CN103237970B - 绝热式压缩空气蓄能处理 - Google Patents

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Abstract

一种压缩气体蓄能系统，包括压缩机，压缩机适于接收处理气体并且输出被压缩的处理气体。热传递单元可以连接于压缩机并且适于接收被压缩的处理气体和热传递介质并且输出被冷却的处理气体和被加热的热传递介质。压缩气体储存单元可以连接于热传递单元并且适于接收并储存被冷却的处理气体。废热回收单元可以连接于热传递单元并且适于接收被加热的热传递介质。

Description

绝热式压缩空气蓄能处理
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年8月10日提交的序列号为61/372,252的美国专利申请的优先权。该优先权申请在此通过参引的方式全部并入本申请中。
技术领域
本公开涉及用于压缩空气蓄能（CAES）系统和方法，并且更具体地，本公开涉及绝热式CAES。
背景技术
通常，消耗的电功率在高峰时段与非高峰时段之间变化。例如，高峰时段可以包括8至12个日间小时，而非高峰时段可以包括白天和/或夜晚的剩下的12至16个小时。CAES是存储在非高峰时段期间产生的能量以用于在高峰时段期间使用的方式。
在常规的CAES系统中，来自电网的过剩的功率被用来向驱动压缩机的电动马达供电。被压缩机压缩的气体（通常为大气）被冷却并以高压存储在地下贮气室中。在高峰时段期间，压缩空气被从地下贮气室中抽出、被加热并被供给至燃烧系统，该燃烧系统使热气体进一步膨胀以经过涡轮机。来自被加热的压缩空气的能量驱动涡轮机，涡轮机连接于发电机并且驱动发电机。发电机产生被重新供给到电网的电力。在称为“绝热式”CAES系统的前述系统中，来自从压缩机输出的气体的热能被传递到系统之外，并且附加的能量被用来对馈送到涡轮机的压缩空气重新加热。
因此，希望找到一种提供较高的效率和降低的成本的改进的CAES系统和方法。
发明内容
本公开的实施例可以提供压缩空气蓄能系统。该系统可以包括适于接收处理气体并且输出被压缩的处理气体的压缩机。热传递单元可以连接于压缩机并且适于接收被压缩的处理气体和热传递介质并且输出被冷却的处理气体和被加热的热传递介质。压缩气体储存单元可以连接于热传递单元并且适于接收并储存被冷却的处理气体。废热回收单元可以连接于热传递单元并且适于接收被加热的热传递介质。蓄热体可以连接于废热回收单元和压缩气体储存单元，并且蓄热体可以适于被废热回收单元加热、适于接收来自压缩气体储存单元的被冷却的处理气体、适于加热被冷却的处理气体、并且适于输出被加热的处理气体。发电单元可以连接于蓄热体并且适于接收被加热的处理气体并产生电力输出。
本公开的实施例可以进一步提供发电方法。该方法可以包括利用压缩机压缩处理气体以产生被压缩的处理气体。该方法还可以包括利用热传递单元将热量从被压缩的处理气体传递到热传递介质，以产生被冷却的处理气体和被加热的热传递介质。该方法可以进一步包括将被冷却的处理气体储存在压缩气体储存单元中。该方法可以进一步包括将被加热的热传递介质输送到废热回收单元。该方法可以进一步包括利用废热回收单元来加热蓄热体。该方法可以进一步包括将被冷却的处理气体从压缩气体储存单元输送到蓄热体。该方法可以进一步包括利用蓄热体来加热被冷却的处理气体以产生被加热的处理气体。该方法可以进一步包括将被加热的处理气体从蓄热体输送到发电单元。该方法可以进一步包括利用发电单元产生电力输出。
本公开的实施例可以进一步提供压缩气体蓄能系统。压缩机可以连接于驱动器并由驱动器驱动，并且压缩机可以适于压缩处理气体。第一热传递单元可以连接于压缩机并且适于接收来自压缩机的处理气体并且将热量从压缩气体传递到第一热传递介质。第一废热回收单元可以连接于第一热传递单元并且适于接收来自第一热传递单元的第一热传递介质并产生第一电力输出。处理冷却器可以连接于第一热传递单元并且适于接收来自第一热传递单元的处理气体并冷却处理气体。压缩气体储存单元可以连接于处理冷却器并且适于接收来自处理冷却器的处理气体并储存处理气体。电加热器可以连接于第一废热回收单元并且适于接收第一电力输出。蓄热体可以连接于电加热器和压缩气体储存单元并且适于被电加热器加热、适于接收来自压缩气体储存单元的处理气体、并且适于加热处理气体。发电单元可以连接于蓄热体并且适于接收来自蓄热体的处理气体并产生第二电力输出。
附图说明
当结合附图阅读下文的详细描述时将最佳地理解本公开。需要强调的是，根据行业的标准实践，多种特征并不是按照真实比例绘制的。实际上，为了论述清楚起见，多种特征的尺寸可能被随意地放大或缩小了。
图1示出了根据所描述的一个或多个实施例的说明性的绝热式CAES系统的框图。
图2示出了根据所描述的一个或多个实施例的包括超音速压缩机组的另一个说明性的绝热式CAES系统的框图。
图3示出了根据所描述的一个或多个实施例的使用储存的压缩空气能来发电的说明性方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，下文的公开内容描述了用于实施本发明的不同特征、结构或功能的多个示例性实施例。在下文中描述部件、布置和构造的示例性实施例以简化本公开；然而，提供这些示例性实施例仅仅是作为示例，并不是为了限制本发明的范围。另外，本公开可以在多个示例性实施例中并且贯穿本文提供的附图重复使用参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，本质上并不是规定各个示例性实施例和/或各个附图中论述的构造之间的关系。另外，在下文的描述中，“第一特征形成在第二特征上方或第二特征上”可以包括第一特征和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括可以形成有位于第一特征和第二特征之间的、使得第一特征和第二特征可以不直接接触的附加特征的实施例。最后，下面提出的示例性实施例可以通过任何组合的方式来组合，即，来自一个示例性实施例的任何元件可以在任何其他示例性实施例中使用而不偏离本公开的范围。
