CN103352830B - 一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，该系统包括压缩机组，储气装置、透平发电机组和回热系统；压缩机组的出口与所述储气装置的进口连接，为储气装置提供压缩空气；压缩机组为储气装置提供压缩空气时，压缩机组出口压力随所述储气装置内压力同步变化；储气装置储存压缩机组压缩的空气，为透平发电机组发电提供压缩空气，回热系统将压缩热回馈给透平侧空气，提高空气的温度，进而提高空气的做功能力。本发明通过实现压缩机组的出口排气压力与储气压力同步变化，进而实现压缩机组的功率逐步上升，通过非稳态的压缩流程，在得到相同状况的压缩空气条件下，可以减少压缩机组消耗的电能，提高系统电能转换效率。

Description

一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统

技术领域

本发明涉及电能储存领域，具体的说涉及一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统。

背景技术

随着我国电网容量的不断增长，峰谷差不断增大，可再生能源、分布式供能和智能电网的蓬勃发展，对大规模发展储能产业的需求也越来越大。据国家电力调度通信中心统计，我国电网负荷“峰谷差”的幅值逐年增大。在电网中引入储能系统是实现电网调峰的迫切需求。目前已有一些电网由于高峰供电缺额的存在，不得不采取强制性拉闸限电的措施，这不仅阻碍了生产力的发展，而且可能会带来社会问题。

在可再生能源方面，截止到2010年底，我国风力发电总装机容量为44.7GW，太阳能发电总装机容量为0.86GW；到2015年和2020年我国风电总装机容量将分别达到130GW和200GW，太阳能发电总装机将分别达到10GW和50GW。由于新型可再生能源（不包括水电）的间歇性和不稳定性，对大规模储能有重大需求。但是这种可再生能源的发电特性受到自然条件的约束，特点为间歇性发电和不稳定性发电，以风电为例，2012年我国风电机组平均年利用小时设计值为2300h，实际值为1900h，个别地区甚至不足1500h，导致产生大量弃风电。这些问题增加了目前电力系统的复杂性，对于智能电网的建设和电网安全性提出了极大的挑战，需要新技术来解决上述问题。

电力储能系统通过一定介质存储电能，在需要时将所存能量释放发电。发展电力储能系统是可再生能源大规模利用的迫切需要，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性的有效途径，同时还是智能电网和分布式能源系统的关键技术,但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因，迄今已在大规模（如100MW以上）商业系统中运行的储能系统只有抽水电站和压缩空气两种。抽水蓄能电站利用离峰电力将水以势能形式储存，待电力需求增加时，以水的势能推动发电机组发电，实现蓄能。抽水电站具有技术成熟、容量大、储能时间长等优点，但是抽水电站需要特殊的地理条件，选址极其苛刻，初期投资巨大，导致生态和移民问题，限制因素较多。

作为一种能够实现大规模和长时间储存电能的系统，压缩空气储能系统逐渐受到各国的重视。德国、美国、日本、意大利等发达国家均有压缩空气储能电站正在建设过程中。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量，压缩机驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来，带动发电机发电，完成了电能—空气势能—电能的转化。为了提高系统的电能转化率，压缩储能系统还包括压缩储能系统还包括冷却器、储热装置和回热器组成的回热系统，在储能过程中，将压缩机压缩空气产生的热能回收并储存；在系统释能的过程中，用于加热压缩空气。

对于压缩空气储能发电系统，电能转换效率中电能的输入主要部分为压缩机的耗功，提高压缩机的效率，减少压缩过程中的损失是提高压缩空气储能发电系统效率的有效途径。压缩空气储能发电系统中，储气装置的容积为固定值，因此储气的过程是一个变压的过程，但是传统的压缩流程中，压缩机的出口压力设计额定不变，在实际情况中，压缩机的出口压力较高，对于储气装置是一个压力从低到高的过程，中间浪费了相当大的压缩能。

发明内容

本发明的目的是采用一种基于非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，实现压缩机出口压力排气压力时刻变化，即与储气装置内压力同步增大，通过非稳态的压缩流程，在得到相同状况的压缩空气条件下，可以减少压缩机组消耗的电能，提高系统电能效率。

