II40上设有供水管补水阀II41。

所述水轮发电机17的尾水排至发电尾水仓16。

实施例2

本实施例具体阐述实施例1所述装置的储能过程。

储能过程：储能开始前，高压储气仓1、气体余压储存仓Ⅰ3和气体余压储存仓Ⅱ25中初始压力为3MPa，水气循环仓Ⅰ2中无水，内部气体压力为0.1MPa(1个标准大气压)，水气循环仓Ⅱ22中充满常压水；所有阀门处于关闭状态。

首先打开余压储存仓气阀Ⅰ5，将气体余压储存仓Ⅰ3中的高压气体注入水气循环仓Ⅰ2中，两者压力平衡后关闭余压储存仓气阀Ⅰ5，打开储能通道阀Ⅰ10和高压气阀Ⅰ4，同时打开供水仓排气阀Ⅰ15，使供水仓Ⅰ6与大气连通，通过电力驱动液体活塞压缩机Ⅰ18，将供水仓Ⅰ6中水通过循环补水管Ⅰ11经液体活塞压缩机Ⅰ18加压后进入水气循环仓Ⅰ2，使水气循环仓I6中的空气经高压气管Ⅰ21进入高压储气仓1，直至将水气循环仓Ⅰ2完全注满水。

同时打开余压储存仓气阀Ⅱ26、循环补水阀Ⅱ32和供水仓排气阀Ⅱ36，利用气体余压储存仓Ⅱ25中高压气体使水气循环仓Ⅱ22中的水通过循环补水管Ⅱ33进入供水仓Ⅱ34，当水气循环仓Ⅱ22中水被完全排出后关闭循环补水阀Ⅱ32和余压储存仓气阀Ⅱ26。

水气循环仓Ⅰ2注满水和水气循环仓Ⅱ22排水补气同步完成，此时关闭高压气阀Ⅰ4，打开高压气阀Ⅱ24，同时关闭循环补水阀Ⅱ32，打开储能通道阀Ⅱ31和供水仓排气阀Ⅱ36，开启液体活塞压缩机Ⅱ30，将供水仓Ⅱ34中的水加压后送入水气循环仓Ⅱ22中，将水气循环仓Ⅱ22中的空气压缩送至高压储气仓1。

如此循环往复，实现多级水循环条件下的储能工作。

实施例3

本实施例具体阐述实施例1所述装置的发电过程。

发电过程：发电开始前，所有阀门处于关闭状态，高压储气仓1中气体压力为最高压力8MPa，气体余压储存仓Ⅰ3和气体余压储存仓Ⅱ25中初始压力为0.1MPa(1个标准大气压)，水气循环仓Ⅰ2中充满水，水气循环仓Ⅱ22中无水，供水仓Ⅰ6中有少量水(供水仓I6体积的1/10左右)，供水仓Ⅱ34中基本注满水。

(1)首先打开高压气阀Ⅰ4和发电调压阀Ⅰ27，高压储气仓1中高压气体经高压气管Ⅰ21进入水气循环仓Ⅰ2，驱动水气循环仓Ⅰ2中水经高压水管29推动水轮发电机17发电，发电后的无压尾水进入发电尾水仓16。当水气循环仓Ⅰ2中水被排出一定体积后关闭高压气阀Ⅰ4，利用水气循环仓Ⅰ2中气体的剩余压力继续发电，直至将水气循环仓Ⅰ2水完全排出。之后打开余压储存仓气阀Ⅰ5，将水气循环仓Ⅰ2中剩余的气压储存到气体余压储存仓Ⅰ3中，当两者气压平衡后，关闭余压储存仓气阀Ⅰ5。

