CN102213113B - 一种压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

一种压缩空气储能系统，通过在系统压缩部分与膨胀部分的管路中设置三位四通阀，利用三位四通阀的变通路特性，改变空气在系统中的流动情况，实现压气机、透平机串、并联形式的变化，提高系统的总体工作效率。三位四通阀的使用，一方面提高了压缩空气储能系统整体的灵活性，使系统的运行更有针对性，有利于压缩空气储能系统与各种类型电站的配套使用，另一方面改善了透平机械的使用情况，可以根据储能与发电的需要实现透平机械的优化配置。

Description

一种压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及能量存储技术领域，具体的说，是一种利用三位四通阀实现透平机械优化配置的压缩空气储能系统。
背景技术
传统的压缩空气储能系统是一种基于燃气轮机技术的能量存储系统。然而，由于世界各国对于燃料利用、环境保护提出了更高的要求，国内外一些学者展开了对压缩空气储能系统的技术改进。其中，利用热存储器的压缩空气储能系统是目前储能技术中较为先进的一种储能方式，其最核心的技术是利用储热器替代燃烧室，通过储热器收集空气压缩过程的过程热，并在系统做功阶段加热低温高压的压缩空气，增加透平机的输出功。
虽然利用热存储器的压缩空气储能系统更好地利用了能量，并且对环境友好，但该系统的变工况应用特性较差。这是由于压缩空气储能是一种大规模的储能方法，在系统设计时已经确定了储气室的压力情况、储能量的大小、透平机械的型号与连接方式等问题，这使得系统在设计工况附近工作时，有最佳的工作效率，而当储能要求偏离设计工况较大时，由于无法改变原有的系统配置，尤其是压气机和透平机的连接方式，压气机和透平机的效率不高，系统整体的运行效率会降低。
因此，针对利用热存储器的压缩空气储能系统的灵活性较差的问题，尤其是压气机和透平机在不同工况下的优化配置问题，必须找到合理的解决方法，才能使压缩空气储能系统得到更广泛而又有效的利用。
发明内容
本发明涉及一种压缩空气储能系统，该系统利用三位四通阀的变通路特性，解决压缩空气储能系统中透平机械的优化配置问题，有利于压缩空气储能系统与各种类型电站的配套使用。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种压缩空气储能系统，包括：电动机（1），至少一个低压级压气机（2），至少一个高压级压气机（3），至少一个低压级冷却器（4），至少一个高压级冷却器（5），储气室（7），热存储器（8），至少一个透平机（9），发电机（10），至少一个换热器（11），冷却介质供应源（12），其特征在于：
电动机（1）与所述至少一个低压级压气机（2）和所述至少一个高压级压气机（3）的共有传动轴固接，发电机（10）与所述至少一个透平机（9）的传动轴固接；
所述至少一个低压级冷却器（4）和所述至少一个高压级冷却器（5）的热侧进口分别与所述至少一个低压级压气机（2）和所述至少一个高压级压气机（3）的出气口相连通，热侧出口与储气室（7）的进口相连通；所述至少一个低压级冷却器（4）和所述至少一个高压级冷却器（5）的冷侧进口与冷却介质供应源（12）的出口相连通，冷侧出口与热存储器（8）的进口相连通； 
所述至少一个换热器（11）的冷侧进口与储气室（7）的出口相连通，冷侧出口与所述至少一个透平机（9）的进气口相连通；所述至少一个换热器（11）的热侧进口与热存储器（8）的出口相连通，热侧出口与冷却介质供应源（12）的进口相连通。
优选的，所述系统还包括至少一个三位四通阀（6），所述至少一个三位四通阀（6）的两个进口分别与进口空气管道和所述至少一个低压级冷却器（4）的热侧出口相连通，所述至少一个三位四通阀（6）的两个出口分别与所述至少一个高压级压气机（3）的进气口和储气室（7）的进口相连通；
储能阶段，当储气室（7）压力较低时，所述至少一个三位四通阀（6）处于通路状态，进口空气管道与所述至少一个高压级压气机（3）的进气口相通，所述至少一个低压级冷却器（4）的热侧出口与储气室（7）相通，进口空气管道中的空气同时进入所述至少一个低压级压气机（2）与所述至少一个高压级压气机（3）中，所述至少一个低压级压气机（2）与所述至少一个高压级压气机（3）的排气同时进入储气室（7），所述至少一个低压级压气机（2）与所述至少一个高压级压气机（3）处于并联状态，系统实现单级压缩；