另外，贯穿下文的描述以及权利要求使用某些术语以表示特定的组成部分。如本领域技术人员将认识到的，不同的人可能通过不同的名称来表示同一个组成部分，因此，对本文描述的元件的命名规则并不限制本发明的范围，除非具体地另有限定。另外，本文使用的命名规则并不区分在名称上不同但在功能上并没有什么不同的组成部分。另外，在下文的论述以及在权利要求中，词语“包括”和“包含”是开放式的表述，因此应当理解为意指“包括但不限于”。本公开中的所有数值可以是精确值或近似值，除非另有具体说明。因此，本公开的各种实施例可以与本文公开的数量、值和范围有所偏差而不偏离所期望的范围。另外，如在权利要求或说明书中使用的，用语“或”意在涵盖“不包含”的情况和“包含”的情况，即“A或B”意在与“A和B中的至少一个”是同义的，除非文中明确地另有指明。
图1示出了根据所描述的一个或多个实施例的说明性的绝热式CAES系统100的框图。CAES系统100可以包括压缩机组104，压缩机组104具有一个或多个适于压缩处理气体的压缩机106、126、146、166。在至少一个实施例中，处理气体可以是周围空气。压缩机106、126、146、166可以是超音速压缩机、离心压缩机、轴流式压缩机、往复式压缩机、旋转螺杆式压缩机、旋转叶片式压缩机、涡旋压缩机、隔膜压缩机等。
压缩机组104还可以包括连接于压缩机106、126、146、166并且适于驱动压缩机106、126、146、166的一个或多个驱动器105、125、145、165。驱动器105、125、145、165可以是电动马达、涡轮机、或者本领域公知的用来驱动压缩机106、126、146、166的任何其他装置。尽管在图1中示出了4个驱动器105、125、145、165和4个压缩机106、126、146、166，但在CAES系统100的压缩机组104中可以使用任何数量的驱动器105、125、145、165和/或压缩机106、126、146、166。
如图所示，在至少一个实施例中，第一驱动器105可以驱动第一压缩机106，第二驱动器125可以驱动第二压缩机126，第三驱动器145可以驱动第三压缩机146，并且第四驱动器165可以驱动第四压缩机166。在至少一个实施例中，驱动器105、125、145、165与压缩机106、126、146、166中的至少一对可以一起地设置在密闭地密封的壳体（未示出）中。例如，驱动器105、125、145、165压缩机106、126、146、166中的至少一对可以包括从美国纽约州的奥利安的德莱赛兰（Dresser-Rand）可商购的离心压缩机单元。在另一个实施例中，压缩机106、126、146、166中的至少一个可以包括由美国华盛顿州的贝尔维尤（Bellevue）的Ramgen动力系统有限公司开发的
在非高峰时段期间，压缩机组104可以对处理气体进行压缩，并且处理气体可以被引入到压缩气体储存单元185中并被储存在其中。在至少一个实施例中，压缩气体储存单元185可以是地下贮气室或容器。例如，压缩气体储存单元185可以是岩洞、盐洞、蓄水层、废弃矿井、枯竭的气田、储存在水下或地面上的容器、等等。然而，在此也可以想到使用其他压缩气体储存单元185。
热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175可以设置在压缩机组104的压缩机和/或级106、126、146、166之间。热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175可以包括盘管系统、壳-管系统、直接接触系统、或者本领域公知的其他热传递系统。热传递介质可以流过热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175并且从处理气体吸收热量。因此，热传递介质在离开热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175时具有比在进入热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175时高的温度，即，热传递介质被加热，并且处理气体在离开热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175时具有比在进入热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175时低的温度，即，处理气体被冷却。热传递介质可以是水、蒸汽、合适的制冷剂、诸如CO2或丙烷之类的处理气体、上述对象的组合、或者任何其他合适的热传递介质。
热传递单元109、129、149、169可以是高能级（high grade）的热传递单元，而热传递单元115、135、155、175可以是低能级（lowgrade）的热传递单元。每个高能级热传递单元109、129、149、169可以设置在低能级热传递单元115、135、155、175中的一个或多个的上游。因此，引入到每个高能级热传递单元109、129、149、169的处理气体可以具有比引入到每个相邻的低能级热传递单元115、135、155、175的处理气体高的温度。根据具体设计的不同，除了从处理流（process stream）中提取能量之外，热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175中的一个或多个还可以对该处理过程引入冷却操作，从而将处理流的温度降低到低于周围环境的温度。利用这种构造，处理冷却器121、141、161和181不再是必需的。
