一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统及使用方法

1.本发明涉及储能技术领域，更具体地说是涉及一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统及使用方法。


背景技术：

2.随着世界各国对能源需求量的不断增加，新型能源逐渐成为常规化石燃料的重要补充。天然气水合物具有分布广泛、能量密度高等优点，具有广阔的应用前景。天然气海上开采平台通常兼具生产和生活功能，采用经济合理的能量设备运行方案可以有效降低平台运行成本，提高经济效益。随着海上风电资源的不断开发，将海上风电引入海上平台的能量系统的方案引起了人们的重视。
3.近年来海上风力发电发展迅速，海上风机的装机规模逐年攀升，但由于海上风电场出力波动较大，并网会对陆上大电网造成冲击，必须配置储能等灵活性资源，引入了新的技术性和经济性问题。为了保证海上风机的正常运行，往往需要从陆地接引长距离柔性电缆至风机，不仅增加了工程耗材量，同时加剧了电能损耗。若能采用近风机能源进行现场供能，既可减少柔性电缆材料使用，同时也可提升能源使用效率。
4.高密度压缩空气储能发电系统配合中小容量的分布式发电站工作，能够满足储能与发电系统的最优化运行需要。高密度压缩空气储能系统利用高压储气设备存储高压空气，无需燃烧化石燃料即可驱动马达输出机械功，带动发电机发电。相较于大型压缩空气储能电站，该系统摆脱了地理条件的限制，降低了折合成本，同时具有能量密度高、容量配置方案灵活、相对安全系数高等优点，特别适用于智能微网、独立供电系统以及后备电源系统。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明提供一种海上风电、天然气开采、压缩天然气储能一体化供能系统及方法，在海上风电供过于求时，利用第二级储能压缩机将天然气压缩至35mpa高压后储存；在海上风电供不应求时，35mpa高压天然气可用于膨胀发电，在为海上天然气开采平台和第一级压缩机供电的同时输出5mpa压力的可用天然气，通过海底管道向外运输。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，包括海上风电场、海上天然气开采平台、压缩天然气储能子系统、电网和天然气管道；
8.其中，所述海上风电场、海上天然气开采平台和压缩天然气储能子系统分别与电网连接，所述海上天然气开采平台与压缩天然气储能子系统之间由天然气管道连接，所述天然气管道开有一条支路且贯穿至海底；所述海上风电场用于捕获风能发电并入电网，为海上天然气开采平台供电。
9.进一步的，所述海上天然气开采平台包括开采装置和第一级压缩机，所述开采装置与所述第一级压缩机以及所述压缩天然气储能子系统通过天然气管道依次连接；所述开
采装置和所述第一级压缩机分别与所述电网连接；电能对天然气进行开采，然后通过第一级压缩机对天然气进行压缩，达到管道输送压力。
10.进一步的，所述压缩天然气储能子系统包括增压-膨胀器，脱水系统和高压储气罐；所述第一级压缩机与所述括增压-膨胀器，脱水系统和高压储气罐通过天然气管道依次连接；所述增压-膨胀器与所述电网连接，其中，所述增压-膨胀器和高压储气罐还设置有支路管道，通过支路管道直接连接。
11.进一步的，所述增压-膨胀器装置包括：第二级储能压缩机、高压天然气膨胀机、液压泵、液压马达和发电机；
12.所述液压泵与第二级储能压缩机连接；
13.所述高压天然气膨胀机与液压马达以及发电机依次连接；
14.所述液压泵和发电机分别与所述电网连接；
15.所述第二级储能压缩机与所述第一级压缩机连接；
16.所述第二级储能压缩机与所述脱水系统连接；
17.所述高压天然气膨胀机与所述高压储气罐连接。
18.第二级储能压缩机和高压天然气膨胀机通过使用多管束并联的压缩腔来增加表面积和换热量的近等温压缩方法，在风电供过于求时，将多余的满足海底管道外输的天然气送入第二级储能压缩机，利用液体驱动天然气压缩至35mpa，得到的高压天然气经脱水系统脱水后在气罐中储存；在风电供不应求时，将气罐中储存的35mpa天然气通入高压天然气膨胀机膨胀至5mpa，通过膨胀发电为海上天然气开采平台及第一级压缩机供电,输出的5mpa可用天然气可通过海底管道向外运输。