同步打开水气循环仓排气阀Ⅱ39和供水仓排气阀Ⅱ36以及循环补水阀Ⅱ32，利用供水仓Ⅱ34和水气循环仓Ⅱ22之间的高差，在重力作用下将供水仓Ⅱ34中的水补充至水气循环仓Ⅱ22，补水完成后关闭供水仓排气阀Ⅱ36以及循环补水阀Ⅱ32。从第二次循环起，此处打开平衡气阀II42，使水气循环仓II22和供水仓II34中气压平衡，再打开循环补水阀II32和水气循环仓排气阀II39，利用供水仓II34和水气循环仓II22的高度差和供水仓II34中的余压，在重力+余压驱动下，将供水仓II34中的水经循环补水管II33补充给水气循环仓II22直至水气循环仓II22充满水，关闭循环补水阀II32和平衡气阀II42。

(2)水气循环仓Ⅰ2水排出与水气循环仓Ⅱ22的补水同步完成后，打开高压气阀Ⅱ24和发电调压阀Ⅱ28，同时关闭发电调压阀Ⅰ27，利用高压储气仓1中高压气体经高压气管Ⅱ23进入水气循环仓Ⅱ22，驱动水气循环仓Ⅱ22中水进入高压水管29，驱动水轮发电机17发电，发电后的无压尾水进入发电尾水仓16。当水气循环仓II22中水被排出一定体积后关闭高压气阀II24，利用水气循环仓II22中气体的剩余压力继续发电，直至将水气循环仓II22中的水完全排出。之后打开余压储存仓气阀ⅠI26，将水气循环仓II22中剩余的气压储存到气体余压储存仓II25中，当两者气压平衡后，关闭余压储存仓气阀II26。

同步的，打开供水仓排气阀Ⅰ15，将供水仓Ⅰ6中气压降低至一个标准大气压后，打开供水仓补水阀Ⅰ19，使发电尾水仓16中的水在自重作用下经供水仓补水管Ⅰ20进入供水仓Ⅰ6，对供水仓Ⅰ6补水至设计水位后，关闭供水仓排气阀Ⅰ15和供水仓补水阀Ⅰ19。

(3)打开平衡气阀Ⅰ7，使水气循环仓Ⅰ2和供水仓Ⅰ6中气压平衡，再打开循环补水阀Ⅰ9和水气循环仓排气阀Ⅰ13，利用供水仓Ⅰ6和水气循环仓Ⅰ2的高度差和供水仓I6中的余压，在重力+余压驱动下，将供水仓Ⅰ6中的水经循环补水管Ⅰ11补充给水气循环仓Ⅰ2直至水气循环仓Ⅰ2充满水，关闭循环补水阀Ⅰ9和平衡气阀Ⅰ7，实现对水气循环仓Ⅰ2补水，直至水气循环仓Ⅰ2补水结束。

同步的，打开供水仓补水阀II41，使发电尾水仓16中的水在自重作用下经供水仓补水管II40进入供水仓II34，对供水仓II34补水至设计水位后，关闭供水仓排气阀II36和供水仓补水阀ⅠI41。从第二次循环起，此处先同步打开供水仓排气阀Ⅱ36，将供水仓II34中气压降低至一个标准大气压后，再打开供水仓补水阀II41。

(4)如此往复(1)-(3)，实现多级水循环条件下发电过程。

实施例4

以10MW·h储能装置为例，进一步阐述本发明工作过程。

该装置可实现储存10000KW·h的电量，设计储能时长6小时，发电时长4小时。设计水轮发电机17工作的稳定水压力为3MPa，水轮发电机17额定功率为2500KW。高压储气仓1的最高压力为8MPa，气体余压储存仓Ⅰ3和气体余压储存仓Ⅱ25的工作压力范围为0.1MPa-3MPa。

根据空气绝热条件气体状态方程和热力学第一定律，计算得到高压储气仓1中气体由初始的3MPa升高至8MPa，气体压缩比约为2。根据设备储能需求，设计高压储气仓1的容积为1.2万m³。