每个热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175可以连接于废热回收单元（WHRU）112、118、132、138、152、158、172、178。在热传递介质流过热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175并且在热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175中被加热之后，热传递介质可以被引入到与热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175连接的废热回收单元（WHRU）112、118、132、138、152、158、172、178。WHRU112、118、132、138、152、158、172、178可以各自包括：涡轮机（未示出），例如高压涡轮机膨胀器；以及发电机（未示出）。热传递介质可以直接驱动涡轮机膨胀器，或者可以用来将热能传递到另外的气体以驱动涡轮机膨胀器，并且涡轮机膨胀器可以向发电机提供动力，发电机可以产生电力。
WHRU112、132、152、172可以是高能级的WHRU，而WHRU118、138、158、178可以是低能级的WHRU。高能级WHRU112、132、152、172可以接收来自高能级热传递单元109、129、149、169的热传递介质，而低能级WHRU118、138、158、178可以接收来自低能级热传递单元115、135、155、175的热传递介质。在至少一个实施例中，WHRU112、118、132、138、152、158、172、178可以根据处理流的温度和WHRU的设计而回收输入到该系统中的能量的大约10%至大约30%、大约20%至大约40%、大约25%至大约50%，或更多。回收的能量的大小直接取决于处理流的温度。在至少一个实施例中，高能级WHRU112、132、152、172可以产生大约5MW至大约15MW之间的电力，而低能级WHRU118、138、158、178可以产生大约1MW至大约5MW之间的电力。例如，高能级WHRU112、132、152、172可以产生大约8.5MW至大约12MW之间的电力，而低能级WHRU118、138、158、178可以产生大约2MW至大约4MW之间的电力。
处理冷却器121、141、161、181可以设置在压缩机组104中的压缩机106、126、146、166和/或压缩机级之间。在至少一个实施例中，处理冷却器121、141、161、181可以是后冷器或中冷器。处理冷却器121、141、161、181可以从空气中去除未被热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175去除的剩余的热量并将该剩余热量排到周围环境中。可以使用使空气返回到比周围冷的下一级压缩机的能量提取方案。
WHRU112、118、132、138、152、158、172、178产生的电力可以向设置在蓄热体（thermal mass）188上或蓄热体188中的一个或多个电加热器（示出了其中一个）189供电。因此，来自被压缩机组104压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热。在至少一个实施例中，蓄热体188可以包括固态蓄热体、液态蓄热体、热盐等等。例如，蓄热体188可以包括水、土、压实的土、泥、岩石、石头、混凝土或木材。然而，这里也能够想到使用其他材料。在至少一个实施例中，蓄热体188可以设置在人造绝热容器（未示出）内。
能量源187可以用来增强供给至电加热器189的能量。能量源187可以是气体发电机或电网。能量源187还可以是诸如风能、太阳能、地热能或者本领域公知的任何其他可再生能量源之类的可再生能量源。
在高峰时段期间，可以从压缩气体储存单元185获取被压缩的处理气体并使用该气体来向发电单元192供电。在到达发电单元192之前，被压缩的处理气体可以被引入到蓄热体188，并且来自蓄热体188的热量可以被传递到被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，被压缩的处理气体可以作为自由流被喷入蓄热体188中。
被加热的处理气体可以从蓄热体188被供给到发电单元192。在至少一个实施例中，发电单元192可以包括膨胀器194和发电机195。被加热的处理气体可以在膨胀器194中膨胀，从而产生驱动发电机195的机械动力。在至少一个实施例中，来自蓄热体188的被加热的处理气体可以在进入膨胀器194之前与燃料组合并且在燃烧器193中燃烧。燃料可以包括碳氢化合物原料或本领域已知的其他燃料。发电机195可以在高峰时段期间发电并且向电网101供给电力。在至少一个实施例中，发电单元192可以产生10MW至170MW之间的电力。
热传递单元196可以构造成从来自燃烧器193、膨胀器194和发电机195中的至少一个的排放物中回收热能。WHRU197可以连接于热传递单元196并且构造成发电。WHRU197产生的电力可以被供给至电加热器189和/或驱动器105、125、145、165中的至少一个。热传递单元196可以与热传递单元109、115、129、135、149、155、169、175中的任何一个相同，或者可以不同，并且WHRU197可以与WHRU112、118、132、138、152、158、172、178中的任何一个相同，或者可以不同。
在操作时，处理气体可以通过线路107被引入到第一压缩机106。在至少一个实施例中，线路107中的处理气体可以具有大约10psia（磅/平方英寸）至大约20psia之间的压力、大约40°F至大约110°F之间的温度、大约50%至大约70%之间的相对湿度（RH）、以及大约370磅/秒至大约470磅/秒之间的流速。在另一实施例中，RH可以在大约0%至大约100%之间，并且流速可以在大约25磅/秒至大约100磅/秒之间。例如，线路107中的处理气体可以具有大约14.7psia的压力、大约95°F的温度、大约60%的RH、以及大约420磅/秒的流速。第一压缩机106可以对处理气体进行压缩并且在线路108中输出被压缩的处理气体。线路108中的被压缩的处理气体可以具有大约60psia至大约90psia之间的压力和大约350°F至大约450°F之间的温度。例如，线路108中的被压缩的处理气体可以具有大约75psia的压力和大约400°F的温度。