19.进一步的，所述海上风电场，包括海上风机阵列、监测控制系统，监测控制系统包括实时风速测量设备以及与风机阵列中风机相连的风机实时输出功率监测设备。
20.进一步的，其特征在于，包括储能阶段和释能阶段；
21.所述储能阶段包括：海上风电供过于求时，海上风电场为海上天然气开采平台、脱水系统、第二级储能压缩机供电，海上天然气开采平台油气从井口开采后，进入第一级压缩机进行压缩，保证天然气达到可用压力，一部分经海底管道进行运输，同时第二级储能压缩机将一部分开采出来的天然气压缩至35mpa高压并经过脱水系统脱水处理后存储至高压储气罐中。
22.所述释能阶段包括：海上风电供不应求时，将储存在高压储气罐中的35mpa高压天然气输入高压天然气膨胀机中进行膨胀发电，为海上天然气开采平台和脱水系统供电，同时输出5mpa的可用天然气进入海底运输管道向外运输。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1是本发明提出的一种海上风电、天然气开采、压缩天然气储能一体化供能系统及方法原理图；
25.图2是本发明提出的增压-膨胀器装置原理图；
26.图3是本发明提出的一种海上风电、天然气开采、压缩天然气储能一体化供能系统及方法储能阶段运行原理图；
27.图4是本发明提出的一种海上风电、天然气开采、压缩天然气储能一体化供能系统及方法释能阶段运行原理图。
28.其中，图中：
29.1-海上风电场；2-海上天然气开采平台；3-天然气开采装置；4-第一级压缩机；5-压缩天然气储能子系统；6-增压-膨胀器装置；7-脱水系统；8-高压储气罐；9-电网；10-第二级储能压缩机；11-液压泵；12-高压天然气膨胀机；13-液压马达；14-发电机；15-天然气管道。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.本实施例公开了一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，包括海上风电场1、海上天然气开采平台2、压缩天然气储能子系统5、电网9和天然气管道15；
33.其中，海上风电场1、海上天然气开采平台2和压缩天然气储能子系统5分别与电网9连接，海上天然气开采平台2与压缩天然气储能子系统之间5由天然气管道15连接，天然气管道15开有一条支路且贯穿至海底。
34.为了进一步优化上述技术方案，海上天然气开采平台2包括开采装置3和第一级压缩机4，开采装置3与第一级压缩机4以及压缩天然气储能子系统5通过天然气管道15依次连接；开采装置3和第一级压缩机4分别与电网9连接。
35.为了进一步优化上述技术方案，压缩天然气储能子系统5包括增压-膨胀器6，脱水系统7和高压储气罐8；第一级压缩机4与括增压-膨胀器6，脱水系统7和高压储气罐8通过天然气管道15依次连接；增压-膨胀器6与电网9连接，其中，增压-膨胀器6和高压储气罐8还设置有支路管道，通过支路管道直接连接。
36.为了进一步优化上述技术方案，增压-膨胀器6包括：第二级储能压缩机10、高压天然气膨胀机12、液压泵11、液压马达13和发电机14；
37.液压泵11与第二级储能压缩机10连接；
38.高压天然气膨胀机12与液压马达13以及发电机14依次连接；
39.液压泵11和发电机14分别与电网连接；
40.第二级储能压缩机10与第一级压缩机4连接；
41.第二级储能压缩机10与脱水系统7连接；
42.高压天然气膨胀机12分别与脱水系统7和高压储气罐8连接。
43.为了进一步优化上述技术方案，海上风电场1，包括海上风机阵列、监测控制系统，监测控制系统包括实时风速测量设备以及与风机阵列中风机相连的风机实时输出功率监
测设备。
44.实施例2
45.实施例1所述系统运行过程包括储能阶段和释能阶段：
46.①
