[发明专利]具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统及其运行方法

权利要求书

1.一种具备一次调频能力的等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括高压储气腔（3）、冲击式水轮机（4）、同步发电机（5）、变压器（6）以及N个工作单元，N≥2，工作单元相互并联，工作单元顶端的气路连通高压储气腔（3），工作单元顶端的水路连通冲击式水轮机（4）尾水管道，工作单元的底端通过管道连通冲击式水轮机（4）进水口；工作单元中包括两个压缩罐，两个压缩罐并联的顶端出口作为工作单元的顶端，两个压缩罐的底端两条管路，其中，第一条管路用于并联两个压缩罐并作为工作单元的底端，第二条管路连通两个压缩罐，第二条管路上设置水泵系统；冲击式水轮机（4）中采用开度可调的喷嘴；冲击式水轮机（4）出口的尾水槽高度高于第一压缩罐（11）的最高点；冲击式水轮机通过变速箱与同步发电机相连接，发电机的输出端通过变压器接入电网；包括第一工作单元，其余工作单元的压缩罐，截止阀，水泵系统以及管路的连接方式与第一工作单元的连接方式相同；

第一工作单元中：第一压缩罐（11）和第二压缩罐（12）并联，第一压缩罐（11）底端和第二压缩罐（12）底端设置两条管路，其中第一条管路连通冲击式水轮机（4）进水口，第二条管路连通第一压缩罐（11）底端和第二压缩罐（12）底端，所述第二条管路上设置有一个第一水泵系统（13），第一压缩罐（11）的顶端出口设置第一三通阀（14），第二压缩罐（12）的顶端出口设置第二三通阀（15），第一压缩罐（11）和第二压缩罐（12）的顶端在第一三通阀（14）的两个出口和第二三通阀（15）的两个出口连通，分别组成水路和气路；第一压缩罐（11）的底端出口设置第一截止阀（16），第二压缩罐（12）的底端出口设置第二截止阀（17），第一压缩罐（11）的底端和第二压缩罐（12）的底端在第一截止阀（16）的出口和第二截止阀（17）的出口连通；第一水泵系统（13）的两端分别设置第三截止阀（18）和第四截止阀（19）压缩罐内顶部设置分散装置，分散装置的外形呈圆锥状，分散装置包括一圆锥侧壁，圆锥侧壁上开有通孔；分散装置圆锥轴截面的底角角度为α，10°＜α＜45°；冲击式水轮机（4）内设置2N个工作喷嘴和2个常开喷嘴，其中工作喷嘴的直径大于常开喷嘴的直径，N为工作单元数量；工作喷嘴和常开喷嘴按中心对称的形式分布在转轮的周向，两个中心对称的工作喷嘴为一组共享一个冲击式水轮机（4）的进水口，2个常开喷嘴关于中心对称；常开喷嘴的进水口与其中一个工作喷嘴的进水口相连。

2.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，压缩罐的外壁面喷涂聚脲。

3.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，所述通孔为圆形，圆形通孔的半径RL和压缩罐的半径RS的对应关系为：0.005RSRL0.05RS。

4.根据权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于，同步发电机的极对数P≥3。

5.权利要求1-4中任一项所述等温压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，包括储能阶段和释能阶段，

储能阶段：空气从压缩罐上的进排气阀进入压缩罐内，水泵系统推动水流压缩空气，当空气被压缩到存储压力后，高压空气储存到高压储气腔内；

在释能阶段，高压空气从高压储气腔（3）进入压缩罐，推动压缩罐内的水流从冲击式水轮机喷嘴流出，之后关闭高压储气腔（3）和压缩罐之间的通路，由压缩罐内的高压空气自由膨胀后从进排气阀排出；

单个工作单元的工作周期为T，通过调节喷嘴开度，使得单个工作单元的水流输出功率在一个周期的前1/N维持连续上升的输出功率，一个周期剩余的时间内维持连续下降的输出功率，从第一个工作单元到第N个工作单元，输出功率的趋势和周期完全相同，但达到最大输出功率的时间点依次延迟1/N个周期，在N组输出叠加之后达到整体输出功率维持稳定的过程。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，额定工况下，通过变速箱和发电机极对数的配合，水轮机的转轮转速不高于每秒钟5转。

7.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，同步发电机能作同步补偿机用，在完成并网后长期与电网接通，由常开喷嘴维持其转动，持续向电网提供无功功率；

当电网负荷发生波动，引起电网频率波动时，冲击式水轮机（4）转速变化：当转速低于额定转速时，表示电网频率低于50HZ时，电网需要有功功率的输入，此时打开工作喷嘴，工作水流推动水轮机做功，同步发电机组快速向电网提供有功功率；

当转速高于额定转速时，表示电网频率高于50HZ，电网有功功率盈余，此时同步发电机可继续提供无功功率，同时迅速启动水泵系统，通过压缩空气将电网盈余的有功功率进行存储。