CN103410616A - 大容量压缩空气储能高效发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于大容量工业储能领域，特别涉及一种大容量压缩空气储能高效发电系统。发电电动机通过离合器分别与多级压气机以及高压透平、中低压透同轴连接，各级压气机之间连接间冷器，最末级压气机与冷却器连接，冷却器的空气管道与储气室连接，间冷器和冷却器的热流管道与蓄热器的热流侧连接；储气室分别与蓄热器空气侧及回热器空气侧的入口连接，蓄热器空气侧及回热器空气侧依次与燃烧器、高压透平连接；高压透平和中低压透平之间连接再热器，中低压透平的出口与回热器的烟气侧连接。该系统可大规模吸纳可再生能源产生的不稳定电力负荷，也可吸纳电网负荷低谷时的富余电力，并将储存的能量在用电高峰时释放出来，以满足电网调峰的需求。

Description

大容量压缩空气储能高效发电系统
技术领域
本发明属于大容量工业储能领域，特别涉及能量梯级利用的大容量压缩空气储能高效发电系统。
背景技术
随着我国经济的持续增长，中国的能源工业发展迅速，已经初步形成了以煤炭为主体，电力为中心，石油、天然气及可再生能源全面发展的能源供应格局。预计在未来相当长时间内，我国能源需求仍将保持强劲增长的态势。虽然我国电力工业已经有了长足的发展，但是依然存在诸多问题：电网负荷峰谷差逐年增大，调峰能力不足；电力需求总量大，能源结构不合理，洁净能源发电比重不高；因为存在种种障碍，许多可再生能源发电厂的发电无法接入电网，造成大规模的“弃风”“弃太阳能”等情况的出现，导致可再生能源和可再生能源投资的极大浪费；抽水蓄能电站发电容量比例小；大容量火电机组参与电网调峰，既不经济，也不环保，还有安全隐患；大容量核电的调峰能力差，发展核电给电网调峰带来更大的压力。上述局面对我国电力工业的发展带来了严峻的挑战。
1949年压缩空气储能的第一个专利在美国问世，1978年第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国诞生。中国近来提出的压缩空气储能的专利技术也比较多。压缩空气储能技术经过多年的发展，已经在国际上成为现实可行的技术解决方案。然而，目前国际上最为典型且技术较为成熟的压缩空气储能系统通常需要依赖先进的燃气轮机技术。国内目前尚没有实用的压缩空气储能电站，提出的一些专利技术，或者是容量不大，无法承担电网调峰的任务；或者是系统的发电负荷可调节性较差；或者是系统的废热没有进行充分的回收利用，系统的效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种大容量压缩空气储能高效发电系统，该发电系统发电输出容量可以高达300MW及以上。
本发明采用的技术方案为：
该系统由压缩空气储能子系统和压缩空气释能发电子系统组成：
发电电动机通过离合器与多级压气机同轴连接，各级压气机之间连接间冷器，最末级压气机与冷却器连接，冷却器的空气管道与储气室连接，间冷器和冷却器的热流管道与蓄热器的热流侧连接，组成压缩空气储能子系统；
发电电动机通过离合器与高压透平、中低压透平同轴连接，储气室的出口分别与蓄热器空气侧及回热器空气侧的入口连接，蓄热器空气侧及回热器空气侧的出口依次与燃烧器、高压透平连接；高压透平和中低压透平之间连接再热器，中低压透平的出口与回热器的烟气侧连接，组成压缩空气释能发电子系统；
所述压缩空气储能子系统工作时，发电电动机转为电动机模式，离合器使发电电动机与压气机同轴连接，与高压透平、中低压透平脱开；经过过滤的环境空气通过至少两个压气机进行压缩，压缩过程中经过至少一个间冷器对压缩空气进行中间冷却，空气被压缩后经过冷却器后排入储气室进行储存，压缩空气在间冷器和冷却器中放出的热量送入蓄热器进行储存；