被压缩的处理气体可以通过线路108被引入到第一热传递单元109，并且热传递介质可以通过线路110被引入到第一热传递单元109。热传递单元109将热量从被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路114中输出处理气体以及在线路111中输出热传递介质。
线路111中的热传递介质可以被引入到第一WHRU112中。在至少一个实施例中，第一WHRU112可以在线路113中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第一WHRU112可以产生通过线路122被供给至第一驱动器105的电力。因此，来自线路108中的被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第一驱动器105。
在至少一个实施例中，线路114中的处理气体可以具有大约50psia至大约80psia之间的压力和大约300°F至大约500°F之间的温度。例如，线路114中的处理气体可以具有大约73psia的压力和大约250°F的温度。处理气体可以通过线路114被引入到第二热传递单元115，并且热传递介质可以通过线路116被引入到第二热传递单元115。该热传递单元将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路120中输出处理气体以及在线路117中输出热传递介质。
线路117中的热传递介质可以被引入到第二WHRU118中。在至少一个实施例中，第二WHRU118可以在线路119中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第二WHRU118可以产生通过线路123被供给至第一驱动器105的电力。因此，来自线路114中的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第一驱动器105。
在至少一个实施例中，线路120中的处理气体可以具有大约50psia至大约80psia之间的压力和大约300°F至大约500°F之间的温度。例如，线路120中的处理气体可以具有大约73psia的压力和大约150°F的温度。线路120中的处理气体可以被引入到第一处理冷却器121，第一处理冷却器121可以进一步冷却处理气体并且在线路127中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路127中的处理气体可以具有大约55psia至大约85psia之间的压力和大约100°F至大约160°F之间的温度。例如，线路127中的处理气体可以具有大约70psia的压力和大约130°F的温度。
线路127中的处理气体可以被引入到第二压缩机126。第二压缩机126可以对线路127中的处理气体进行压缩并且在线路128中输出第二被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，线路128中的第二被压缩的处理气体可以具有大约200psia至大约300psia之间的压力和大约250°F至大约350°F之间的温度。例如，线路128中的第二被压缩的处理气体可以具有大约250psia的压力和大约300°F的温度。
第二被压缩的处理气体可以通过线路128被引入到第三热传递单元129中，并且热传递介质可以通过线路130被引入到第三热传递单元129中。第三热传递单元129将热量从第二被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路134中输出处理气体以及在线路131中输出热传递介质。
线路131中的热传递介质可以被引入到第三WHRU132中。在至少一个实施例中，第三WHRU132可以在线路133中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第三WHRU132可以产生通过线路142被供给至第二驱动器125的电力。因此，来自线路128中的第二被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第二驱动器125。
在至少一个实施例中，线路134中的处理气体可以具有大约200psia至大约500psia之间的压力和大约100°F至大约300°F之间的温度。例如，线路134中的处理气体可以具有大约250psia的压力和大约200°F的温度。处理气体可以通过线路134被引入到第四热传递单元135，并且热传递介质可以通过线路136被引入到第四热传递单元135。第四热传递单元135将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路140中输出处理气体以及在线路137中输出热传递介质。
线路137中的热传递介质可以被引入到第四WHRU138中。在至少一个实施例中，第四WHRU138可以在线路139中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第四WHRU138可以产生通过线路143被供给至第二驱动器125的电力。因此，来自线路134中的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第二驱动器125。
