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在中国问世的世界第一台气动液力动力机械的论证和应用

北极星电力网技术频道    作者:刘典军   2010/11/23 9:08:06   

目前常规动力机械多为电动机、内燃机、汽轮机等,在能源日趋紧张的今天其应用的局限性越来越大,而一种新型节能动力机械——(气动液力动力机)的问世给我们带来了广阔的应用前景。其结构简单、成本低廉,以其不同的结构设计。可输出往复摆动,可输出旋转运动。该动力装置可广泛应用于油田采油机、游乐设施、发电装置,航海航空模拟舱等……
  
  成果简介及特点:
  
  气动液力动力机的独特性在于:其利用自然界最基本的两种物质——水和空气,用低压气体使管道两侧桶中的特制气囊膨胀,水或其他流体受到挤压,于真空管道中迅速流向高处,因其特别设计,最大限度减低摩擦力,并且没有燃烧室,无需配置散热及冷却系统,使气动液力动力机械的效率大大提高,压缩气体可轻易将水顶到几十米高处,此时管道两侧的桶中分别为水和空气,由于两者密度差异重心逆变,就可以不停的旋转,源源不断输出动力。如果想加大动力输出,只需要把管道加长就可以了,因为管道加长就是加长杠杆力,动力就可以成倍增加。阿基米德曾经说过,给他一支足够长的杠杆,还有一个支点,他就能把地球撬起来,这足以说明杠杆的力量是巨大的。
  较传统动力机械的输入能源,不能循环利用的不足,气动液力动力机械可循环利用能源的优势大为明显。因为气动液力动力机械的独特设计,使之输入压缩空气旋转做功后,气囊内空气并没质变,容量、压力也未改变,再经过一套特殊管路及阀体被输送到下台装置(一台或多台,尺寸、规格小于前者)可继续旋转做功,由此形成循环,输出动力成倍增加。气动液力动力机所需要的压缩空气是低压压缩气体,1个大气压就可以把水顶高到10米,8个大气压就是80米。普通的压缩机都可以提供这种压缩气体,它不像蒸汽轮机那样需要高压气体,所以应用面广阔。
  
  另外本装置还可同时提供正反两种旋转模式,也就是说在同一塔架上,可以同时安装两台,相互之间反向旋转的气动液力动力机械,它所驱动的发电机就可以设计成定子和转子相互反向旋转,这样发电机的转速就提高了一倍,从而减小了发电机的重量和体积。这种模式提高了塌架的利用率,同时还降低了发电机的成本。
  
  综上所述,气动液力动力机在某些方面,比传统动力机械有着无可比拟的优势,在以后的储能技术、微电网技术、分布式能源系统的终端担任着无可替代角色,因为其结构简单、成本低廉容易控制,最重要的一点是它可以循环供给它本身的能源,使其效率最大化。
  
  具体应用构想:
  
  第一、气动液力动力机械可以利用火力发电厂的蒸汽,二次循环发电,这是循环经济的一大典范。
  因为发电厂经过蒸汽轮机排出的蒸汽压力还很高,只有冬天可以回收用于供暖,春夏秋都浪费了,要用冷却塔,冷却成水,回流锅炉。现在有了气动液力动力机,就可以利用排出的蒸汽再发一次电,并且还不影响蒸汽的冷却回流,在节能减排的同时,还给发电厂增加发电量,提高经济效益。
  
  首先我们要准备两个储气罐,储气罐的大小根据蒸汽轮机做功后排出蒸汽的多少,由于储气罐,内部特殊的设计,使蒸汽在罐内和压缩空气完成转换,然后供给气动液力动力机,再循环发电,这个储气罐要用完的时候,再转换到另一个储气罐,两个交替使用。气动液力动力机的大小,以及能循环几台,要根据排出的蒸汽的流量和压力,如果各方面都设计到位,就可以把火电厂所发的电大大的提高,晚上用电低谷的时候还可以储能,只需要建造储存压缩空气的地方就可以了。所以气动液力动力机融合火电厂排出蒸汽的二次循环发电,是现在循环经济的一大亮点。也为以后的储能电站、各种新能源的并网发电、智能电网、分布式能源系统,奠定了基础。
  