当储气室（7）压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，所述至少一个三位四通阀（6）由通路状态变为U型状态，使所述至少一个三位四通阀（6）与进口空气管道相通的进口封闭，所述至少一个三位四通阀（6）与储气室（7）的进口相通的出口封闭，同时所述至少一个低压级冷却器（4）的热侧出口与所述至少一个高压级压气机（3）的进气口相通，所述至少一个低压级压气机（2）的出口空气成为所述至少一个高压级压气机（3）的进气，系统实现两级压缩；
做功阶段，储气室（7）内低温高压的压缩空气进入所述至少一个换热器（11）的冷侧，同时热存储器（8）中温度较高的冷却介质进入所述至少一个换热器（11）的热侧；压缩空气吸收热量后进入所述至少一个透平机（9）中，所述至少一个透平机（9）做功，乏气由所述至少一个透平机（9）的出口排出，降温后的冷却介质进入冷却介质供应源（12）存储。
优选的，所述三位四通阀（6）为手动、机动、电磁动、液动或电液动操纵控制方式。
优选的，所述三位四通阀（6）为滑阀式、转阀式或球阀式结构形式。
优选的，在与冷却介质供应源（12）和/或热存储器（8）相通的管路中设置有动力泵。
优选的，所述冷却介质为水或熔融盐，所述热存储器（8）材料为岩石、陶瓷、混凝土或铸铁。
优选的，电动机（1）电力来源为电网、风力发电或太阳能发电。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题还提供了另外一种技术方案：
一种压缩空气储能系统，包括：风力发电系统（1），电动机（2），至少一个低压级压气机（3），至少一个高压级压气机（4），热存储器（6），储气室（7），至少一个透平机（8），发电机（9），回热器（10），其特征在于：风力发电系统（1）与电动机（2）相连，电动机（2）与所述至少一个低压级压气机（3）和所述至少一个高压级压气机（4）的共有传动轴固接，发电机（9）与所述至少一个透平机（8）的传动轴固接；热存储器（6）的热侧进口与所述至少一个低压级压气机（3）和所述至少一个高压级压气机（4）的出气口相连通，热存储器（6）热侧出口与储气室（7）的进口相连通；回热器（10）的冷侧进口与储气室（7）的出口相连通，冷侧出口与热存储器（6）的冷侧进口相连通；所述至少一个透平机（8）的进气口与热存储器（6）的冷侧出口相连通，所述至少一个透平机（8）的出气口与回热器（10）的热侧进口相连通。
优选的，所述系统还包括至少一个三位四通阀（5），所述至少一个三位四通阀（5）的两个进口分别与进口空气管道和所述至少一个低压级压气机（3）的出气口相连通，所述至少一个三位四通阀（5）的两个出口分别与所述至少一个高压级压气机（4）的进气口和热存储器（6）的热侧进口相连通；
储能阶段，当储气室（7）压力较低时，所述至少一个三位四通阀（5）处于通路状态，进口空气管道与所述至少一个高压级压气机（4）的进气口相通，所述至少一个低压级压气机（3）的出气口与热存储器（6）的热侧进口相通，进口空气管道中的空气同时进入所述至少一个低压级压气机（3）与所述至少一个高压级压气机（4）中，所述至少一个低压级压气机（3）与所述至少一个高压级压气机（4）的排气同时进入热存储器（6）中放热降温，之后进入储气室（7）中存储，所述至少一个低压级压气机（3）与所述至少一个高压级压气机（4）处于并联状态，系统实现单级压缩；
当储气室（7）压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，所述至少一个三位四通阀（5）由通路状态变为U型状态，使所述至少一个三位四通阀（5）与进口空气管道相通的进口封闭，所述至少一个三位四通阀（5）与热存储器（6）的热侧进口相通的出口封闭，同时所述至少一个低压级压气机（3）的出气口与所述至少一个高压级压气机（4）的进气口相通，所述至少一个低压级压气机（3）的出口空气成为所述至少一个高压级压气机（4）的进气，系统实现两级压缩；