根据装置运转需求，气体余压储存仓Ⅰ3和气体余压储存仓Ⅱ25的总容积为1.2万m³。高压储气仓1、气体余压储存仓Ⅰ3和气体余压储存仓Ⅱ25的初始温度取20℃。

根据装置运转需求，水气循环仓Ⅰ2和水气循环仓Ⅱ22的容积分别为600m³；供水仓Ⅰ6和供水仓Ⅱ34的容积分别为900m³；发电尾水仓容积为1200m³。

储能过程：

储能初始：水气循环仓Ⅰ2中为无水状态，水气循环仓Ⅱ22为满水状态，供水仓Ⅰ6中初始水量为700m³(预留200m³空腔)，供水仓Ⅱ34中初始水量为100m³(预留)，发电尾水仓保持初始水量300m³。系统运转需要总的水量为1600m³。

储能开始，打开余压储存仓气阀Ⅰ5，将气体余压储存仓Ⅰ3与水气循环仓Ⅰ2连通，达到气体压力平衡。根据公式：

P₁、V₁为气体初始的压力和体积；P₂、V₂为气体最终状态的压力和体积，T为热力学温度，γ为空气气体比热容比，近似取1.4。

初始气体余压储存仓Ⅰ3容积为6000m³，气压为3MPa，温度为20℃；水气循环仓Ⅰ2的容积为600m³，气压为0.1MPa，温度为20℃。

经过计算，打开余压储存仓气阀Ⅰ5，两者压力平衡后，气体余压储存仓Ⅰ3和水气循环仓Ⅰ2中气压变为2.625MPa。

之后关闭余压储存仓气阀Ⅰ5，打开储能通道阀Ⅰ10和高压气阀Ⅰ4，通过电力驱动液体活塞压缩机Ⅰ18将供水仓Ⅰ6中的水加压注入水气循环仓Ⅰ2，将其中体积为600m³，压力为2.625MPa的气体压缩并完全进入高压储气仓1中。压缩结束后，此时高压储气仓1升高至3.192MPa。

依据实施例2中描述方式，对水气循环仓Ⅰ2进行排水，同时切换阀门，对水气循环仓Ⅱ22进行补气排水，补气结束后水气循环仓Ⅱ22的初始压力亦为2.625MPa。之后启动液体活塞压缩机Ⅱ30，将供水仓Ⅱ34中的水加压注入水气循环仓Ⅱ22，实现将水气循环仓Ⅱ22中的气体压缩至高压储气仓1中。压缩结束后，此时高压储气仓1升高至3.396MPa。

依次往复，直至高压储气仓1中气体压力达到8MPa。整个过程中高压储气仓1中压力和温度变化曲线如下图2、3所示。

根据测算，实现储能需要进行45次循环可实现将高压储气仓1中气体压力由初始的3MPa增加至8MPa。若整个储能时长为6小时，则每次循环需要8分钟。

发电过程：

发电初始：水气循环仓Ⅰ2中为满水状态，水气循环仓Ⅱ22为无水状态，供水仓Ⅰ6中初始水量为100m³(预留)，供水仓Ⅱ34中初始水量为700m³(预留200m³空腔)，发电尾水仓保持初始水量300m³。系统运转需要总的水量为1600m³。

高压储气仓1中初始气压为8MPa，假设高压储气仓1中高温高压空气与外界无热量交换，起始温度为160.91℃。

发电开始，打开高压气阀Ⅰ4、发电调压阀Ⅰ27，此时高压储气仓1中的空气经高压气管Ⅰ21进入水气循环仓Ⅰ2，驱动其中的水通过高压水管29，驱动水轮发电机17发电，发电后的无压尾水进入发电尾水仓16。

根据装置运行需求，当水气循环仓Ⅰ2中充入一定体积高压空气后，关闭高压气阀Ⅰ4，利用水气循环仓Ⅰ2中剩余气体的压力继续发电。根据计算，第一次循环时，当水气循环仓Ⅰ2中空气体积达到333m³时，关闭高压气阀Ⅰ4，此时高压储气仓1中气体压力降低至7.7MPa。