  第二、气动液力动力机械,还可以用于压缩空气储能循环发电技术。地球能源的开发和利用,仍属当今世界的重大课题,在不断开发新能源的同时,如何更有效的利用现有能源,其中包括节能、储能技术的开发,更为世人关注,尤其是储能技术的开发,已成为一项迫切的工程,因为随着社会的高速发展,使现在的用电量极不均衡,夜间与白天负荷之比几乎达到1:100以上,而担负基荷的火电,尤其是核电很难在夜间低谷负荷期间停机灭炉,即使白天高峰负荷期间,用于调峰的中间机组也很是有限,这就迫使国际社会不遗余力地研究开发储能技术。
  伴随我国新能源产业的迅速发展,储能技术及其产业的发展也日渐成为各方关注的重点。当下多种储能方式,谁能解决并网发电这一新能源产业的最大桎槁,打通供需两端,谁就是最大的赢家。国内首个专题讨论适合中国的大规模储能技术会议【2010-可再生能源发电、储能系统与智能电网产业论坛】在上海马上要召开了。重点探讨风电、太阳能光伏的大规模储能与并网技术。国家电网公司曾明确指出,储能技术是提高新能源发电技术,发展中国智能电网的关键所在。也是解决风电、太阳能光伏发电更好的并网的关键技术。
  
  国电动力经济研究中心副主任胡兆光表示:可再生能源并网问题以及蓄电池问题,一直是让国家电网公司头痛的问题,他说目前最需要解决的问题是,如何在最短的时间内开发出切实可行的大规模储能技术,使可再生能源安全的并入网络。
  
  美国大众机械杂志曾经预测,2009年可能出现的十大科技概念【压缩空气储藏能量技术】榜上有名,2010年是压缩空气储能的发展之年。而我们的气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电技术正好顺应了时代的潮流,并且无可比拟。
  
  首先,通过前面一些简单解绍,我们已经了解了,气动液力动力机械的一些特点,它是用低压气体驱动的一种动力机械,到目前为止,除了一些低压的气动工具,再就没有用低压气体驱动的,能做成大功率的机械了,当然除了气动液力动力机以外,它的设计打破了现代所有动力机械的范畴,它是流体力学、杠杆力学、势能力学、气压力学完美的结合体,最最重要的一点是,它可以循环供给它自身的能源,这是现在任何动力机械所不具备的。
  
  简单的举个例子,现在有一片风电厂和一个太阳能光伏发电厂,它们距离电网很远,要并网很麻烦,首先它们要建造变电站,把电压升高,再架设电线,远距离高压输送进电网,由于风力发电、光伏发电都具有不稳定性、不连续性,就很容易对电网造成冲击,影响安全、稳定的供电,现在利用气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电系统,再并网就好办多了。首先把风电厂里的风车所驱动的发电机,都换成大型螺杆压缩机,因为风力驱动压缩机效率更高一些,它不存在电压高低问题,不换也可以,用发的电驱动压缩机,光伏发电厂也用发的电驱动压缩机,然后把压缩空气汇总于一根主管道,输送到一个靠近电网的地方,建造一个压缩空气气源站,大家都知道输送压缩空气要比输送电力省事的多,还大大的降低了成本和损耗。气源站要有多大容量呢?气动液力动力机要做多大功率的呢?这都要根据风电厂和光伏电厂能压缩多少压缩空气来定,气源站在供给气动液力动力机,压缩空气的同时,要设计出足够的余量来保证,在没有风、没有太阳的时候,气动液力动力机仍旧能够匀速旋转驱动发电机发电并网。
  