为了解决上述问题，本发明提供一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，所述的系统包括压缩机组，储气装置和透平发电机组；所述压缩机组的出口与所述储气装置的进口连接，为储气装置提供压缩空气；所述压缩机组为储气装置提供压缩空气时，所述压缩机组出口压力随所述储气装置内压力同步变化，减少压缩过程中的压缩功损失，提高压缩机的效率；所述储气装置储存压缩机组压缩的空气，为所述透平发电机组发电提供压缩空气。

优选的，所述压缩机组包括压缩机和电机，所述压缩机的进口与大气连接，其出口与所述储气装置连接；所述电机利用剩余电能驱动压缩机压缩空气，所述剩余电能包括低谷电、弃风电、弃水电、弃光电。

优选的，所述压缩机组的压缩流程为非稳态变工况过程，所述压缩机组为储气装置提供压缩空气时，所述压缩机组的出口压力随着所述储气装置内的压力同步升高，所述压缩机组的功率从低到高逐步增加。

优选的，所述系统还包括回热系统，所述回热系统包括冷却器、储热装置和回热器，所述冷却器利用中间介质回收压缩过程中的压缩热，所述储热装置用于储存中间介质，所述回热器利用中间介质加热所述储气装置释放的压缩空气。

优选的，所述压缩机组采用自卸荷式的多级压缩机，所述压缩机组末端与所述储气装置通过管道连接，所述储气装置内压力变化直接反馈到所述压缩机组末端排气阀，通过所述压缩机组末端自卸荷式排气阀的开关控制，实现出口压力的变化。

优选的，所述压缩机组采用中间冷却方案，所述回热系统的冷却器回收所述压缩机组的压缩热。

优选的，其特征在于，所述压缩机组出口压力输出范围为3MPa～30MPa

优选的，所述透平发电机组包括空气膨胀透平和发电机，所述空气膨胀透平进口与所述储气装置连接；所述空气膨胀透平利用加热的压缩空气驱动所述发电机发电。

优选的，所述的透平发电机组设有透平控制系统，实现稳定工况运转。

本发明提供的采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，在储能过程中，通过多级压缩得到高压空气储存在储气装置内，同时，回热系统回收压缩过程中产生的大量压缩热；在释能过程中，储气装置内的高压空气推动透平发电机组对外做功发电，同时，回热系统将压缩热回馈给透平侧空气，提高空气的温度，进而提高空气的做功能力，储能过程和释能过程组成了完整的循环过程，完成了由电能——压缩空气内势能——电能的转换过程。对于压缩空气储能发电系统，考虑系统的电能转换效率，电能的输入主要部分为压缩机的耗功，提高压缩机的效率，减少压缩过程中的损失可以有效提高压缩空气储能发电系统效率。

对比传统的压缩空气储能发电系统，本发明采用一种非稳态压缩流程，实现了压缩机组随着出口压力变化的变工况流程。在压缩空气储能发电系统中，储气装置的容积为固定值，因此储气的过程是一个变压的过程，储气压力从低到高逐渐上升，在非稳态压缩流程中，压缩机组的背压即储气压力，通过压缩机组自卸荷排气阀的开关实现压缩机组的出口排气压力与储气压力同步变化，进而实现压缩机组的功率逐步上升，通过非稳态的压缩流程，在得到相同状况的压缩空气条件下，可以减少压缩机组消耗的电能，提高系统电能效率。

附图说明

图1为一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统的示意图。

附图标识：

1～5：压缩机组；6～10：冷却器；11：储气装置；12～14：透平发电机组；15～17：回热器；18：低温储热装置；19：高温储热装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，而不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明为一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，其包括：压缩机组1～5、储气装置11和透平发电机组12～14，所述压缩机组1～5的出口与储气装置11的进口连接，为储气装置11提供压缩空气；所述压缩机组1～5为储气装置11提供压缩空气时，所述压缩机组1～5出口压力随所述储气装置11内压力同步变化；所述储气装置11储存压缩机组压缩的空气，为所述透平发电机组发电提供压缩空气。

