CN102661175A - 压缩空气的储能系统 - Google Patents

Abstract

一种压缩空气的储能系统，包括压缩机组、预膨胀装置、透平膨胀机、中间冷却器、电动机、发电机、热水储罐、冷水储罐；该系统利用用户用电低谷时期或风电场发电高峰时期用不完的电能驱动压缩机组工作，压缩常压下的空气到高压，并将这部分富含压力能的空气储存于耐高压洞穴中。并在用户用电高峰时期或风电场发电低谷时期，将储存的高压空气释放出来，推动膨胀机组做功，输出电能。在储气室出口加装有气体预膨胀装置，使气体透平膨胀机进气压力稳定，增加发电系统工作的稳定性；利用预膨胀装置出口的低温气体，冷却来自热水储罐的热水，低温气体因吸收来至热水的热量而升温，被冷却的水进入冷水储罐。本发明具有热水储罐和冷水储罐，水在闭合回路中被反复循环使用，不消耗水，且压缩机排热量被全部利用送回到预膨胀装置出口的高压空气。预膨胀装置出口的高压空气通过回热器HRH回收。

Description

压缩空气的储能系统

技术领域：

本发明专利涉及空气储能领域，具体涉及一种压缩空气的储能系统。

背景技术：

从目前的科技发展水平来看，压缩空气储能技术（CAES）和抽水蓄能技术是能够实现电能大规模储存仅有的两种技术。由于我国广大的西部地区普遍干旱缺水，抽水蓄能技术暂无法采用，因此，压缩空气储能技术成为我国，尤其是西部地区，对风电进行大规模储存唯一可以采用的技术。

压缩空气储能技术在国外已有30年以上的应用和发展历史，今天仍在安全运行。目前，在运行的电站有美国的阿拉巴马州电力公司在麦金托什（McIntosh）地区兴建的压缩空气储能电站和德国的Huntorf压缩空气储能电站。

根据国外压缩空气储能电站热力系统的技术特点和发展历史，大致可划分为两代技术：

第一代：电动机与发电机为同一电机，系统中不带燃气轮机，电机、压缩机和气体膨胀机实行共轴转动，透平膨胀机进气加热由低压透平膨胀机排气余热和补燃装置共同完成。

目前在运行的压缩空气系统均可归为第一代压缩空气储能技术，如图1所示。其主要技术特点如下：

1.该系统采用直链结构，压缩机与气体透平共轴，二者共用一个电机，分别通过联轴器与电机连接。在储能过程中，气体透平膨胀机与电机脱开，电机为电动机，拖动压缩机工作，向地下储气洞穴输送带压气体；在发电过程中，压缩机与电机脱开，电机为发电机，发电机在地下带压气体的推动下推动气体透平膨胀机，带动发电机工作，向电网输电。

2.系统中压缩机结构采用的是水冷却型中冷器和后冷却器，并且未回收压缩过程中气体释放的热量。

3.系统中未加装燃气透平。气体透平膨胀机分为高压气体透平膨胀机和低压气体透平膨胀机，二者串级连接且同电机共轴。

4.高压气体透平膨胀机进口被低压气体透平膨胀机排空气体余热加温至600度。低压气体透平膨胀机进气口前加装外燃式加热器，将气体透平膨胀机进气温度加热至800度。

第二代如图2所示：压缩机采用多机组并联结构形式，每台压缩机机组拥有独立驱动电机，气体膨胀机也采用多机组并联，每台机组拥有各自独立的发电机，发电部分和压缩部分完全独立，在系统外加燃气轮机机组，燃气轮机排气余热被用于加热气体膨胀机的进气，再辅以燃气加热器，使气体膨胀机的进气温度达到设计要求。目前，世界上还未有一套压缩空气储能系统采用第二代压缩空气储能技术在运行，仅仅对其进行了初步的理论研究和分析。热力计算结果表明：带燃气轮机的第二代压缩空气储能系统具有更高的能量装换效率。但是，从系统图2中可以看出，该系统要求外部必须有足够的天然气气源，此外，其高效率还得益于把天然气中所含有效能量进行了合理的分级使用，高温热量用于发电，排放燃烧产物的余热用来加热透平膨胀机进口气体。气体压缩过程中所释放的热量通过冷却水排空。