储能阶段：海上风电供过于求时，海上风电场1为海上天然气开采平台2、脱水系统7、第二级储能压缩机10供电，海上天然气开采平台油气从井口开采后，进入第一级压缩机4进行压缩，保证天然气达到可用压力，一部分经海底管道进行运输，同时第二级储能压缩机10将一部分开采出来的天然气压缩至35mpa高压并经过脱水系统7脱水处理后存储至高压储气罐8中。
47.②
释能阶段：海上风电供不应求时，将储存在高压储气罐8中的35mpa高压天然气输入高压天然气膨胀机12中进行膨胀发电，为海上天然气开采平台2和脱水系统5供电，同时输出5mpa的可用天然气进入海底运输管道向外运输。
48.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
49.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，其特征在于，包括海上风电场、海上天然气开采平台、压缩天然气储能子系统、电网和天然气管道；其中，所述海上风电场、海上天然气开采平台和压缩天然气储能子系统分别与电网连接，所述海上天然气开采平台与压缩天然气储能子系统之间由天然气管道连接；所述天然气管道开有一条支路且贯穿至海底。2.根据权利要求1所述的一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，其特征在于，所述海上天然气开采平台包括开采装置和第一级压缩机，所述开采装置与所述第一级压缩机以及所述压缩天然气储能子系统通过天然气管道依次连接；所述开采装置和所述第一级压缩机分别与所述电网连接。3.根据权利要求2所述的一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，其特征在于，所述压缩天然气储能子系统包括增压-膨胀器，脱水系统和高压储气罐；所述第一级压缩机与所述括增压-膨胀器，脱水系统和高压储气罐通过天然气管道依次连接；所述增压-膨胀器与所述电网连接，其中，所述增压-膨胀器和高压储气罐还设置有支路管道，通过支路管道直接连接。4.根据权利要求3所述的一种基于海上风电和天然气的一体化供能系统，其特征在于，所述增压-膨胀器装置包括：第二级储能压缩机、高压天然气膨胀机、液压泵、液压马达和发电机；所述液压泵与第二级储能压缩机连接；所述高压天然气膨胀机与液压马达以及发电机依次连接；所述液压泵和发电机分别与所述电网连接；所述第二级储能压缩机与所述第一级压缩机连接；所述第二级储能压缩机与所述脱水系统连接；所述高压天然气膨胀机分别与所述脱水系统和高压储气罐连接。5.一种如权利要求4所述的基于海上风电和天然气的一体化供能系统的使用方法，其特征在于，包括储能阶段和释能阶段；所述储能阶段包括：海上风电供过于求时，海上风电场为海上天然气开采平台、脱水系统、第二级储能压缩机供电，海上天然气开采平台油气从井口开采后，进入第一级压缩机进行压缩，保证天然气达到可用压力，一部分经海底管道进行运输，同时第二级储能压缩机将一部分开采出来的天然气压缩至35mpa高压并经过脱水系统脱水处理后存储至高压储气罐中。所述释能阶段包括：海上风电供不应求时，将储存在高压储气罐中的35mpa高压天然气输入高压天然气膨胀机中进行膨胀发电，为海上天然气开采平台和脱水系统供电，同时输出5mpa的可用天然气进入海底运输管道向外运输。

技术总结
本发明公开了基于海上风电和天然气的一体化供能系统及使用方法，包括海上风电场、海上天然气开采平台和压缩天然气储能子系统；海上风电场捕获风能为海上天然气开采平台供电；海上天然气开采平台利用风电对天然气进行开采，通过第一级压缩机对天然气进行压缩，达到管道输送压力；压缩天然气储能子系统在海上风电供过于求时，启动第二级储能压缩机将天然气增压至高压并储存，在海上风电供不应求时，将高压天然气释放进行膨胀发电，为天然气开采平台及第一级压缩机供电，同时输出低压可用天然气。该系统可实现海上风电的就地消纳、削峰填谷，避免海上风电的远距离输送，同时降低了海上天然气开采系统的碳排放量。上天然气开采系统的碳排放量。上天然气开采系统的碳排放量。


技术研发人员：许未晴 陆岳珂 王矿岩 蔡茂林
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/25