在至少一个实施例中，线路140中的处理气体可以具有大约200psia至大约500psia之间的压力和大约100°F至大约300°F之间的温度。例如，线路140中的处理气体可以具有大约245psia的压力和大约125°F的温度。线路140中的处理气体可以被引入到第二处理冷却器141，第二处理冷却器141可以进一步冷却处理气体并且在线路147中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路147中的处理气体可以具有大约195psia至大约295psia之间的压力和大约100°F至大约160°F之间的温度。例如，线路147中的处理气体可以具有大约245psia的压力和大约130°F的温度。线路147中的处理气体可以被引入到第三压缩机146。第三压缩机146可以对处理气体进行压缩并且在线路148中输出第三被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，线路148中的第三被压缩的处理气体可以具有大约500psia至大约600psia之间的压力和大约250°F至大约350°F之间的温度。例如，线路148中的第三被压缩的处理气体可以具有大约550psia的压力和大约300°F的温度。
第三被压缩的处理气体可以通过线路148被引入到第五热传递单元149中，并且热传递介质可以通过线路150被引入到第五热传递单元149中。第五热传递单元149将热量从第三被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路154中输出处理气体以及在线路151中输出热传递介质。
线路151中的热传递介质可以被引入到第五WHRU152中。在至少一个实施例中，第五WHRU152可以在线路153中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第五WHRU152可以产生通过线路162被供给至第三驱动器145的电力。因此，来自线路148中的第三被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第三驱动器145。
在至少一个实施例中，线路154中的处理气体可以具有大约300psia至大约600psia之间的压力和大约200°F至大约500°F之间的温度。例如，线路154中的处理气体可以具有大约545psia的压力和大约175°F的温度。处理气体可以通过线路154被引入到第六热传递单元155，并且热传递介质可以通过线路156被引入到第六热传递单元155。第六热传递单元将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路160中输出处理气体以及在线路157中输出热传递介质。
线路157中的热传递介质可以被引入到第六WHRU158中。在至少一个实施例中，第六WHRU158可以在线路159中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第六WHRU158可以产生通过线路163被供给至第三驱动器145的电力。因此，来自线路154中的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第三驱动器145。
在至少一个实施例中，线路160中的处理气体可以具有大约300psia至大约600psia之间的压力和大约100°F至大约200°F之间的温度。例如，线路160中的处理气体可以具有大约540psia的压力和大约100°F的温度。线路160中的处理气体可以被引入到第三处理冷却器161，第三处理冷却器161可以进一步冷却处理气体并且在线路167中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路167中的处理气体可以具有大约495psia至大约595psia之间的压力和大约100°F至大约160°F之间的温度。例如，线路167中的处理气体可以具有大约545psia的压力和大约130°F的温度。
线路167中的处理气体可以被引入到第四压缩机166。第四压缩机166可以对处理气体进行压缩并且在线路168中输出第四被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，线路168中的第四被压缩的处理气体可以具有大约1320psia至大约1720psia之间的压力和大约250°F至大约350°F之间的温度。例如，线路168中的第四被压缩的处理气体可以具有大约1520psia的压力和大约300°F的温度。
第四被压缩的处理气体可以通过线路168被引入到第七热传递单元169中，并且热传递介质可以通过线路170被引入到第七热传递单元169中。第七热传递单元169将热量从第四被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路174中输出处理气体以及在线路171中输出热传递介质。
线路171中的热传递介质可以被引入到第七WHRU172中。在至少一个实施例中，第七WHRU172可以在线路173中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第七WHRU172可以产生通过线路182被供给至第五驱动器165的电力。因此，来自线路168中的第四被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第四驱动器165。
在至少一个实施例中，线路174中的处理气体可以具有大约1250psia至大约1800psia之间的压力和大约200°F至大约300°F之间的温度。例如，线路174中的处理气体可以具有大约1515psia的压力和大约185°F的温度。处理气体可以通过线路174被引入到第八热传递单元175，并且热传递介质可以通过线路176被引入到第八热传递单元175。第八热传递单元将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路180中输出处理气体以及在线路177中输出热传递介质。
线路177中的热传递介质可以被引入到第八WHRU178中。在至少一个实施例中，第八WHRU178可以在线路179中产生向电加热器189供电的电力。在另一实施例中，第八WHRU178可以产生通过线路183被供给至第四驱动器165的电力。因此，来自线路174中的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第四驱动器165。