做功阶段，储气室（7）内低温高压的压缩空气进入回热器（10）的冷侧，与热侧中所述至少一个透平机（8）的乏气进行热量交换，升温后进入热存储器（6）的冷侧，吸收热存储器（6）中存储的热量及热存储器热侧中高温空气的热量；升温后的压缩空气进入所述至少一个透平机（8）中，所述至少一个透平机（8）做功，乏气由所述至少一个透平机（8）的出口排出，经过回热器（10）降温后排入大气。
由以上技术方案可知，本发明的优点是：压缩空气储能系统整体的灵活性提高，可根据储能与发电的需要，利用三位四通阀的变通路特性，改变空气在系统中的流动情况，实现透平机械的优化配置，提高系统整体的工作效率。
附图说明
图1为本发明“实施例一”的压缩空气储能系统示意图。
图2为本发明“实施例二”的压缩空气储能系统示意图。
图3为本发明“实施例三”的压缩空气储能系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例一
如图1所示，一种压缩空气储能系统，包括：电动机1，低压级压气机2，高压级压气机3，低压级冷却器4，高压级冷却器5，储气室7，热存储器8，至少一个透平机9，发电机10，至少一个换热器11，冷却介质供应源12，电动机1与低压级压气机2和高压级压气机3的共有传动轴固接，发电机10与透平机9的传动轴固接；低压级冷却器4和高压级冷却器5的热侧进口分别与低压级压气机2和高压级压气机3的出气口相连通，热侧出口与储气室7的进口相连通；低压级冷却器4和高压级冷却器5的冷侧进口与冷却介质供应源12的出口相连通，冷侧出口与热存储器8的进口相连通；换热器11的冷侧进口与储气室7的出口相连通，冷侧出口与透平机9的进气口相连通；换热器11的热侧进口与热存储器8的出口相连通，热侧出口与冷却介质供应源12的进口相连通。
所述系统还包括至少一个三位四通阀6，它的两个进口分别与进口空气管道和低压级冷却器4的热侧出口相连通，三位四通阀6的两个出口分别与高压级压气机3的进气口和储气室7的进口相连通；储能阶段，当储气室7压力较低时，三位四通阀6处于通路状态，进口空气管道与高压级压气机3的进气口相通，低压级冷却器4的热侧出口与储气室7相通，进口空气管道中的空气同时进入低压级压气机2与高压级压气机3中，低压级压气机2与高压级压气机3的排气同时进入储气室7，低压级压气机2与高压级压气机3处于并联状态，系统实现单级压缩；当储气室7压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，三位四通阀6由通路状态变为U型状态，使三位四通阀6与进口空气管道相通的进口封闭，三位四通阀6与储气室7的进口相通的出口封闭，同时低压级冷却器4的热侧出口与高压级压气机3的进气口相通，低压级压气机2的出口空气成为高压级压气机3的进气，系统实现两级压缩；做功阶段，储气室7内低温高压的压缩空气进入换热器11的冷侧，同时热存储器8中温度较高的冷却介质进入换热器11的热侧；压缩空气吸收热量后进入透平机9中，透平机9做功，乏气由透平机9的出口排出，降温后的冷却介质进入冷却介质供应源12存储。
实施例二
图２为本发明“实施例二”的压缩空气储能系统示意图。该压缩空气储能系统包括：电动机1，低压级压气机2，中压级压气机3，高压级压气机4，低压级冷却器5，中压级冷却器6，高压级冷却器7，三位四通阀Ⅰ8，三位四通阀Ⅱ9，储气室10，热存储器11，高压级透平机12，中压级透平机13，低压级透平机14，发电机15，高压级换热器16，中压级换热器17，低压级换热器18，三位四通阀Ⅲ19，三位四通阀Ⅳ20，冷却介质供应源21，动力泵Ⅰ22，动力泵Ⅱ23。本实施例同实施例一的区别在于：储能阶段采用三级压缩，膨胀阶段采用三级膨胀，系统中共有四个三位四通阀，两个用于储能阶段，两个用于膨胀阶段。此外，在热存储器11与冷却介质供应源21出口处分别设置了动力泵Ⅰ22与动力泵Ⅱ23，以保证过程持续进行。     实施例三
图3为本发明“实施例三”的压缩空气储能系统示意图。一种压缩空气储能系统，包括：风力发电系统1，电动机2，低压级压气机3，高压级压气机4，热存储器6，储气室7，透平机8，发电机9，回热器10，风力发电系统1与电动机2相连，电动机2与低压级压气机3和高压级压气机4的共有传动轴固接，发电机9与透平机8的传动轴固接；热存储器6的热侧进口与低压级压气机3和高压级压气机4的出气口相连通，热存储器6热侧出口与储气室7的进口相连通；回热器10的冷侧进口与储气室7的出口相连通，冷侧出口与热存储器6的冷侧进口相连通；透平机8的进气口与热存储器6的冷侧出口相连通，透平机8的出气口与回热器10的热侧进口相连通。