  如果气源站所储存的压缩空气是10公斤,就可以设计80米高的气动液力动力机械,具有10公斤1立方的压缩空气被注入气动液力动力机内,使里面一个特制的密闭的气囊瞬间膨胀,1立方的水或其他流体被瞬间顶高到80米的高处,此时80米长的管道两侧具有流线型的容器内,一侧是1立方10公斤的压缩空气,另一侧是1立方水,也就是2000斤水,此时重心逆变,2000斤水从80米的高处,以80米长的管道的中心为旋转点,携带巨大的势能,高速下落,以40米长的杠杆力来旋转扭动低速发电机,或者是增速箱,动力巨大。那么另一侧容器内1立方10公斤的压缩气体怎么办呢,它并没有质变,压力也没减少,因为它只是被关在一个密闭的、特制的、能收缩的容器内,以形态的改变来做功。现在我们就可以把这1立方10公斤的压缩气体,循环到下一台60米的气动液力动力机内,以此类推,再循环到40米的,再循环到20米的,循环的过程是同步进行的,形象一点说就是相互之间位置变动而已,为什么要每一台都要小于前者呢,因为在循环的过程中,所有的管路、阀体不可能做到绝对密封,所以我们每一台都小于前者,留有余量。每一台所输出能量相互叠加,输出动力就成倍增加。而电动机、内燃机、是以能量转换来做功,所以它们不可能循环输入的能源。纵观世界只有我们设计的气动液力动力机械可以循环输入的能源。
  
  在我们举的这个例子中,风电厂和光伏电厂在运用了我们设计的气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电系统以后,效率大大提高,并且所发的电能还很稳定的并入电网,也不会对电网形成冲击了,以后风力发电、光伏发电都以这种模式构建的话,它的应用层面就很广了,它可以作为一个独立的电源系统,给一个村落、一个工厂供电,就不需要并入电网了,其实这种模式的发电系统,就是一个小容量的压缩空气储能电站,其发电成本低于抽水蓄能电站,国外已有容量高达百MW级压缩空气储能电站在建或投运,不过他们设计的压缩空气只是辅助燃气轮机发电,效率低下,因为他们没有气动液力动力系统,国家有关部门也在建议国内着手研制小容量MW级压缩空气储能电站,做为分布式能源系统、微电网系统、独立电源系统,以量身定做的方式为各式用户供电,来减少电网远距离输送的成本和损耗,更灵活、更机动供给用户稳定的、高质量的电能。再往远一点说,国家正在着手建造智能电网系统,国家电网曾明确指出,智能电网的建设规划,2011年至2015年智能电网将大规模实施,2016年至2020年实现整体的完善和提升。而储能技术是构造智能电网的重要环节。
  
  我国当前电网运营面临着最高用电负荷持续增加,间歇能源接入占比扩大,调峰手段有限等诸多挑战,而优质、自愈、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标,储能技术,尤其是大规模储能技术具备的诸多特性得以在发电、输电、配电、用电四大环节得到广泛应用,可以说储能环节是构建智能电网实现目标不可或缺的关键环节。
  
  智能电网究竟是怎么回事呢,说白了就是在用电多的时候多供电,用电少的时候少供电,不用电的时候不供电,并且还要储能存电,所以要用到大规模储能系统,而我们研制开发的气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电系统正是构造智能电网的最好的基础。
  
  把气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电系统,加入到智能电网以后,就可以平衡功率、削峰填谷,提高电网互动性、减少峰谷差,提高设备利用率,提高电网安全可靠性和电能质量,同时,进一步提高了能源利用效率,为国家节约了巨额资金。因为,为了应对城市尖峰负荷,电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设,但利用率非常低。而同样是为了应对尖峰负荷,转而采用大容量储能技术,不仅使资金大大减少,而且由于储能设施占地少、无排放、节地、节能、减排的效果是其它调峰措施无法比拟的。
  
  2008年波及全球的金融危机后,人们忽然认识到:很多传统的行业,已趋于饱和,未来全球新的经济增长点就是能源行业,【能源热】席卷全球。在这国际、国内都种种利好的大环境下,气动液力动力机械的压缩空气储能循环发电系统以后的市场无可限量。当然谁拥有这项技术,谁就主宰这个巨大的市场。
  
  第三、气动液力动力机械可以开发出多种游乐设施,因为气动液力机的输出方式,可以是往复摆动,也可以是旋转运动,还可以是旋转运动后再变为往复摆动。以其不同的结构设计可以输出多种运动方式,非常容易控制,所以就可以开发出多种游乐设施。
  
