基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机及其工作方法与流程

本发明涉及储能，具体涉及一种基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机及其工作方法。

背景技术：

1、风力发电是构建新型能源体系的重要技术路径，随国家能源结构转型战略的推进，新能源风力发电技术也得到了长足的进步。风力发电一方面从路上向海上推进；另一方面风力发电向更高更大方向推进。但是风力发电代表的新能源电源的不稳定性、间歇性等问题难以解决，一直制约着新能源的发展速度。

2、电源电站侧配置储能是解决新能源并网消纳的关键技术手段，有的在新能源电站升压站内配置大规模储能设施，有的着眼新能源本体开发分分布式的储能设施。现阶段新能源电站升压站内配置大规模储能以开始指导工程实践，但是新能源本体开发分分布式的储能设施尚无法落地。主要存在，增加风机投入成本、技术复杂度高、储能密度低、技术本身无法实现等问题。

3、现针对风机单体的储能有：外挂压缩空气储能、抽水蓄能、重力储能等等。其中抽水、压缩空气重力储能技术由于储能体积密度相对低，难以实现在风机本体中集成，往往需要在风机之外单独外挂设备设施，尤其是重力储能由于其储能功率密度非常低，单个风机所配套的储能建设量巨大。

4、为实现以风力发电为代表的新能源发电平滑出力，风机本体配置储能是重要的技术方向，为风机配置10～20％容量储能设施，风机整体出力能力就会得到极大的改善。目前风机单体配置抽水蓄能一般将风机塔筒作为上库设施，并为风机集群配置统一的下库设施；风机单体配置压缩空气如何在兼容效率的前提下实现功率和容量的提升是关键难题；风机单体配置重力储能由于其技术特征，很难实现在风机本体上的集成。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机及其工作方法，以解决现有技术中风机单体配置重力储能难以实现大型风电机组的本体储能的问题。本发明所提供的基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机，主要包括叶片本体、整流罩、机头、第一塔筒段和第二塔筒段，其中，每片叶片本体内设置有二氧化碳主动消防系统，以应对因雷电、设备过热等引发的火灾，从而在实现风机本体配置储能的同时实现消防作用；整流罩内设置中压二氧化碳补充接口，用以向二氧化碳主动消防系统及时补充中压二氧化碳；机头内设置有压缩机高压段和透平高压段，压缩机高压段和透平高压段均通过离合器和第一多轴变速系统与发电机相连，并通过压缩过程和膨胀过程的调速实现调节风机出力的平稳；第二塔筒段为钢质，第二塔筒段内部适于容纳低压二氧化碳以为塔筒和机头提供消防气源；本发明通过将二氧化碳储能集成至风机本体内，从而同时为风机提供储能与消防服务。

2、第一方面，本发明提供了一种基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机，包括：

3、叶片本体，每片叶片本体中设置有二氧化碳主动消防系统；

4、机头，内置有风机主轴本体、压缩机高压段、透平高压段、第一多轴变速系统和主发电机本体；第一多轴变速系统的一侧与主发电机本体相连接，另一侧与风机主轴本体以及压缩机高压段和透平高压段相连接，以对风机整体调蓄出力；

5、第一塔筒段，内置有压缩机低压段、透平低压段、第二多轴变速系统和副发电机本体，第二多轴变速系统的一侧与副发电机本体相连接，另一侧与压缩机低压段和透平低压段相连接，以对风机整体调蓄出力；

6、第二塔筒段，连接于第一塔筒段与机头之间，第二塔筒段内设置有储气室，储气室内适于容纳低压二氧化碳。

7、通过在每片叶片本体中设置二氧化碳主动消防系统，从而能够及时处置因雷电、设备过热等引发的火灾，在实现风机本体配置储能的同时实现消防作用，提高了风机本体配置储能运行过程中的可靠性；通过将风机主轴本体、压缩机高压段、透平高压段、第一多轴变速系统和主发电机本体内置于机头内，以通过压缩机高压段和透平高压段调蓄风机出力及发电；通过将压缩机低压段、透平低压段、第二多轴变速系统和副发电机本体内置于第一塔筒段内，以通过压缩机低压段和透平低压段进一步调蓄风机出力及发电，进而充分利用了风力发电机的内部空间，从而将储能装备本体集成于风力发电机本体之内并能够保证本体储能型风机的可靠运行。