在水气循环仓Ⅰ2工作的同时，根据前述方法，同步对水气循环仓Ⅱ22进行补水。

当水气循环仓Ⅰ2中的水被完全排出后，水气循环仓Ⅰ2中气体的压力为3MPa，此时切换阀门控制，打开高压气阀Ⅱ24和发电调压阀Ⅱ28，同时关闭发电调压阀Ⅰ27，使得高压储气仓1中的空气经高压气管Ⅱ23进入水气循环仓Ⅱ22，继续发电。

同步，打开余压储存仓气阀Ⅰ5，将水气循环仓Ⅰ2中剩余气体的压力(3MPa)储存至气体余压储存仓Ⅰ3中。经计算，储存结束后，水气循环仓Ⅰ2中气压由3MPa降低至0.175MPa。

完成气体余压储存后，打开平衡气阀Ⅰ7，使得水气循环仓Ⅰ2和供水仓Ⅰ6进行压力平衡，之后关闭平衡气阀Ⅰ7，打开水气循环仓排气阀Ⅰ13，此时，水气循环仓Ⅰ2与大气连通，而供水仓Ⅰ6中气压高于水气循环仓Ⅰ2中的气压。此时打开循环补水阀Ⅰ9，利用两者之间的气压差和高差，驱动供水仓Ⅰ6中的水经循环补水管Ⅰ11进入水气循环仓Ⅰ2，完成对水气循环仓Ⅰ2的补水动作，补水结束后关闭循环补水阀Ⅰ9。

同步的，打开供水仓补水阀Ⅰ19，并打开供水仓排气阀Ⅰ15，利用发电尾水仓16和供水仓Ⅰ6的高差，在重力驱动下，将发电尾水仓16中的水补充给供水仓Ⅰ6，完成后关闭供水仓补水阀Ⅰ19和供水仓排气阀Ⅰ15。为下一次循环发电做好准备工作。

如此循环往复，实现多级水循环下的发电工作。整个过程中高压储气仓1中压力和温度变化曲线如下图4、5所示。

经测算，整个发电过程需进行20次循环，按照发电时长4小时计算，每次循环耗时12分钟。

以上所述为本发明的优选实施实例，并不用于限制不发明，对于本领域技术人员，可以参照本发明详细说明，对前述各功能部件的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多级水循环的绝热抽水压缩空气储能装置，其特征在于，包括高压储气仓、发电尾水仓、水轮发电机、至少两组循环回路；

一组循环回路的结构包括水气循环仓、气体余压储存仓和供水仓，所述高压储气仓通过高压气管连接水气循环仓；

所述水气循环仓与气体余压储存仓、供水仓分别通过管路连接，其中，水气循环仓与供水仓分别通过上部的平衡气管和下部的循环补水管两路连接，平衡气管为气体流通管路，循环补水管为水体流通管路，循环补水管上并联液体活塞压缩机，供水仓底部高程高于水气循环仓；所述供水仓上设有供水仓排气口，所述水气循环仓上设有水气循环仓排气口，水气循环仓底部通过高压水管连至水轮发电机；发电时，气体余压储存仓存储水气循环仓发电后剩余的压力，储能时，气体余压储存仓释放压力将水气循环仓中的空气压缩至高压储气仓；

所述供水仓底部与发电尾水仓侧壁通过管路连接；各气体、水体管路上均设有阀门；

每组循环回路的结构相同；

所述水轮发电机的尾水排至发电尾水仓；

所述高压储气仓、气体余压储存仓为柔性保温材质，或带有保温层的刚性罐体；

所述高压储气仓的工作压力范围为3MPa-8MPa；所述水气循环仓的工作压力范围为0.1MPa-8MPa；所述气体余压储存仓的最大承受压力≥4Mpa。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发电尾水仓为开敞式结构，发电尾水仓底部高程高于各循环回路的供水仓。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水气循环仓、供水仓为刚性封闭仓；水气循环仓设有保温层。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体余压储存仓的容积为高压储气仓的0.5-1.0倍；所述供水仓体积为水气循环仓的1.2-1.5倍。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压储气仓为单个仓体，或由多个仓体并联组成；多个仓体并联时，每个仓体单独设置常开阀门。

