本发明涉及电能物理储存领域，特别涉及一种高压绝热储气抽水压缩空气储能系统。
背景技术：
随着能源环境问题的日益突出，风能、太阳能等可再生能源受到越来越多的重视，但是由于可再生能源的波动性、随机性以及现有电网的调峰能力不足等问题给可再生能源的发展带来了巨大的挑战。储能系统作为电厂和电网之间的过渡系统，能够有效解决可再生能源的并网问题。此外，储能系统还能够平滑电网的负荷波动，提高电网的安全性和可调控性。现有的储能方式中，由于受到储能规模、放电时间、技术成熟度等因素的限制，目前只有压缩空气储能和抽水蓄能能够大规模应用。
然而压缩空气储能与抽水蓄能系统也有一定的缺点。压缩空气储能系统内部换热环节多，不可逆损失大，并且，为了保证较高的输出功率和效率，在发电阶段需要消耗大量燃料；抽水蓄能系统对地形及水源有较高的要求。
针对这些问题，西安交通大学王焕然等人首次提出水-气共容舱电力储能系统，并针对该系统在发电和储能过程中的变工况工作特性，提出了恒压水-气共容舱电力储能系统(cn201210099690.1)。该恒压水-气共容舱电力储能系统利用蒸汽锅炉向水气共容舱内补充水蒸气，以保证水气共容舱内压力恒定，进而确保水轮机发电机组在稳定工况下运行发电。但是水蒸气的温度较高，会在一定程度上降低共容舱的安全性，并会加快水气共容舱的腐蚀。因此该研究团队提出了用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统(cn201410312066.4)。该系统在储能过程中通过增压机将空气由水气共容舱输到高压储气罐中，释能过程中高压储气室中的空气经过稳压阀降至一固定压力后进入水气共容舱，达到使水气共容舱在排水保持恒压的目的。该用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统在储能过程中，高压储气罐内压力不断升高，增压机的背压增大，其流量不断变化引起水气共容舱内压力的波动；在高压情况下，舱内气体在水中的溶解度急剧增加，这些溶解气体会造成水轮机叶片出现严重的气蚀现象，引起重大的安全事故；并且在发电过程中，高压储气室中的空气经过稳压阀压力降低，造成了能量损失；另外，高压储气罐投资成本巨大，降低了运行经济性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高压绝热储气抽水压缩空气储能系统，以克服现有技术的不足，该系统储能密度及运行效率高，投资成本低。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压绝热储气抽水压缩空气储能系统，包括蓄水池、水气共容舱和储气竖井，蓄水池通过阀门和水泵机组连接至水气共容舱的进水口，水气共容舱的出水口通过阀门和水轮机机组与蓄水池相连；水轮机机组连接至发电机；
水气共容舱内设有能够随水气共容舱内液面浮动的空心钢板；
水气共容舱上端的出气口分别通过阀门连接至透平和增压机，透平和增压机分别通过阀门连接至储气竖井；
增压机连接电动机和压缩机组，透平连接至发电机。
进一步的，水气共容舱壁面内部有螺旋状的导轨，空心钢板随液面在螺旋状的导轨内滑动。
进一步的，圆形空心钢板下表面为倾斜面，空心钢板体积对称面的横截面为直角三角形，且其较大的锐角和螺旋状的导轨螺旋角相同。
进一步的，圆形空心钢板下方倾斜面设有竖直放置的钢板，钢板的下表面与圆形空心钢板上表面平行。
进一步的，水气共容舱内部上水位处有一圈卡套，且卡套与空心钢板能够吻合。
进一步的，增压机采用容积式的活塞压缩机或螺杆压缩机，增压机采用多台并联的工作方式；透平带有动静叶调节装置，采用滑压运行工作方式。
进一步的，储气竖井内用于储存高压空气，储气竖井包括上段工业管道和下段工业管道，上段工业管道和下段工业管道通过法兰连接；上段工业管道管壁厚度大于下段工业管道管壁厚度，上段工业管道内径小于下段工业管道内径。
进一步的，储气竖井外侧依次设有保温涂料、保温管壳和防水材料。
进一步的，水轮机机组、水泵机组、透平、增压机、压缩机组和所有阀门均连接控制器。