所述压缩空气释能发电子系统工作时，发电电动机转为发电机模式，离合器使发电电动机与压缩机脱开，与高压透平、中低压透平连接；储气室中放出的压缩空气一部分经过蓄热器进行加热，一部分经过回热器进行加热，经过蓄热器和回热器加热的压缩空气进入燃烧器，压缩空气在燃烧器中被投入的燃料进一步加热后进入高压透平膨胀做功，膨胀后被送入再热器进行再次加热，并在再热器中进一步加热后进入中低压透平膨胀做功，压力接近于环境压力的烟气从中低压透平排出后进入回热器对储气室出来的压缩空气进行加热，然后排入大气。
所述储气室与蓄热器、储气室与回热器之间分别设置联动调节阀，以调节进入蓄热器和回热器的压缩空气流量，使得进入燃烧室的压缩空气温度接近相等。
所述发电电动机由发电机和电动机代替，并去掉离合器，使发电机直接与高压透平、中低压透平同轴连接，电动机直接连接压气机。
所述电动机为一台或多台，即一台电动机驱动一台压气机或一台电动机驱动多台压气机。
所述间冷器（4）内的压缩空气温度不超过500度，压力根据储气室压力优化确定；储气室（7）的最高储气压力不小于10MPa；高压透平（10）和中低压透平（12）的进气温度在900℃以上，高压透平（10）的进气压力为10MPa以上，中低压透平（12）的进气压力为2～3MPa。
本发明的有益效果为：
该系统通过洁净气体或液体燃料对空气进行加热和再热，达到增大发电系统的发电容量的目的，且使并网运行的发电机组具有更高的二次调频能力，以满足电网调度的要求。该系统可大规模吸纳可再生能源产生的不稳定电力负荷，避免发生大规模的“弃风”、“弃太阳能”等情况的出现；也可为核电站配套，吸纳电网负荷低谷时的富余电力，通过压缩空气进行储能，然后通过高效率的热力循环，将储存的能量在用电高峰时释放出来，以满足电网调峰的需求。
附图说明
图1为本发明所述的大容量压缩空气储能高效发电系统的结构示意图。
图中标号：
1-发电电动机；2-离合器；3-压气机；4-间冷器；5-冷却器；6-蓄热器；7-储气室；8-回热器；9-燃烧器；10-高压透平；11-再热器；12-中低压透平；13-联动调节阀；
具体实施方式
本发明提供了一种大容量压缩空气储能高效发电系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
该大容量压缩空气储能高效发电系统结构如图1所示，由压缩空气储能子系统和压缩空气释能发电子系统组成。
发电电动机1通过离合器2与多级压气机3同轴连接，各级压气机3之间连接间冷器4，最末级压气机与冷却器5连接，冷却器5的空气管道与储气室7连接，间冷器4和冷却器5的热流管道与蓄热器6的热流侧连接，组成压缩空气储能子系统；压气机3至少为2个，间冷器4至少为1个。
发电电动机1通过离合器2与高压透平10、中低压透平12同轴连接，储气室7的出口分别与蓄热器6空气侧及回热器8空气侧的入口连接，蓄热器6空气侧及回热器8空气侧的出口依次与燃烧器9、高压透平10连接；储气室7与蓄热器6、储气室7与回热器8之间分别设置联动调节阀，以调节进入蓄热器6和回热器8的压缩空气流量，使得进入燃烧室9的压缩空气温度接近相等；高压透平10和中低压透平12之间连接再热器11，中低压透平12的出口与回热器8的烟气侧连接，组成压缩空气释能发电子系统。
所述压缩空气储能子系统工作时，发电电动机1转为电动机模式，离合器2使发电电动机1与压气机同轴连接，与高压透平10、中低压透平12脱开；经过过滤的环境空气通过至少两个压气机进行压缩，压缩过程中经过至少一个间冷器4对压缩空气进行中间冷却至100℃到150℃，空气被压缩后经过冷却器5后排入储气室7进行储存，压缩空气在间冷器4和冷却器5中放出的热量送入蓄热器6进行储存。储气室7内的空气温度不超过50℃，压力在10MPa以上。
所述压缩空气释能发电子系统工作时，发电电动机1转为发电机模式，离合器2使发电电动机1与压缩机脱开，与高压透平10、中低压透平12连接；储气室7中放出的压缩空气一部分经过蓄热器6进行加热，一部分经过回热器8进行加热，经过蓄热器6和回热器8加热的压缩空气进入燃烧器9，压缩空气在燃烧器9中被投入的燃料进一步加热后（温度达900℃以上）进入高压透平10膨胀做功，压力膨胀至2～3（取决于优化结果），膨胀后被送入再热器11进行再次加热，在再热器11中进一步加热至900℃后进入中低压透平12膨胀做功，压力接近于环境压力的烟气从中低压透平12排出后进入回热器8对储气室7出来的压缩空气进行加热，然后排入大气。