  第四、气动液力动力机械,还可以用于油田采油机,大大的减低成本节约能源。现在的油田抽油机以游梁式磕头抽油机应用最为普遍,数量也最多,由于油田采油机生产使用的抽油机电机负荷是带有冲击性的变化负荷,特别是稠油和高凝结构井,这种情况更为严重,故为了使拖动抽油机的电机稳定运行,并且有一定的过载能力,需按抽油机的最大功率来配套电动机,一般是20千W到30千W,电动机再经过一套变速箱带动一整套的机械系统把油抽出来,每一个井口都要安装这样一套游梁式磕头抽油机设备,井口与进口之间都要配套安全可靠的电网供电系统,如果井口与井口之间距离比较远,电网对电流的阻碍作用是很大的,无形中对能源造成了很大的浪费。并且为了保证电机在负荷过载的情况下能自动断电保护,还要设计安装,围绕电动机的一整套的保护系统,非常繁琐复杂昂贵。传统的磕头抽油机还普遍存在着起动冲击大,运行耗电多,大马拉小车效率低下,等诸多问题,加之油井情况复杂稠油、结蜡、沙卡现象较多,断杆、烧电机等现象经常发生,设备维修量大,为此急需对现有的抽油机设备进行更新换代。
  
  如果用上气动液力动力机,来替代磕头式抽油机,就可以克服以上所谈的油田抽油机的种种弊端,还十分节能.
  
  油田用上气动液力动力机后,就不需要井口与井口之间配套电网供电系统了,就不会造成无形的浪费。只需选一个中心区域配套大功率螺杆压缩机向周边的井口辐射供气管道就可以。并且,如果条件允许的话,还可以安装风力压缩空气系统,供给气动液力动力机用,这样借助风力,就根本不耗费能源了。这种油田抽油机系统,运行起来更节能、更安全、更方便、更耐用,第一台气动液力油田抽油机做功后,把压缩气体再循环到下一个井口上的抽油机,看情况可以循环3到4台,每个井口至少可以节省10个千W。
  
  气动液力油田抽油机的输出动力是自动控制的,它可以根据往外提油时重力多大来调节供气量,如果提油时被沙卡住了,也不会出现,现在游梁式磕头抽油机烧电机的情况,应为它没有电机,它是用气的,气充满后就充不进去了,它会自动往相反的方向旋转,来缓解一下卡住的情况,再继续工作,它是智能化的,易于管理,维修量少,节能效果明显。
  
  目前全市界都在搞节能减排,减少碳排放量,以解决地球日趋变暖的恶性效应,全世界气候大会在哥本哈根举行,就是为了磋商各个国家再进一步降低二氧化碳的排放量,来缓解地球日益严重的气候问题。而气动液力油田抽油机正是一种节能、低碳、减排的好项目,将受到国家乃至世界各国的大力支持。
  
  市场方面更是大有可为,全国约有20个油田大约占地200万平方公里,油田里分布着数以万计的油井,如果都更新成气动液力油田抽油机,那市场有多大,就可想而知了,如果再做到全世界,更是不敢想象,说到社会效益更是有目共睹,平均每口井最低节约10千W那么这口井一天24小时就是240度电,一年就是87600度电,每一度电要用366克煤,一年就可以节省32.0616吨煤,现在国家每节约一吨煤,补贴200元,一个井口国家一年光补贴就是6400元,还有一般一吨煤估计排放二氧化碳为2.66-2.72吨一年就可以减排80多吨二氧化碳,外加少量的其它元素。二氧化碳国家也有补贴,这只是一口井,如果再乘以几万口井,哪能节约多少煤、节约多少电、减排多少二氧化碳呢?
  
  所以,通过以上种种有利于地球的因素,说明巨大的市场需求,国家一定会大力支持此项目的发展,使之造福地球造福人类。
  
  第五、伴随全球经济发展速度的加快,能源消耗呈几何数增长,能源供应日趋紧张。如何保证能源供应,保持经济可持续发展已成为各国政府考虑的重大课题,其出路无非开发可再生及新能源。本技术发明顺应能源替代、开发这一大势,节能环保,有着良好、广泛的应用前景,必将产生良好的经济和社会效益。该技术有样机。
刘典军:13356883539

来源:青岛劳克智能科技有限公司
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