CN103438612B - 一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统，该系统以用户的热量和冷量需求为主要目标，利用了压缩气体产生的过程热和气体膨胀造成的低温冷量完成热和冷的供给，同时辅助输出一定电量。该系统以稀有气体为工质，借助稀有气体气态-超临界状态-气态的状态变化，有效降低了系统设计难度，减少了储能系统成本，且保证了系统运行的安全和稳定性；同时利用阀门切换实现系统级数的变化，控制系统的冷热电输出量，以实现冷和热量供给与需求的平衡。该系统可以与风能、太阳能等可再生能源联合使用，在运行过程中不产生其他污染物，有较好的节能和环保效益。

Description

一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统

技术领域

本系统涉及储能技术与分布式供能技术领域，具体的说，是一种以压缩空气储能技术为基础，利用稀有气体的跨临界特性实现以供热、冷为主，供电为辅的分布式能源系统。

背景技术

电、热、冷是维持人类社会发展和进步的三种重要的能量形式。一般而言，电能是人类社会最核心的能源，同时也是供应量最为充足的能量形式，电能不仅可以直接供应用户，还可以利用其他装置转化为热能或者冷能。而随着人类生活水平的提高，人类对生活舒适度的要求升高，因此对热和冷的需求急剧增加。虽然电能可转化为热能或冷能，但该过程造成的能量品位的降低造成了能源的严重浪费。因此，优先考虑满足用户的热能和冷能需求是未来分布式供能系统能源利用的一项重要目标。

压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种以燃气轮机技术为基础的能量存储技术，目前已被一些学者发掘出其用于分布式供能领域的潜力。主要的方法是将空气进行压缩，利用化石燃料加热压缩空气完成膨胀做功发电，透平机出口温度较高的空气（400-600K）分别进行制冷和供热。该方式有效利用了透平机出口空气的废热，减少了能量的浪费，提高了系统的整体效率。但其对化石燃料的利用也不可避免地造成了环境污染问题。因此，如何减少或避免储能系统对化石能源的利用而实现冷热电联供也是储能技术未来发展的一个重要方向。

在传统的压缩空气储能技术中，压气机对空气进行压缩时会产生过程热，但该部分热量一般都被冷却水带走而浪费掉；若将压力较高，温度较低的空气进行膨胀，不仅可以得到一定的电量输出，同时膨胀机出口空气温度较低，理论上可用于制冷。因此压缩空气储能技术存在不利用化石燃料而实现冷热电联供的可能性。不过，对于压缩空气储能技术的介质——空气而言，其来源方便，储量充足，且有一定的可压缩性，但由于其密度较小，临界压力、温度较高，当需要压缩至较高压力时会造成透平机械的设计复杂化和困难化，而在未达到超临界状态下需要的存储容积亦较大，因此造成储能系统设计困难、成本较高。同时由于空气内部组分复杂，在以低温状态下进行膨胀制冷时容易出现液化和组分分离情况，影响系统的运行安全，这是以空气为存储介质进行冷热电联供的压缩空气储能系统面临的主要问题。因此，如果储能技术能以密度较大，且容易实现超临界状态的纯气体为工质，就可以避免上述问题的发生。

以稀有气体为代表的惰性气体是满足上述要求的一种工质选择。稀有气体一般利用空气分离技术作为副产物从空气中分离，在常温和常压下稀有气体均无色、无味、无臭，化学性质几乎都是惰性的，其临界参数如表1中所示。可以看出，稀有气体的临界压力较小，当压缩至60atm且温度为环境温度时，稀有气体即可变为超临界状态，其密度也比同状态下的压缩空气大几十倍至几百倍，同时兼有气体和液体的双重特性，具有更好的流动性和传输特性。考虑到稀有气体的上述优秀的物理和化学特性，当以压缩空气储能技术为基础，以任意一种稀有气体为存储介质时，不仅可以利用稀有气体的高密度特性降低如透平机械、换热器、储气罐等系统核心部件的设计难度，减小储能系统的存储规模，大大降低系统的研发成本与维护成本，还也可以避免低温空气膨胀造成的空气液化和组分分离问题，进一步增强系统的安全性和可操作性。