所述系统还包括三位四通阀5，它的两个进口分别与进口空气管道和低压级压气机3的出气口相连通，三位四通阀5的两个出口分别与高压级压气机4的进气口和热存储器6的热侧进口相连通；储能阶段，当储气室7压力较低时，三位四通阀5处于通路状态，进口空气管道与高压级压气机4的进气口相通，低压级压气机3的出气口与热存储器6的热侧进口相通，进口空气管道中的空气同时进入低压级压气机3与高压级压气机4中，低压级压气机3与高压级压气机4的排气同时进入热存储器6中放热降温，之后进入储气室7中存储，低压级压气机3与高压级压气机4处于并联状态，系统实现单级压缩；当储气室7压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，三位四通阀5由通路状态变为U型状态，使三位四通阀5与进口空气管道相通的进口封闭，三位四通阀5与热存储器6的热侧进口相通的出口封闭，同时低压级压气机3的出气口与高压级压气机4的进气口相通，低压级压气机3的出口空气成为高压级压气机4的进气，系统实现两级压缩；做功阶段，储气室7内低温高压的压缩空气进入回热器10的冷侧，与热侧中透平机8的乏气进行热量交换，升温后进入热存储器6的冷侧，吸收热存储器6中存储的热量及热存储器热侧中高温空气的热量；升温后的压缩空气进入透平机8中，透平机8做功，乏气由透平机8的出口排出，经过回热器10降温后排入大气。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种压缩空气储能系统，包括:电动机(1),至少一个低压级压气机(2),至少一个高压级压气机(3),至少一个低压级冷却器(4),至少一个高压级冷却器(5)，储气室(7)，热存储器(8),至少一个透平机(9)，发电机(10),至少一个换热器(11)，冷却介质供应源(12 ),其特征在于:
电动机(1)与所述至少一个低压级压气机(2)和所述至少一个高压级压气机(3)的共有传动轴固接，发电机(10)与所述至少一个透平机(9)的传动轴固接；
所述至少一个低压级冷却器(4)和所述至少一个高压级冷却器(5)的热侧进口分别与所述至少一个低压级压气机(2)和所述至少一个高压级压气机(3)的出气口相连通，所述至少一个高压级冷却器(5)的热侧出口与储气室(7)的进口相连通;所述至少一个低压级冷却器(4)和所述至少一个高压级冷却器(5)的冷侧进口与冷却介质供应源(12)的出口相连通，冷侧出口与热存储器(8)的进口相连通;
所述至少一个换热器(11)的冷侧进口与储气室(7)的出口相连通，冷侧出口与所述至少一个透平机(9)的进气口相连通;所述至少一个换热器(11)的热侧进口与热存储器(8)的出口相连通，热侧出口与冷却介质供应源(12)的进口相连通;
所述系统还包括至少一个二位四通阀(6),所述至少一个二位四通阀(6)的两个进口分别与进口空气管道和所述至少一个低压级冷却器(4)的热侧出口相连通，所述至少一个二位四通阀(6)的两个出口分别与所述至少一个高压级压气机(3)的进气口和储气室(7)的进口相连通；
储能阶段，当储气室(7)压力较低时，所述至少一个二位四通阀(6)处于通路状态，进口空气管道与所述至少一个高压级压气机(3)的进气口相通，所述至少一个低压级冷却器(4)的热侧出口与储气室(7)的进口相通，进口空气管道中的空气同时进入所述至少一个低压级压气机(2)与所述至少一个高压级压气机(3)中，所述至少一个低压级压气机(2)与所述至少一个高压级压气机(3)的排气同时进入储气室(7),所述至少一个低压级压气机(2)与所述至少一个高压级压气机(3)处于并联状态，系统实现单级压缩；
当储气室(7)压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，所述至少一个二位四通阀(6)由通路状态变为U型状态，使所述至少一个二位四通阀(6)与进口空气管道相通的进口封闭，所述至少一个二位四通阀(6)与储气室(7)的进口相通的出口封闭，同时所述至少一个低压级冷却器(4)的热侧出口与所述至少一个高压级压气机(3)的进气口相通，所述至少一个低压级压气机(2)的出口空气成为所述至少一个高压级压气机(3)的进气，系统实现两级压缩；