在至少一个实施例中，线路180中的处理气体可以具有大约1250psia至大约1800psia之间的压力和大约100°F至大约200°F之间的温度。例如，线路180中的处理气体可以具有大约1510psia的压力和大约120°F的温度。线路180中的处理气体可以被引入到第四处理冷却器181，第四处理冷却器181可以进一步冷却处理气体并且在线路184中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路184中的处理气体可以具有大约1300psia至大约1700psia之间的压力和大约70°F至大约100°F之间的温度。例如，线路184中的处理气体可以具有大约1500psia的压力和大约85°F的温度。
线路184中的处理气体可以在非高峰时段期间被引入到压缩气体储存单元185中并被储存在其中。在高峰时段期间，处理气体可以从压缩气体储存单元185中获取并且用来驱动发电单元192。在被引入到发电单元192之前，处理气体可以通过线路186被引入到蓄热体188中。蓄热体可以将热量传递到处理气体。蓄热体188可以将被压缩的处理气体加热到大约600°F至大约1400°F之间的温度。例如，蓄热体188可以将被压缩的处理气体加热到大约800°F至大约1000°F之间的温度。
处理气体可以从蓄热体188通过线路190被输送到发电单元192。处理气体可以在膨胀器194中膨胀，从而产生驱动发电机195的机械动力。在至少一个实施例中，处理气体在被引入到膨胀器194之前与燃料组合并且在燃烧器193中燃烧。发电机195可以在高峰时段期间发电并且向电网101供电。在至少一个实施例中，发电机195产生的电力的至少一部分可以通过线路191被引入到电加热器189。
图2示出了根据所描述的一个或多个实施例的包括超音速压缩机组204的另一个说明性的绝热式CAES系统200的框图。在至少一个实施例中，图2的部件可以与图1中的相应部件基本相似，不同之处在于图2中的压缩机206、226可以是超音速压缩机。超音速压缩机组204中的超音速压缩机206、226可以以比亚音速压缩机组104（见图1）少的压缩机实现期望的温度和压力。在至少一个实施例中，超音速压缩机206、226可以是由美国华盛顿州的贝尔维尤（Bellevue）的Ramgen动力系统有限公司开发的在至少一个实施例中，第一压缩机206可以是具有大约60英寸的叶轮的超音速压缩机，并且第二压缩机可以是具有大约34英寸的叶轮的超音速压缩机。在超音速压缩机组204中可以使用任何数量的超音速压缩机206、226。
超音速压缩机206、226可以由驱动器205、225驱动。在至少一个实施例中，第一驱动器205可以是大约71MW的电动马达，并且第二驱动器225可以是大约69MW的电动马达。然而，在此也可以想到其他的马达尺寸。
在操作中，处理气体可以通过线路207被引入到第一超音速压缩机206。在至少一个实施例中，线路207中的处理气体可以具有大约10psia至大约20psia之间的压力、大约80°F至大约110°F之间的温度、大约50%至大约70%之间的相对湿度（RH）、以及大约370磅/秒至大约470磅/秒之间的流速。例如，线路207中的处理气体可以具有大约14.7psia的压力、大约95°F的温度、大约60%的RH、以及大约420磅/秒的流速。第一超音速压缩机206可以对处理气体进行压缩并且在线路208中输出第一被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，线路208中的第一被压缩的处理气体可以具有大约100psia至大约200psia之间的压力和大约600°F至大约800°F之间的温度。例如，线路208中的第一被压缩的处理气体可以具有大约152.5psia的压力和大约700°F的温度。
第一被压缩的处理气体可以通过线路208被引入到第一热传递单元209，并且热传递介质可以通过线路210被引入到第一热传递单元209。第一热传递单元209将热量从第一被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路214中输出处理气体以及在线路211中输出热传递介质。
线路211中的热传递介质可以被引入到第一WHRU212中。在至少一个实施例中，第一WHRU212可以在线路213中产生向电加热器289供电的电力。在另一实施例中，第一WHRU212可以产生通过线路222被供给至第一驱动器205的电力。因此，来自线路208中的第一被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体288进行加热和/或驱动第一驱动器205。
在至少一个实施例中，线路214中的处理气体可以具有大约120psia至大约200psia之间的压力和大约160°F至大约360°F之间的温度。例如，线路214中的处理气体可以具有大约170psia的压力和大约260°F的温度。处理气体可以通过线路214被引入到第二热传递单元215，并且热传递介质可以通过线路216被引入到第二热传递单元215。第二热传递单元215将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路220中输出处理气体以及在线路217中输出热传递介质。
线路217中的热传递介质可以被引入到第二WHRU218中。在至少一个实施例中，第二WHRU218可以在线路219中产生向电加热器289供电的电力。在另一实施例中，第二WHRU218可以产生通过线路223被供给至第一驱动器205的电力。因此，来自线路214中的处理气体的热能可以用来对蓄热体288进行加热和/或驱动第一驱动器205。