表1惰性气体临界参数

惰性气体	临界压力/kPa	临界温度/K	密度/(kg/m3)
				氦气	227.5	5.2014	69.64
氖气	2654	44.40	483
				氩气	4898	150.86	535.7
氪气	5502	209.4	908
				氙气	5840	289.74	1100

综上，本系统针对上述问题，实现以压缩空气储能技术为基础，利用稀有气体的跨临界特性实现以供热、冷为主，供电为辅的分布式能源系统。

发明内容

本发明涉及一种以任意一种稀有气体为存储介质的压缩气体分布式能源系统，分别利用稀有气体的压缩过程和膨胀过程完成热量存储和冷量存储，并输出一定电量，解决用户对热、冷、电的需求，同时系统不需要使用化石燃料，不产生温室气体及硫化物、氮化物等污染性气体。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种以稀有气体为存储介质的压缩气体分布式能源系统，包括：稀有气体供应单元、稀有气体压缩储能单元、稀有气体膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于，

所述稀有气体供应单元包括常压稀有气体存储器；

所述稀有气体压缩储能单元包括低压级压气机、中压级压气机、高压级压气机及高压气体储气罐，其中，

--所述低压级压气机的进气口通过管路与所述常压稀有气体存储器的出气口连通，所述低压级压气机产生的高压气体穿过低压级冷却器的热流体侧后，一部分经带有压缩端低压级开关阀的气体管路通入所述高压气体储气罐，另一部分经带有压缩端低压级速启/速关阀的气体管路通入所述中压级压气机的进气口；

--所述中压级压气机产生的高压气体穿过中压级冷却器的热流体侧后，一部分经带有压缩端中压级开关阀的气体管路通入所述高压气体储气罐，另一部分经带有压缩端中压级速启/速关阀的气体管路通入所述高压级压气机的进气口；

--所述高压级压气机产生的高压气体穿过高压级冷却器的热流体侧后，经带有压缩端高压级开关阀的气体管路通入所述高压气体储气罐；

所述稀有气体膨胀释能单元包括高压级膨胀机、中压级膨胀机及低压级膨胀机，其中，

--所述高压气体储气罐储存的高压气体，一部分经设有膨胀端高压级开关阀的气体管路通入高压级换热器的冷流体侧后通入所述高压级膨胀机，另一部分经设有膨胀端高压级速启/速关阀的气体管路通入所述高压级膨胀机；

--所述高压级膨胀机膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端中压级开关阀的气体管路通入储冷罐，另一部分经带有膨胀端中压级速启/速关阀的气体管路通入中压级换热器的冷流体侧后进入所述中压级膨胀机，

--所述中压级膨胀机膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端低压级开关阀的气体管路通入储冷罐，另一部分经带有膨胀端低压级速启/速关阀的气体管路通入低压级换热器的冷流体侧后进入所述低压级膨胀机，

--所述低压级膨胀机膨胀后的气体通过储冷罐后流入常压稀有气体存储器；

所述载热介质循环回路包括载热介质供应罐、储热罐，所述载热介质供应罐中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器、中压级冷却器、高压级冷却器的冷流体侧后进入所述储热罐，所述储热罐中的载热介质经管路分别通入高压级换热器、中压级换热器、低压级换热器的热流体侧后进入所述载热介质供应罐。

进一步地，所述载热介质供应罐通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器、中压级冷却器、高压级冷却器的冷流体侧，位于所述低压级冷却器和中压级冷却器之间的供应管路上设有中压级冷却器开关阀，位于所述中压级冷却器和高压级冷却器之间的供应管路上设有高压级冷却器开关阀。

进一步地，所述储热罐通过一共同的高温载热介质供应管路将载热介质分送至高压级换热器、中压级换热器、低压级换热器的热流体侧，所述供应管路上串接有高压级换热器开关阀、中压级换热器开关阀、低压级换热器开关阀，其中，所述高压级换热器开关阀设置在所述储热罐和高压级换热器之间的供应管路上，所述中压级换热器开关阀设置在所述高压级换热器和中压级换热器之间的供应管路上，所述低压级换热器开关阀设置在所述中压级换热器和低压级换热器之间的供应管路上。