做功阶段，储气室(7)内低温高压的压缩空气进入所述至少一个换热器(11)的冷侧，同时热存储器(8)中温度较高的冷却介质进入所述至少一个换热器(11)的热侧；压缩空气吸收热量后进入所述至少一个透平机(9)中，所述至少一个透平机(9)做功，乏气由所述至少一个透平机(9)的出口排出，降温后的冷却介质进入冷却介质供应源(12)存储。
2. 根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述二位四通阀(6)为手动、机动、电磁动、或液动操纵控制方式。
3. 根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述二位四通阀(6)为滑阀式、转阀式或球阀式结构形式。
4. 根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，在与冷却介质供应源(12)和/或热存储器(8)相通的管路中设置有动力泵。
5. 根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述冷却介质为水或熔融盐，所述热存储器(8)材料为岩石、陶瓷、混凝土或铸铁。
6. 根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，电动机(1)电力来源为电网、风力发电或太阳能发电。
7. 一种压缩空气储能系统，包括:风力发电系统(1)，电动机(2),至少一个低压级压气机(3),至少一个高压级压气机(4)，热存储器(6)，储气室(7) ,至少一个透平机(8)，发电机（9)，回热器(10)，其特征在于:
风力发电系统(1)与电动机(2)相连，电动机(2)与所述至少一个低压级压气机(3)和所述至少一个高压级压气机(4)的共有传动轴固接，发电机(9)与所述至少一个透平机(8)的传动轴固接;
热存储器(6)的热侧进口与所述至少一个高压级压气机(4)的出气口相连通，热存储器(6)热侧出口与储气室(7)的进口相连通;
回热器(10)的冷侧进口与储气室(7)的出口相连通，冷侧出口与热存储器(6)的冷侧进口相连通;
所述至少一个透平机(8)的进气口与热存储器(6)的冷侧出口相连通，所述至少一个透平机(8)的出气口与回热器(10)的热侧进口相连通；
所述系统还包括至少一个二位四通阀(5)，所述至少一个二位四通阀(5)的两个进口分别与进口空气管道和所述至少一个低压级压气机(3)的出气口相连通，所述至少一个二位四通阀(5)的两个出口分别与所述至少一个高压级压气机(4)的进气口和热存储器(6)的热侧进口相连通；
储能阶段，当储气室(7)压力较低时，所述至少一个二位四通阀(5)处于通路状态，进口空气管道与所述至少一个高压级压气机(4)的进气口相通，所述至少一个低压级压气机(3)的出气口与热存储器(6)的热侧进口相通，进口空气管道中的空气同时进入所述至少一个低压级压气机(3)与所述至少一个高压级压气机(4)中，所述至少一个低压级压气机(3)与所述至少一个高压级压气机(4)的排气同时进入热存储器(6)中放热降温，之后进入储气室(7)中存储，所述至少一个低压级压气机(3)与所述至少一个高压级压气机(4)处于并联状态，系统实现单级压缩；
当储气室(7)压力升至单级压缩出口压力上限时，单级压缩无法继续进行，所述至少一个二位四通阀(5)由通路状态变为U型状态，使所述至少一个二位四通阀(5)与进口空气管道相通的进口封闭，所述至少一个二位四通阀(5)与热存储器(6)的热侧进口相通的出口封闭，同时所述至少一个低压级压气机(3)的出气口与所述至少一个高压级压气机(4)的进气口相通，所述至少一个低压级压气机(3)的出口空气成为所述至少一个高压级压气机(4)的进气，系统实现两级压缩；
做功阶段，储气室(7)内低温高压的压缩空气进入回热器(10)的冷侧，与热侧中所述至少一个透平机(8)的乏气进行热量交换，升温后进入热存储器(6)的冷侧，吸收热存储器(6)中存储的热量及热存储器热侧中高温空气的热量；升温后的压缩空气进入所述至少一个透平机(8)中，所述至少一个透平机(8)做功，乏气由所述至少一个透平机(8)的出口排出，经过回热器(10)降温后排入大气。
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