6.利用权利要求1~5任一项所述装置进行储能的方法，其特征在于，包括：

储能开始前，所有阀门处于关闭状态，高压储气仓、每个循环回路的气体余压储存仓的初始压力相等且等于高压储气仓的最低工作压力，其他结构内部气体压力为一个大气压，每个循环回路的水气循环仓交替呈无水、充满常压水的状态；

（1）对第一组循环回路执行水气循环仓注水储能操作：通过阀门启闭操作，使第一组循环回路的气体余压储存仓中的气体注入水气循环仓中直至水气循环仓中水被完全排出；之后通过液体活塞压缩机做功将供水仓中的水经循环补水管加压注入水气循环仓，直至水气循环仓中注满水，同时水气循环仓中的空气被压缩进入高压储气仓；

同步的，对第二组循环回路执行水气循环仓排水操作：通过阀门启闭操作，利用第二组循环回路的气体余压储存仓中的高压气体将水气循环仓中的水经循环补水管压入供水仓，直至水气循环仓中的水完全排出；

（2）完成注水、排水操作后，

对第二循环回路执行水气循环仓注水储能操作，对第一循环回路执行水气循环仓排水操作；

（3）重复（1）-（2）实现多级水循环条件下的压缩空气储能；

当循环回路超过两组时，按照第一组、第二组循环回路的操作方式对后续的循环回路按顺序循环执行操作。

7.利用权利要求1~5任一项所述装置进行发电的方法，其特征在于，包括：

发电开始前，所有阀门处于关闭状态，高压储气仓中气体压力为最高压力，两个气体余压储存仓中初始压力为标准大气压，每个循环回路的水气循环仓交替呈充满水、无水的状态，对应的供水仓交替呈少量水、充满水的状态；

（1）对第一组循环回路执行排水发电及余压储存操作：通过阀门启闭操作，将高压储气仓中的气体注入第一组循环回路的水气循环仓，驱动水气循环仓中的水推动水轮发电机发电，直至水气循环仓中的水完全排出，发电后的无压尾水进入发电尾水仓，之后将水气循环仓中剩余的气压储存至气体余压储存仓；

同步的，对第二组循环回路执行水气循环仓补水操作：通过阀门启闭操作，利用液位高度差产生的重力势能将第二组循环回路的供水仓中的水经循环补水管补充至水气循环仓，直至完成补水；水气循环仓内压力超过一个大气压时，先通过平衡气管平衡水气循环仓和供水仓中的气压，之后重力势能与压差将供水仓中的水经循环补水管补充至水气循环仓；

（2）对第二组循环回路执行排水发电及余压储存操作；，通过阀门启闭操作，将高压储气仓中的高压气体注入水气循环仓Ⅱ，推动水气循环仓Ⅱ中的水驱动水轮发电机发电；

同步的，对第一组循环回路执行供水仓补水操作：利用供水仓排气阀平衡供水仓内外气压后，通过发电尾水仓对供水仓补水至设计水位；

（3）对第一组循环回路执行水气循环仓补水操作；

同步的，对第二组循环回路执行供水仓补水操作；

（4）重复（1）-（3）实现多级水循环条件下的发电过程；

当循环回路超过两组时，按照第一组、第二组循环回路的操作方式对后续的循环回路按顺序循环执行操作。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当水气循环仓中水被排出预设体积后高压储气仓停止供气，利用水气循环仓中气体的余压继续驱动水体发电，直至水气循环仓中的水完全排出。