进一步地，所述储热罐用以向用热单元供应热量，所述用热单元包括通过管路依次连接的热用户、用热端载热介质供应罐、用热端开关阀，其中，热用户和用热端开关阀之间的用热管路上设有穿过所述储热罐部分的用热换热部件。

进一步地，所述用热单元还包括用热端控制系统，用以控制调节用热端开关阀的开度和热用户的用热量。

进一步地，所述低压级冷却器的热流体侧出口处的管路上设有压缩端低压级止回阀。

进一步地，所述中压级冷却器的热流体侧出口处的管路上设有压缩端中压级止回阀。

进一步地，所述高压级冷却器的热流体侧出口处的管路上设有压缩端高压级止回阀。

进一步地，所述高压气体储气罐的进气口处的管路上设有安全阀。

进一步地，所述高压气体储气罐的出气口处的管路上设有膨胀端高压级止回阀。

进一步地，所述高压级膨胀机的出气口处的管路上设有膨胀端中压级止回阀。

进一步地，所述中压级膨胀机的出气口处的管路上设有膨胀端低压级止回阀。

进一步地，所述储冷罐和常压稀有气体存储器之间的气体管路上设有减压阀，和/或过滤器，和/或干燥器。

进一步地，所述低压级压气机、中压级压气机、高压级压气机分别由低压级电动机、中压级电动机、高压级电动机驱动。

进一步地，所述高压级膨胀机、中压级膨胀机、低压级膨胀机分别驱动高压级发电机、中压级发电机、低压级发电机。

进一步地，所述常压稀有气体存储器和稀有气体膨胀释能单元间的气体管路上设有储冷罐，所述储冷罐用以向用冷单元供应冷量。

进一步地，所述用冷单元包括通过管路依次连接的用冷端载冷介质供应罐、用冷端开关阀、冷用户，其中，用冷端开关阀和冷用户之间的用冷管路上设有穿过所述储冷罐部分的用冷换热部件。

进一步地，所述用冷单元还包括用冷端控制系统，用以控制调节用冷端开关阀的开度和冷用户的用冷量。

本发明的一种可能的具体操作过程为：

常压稀有气体存储器中存储的常压状态稀有气体，进入低压级压气机进行压缩，低压级压气机由低压级电动机带动，电动机的电能可来自风能等可再生能源。稀有气体经低压级压气机压缩后，压力升高，温度升高，进入低压级冷却器进行热量交换，降低温度，同时载热介质供应罐提供的介质进入低压级换热器中收集热量，存储于储热罐中。

若储热罐中热量可满足使用，则压缩端低压级开关阀打开，压缩端低压级速启/速关阀关闭，稀有气体依次通过压缩端低压级止回阀、压缩端低压级开关阀、安全阀进入高压气体储气罐；若储热罐中热量需要继续补充，则压缩端低压级开关阀关闭，压缩端低压级速启/速关阀打开，稀有气体依次通过压缩端低压级止回阀、压缩端低压级速启/速关阀进入中压级压气机，中压级压气机由中压级电动机带动。中压级压气机出口稀有气体进入中压级换热器完成热量交换，温度降低，同时中压级换热器开关阀打开，载热介质供应罐提供的介质进入中压级换热器中收集热量，并存储于储热罐中。

若储热罐中热量可满足使用，则压缩端中压级开关阀打开，压缩端中压级速启/速关阀关闭，稀有气体依次通过压缩端中压级止回阀、压缩端中压级开关阀、安全阀进入高压气体储气罐；若储热罐中热量需要继续补充，则压缩端中压级开关阀关闭，压缩端中压级速启/速关阀打开，稀有气体依次通过压缩端中压级止回阀、压缩端中压级速启/速关阀进入高压级压气机，高压级压气机由高压级电动机带动。高压级压气机出口稀有气体进入高压级换热器完成热量交换，温度降低，同时高压级换热器开关阀打开，载热介质供应罐提供的介质进入高压级换热器中收集热量，并存储于储热罐中。

经高压级压气机压缩后，压缩端高压级开关阀打开，稀有气体依次通过压缩端高压级止回阀、压缩端高压级开关阀、安全阀进入高压气体储气罐进行存储。至此，提供给系统的电能转化为稀有气体的压力能和储热罐中的热能。