进一步的，水气共容舱的顶部安装有液位传感器和压力传感器，液位传感器和压力传感器均连接至控制器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明高压绝热储气抽水压缩空气储能系统，在储能阶段，水气共容舱中的空气经过增压机后直接进入储气竖井，由于储气竖井的蓄热作用，同时储存了压缩空气的势能和热能，在释能阶段，系统的输出电能包括两部分：一部分，竖井中具有一定温度的高压空气进入透平膨胀做功；另一部分水气共容舱中的水推动水轮机发出电能，提高了系统的储能密度和运行效率，由于储气竖井外部有绝热层，其中的空气温度较高，流经透平膨胀后温度降低，保证了水气共容舱内温度较低，避免水的温度升高对水轮机造成损伤。本发明利用储气竖井将高压空气储存，大大降低了高压容器的投资成本，缩短储能系统的回收年限，提高系统运行经济性。本发明采用容积式的增压机，保证储能阶段由水气共容舱流出空气的流量恒定，通过与水泵流量匹配，使水气共容舱内压力保持不变；容积式增压机的变工况能力较强，在储气竖井内压力逐渐升高时，能够保持较高的运行效率；透平采用滑压运行的方式，避免了释能阶段中，节流稳压阀部分的能量损失，提高了系统效率。
进一步的，本发明通过设置空心钢板，减小了水气共容舱内水面与气体的接触面积，使得空气在水中的溶解量大幅减小，保证了水轮机安全高效运行，有效控制了气蚀现象。
进一步的，本发明储能阶段结束时，水气共容舱内的卡套与空心钢板相配合，将空气与水分离开，此时增压机继续工作一小段时间，使水气共容舱内水的压力略大于空气的压力，以保证在储能和释能的间隔时间段内，空气不会在水中溶解。
进一步的，本发明水气共容舱内的螺旋导轨以及空心钢板下部垂直放置的钢板，降低了水气共容舱内旋涡产生的可能性。
进一步的，本发明在储能阶段空气流量较大时，增压机采用多台并联的方式，以便改善容积式增压机流量较小的不足。
进一步的，本发明储气竖井上部管道直径较小、管壁厚度较大以增加其承压能力；下部管道直径较大、管壁较薄以降低成本。
附图说明
图1为本发明高压绝热储气抽水压缩空气储能系统的结构示意图。
图2为空心钢板俯视图。
图3为空心钢板侧视图。
图4水气共容舱内部结构示意图.
图5螺旋导轨横截面示意图。
图6为储气竖井工业管道连接示意图。
图7为三台增压机并联运行示意图。
图8为空心钢板装配示意图。
图9为空心钢板轴侧示意图。
其中，1、蓄水池；2、水气共容舱；3、储气竖井；4、透平；5、增压机；6、压缩机组；7、水气分离器；8、控制器；9、水泵机组；10、水轮机机组；11、电机；12、电动机；13、发电机；14、第一三通阀门；15、第二三通阀门；16、第四三通阀门；17、第三三通阀门；18、第一四通阀门；19、液位传感器；20-21、压力传感器；22、卡套；23、空心钢板；24、螺旋导轨；25、上部滑轮；26、下部滑轮；27、钢板；28、工业管道；29、保温涂层；30、保温管壳；31、防水材料；32法兰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图7所示，本发明一种高压绝热储气抽水压缩空气储能系统，包括蓄水池1、水泵机组9、水轮机机组10、水气共容舱2、空心钢板23、储气竖井3、增压机5、透平4、水气分离器7；
水气共容舱2的进水口和出水口为同一进出水口，蓄水池1通过第一三通阀门14和水泵机组9连接水气共容舱2底部的进出水口，同时，水气共容舱2底部的进出水口通过第一三通阀门14和水轮机机组10与蓄水池1相连；水气共容舱2顶部的进出气口通过第二三通阀门15、水气分离器7、第三三通阀门17、增压机5、第一四通阀门18连接储气竖井3，储气竖井3通过第一四通阀门18、透平4、第四三通阀门16、第二三通阀门15与水气共容舱2的顶部相连通；增压机5连接电动机12，透平4连接发电机13；增压机采用容积式，以便于控制储能阶段空气的流量保持恒定；并且容积式增压机的变工况能力较强，在储气竖井内压力升高时能够保持较高运行效率。膨胀机采用叶轮式，在释能阶段用过调节进口导叶的角度使透平滑压运行。