本实施例中还包括了回热系统，回热系统包括冷却器6～10、回热器15～17和低温储热装置18和高温储热装置19。压缩机组1～5分别为多级压缩机组的第一级至第五级，压缩机组1～5利用电能将空气压缩成高压状态的压缩空气，储气装置11的进口与压缩机组1～5的出口连接，储气装置11储存压缩机组1～5压缩的空气；储气装置11的出口与回热器15连接，为透平发电机组12～14发电提供压缩空气，透平发电机组12～14分别为多级透平发电机组的第一级至第三极；低温储热装置18、冷却器6～10、高温储热装置19和回热器15～17依次连接，冷却器6～10分别设置在压缩机组1～5的每一级出口，利用低温的中间介质回收压缩过程的压缩热，储热装置19储存高温的中间介质，回热器15～17分别设置在透平机组12～14的每一级进口，利用高温的中间介质加热空气，储热装置18储存低温的中间介质。

在用电低谷时，储能系统储能，空气被电能驱动的压缩机组1～5压缩形成压缩空气，通过管道将压缩空气储存到储气装置11中；在充气过程中，初始时刻，储气装置11内初始压力为某一压力，压缩机组1～4串联启动工作，压缩机组5未启动，为短路状态，压缩机组1～5的排气阀关闭；当压缩机4的出口压力达到储气装置11内的初始压力时，压缩机组1～5的排气阀打开，压缩机4的出口压力与储气装置11的压力同步变化；随着储气装置11的压力和压缩机组4的出口压力增加到某一值时，压缩机5启动，压缩机5的出口压力与储气装置11的压力同步变化，压缩机组1～5串联工作，最终达到储气装置11的设计压力，完成储能过程。其中压缩机组1～5各级之后连接冷却器6-10，回收储能压缩热。

用电高峰时，储能系统释能，储气装置11放出压缩空气；同时，回热器15-17利用储热装置19放出的高温冷却介质加热储气装置11放出的压缩空气，被加热的压缩空气驱动透平发电机组12～14发电，并向外供电。

压缩机组1～5的进口与大气连接，其出口与储气装置11连接；电机利用低谷电、弃风电、弃水电、弃光电等剩余电能驱动压缩机压缩空气。多台压缩机1-5采用串联的形式，其压力输出范围在3MPa至30MPa之间。优选的，电机选用旋转电机。

透平发电机组12-14进口与储气装置11连接，经过回热器15-17加热的压缩空气流入透平发电机组12-14；空气膨胀透平利用加热的压缩空气驱动发电机发电，并向外供电。优选的，空气膨胀透平的进口压力在20MPa至0.3MPa之间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用非稳态压缩流程的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述的系统包括压缩机组，储气装置和透平发电机组；所述压缩机组的出口与所述储气装置的进口连接，为储气装置提供压缩空气；所述压缩机组为储气装置提供压缩空气时，所述压缩机组出口压力随所述储气装置内压力同步变化；所述储气装置储存压缩机组压缩的空气，为所述透平发电机组发电提供压缩空气；

所述压缩机组采用自卸荷式的多级压缩机，所述压缩机组末端与所述储气装置通过管道连接，所述储气装置内压力变化直接反馈到所述压缩机组末端排气阀，通过所述压缩机组末端自卸荷式排气阀的开关控制，实现出口压力的变化。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机组包括压缩机和电机，所述压缩机的进口与大气连接，其出口与所述储气装置连接；所述电机利用剩余电能驱动压缩机压缩空气，所述剩余电能包括低谷电、弃风电、弃水电、弃光电。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机组为储气装置提供压缩空气时，所述压缩机组的出口压力随着所述储气装置内的压力同步升高，所述压缩机组的功率从低到高逐步增加。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括回热系统，所述回热系统包括冷却器、储热装置和回热器，所述储热装置用于储存中间介质，所述冷却器利用中间介质回收压缩过程中的压缩热，所述回热器利用中间介质加热所述储气装置释放的压缩空气。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机组出口压力输出范围为3MPa～30MPa。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透平发电机组包括空气膨胀透平和发电机，所述空气膨胀透平进口与所述储气装置连接；所述空气膨胀透平利用加热的压缩空气驱动所述发电机发电。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的透平发电机组设有透平控制系统。