当热用户需要热量时，用热端控制系统进行负荷需求调控，用热端开关阀打开，用热端载热介质供应罐提供载热介质，经由储热罐吸收热量后送入热用户完成热量供应，降温后的介质返回用热端载热介质供应罐。

在对外做功及制取冷量阶段，系统可根据用户端对冷量和电量的需求有选择性回收储热罐中的存储热量值。

当电量需求较小或其他方式获得的电能供应充足时，高压级换热器开关阀关闭，膨胀端高压级开关阀关闭，膨胀端高压级速启/速关阀打开，高压气体储气罐释放的稀有气体依次通过膨胀端高压级止回阀、膨胀端高压级速启/速关阀进入高压级膨胀机，推动高压级膨胀机对外做功，高压级膨胀机通过转轴带动高压级发电机对外发电。

若高压级膨胀机出口气体温度足够低，则膨胀端中压级速启/速关阀关闭，膨胀端中压级开关阀打开，高压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀、膨胀端中压级开关阀进入储冷罐；若高压级膨胀机出口气体温度不够低，则膨胀端中压级速启/速关阀打开，膨胀端中压级开关阀关闭，高压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀、膨胀端中压级速启/速关阀、中压级换热器进入中压级膨胀机，推动中压级膨胀机对外做功，中压级膨胀机通过转轴带动中压级发电机对外发电。

若中压级膨胀机出口气体温度足够低，则膨胀端低压级速启/速关阀关闭，膨胀端低压级开关阀打开，中压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀、膨胀端低压级开关阀进入储冷罐；若中压级膨胀机出口气体温度不够低，则膨胀端低压级速启/速关阀打开，膨胀端低压级开关阀关闭，中压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀、膨胀端低压级速启/速关阀、低压级换热器进入低压级膨胀机，推动低压级膨胀机对外做功，低压级膨胀机通过转轴带动低压级发电机对外发电。低压级膨胀机出口气体将进入储冷罐降温，再依次经过减压阀、过滤器、干燥器返回到常压稀有气体存储器。

当冷用户需要冷量时，用冷端控制系统进行负荷需求调控，用冷端开关阀打开，用冷端载冷介质供应罐提供载冷介质，经由储冷罐吸收冷量后送入冷用户完成冷量供应，升温后的介质返回用冷端载冷介质供应罐。

当电量需求偏大、冷量需求较小且其他方式获得的电能供应不足时，高压级换热器开关阀打开，膨胀端高压级开关阀打开，膨胀端高压级速启/速关阀关闭，高压气体储气罐释放的稀有气体依次通过膨胀端高压级止回阀、膨胀端高压级开关阀进入高压级换热器完成升温，储热罐供应的载热介质通过高压级换热器开关阀进入高压级换热器完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐。升温后的稀有气体进入高压级膨胀机，推动高压级膨胀机对外做功，高压级膨胀机通过转轴带动高压级发电机对外发电。

若不需要继续补充电力供应，则膨胀端中压级速启/速关阀关闭，膨胀端中压级开关阀打开，高压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀、膨胀端中压级开关阀进入储冷罐完成冷量存储；若需要继续补充电力供应，则膨胀端中压级速启/速关阀打开，膨胀端中压级开关阀关闭，高压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀、膨胀端中压级速启/速关阀进入中压级换热器完成升温，此时中压级换热器开关阀打开，储热罐供应的载热介质通过高压级换热器开关阀、中压级换热器开关阀后进入中压级换热器完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐。升温后的稀有气体进入中压级膨胀机，推动中压级膨胀机对外做功，中压级膨胀机通过转轴带动中压级发电机对外发电。

若不需要继续补充电力供应，则膨胀端低压级速启/速关阀关闭，膨胀端低压级开关阀打开，中压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀、膨胀端低压级开关阀进入储冷罐完成冷量存储；若需要继续补充电力供应，则膨胀端低压级速启/速关阀打开，膨胀端低压级开关阀关闭，中压级膨胀机出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀、膨胀端低压级速启/速关阀进入低压级换热器完成升温，此时低压级换热器开关阀打开，储热罐供应的载热介质通过高压级换热器开关阀、中压级换热器开关阀、低压级换热器开关阀后进入低压级换热器完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐。升温后的稀有气体进入低压级膨胀机，推动低压级膨胀机对外做功，低压级膨胀机通过转轴带动低压级发电机对外发电。低压级膨胀机出口气体经过储冷罐降温后，再依次经过减压阀、过滤器、干燥器返回到常压稀有气体存储器。