8、在一种可选的实施方式中，第一多轴变速系统的一端与主发电机本体的主发电机主轴传动连接，另一端通过风机主轴离合与风机主轴本体传动连接；压缩机高压段包括高压段压气机本体、高压段压气机主轴本体和高压段压气机主轴离合，高压段压气机主轴离合与第一多轴变速系统传动连接；透平高压段包括高压段透平机本体、高压段透平机主轴本体和高压段透平机主轴离合，高压段透平机主轴离合与第一多轴变速系统传动连接。

9、通过如此设置，风机主轴本体可单独拖动主发电机主轴以带动主发电机本体运行，高压段透平机主轴本体可单独拖动主发电机主轴以带动主发电机本体运行，风机主轴本体和高压段透平机主轴本体也可共同拖动主发电机主轴以带动主发电机本体运行，风机主轴本体还可拖动高压段压气机主轴本体并带动高压段压气机本体做功进行二氧化碳储能；极限情况下，主发电机本体可逆并通过第一多轴变速系统拖动高压段压气机主轴本体以带动高压段压气机本体做功进行二氧化碳储能，从而通过压缩过程和膨胀过程的调速实现调节风机出力的平稳，达到调蓄风机出力及发电的目的。

10、在一种可选的实施方式中，第二多轴变速系统的一端与副发电机本体的副发电机主轴相连接；压缩机低压段包括低压段压气机本体、低压段压气机主轴本体和低压段压气机主轴离合，低压段压气机主轴离合与第二多轴变速系统传动连接；透平低压段包括低压段透平机本体、低压段透平机主轴本体和低压段透平机主轴离合，低压段透平机主轴离合与第二多轴变速系统传动连接。

11、通过如此设置，低压段透平机主轴本体可单独拖动副发电机主轴以带动副发电机本体运行，副发电机本体可逆并通过拖动低压段压气机主轴本体以带动低压段压气机本体做功进行二氧化碳储能，从而通过压缩机低压段和透平低压段进一步调蓄风机出力及发电。

12、在一种可选的实施方式中，二氧化碳主动消防系统包括中压二氧化碳储罐、叶片消防主控阀门、表冷式散冷器、叶片中压二氧化碳消防管线、第一二氧化碳主动消防喷嘴以及二氧化碳交通接口；其中，中压二氧化碳储罐设置于每片叶片本体的底部，每片叶片本体中的二氧化碳交通接口相互连通，以实现多个叶片本体之间的气源互补；叶片消防主控阀门设置于中压二氧化碳储罐的出口，叶片消防主控阀门适于控制二氧化碳主动消防系统的启停；叶片消防主控阀门远离中压二氧化碳储罐的出口的一端连接有表冷式散冷器，表冷式散冷器适于减少节流过程中温降；第一二氧化碳主动消防喷嘴的数量为多个，多个第一二氧化碳主动消防喷嘴在叶片本体内间隔设置。

13、通过如此设置，一旦涉及火情可自动对辐射区域内进行窒息式灭火并利用二氧化碳本身膨胀吸热作用对区域进行降温。

14、在一种可选的实施方式中，二氧化碳主动消防系统还包括第二二氧化碳主动消防喷嘴，第二二氧化碳主动消防喷嘴内置于机头内，第二二氧化碳主动消防喷嘴与储气室相连通，第二二氧化碳主动消防喷嘴适于对机头内部进行消防灭火和吸热降温。