在至少一个实施例中，线路220中的处理气体可以具有大约110psia至大约180psia之间的压力和大约100°F至大约250°F之间的温度。例如，线路220中的处理气体可以具有大约145psia的压力和大约120°F的温度。线路220中的处理气体可以被引入到第一处理冷却器221，第一处理冷却器221进一步冷却处理气体并且在线路227中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路227中的处理气体可以具有大约100psia至大约200psia之间的压力和大约50°F至大约130°F之间的温度。例如，第一冷却处理气体可以具有大约149psia的压力和大约93°F的温度。
线路227中的处理气体可以被引入到第二超音速压缩机226。第二超音速压缩机226可以对处理气体进行压缩并且在线路228中输出第二被压缩的处理气体。在至少一个实施例中，线路228中的第二被压缩的处理气体可以具有大约1325psia至大约1725psia之间的压力和大约600°F至大约800°F之间的温度。例如，线路228中的第二被压缩的处理气体可以具有大约1525psia的压力和大约699°F的温度。
第二被压缩的处理气体可以通过线路228被引入到第三热传递单元229中，并且热传递介质可以通过线路230被引入到第三热传递单元229中。第三热传递单元将热量从第二被压缩的处理气体传递到热传递介质并且在线路234中输出处理气体以及在线路231中输出热传递介质。
线路231中的热传递介质可以被引入到第三WHRU232中。在至少一个实施例中，第三WHRU232可以在线路233中产生向电加热器289供电的电力。在另一实施例中，第三WHRU232可以产生通过线路242被供给至第二驱动器225的电力。因此，来自线路228中的第二被压缩的处理气体的热能可以用来对蓄热体188进行加热和/或驱动第二驱动器225。
在至少一个实施例中，线路234中的处理气体可以具有大约1250psia至大约1800psia之间的压力和大约160°F至大约360°F之间的温度。例如，线路234中的处理气体可以具有大约1520psia的压力和大约260°F的温度。处理气体可以通过线路234被引入到第四热传递单元235，并且热传递介质可以通过线路236被引入到第四热传递单元235。第四热传递单元将热量从处理气体传递到热传递介质并且在线路240中输出处理气体以及在线路237中输出热传递介质。
线路237中的热传递介质可以被引入到第四WHRU238中。在至少一个实施例中，第四WHRU238可以在线路239中产生向电加热器289供电的电力。在另一实施例中，第四WHRU238可以产生通过线路243被供给至第二驱动器225的电力。因此，来自线路234中的处理气体的热能可以用来对蓄热体288进行加热和/或驱动第二驱动器225。
在至少一个实施例中，线路240中的处理气体可以具有大约1250psia至大约1800psia之间的压力和大约160°F至大约360°F之间的温度。例如，线路240中的处理气体可以具有大约1515psia的压力和大约120°F的温度。线路240中的处理气体可以被引入到第二处理冷却器241，第二处理冷却器241可以进一步冷却处理气体并且在线路284中输出处理气体。在至少一个实施例中，线路284中的处理气体可以具有大约1300psia至大约1700psia之间的压力和大约70°F至大约100°F之间的温度。例如，线路284中的处理气体可以具有大约1500psia的压力和大约85°F的温度。
线路284中的处理气体可以在非高峰时段期间被引入到压缩气体储存单元285中并被储存在其中。在高峰时段期间，处理气体可以从压缩气体储存单元285获取并且用来驱动发电单元292。在被引入到发电单元292之前，处理气体可以通过线路286被引入到蓄热体288中。蓄热体288可以对线路286中的处理气体进行加热。在至少一个实施例中，蓄热体288可以将线路286中的处理气体加热到大约800°F至大约1400°F之间的温度。例如，蓄热体288可以将处理气体加热到大约800°F至大约1000°F之间的温度。
处理气体可以从蓄热体288通过线路290被输送到发电单元292。线路290中的处理气体可以向膨胀器294提供动力。在至少一个实施例中，线路290中的处理气体可以在被引入到膨胀器294之前与燃料组合并且在燃烧器293中燃烧。膨胀器294可以驱动发电机295，并且发电机295可以在高峰时段期间发电并且向电网201供电。在至少一个实施例中，发电机295产生的电力的至少一部分可以通过线路291被引入到电加热器289。
热传递单元296可以构造成从来自燃烧器293、膨胀器294和发电机295中的至少一个的排放物中回收热能。WHRU297可以连接于热传递单元296并且构造成发电。WHRU297产生的电力可以被供给至电加热器289和/或驱动器205、225中的至少一个。
图3示出了使用储存的压缩空气能来发电的说明性方法300的流程图。方法300包括利用压缩机对处理气体进行压缩，以产生被压缩的处理气体，如302所示。方法300还包括利用热传递单元将热量从被压缩的处理气体传递到热传递介质，以产生被冷却的处理气体和被加热的热传递介质，如304所示。方法300还包括将被冷却的处理气体储存在压缩气体储存单元中，如306所示。方法300还包括将被加热的热传递介质输送到废热回收单元，如308所示。方法300还包括利用废热回收单元对蓄热体进行加热，如310所示。方法300还包括将被冷却的处理气体从压缩气体储存单元输送到蓄热体，如312所示。方法300还包括利用蓄热体对被冷却的处理气体进行加热，以产生被加热的处理气体，如314所示。方法300还包括将被加热的处理气体从蓄热体输送到发电单元，如316所示。方法300还包括利用发电单元来产生电力输出，如318所示。
上述内容描述了多个实施例的特征，以使本领域技术人员可以更好地理解本公开。本领域技术人员应当认识到，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改用于执行本文引入的实施例的相同目的和/或实现相同优点的其他方法和结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这种等同的构造并不偏离本公开的精神和范围，并且本领域技术人员可以在不偏离本公开的精神和范围的情况下在此进行各种改变、替换和变化。