运行时，压缩机组6从外界吸收空气，通过第三三通阀门17与增压机5串联由电机11驱动将空气压缩，通过第一四通阀门18、第四三通阀门16、第二三通阀门15储存到水气共容舱与储气竖井中，其中压缩机组6可根据所需压比大小确定，一般为2～3段压缩机串联，采用级间冷却的方式降低压缩机出口高压空气的温度并降低压缩机组的功耗；水气共容舱2内空气到达预定压力后，压缩机组6停止工作；水气共容舱2中的空气通过第二三通阀门15、水气分离器7、第三三通阀门17经过增压机5压缩后直接进入储气竖井3中，储气竖井3可以是一个，或者是多个储气竖井的并联组成；与此同时，水泵9开始工作，将蓄水池1中的水泵到水气共容舱2中，当水气共容舱2中的水到达水位下限时，水泵9与增压机5停止工作，在此过程中，水泵9中水与增压机5中空气的体积流量相等，以保证水气共容舱2内的压力恒定，至此，本系统准备工作完毕，在以后储能和释能过程中，压缩机组6不再工作。透平4带有动静叶调节装置，采用滑压运行工作方式。
储能阶段，水泵9由可再生能源或电网的富余电能驱动，将水由蓄水池1经过第一三通阀门14送到水气共容舱2，同时水气共容舱2中的空气通过第一三通阀门15、水气分离器7与第三三通阀门17进入增压机5的入口，经过增压机5压缩后流经第一四通阀门18直接储存到储气竖井3中，为了保证水气共容舱2内压力恒定，在此过程中保持水泵9中水与增压机5中空气的体积流量相等，当水气共容舱2内水位高度到达预定上限时储能过程结束。
释能阶段，储气竖井3中具有一定温度的高压空气通过第一四通阀门18进入透平4的入口推动透平4做功带动发电机13发出电能，膨胀至一固定压力的空气经过第四三通阀门16与第二三通阀门15进入水气共容舱，同时，水气共容舱2内的水经过第一三通阀门14进入水轮机10，推动水轮机发电做功，在此过程中，保持透平4中空气与水轮机10的体积流量相等，以达到使水气共容舱2内压力保持恒定的目的，当水气共容舱2内水位高度到达预定下限时释能过程结束。
参见图2、图3，水气共容舱2内放置有圆形空心钢板23，空心钢板23能够漂浮在水气共容舱2的水面上，且水面刚好与空心钢板23的上表面平行，使水气共容舱2的水面被空心钢板23覆盖，以减小水与空气的接触面积，降低空气在水中的溶解量；空心钢板23内部有互成60°的梁，以增加空心钢板23的承压能力；空心钢板23周侧直径上设有上部滑轮25和下部滑轮26，上部滑轮25位于空心钢板23周侧上侧且低于空心钢板23的上表面，以使滑轮25与空气隔绝，防止锈蚀，下部滑轮26位于空心钢板23周侧下侧。
参见图4、图5，水气共容舱2壁面内部有螺旋状的导轨24用以在储能和释能过程中引导空心钢板23运动，空心钢板23在水位上升或下降的过程中在水的浮力与导轨24的共同作用下螺旋上升或下降，并且与水的旋转方向相反，避免旋涡的形成；水气共容舱2上水位处设置有卡套22，且卡套22与空心钢板23能够吻合，参见图8，储气过程结束时，空心钢板23随水面漂浮至上水位处与卡套22相接，此时增压机组5继续工作一小段时间，将一部分空气由水气共容舱2经三通阀门15、水气分离器7、三通阀门17进入增压机5压缩后通过四通阀门18送至储气竖井3中，使水气共容舱2内上部空气的压力略小于下部水的压力，保证在储能阶段与释能阶段的间隔时间内空气与水隔离，降低空气在水中的溶解量。通过使用三通和四通阀门，减小了水气共容舱和储气竖井的进出气口及进出水口，降低了设备加工的难度，增加了可靠性。
如图9所示，圆形空心钢板23下表面为倾斜面，空心钢板23体积对称面的横截面为直角三角形，且其较大的锐角和螺旋状的导轨24螺旋角相同；圆形空心钢板23下方倾斜面设有竖直放置的钢板27，钢板27的下表面与圆形空心钢板23上表面平行，以增加空心钢板23对水的影响能力，减小旋涡形成；上部滑轮25和下部滑轮26位于直角三角形斜边的端点的水平延长线上，以确保空心钢板23能够沿螺旋导轨24运动，并且在运动过程中上表面保持水平；螺旋导轨24采用电弧喷涂锌工艺，防止导轨的锈蚀；螺旋导轨24与水气共容舱2之间用聚氨酯粘合剂连接。
参见图6，储气竖井3内用于储存高压空气，储气竖井3包括上段工业管道和下段工业管道，上段工业管道和下段工业管道通过法兰32连接；上段工业管道管壁厚度大于下段工业管道管壁厚度，上段工业管道内径小于下段工业管道内径，储气竖井3外侧依次设有保温涂料29、保温管壳30和防水材料，保温涂料29采用复合硅酸盐，保温管壳30采用岩棉；隔热段最外层由防水材料覆盖，以保证保温涂料29及保温管壳30的保温效果，防水材料31采用聚乙烯。
参见图7，当储能阶段由水气共容舱2进入增压机5的空气流量较大时采用多台增压机并联的运行方式，每台增压机都由电动机驱动并且入口处均设阀门，之后通过同一管道将增压后的空气通过第一四通阀门18输送到储气竖井3中，保证水气共容舱2内压力恒定。