15、通过如此设置，一旦涉及火情第二二氧化碳主动消防喷嘴可通过窒息方式对整个机头的内部进行消防并利用二氧化碳本身膨胀吸热作用对区域进行降温。

16、在一种可选的实施方式中，机头内还设置有中压二氧化碳补给器，中压二氧化碳补给器适于向二氧化碳主动消防系统补给中压二氧化碳。

17、通过如此设置，一方面保障二氧化碳主动消防系统的气源充足，另一方面保证二氧化碳主动消防系统的压力稳定，保证二氧化碳主动消防系统的窒息式灭火性能。

18、在一种可选的实施方式中，储气室内低压二氧化碳的运行压力为p，p满足1mpa≤p≤3mpa。

19、通过如此设置，一方面能够节约闭式系统所需的工质存储空间，另一方面能够保证系统循环更高的能量密度和更低的输配阻力以及更高的循环效率，再一方面，系统控制在中低压段能够保证系统检修维护成本处于合理水平；同时，不仅避免了因运行压差过高而导致发电时压差过低的状况，更有利于储能系统的发电过程，而且能够使得储气室处于低压容器的设计范畴内，中压容器的低压端产品加工成熟度较高，有利于降低第二塔筒段的成本。

20、在一种可选的实施方式中，基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机还包括整流罩，整流罩内设置有二氧化碳补充接口，二氧化碳补充接口与二氧化碳主动消防系统相连通，从而能够为二氧化碳主动消防系统及时补充气源。

21、在一种可选的实施方式中，第一塔筒段包括第一筒体，第一筒体沿高度方向分层设置；第一筒体包括底层、第二层、第三层、第四层、第五层和顶层；其中，顶层内置有风机变电设备和集控系统；第五层内适于容纳压缩机低压段、透平低压段、第二多轴变速系统和副发电机本体；第四层内适于容纳换热器设备，其中，换热器设备包括一级换热器组和二级换热器组；第三层的内壁适于围合形成热水储罐；第二层的内壁适于围合形成冷水储罐；底层的内壁适于围合形成压缩二氧化碳储罐。

22、通过集约化布置，将储能装备本体集成于风力发电机本体之内，充分利用了风力发电机的内部空间，使系统达到最大的集成度，部署速度更为高效。

23、在一种可选的实施方式中，二氧化碳主动消防系统还包括第三二氧化碳主动消防喷嘴、第四二氧化碳主动消防喷嘴和第五二氧化碳主动消防喷嘴，第三二氧化碳主动消防喷嘴设置于顶层内，第四二氧化碳主动消防喷嘴设置于第五层内，第五二氧化碳主动消防喷嘴设置于第四层内，第三二氧化碳主动消防喷嘴、第四二氧化碳主动消防喷嘴和第五二氧化碳主动消防喷嘴均与储气室相连通。

24、通过如此设置，一旦涉及火情可自动对辐射区域内进行窒息式灭火并利用二氧化碳本身膨胀吸热作用对区域进行降温。

25、在一种可选的实施方式中，二氧化碳主动消防系统还包括烟感加图像传感器，烟感加图像传感器内置于叶片本体、机头和第一塔筒段内，烟感加图像传感器适于实时监测火灾风险。

26、通过如此设置，一旦涉及火情，烟感加图像传感器可迅速报警，二氧化碳主动消防系统可及时将带压二氧化碳迅速喷射向风险点，带压二氧化碳能起到迅速降温和阻氧的功能。

27、在一种可选的实施方式中，热水储罐内设置有第一潜水泵和第一排气阀；冷水储罐内设置有第二潜水泵和第二排气阀。

28、通过如此设置，有利于保证换热过程中的正常运行和稳定性。

29、在一种可选的实施方式中，第一塔筒段还包括第一筒型人道、环形人道和第一换气管路；其中，第一筒型人道设置于第一筒体的外侧周壁上的被风一侧，第一筒型人道内设置有自动升降梯；第一换气管路设置于第一筒型人道内，第一换气管路上沿高度方向靠近底层的一端设置有第一三通阀和第二三通阀，第一三通阀与压缩二氧化碳储罐之间通过第一连接管路相连接，第二三通阀与压缩二氧化碳储罐之间通过第二连接管路相连接。