缺点：

一代系统需要采用外部热源向系统补充热量，但未对压缩过程中产生的热量加以回收利用。此外，该系统由于未采用燃气透平，燃料含有的有效能量未被充分利用；系统的总转换效率不会很高；由于机组采用的是直连形式，主机（压缩机和气体透平膨胀机）选型受限，不利于设备的批量化生产。

二代系统中引入了燃气轮机机组，利用燃气轮机排气余热或者中间抽取高温燃气作为压缩空加热热源，虽然系统的比效率与发电效率会大幅升高，但是需要大量的燃气，这种压缩空气储能电站不适合应用在缺乏天然气、或天然气比较昂贵和缺水干旱地区。

发明内容：

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种新型的具有两个储罐、一个预膨胀器、一个回热器压缩空气储能系统，具体如下：

一种压缩空气的储能系统，包括压缩机组、透平膨胀机、中间冷却器、电动机、发电机、热水储罐、冷水储罐、预热器、补燃式空气加热器；该系统利用用户剩余电能通过电动机驱动压缩机组工作，压缩常压下的空气到高压下，冷却水冷却流经中间冷却器的高压空气，冷却后的高压空气存储在高压储气矿洞中；热水储罐用于存储中间冷却器流出的热水；发电时，预热器中流过所述热水对高压储气矿洞中的高压气体进行预热，预热后的气体通过补燃式空气加热器加热，加热后的气体通过透平膨胀机驱动发电机发电；冷水储罐储存所述预热器产生的冷水。多个压缩机组组成串级系统、且共用一个电动机；多个透平膨胀机组成的串级系统共用一个发电机。该系统还包括一个回热器，连接在所述预热器和所述空气加热器之间。该系统还包括一个预膨胀装置预膨胀装置连接到高压储气矿洞对气体进行预膨胀；发电时，预膨胀装置出口的低温气体通过所述预热器吸收热水的热量，热水被冷却后，被储存冷水储罐内，并用这部分水冷却压缩机组；回热器连接在所述预热器和所述空气加热器之间，空气加热器连接到透平膨胀机。该系统还包括两个泵，一个连接在所述中间冷却器和低温蓄水容器之间，另一个连接在高温蓄水容器和预热器之间。

本发明的有益效果是：

本发明的特点是在系统中加入了两个储罐、一个预膨胀器、一个回热器，压缩空气储能系统与第一代和第二代储能系统的最大区别在于最大限度地减低系统对外界排放热量中所含的有效能量，回收压缩机压缩过程中放出的热量。该系统可以获得更高的能量转换效率。比第一代压缩空气储能系统的理念更为先进，因为它充分利用了压缩空气过程中产生的热量，系统的转化效率比第一代要高2%左右。同第二代压缩空气储能系统相比，其转换效率压低8%左右。其根本原因是该系统未加装燃气轮机，系统组成简单。本发明的整个系统是一个封闭系统，其中水分没有流失，通过两个储罐对热量储存，完全回收没有额外浪费。

此外，该系统所需天然气的量要比第二代少得多，最重要的是，该系统可以采用矿物质燃料加热，适用于干旱缺水地区。

综上所述，本发明的压缩空气储能技术特别适用于在缺乏天然气、缺水干旱地区，我们提出一种新型的第三代压缩空气储能技术。

附图说明：

图1是第一代压缩空气储能系统。

图2是第二代压缩空气储能系统。

图3是本发明的压缩空气储能系统。

图中C1，C2，C3，C4，C5是压缩机；T1，T2是透平膨胀机；MH是高压储气矿洞；IC1，IC2，IC3，IC4都是中间冷却器；M是电动机；G是发电机；HST是热水储罐；CC是冷水储罐；RPH是回热器；HRH是预热器；Boiller是空气加热器,PUMP1,PUMP2是水泵，PEX是预膨胀装置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图3所示，本发明的系统包括压缩机C1，C2，C3，C4，C5；透平膨胀机T1，T2；中间冷却器IC1，IC2，IC3，IC4；电动机M；发电机G；热水储罐HST；冷水储罐CC；预膨胀装置PEX；热水储罐HST；回热器RPH；空气加热器boiller。