Claims (19)

1.一种压缩空气蓄能系统，包括：
压缩机，所述压缩机适于接收处理气体并且输出被压缩的处理气体；
热传递单元，所述热传递单元连接于所述压缩机并且适于接收热传递介质和所述被压缩的处理气体并且输出被冷却的处理气体和被加热的热传递介质；
压缩气体储存单元，所述压缩气体储存单元连接于所述热传递单元并且适于接收并储存来自所述热传递单元的所述被冷却的处理气体；
废热回收单元，所述废热回收单元连接于所述热传递单元并且适于接收所述被加热的热传递介质并产生电力；
电加热器，所述电加热器连接于所述废热回收单元并且适于接收来自所述废热回收单元的电力并产生热量；
蓄热体，所述蓄热体与所述电加热器和所述压缩气体储存单元热连通，并且所述蓄热体适于被所述电加热器所产生的热量加热、适于接收来自所述压缩气体储存单元的所述被冷却的处理气体、适于加热来自所述压缩气体储存单元的所述被冷却的处理气体、并且适于输出被加热的处理气体；以及
发电单元，所述发电单元连接于所述蓄热体并且适于接收所述被加热的处理气体并产生电力输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电加热器设置在所述蓄热体上和/或所述蓄热体中。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括可再生能量源，所述可再生能量源连接于所述电加热器并且适于对所述电加热器供电。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电单元包括连接于发电机的膨胀器。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括位于所述蓄热体与所述膨胀器之间的燃烧器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述压缩机是超音速压缩机。
7.一种发电方法，包括：
利用压缩机压缩处理气体，以产生被压缩的处理气体；
利用热传递单元将热量从所述被压缩的处理气体传递到热传递介质，以产生被冷却的处理气体和被加热的热传递介质；
将所述被冷却的处理气体储存在压缩气体储存单元中；
将所述被加热的热传递介质输送到连接于所述热传递单元的废热回收单元；
在所述废热回收单元中产生电力；
利用来自所述废热回收单元的电力给电加热器供电；
利用所述电加热器来加热蓄热体；
将所述被冷却的处理气体从所述压缩气体储存单元输送到所述蓄热体；
利用所述蓄热体来加热所述被冷却的处理气体，以产生被加热的处理气体；
将所述被加热的处理气体从所述蓄热体输送到发电单元；以及
利用所述发电单元产生电力输出。
8.根据权利要求7所述的发电方法，还包括：
利用驱动器来驱动所述压缩机；以及
利用所述废热回收单元向所述驱动器提供动力。
9.根据权利要求7所述的发电方法，还包括使所述压缩机以超音速运转。
10.根据权利要求7所述的发电方法，其中所述电加热器设置在所述蓄热体上和/或所述蓄热体中并且对所述蓄热体进行加热。
11.根据权利要求7所述的发电方法，还包括利用所述发电单元来加热蓄热体。
12.根据权利要求11所述的发电方法，其中利用所述发电单元来加热蓄热体还包括利用所述发电单元向所述电加热器供电，其中所述电加热器设置在所述蓄热体上和/或所述蓄热体中并且对所述蓄热体进行加热。
13.根据权利要求7所述的发电方法，还包括利用可再生能量源来加热蓄热体。
14.一种压缩空气蓄能系统，包括：
驱动器；
压缩机，所述压缩机连接于所述驱动器并由所述驱动器驱动，所述压缩机适于压缩处理气体；
第一热传递单元，所述第一热传递单元连接于所述压缩机并且适于接收来自所述压缩机的处理气体并且将热量从所述处理气体传递到第一热传递介质；
第一废热回收单元，所述第一废热回收单元连接于所述第一热传递单元并且适于接收来自所述第一热传递单元的第一热传递介质并产生第一电力输出；
处理冷却器，所述处理冷却器连接于所述第一热传递单元并且适于接收来自所述第一热传递单元的处理气体并冷却处理气体；
压缩气体储存单元，所述压缩气体储存单元连接于所述处理冷却器并且适于接收来自所述处理冷却器的处理气体并储存处理气体；
电加热器，所述电加热器连接于所述第一废热回收单元并且适于接收所述第一电力输出；
蓄热体，所述蓄热体连接于所述电加热器和所述压缩气体储存单元并且适于被所述电加热器加热、适于接收来自所述压缩气体储存单元的处理气体、并且适于加热该处理气体；以及
发电单元，所述发电单元连接于所述蓄热体并且适于接收来自所述蓄热体的处理气体并产生第二电力输出。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述电加热器设置在所述蓄热体上和/或所述蓄热体中。
16.根据权利要求14所述的系统，还包括第二热传递单元，所述第二热传递单元位于所述第一热传递单元与所述处理冷却器之间，并且适于接收来自所述第一热传递单元的处理气体并且将热量从该处理气体传递到第二热传递介质。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括第二废热回收单元，所述第二废热回收单元连接于所述第二热传递单元并且适于接收所述第二热传递介质并且产生第三电力输出。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述电加热器连接于所述第二废热回收单元并且适于接收所述第三电力输出。
19.根据权利要求14所述的系统，其中所述驱动器包括电动马达，并且其中所述电动马达和所述压缩机设置在密闭地密封的壳体内。
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