30、在一种可选的实施方式中，第二塔筒段包括第二筒体、第二筒型人道、开式管廊、检修舱门和第二换气管路；其中，第二筒体的内壁适于围合形成储气室；第二筒型人道设置于第二筒体的外侧周壁上的被风一侧，第二筒型人道内设置有自动升降梯；第二换气管路设置于第二筒型人道内，第二换气管路靠近第二筒体底部的一端设置有第三三通阀，第三三通阀与储气室之间通过第三连接管路相连接。

31、第二方面，本发明还提供了一种如上述的基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机的工作方法，包括：

32、储能过程中，第二塔筒段中储存的低压二氧化碳经管路输送至第一塔筒段，经由压缩机低压段增压，之后进入一级换热器组内排出热量，再存入热水储罐内，增压后的二氧化碳经管路输送至压缩机高压段，经由压缩机高压段进一步增压后进入二级换热器组内排出热量，再回到热水储罐，形成的常温中压二氧化碳存入压缩二氧化碳储罐内；

33、储能过程中，风机主轴本体拖动高压段压气机主轴本体并带动高压段压气机本体做功进行二氧化碳储能；极限情况下主发电机本体通过第一多轴变速系统拖动高压段压气机主轴本体并带动高压段压气机本体做功进行二氧化碳储能；风力发电机本体或整个电厂的冗余电力驱动副发电机本体，副发电机本体拖动低压段压气机主轴本体并带动低压段压气机本体做功进行二氧化碳储能；

34、释能过程中，压缩二氧化碳储罐储存的常温中压二氧化碳经管路输送至二级换热器组内吸收来自热水储罐内的热量，之后输送至透平高压段膨胀做功发电后形成减压二氧化碳，减压二氧化碳经管路输送至一级换热器组内吸收来自热水储罐内的热量，之后输送至透平低压段膨胀做功发电；必要时压缩二氧化碳储罐储存的常温中压二氧化碳直接通过一级换热器组吸收热量以对透平低压段进行补气；

35、释能过程中，高压段透平机主轴本体配合风机主轴本体共同拖动主发电机主轴并带动主发电机本体运行；低压段透平机主轴本体单独拖动副发电机主轴并带动副发电机本体运行。

36、本发明所提供的基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机的工作方法，二氧化碳气体压缩储能循环采用两段压缩(储能)和两段膨胀，压缩机高压段和透平高压段设置为可调及带有变频功能，高压段压气机本体和高压段透平机本体与机头共同配合以直接调节风机主轴本体出力。

37、在一种可选的实施方式中，基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机的工作方法还包括：消防过程中，第一二氧化碳主动消防喷嘴、第二二氧化碳主动消防喷嘴、第三二氧化碳主动消防喷嘴和第四二氧化碳主动消防喷嘴分别通过管路与储气室相连通，当出现起火点时，第一二氧化碳主动消防喷嘴、第二二氧化碳主动消防喷嘴、第三二氧化碳主动消防喷嘴和/或第四二氧化碳主动消防喷嘴采用窒息法进行灭火。

38、在一种可选的实施方式中，基于二氧化碳储能及消防的本体储能型风机的工作方法还包括：检修时，通过移动式二氧化碳置换载具对风机储能系统内的二氧化碳进行置换；移动式二氧化碳置换载具包括动力车和储罐车，动力车中的压缩系统将风机储能系统内的二氧化碳注入储罐车内后，再通过动力车中的压缩系统将空气增压注入风机储能系统内原涉及存储二氧化碳的区域进行置换，当二氧化碳浓度降低至安全值后方可进入进行检修操作。