该系统利用用户用电低谷时期或风电场发电高峰时期用不完的电能驱动压缩机组C1，C2，C3，C4，C5工作，压缩常压下的空气到高压下，并经过中间冷却器IC1，IC2，IC3，IC4对高压空气进行冷却，冷却后的高压空气存储在高压储气矿洞MH中。热水储罐HST中存储中间冷却器IC1，IC2，IC3，IC4冷却高压气体后产生热水，用来预热气体透平膨胀机T1，T2进气。

当需要发电时，预膨胀装置PEX对高压储气矿洞MH中的冷却高压气体进行膨胀，膨胀后的气体为一个具有稳定气压的高压气体。膨胀后的气体通过预热器HRH进行预热，预热器HRH中流过所述热水储罐HST中存储的热水。回热器RPH对预热后的气体进行回热。回热器RPH出口的气体通过空气加热器boiller转换为高温高压气体，经透平膨胀机T1，T2使该气体膨胀，以此膨胀功给发电机G提供能量。由于高压气体已经通过储存的热水经预热器HRH进行预热，因此，节约了空气加热器boiller所需的燃料。发电时预热器HRH加热高压气体产生的水通过冷水储罐CC收集起来，并用这部分水冷却压缩机组，如此循环利用。该系统对水资源进行循环利用，适合在干旱缺水地区使用。

图3中在冷水储罐CC和热水储罐HST的输出端分别还接有水泵PUMP1,PUMP2用于提供水流循环的动力。

此外，该系统还有一个特点，压缩机采用有独立电机驱动的多级压缩机机组，多个压缩机组共用一个电动机M。气体膨胀透平采用是高低压透平组成的串级系统，共用一个发电机G；这样可以使气体膨胀透平进口温度达到所需温度，采用同第一代压缩空储能技术中一样的回热技术和燃烧加热技术。燃料可以采用化石类燃料。

本发明采用两个储水罐和水泵组成的闭式水循环系统，不仅冷却了压缩机组，回收利用了压缩机组工作过程中排放的热能，而且冷却水得到了循环利用，无蒸发损耗，从而，从根本上解决了在干旱缺水地区使用压缩空气储能的问题。同时该发明中未使用同轴的膨胀机组和燃气透平，这样不仅降低了对设备的特殊性要求，而且可以用煤替代天然气对高压空气加热，因此该压缩空气储能系统可以应用在缺少天然气、干旱缺水地区。

Claims (5)

1.一种压缩空气的储能系统，其特征在于：包括压缩机组、透平膨胀机、中间冷却器、电动机、发电机、热水储罐、冷水储罐、预热器、辅燃式空气加热器；该系统利用用户剩余电能通过电动机驱动压缩机组工作，压缩常压下的空气到高压下，冷却水冷却流经中间冷却器的高压空气，冷却后的高压空气存储在高压储气矿洞中；热水储罐用于存储中间冷却器流出的热水；发电时，预热器中流过所述热水，对高压储气矿洞中流向气体透平的高压气体进行预热，预热后的气体通过辅燃式空气加热器加热，加热后的气体通过透平膨胀机驱动发电机发电；冷水储罐储存所述预热器产生的冷水。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括一个回热器，连接在所述预热器和所述空气加热器之间。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：多个压缩机组组成串级系统、且共用一个电动机；多个透平膨胀机组成的串级系统共用一个发电机。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：还包括一个预膨胀装置，预膨胀装置连接到高压储气矿洞对气体进行预膨胀；发电时，预膨胀装置出口的低温气体通过所述预热器吸收热水的热量，热水被冷却后，被储存在冷水储罐内，并用这部分水冷却压缩机组；回热器连接在所述预热器和所述空气加热器之间，空气加热器连接到透平膨胀机。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：还包括两个泵，一个连接在所述中间冷却器和低温蓄水容器之间，另一个连接在高温蓄水容器和预热器之间。

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