水气共容舱2的顶部安装有液位传感器19和压力传感器20，液位传感器19采用光电液位传感器，压力传感器20采用压阻式压力传感器，水气共容舱2的顶部开孔，用来通过信号线。水气共容舱2内的压力恒定不变，蓄水池1的压力为环境压力。
水泵机组9、水轮机机组10、发电机13、电动机11-12、三通阀门14-17、四通阀门18均连接控制器8，控制器8根据液位传感器20与压力传感器21测得的信号控制水泵机组9、水轮机机组10、发电机13、电动机11-12的启停以及三通阀门和四通阀门14-18的通断和开度。
本发明具体的工作过程及原理：
(1)预压缩阶段，控制器8调节第三三通阀门将压缩机组6与增压机5连接，第一四通阀门18将增压机5与储气竖井3连接，第二三通阀门15、第四三通阀门16和第一四通阀门18将储气竖井3与水气共容舱2连接，随后压缩机组6与增压机5开始工作，空气通过压缩机组6、第二三通阀门15、第四三通阀门16、第三三通阀门17、增压机5、第一四通阀门18进入储气竖井3与水气共容舱2中，待到水气共容舱2内压力达到预定值后，压缩机组6停止工作；水气共容舱2中的空气通过第二三通阀门15、水气分离器7、第三三通阀门17经过增压机5压缩后直接进入储气竖井3中，与此同时，水泵9开始工作，将蓄水池1中的水泵到水气共容舱2中，当水气共容舱2中的水到达水位下限时，水泵9与增压机5停止工作，在此过程中，水泵9中水与增压机5中空气的体积流量相等，以保证水气共容舱2内的压力恒定。
(2)储能阶段，第一三通阀门14将水泵9与水气共容舱2连接，第二三通阀门15将水气共容舱2与水气分离器7连接，第三三通阀门17将水气分离器7与增压机5的进气口连接，第一四通阀门18将增压机5的出气口与储气竖井3连接，水泵9由可再生能源或电网的富余电能驱动，将水由蓄水池1经过第一三通阀门14送到水气共容舱2，同时水气共容舱2中的空气通过第二三通阀门15、水气分离器7与第三三通阀门17进入活塞增压机5的入口，经过压缩后流经第一四通阀门18直接储存到储气竖井3中，在此过程中，为保证水气共容舱2内压力恒定，水泵9中水与增压机5中空气的体积流量相同。
(3)释能阶段，第一四通阀门18将储气竖井3与透平4进气口连接，第二三通阀门15和第四三通阀门16将透平4的出气口与水气共容舱2连接，第一三通阀门14将水气共容舱2与水轮机10连接，储气竖井3中具有一定温度的高压空气通过第一四通阀门18进入透平4的入口推动透平4做功带动发电机13发出电能，膨胀至一固定压力的空气经过第二三通阀门15和第四三通阀门16进入水气共容舱2，同时，水气共容舱2内的水经过第一三通阀门14进入水轮机10，推动水轮机发电做功，在此过程中，透平4中的空气与水轮机10中水的体积流量相等，以达到使水气共容舱2内压力保持恒定的目的。
本发明解决了传统抽水蓄能系统对地形和水源的适应性差、投资成本高、储能效率及密度较低的问题。
1、本发明储能阶段，水气共容舱2内的空气经过增压机5后直接储存在储气竖井中，即储存了压力能又储存了压缩热能，提高了储气压力，大大降低了高压容器的投资成本，缩短储能系统的回收年限，提高系统运行的经济性。
2、本发明储能阶段，增压机5采用容积式的活塞压缩机或螺杆压缩机，保证由水气共容舱2流出空气的流量恒定，通过与水泵9中水的流量匹配，保证水气共容舱2内的压力不变；随着储气竖井3内压力的升高，通过改变增压机5的压比来降低功耗，提高系统效率。
3、本发明释能阶段，储气竖井3中具有一定温度的高压空气进入透平4膨胀做功，减少了能量损失，提高了系统效率与储能密度；随着储气竖井3内压力的降低，通过改变透平4的膨胀比使出口空气的压力恒定，进而保证水气共容舱2内的压力不变。
4、本发明采用空心钢板23减小了水气共容舱2内水与空气的接触面积；通过在水气共容舱2内设计螺旋导轨，避免水气共容舱2内进水和排水过程中旋涡的产生；在储能阶段结束后，增压机4继续工作一段时间，使水气共容舱2内水的压力略大于空气的压力，保证储能与释能的间隔时间内空气不会在水中溶解，确保水轮机安全高效运行。
5、本发明采用三通和四通阀门，减少了水气共容舱和储气竖井的进出气口及进出水口，降低了设备加工的难度，增加了可靠性。