本系统中，发电电动机1可由发电机和电动机代替，并去掉离合器2，使发电机直接与高压透平10、中低压透平12同轴连接，电动机为一台或多台，即一台电动机驱动一台压气机或一台电动机驱动多台压气机。通过投入不同数量的电机驱动压气机，可以改变所吸纳的电能数量，更好地满足电网调频的要求。

Claims (5)

1.大容量压缩空气储能高效发电系统，由压缩空气储能子系统和压缩空气释能发电子系统组成，其特征在于，
发电电动机（1）通过离合器（2）与多级压气机同轴连接，各级压气机之间连接间冷器（4），最末级压气机与冷却器（5）连接，冷却器（5）的空气管道与储气室（7）连接，间冷器（4）和冷却器（5）的热流管道与蓄热器（6）的热流侧连接，组成压缩空气储能子系统；
发电电动机（1）通过离合器（2）与高压透平（10）、中低压透平（12）同轴连接，储气室（7）的出口分别与蓄热器（6）空气侧及回热器（8）空气侧的入口连接，蓄热器（6）空气侧及回热器（8）空气侧的出口依次与燃烧器（9）、高压透平（10）连接；高压透平（10）和中低压透平（12）之间连接再热器（11），中低压透平（12）的出口与回热器（8）的烟气侧连接，组成压缩空气释能发电子系统；
所述压缩空气储能子系统工作时，发电电动机（1）转为电动机模式，离合器（2）使发电电动机（1）与压气机同轴连接，与高压透平（10）、中低压透平（12）脱开；经过过滤的环境空气通过至少两个压气机进行压缩，压缩过程中经过至少一个间冷器（4）对压缩空气进行中间冷却，空气被压缩后经过冷却器（5）后排入储气室（7）进行储存，压缩空气在间冷器（4）和冷却器（5）中放出的热量送入蓄热器（6）进行储存；
所述压缩空气释能发电子系统工作时，发电电动机（1）转为发电机模式，离合器（2）使发电电动机（1）与压缩机脱开，与高压透平（10）、中低压透平（12）连接；储气室（7）中放出的压缩空气一部分经过蓄热器（6）进行加热，一部分经过回热器（8）进行加热，经过蓄热器（6）和回热器（8）加热的压缩空气进入燃烧器（9），压缩空气在燃烧器（9）中被投入的燃料进一步加热后进入高压透平（10）膨胀做功，膨胀后被送入再热器（11）进行再次加热，并在再热器（11）中进一步加热后进入中低压透平（12）膨胀做功，压力接近于环境压力的烟气从中低压透平（12）排出后进入回热器（8）对储气室（7）出来的压缩空气进行加热，然后排入大气。
2.根据权利要求1所述的大容量压缩空气储能高效发电系统，其特征在于，所述储气室（7）与蓄热器（6）、储气室（7）与回热器（8）之间分别设置联动调节阀，以调节进入蓄热器（6）和回热器（8）的压缩空气流量，使得进入燃烧室（9）的压缩空气温度接近相等。
3.根据权利要求1所述的大容量压缩空气储能高效发电系统，其特征在于，所述发电电动机（1）由发电机和电动机代替，并去掉离合器（2），使发电机直接与高压透平（10）、中低压透平（12）同轴连接，电动机直接连接压气机。
4.根据权利要求3所述的大容量压缩空气储能高效发电系统，其特征在于，所述电动机为一台或多台，即一台电动机驱动一台压气机或一台电动机驱动多台压气机。
5.根据权利要求1所述的大容量压缩空气储能高效发电系统，其特征在于，所述间冷器（4）内的压缩空气温度不超过500度；储气室（7）的最高储气压力不小于10MPa；高压透平（10）和中低压透平（12）的进气温度在900℃以上，高压透平（10）的进气压力为10MPa以上，中低压透平（12）的进气压力为2～3MPa。
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