综上，在储能过程，该系统可利用每级压气机进气之前的开关阀和速启/速关阀控制压缩的级数，以控制气体的最终压力和热量的存储量，存储的热量值可根据热用户的需求有选择性分配给热用户及返还给高压气体；在释能过程，该系统可根据用户对电量和冷量的需求量，利用每级膨胀机进气之前的开关阀和速启/速关阀控制膨胀和再热的级数，完成冷量和电量的供应。考虑到由其他方式获得电力供应的方便性，释能过程可减少储热器中热量对高压气体的返还，系统以冷量供应为主，电力供应为辅，而该方式亦可保证热用户的用热量。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明以稀有气体代替空气作为储能技术的存储介质，利用稀有气体低临界压力、低临界温度的特点，在储能到释能阶段完成稀有气体的气态-超临界状态-气态的变化过程，相对于以空气为介质的储能系统，超临界状态下的稀有气体的存储体积更小，降低了系统成本，且纯气体为工质可保证系统运行的稳定性和安全性。

2、本发明以稀有气体为压缩气体储能系统的工作介质，借助其密度较高的特点，相比采用压缩和膨胀空气造成的储能系统整体结构复杂、设计困难、成本较高等问题，以稀有气体为工作介质可以明显降低系统核心部件如透平机械、换热器、储气罐的设计难点，缩小系统规模，进而大大降低系统成本。

3、本发明可根据热、电、冷的需求，尤其是热和冷的需求量控制系统运行方式改变热和冷的供应量，减少热和冷量供应与需求之间不匹配情况的发生，避免能量的浪费；也可在用户对能量需求较小时完成热和冷的存储，实现未来时间里冷和热的即时供应。

4、本发明可以富余电力为能量来源，也可以风能等可再生能源为系统的电力来源，并可以太阳能为系统辅助供热，保证系统的热、电、冷的供应。整个系统在运转工程中不产生任何污染环境的物质，可与热电厂联合使用，亦可用于孤岛、独立建筑或小区，是名副其实的环保、节能系统。

具体实施方式

为使本储能系统的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统，由常压稀有气体存储器1，低压级压气机2，中压级压气机3，高压级压气机4，低压级电动机5，中压级电动机6，高压级电动机7，低压级冷却器8，中压级冷却器9，高压级冷却器10，压缩端低压级止回阀11，压缩端中压级止回阀12，压缩端高压级止回阀13，压缩端低压级开关阀14，压缩端中压级开关阀15，压缩端高压级开关阀16，压缩端低压级速启/速关阀17，压缩端中压级速启/速关阀18，中压级冷却器开关阀19，高压级冷却器开关阀20，安全阀21，高压气体储气罐22，载热介质供应罐23，储热罐24，用热端控制系统25，用热端载热介质供应罐26，用热端开关阀27，热用户28，膨胀端高压级止回阀29，膨胀端中压级止回阀30，膨胀端低压级止回阀31，膨胀端高压级开关阀32，膨胀端中压级开关阀33，膨胀端低压级开关阀34，膨胀端高压级速启/速关阀35，膨胀端中压级速启/速关阀36，膨胀端低压级速启/速关阀37，高压级换热器38，中压级换热器39，低压级换热器40，高压级膨胀机41，中压级膨胀机42，低压级膨胀机43，高压级发电机44，中压级发电机45，低压级发电机46，高压级换热器开关阀47，中压级换热器开关阀48，低压级换热器开关阀49，储冷罐50，用冷端控制系统51，用冷端开关阀52，用冷端载冷介质供应罐53，冷用户54，减压阀55，过滤器56，干燥器57等组成，具体操作过程为：

常压稀有气体存储器1中存储的常压状态稀有气体，进入低压级压气机2进行压缩，低压级压气机2由低压级电动机5带动，电动机5的电能可来自风能等可再生能源。稀有气体经低压级压气机2压缩后，压力升高，温度升高，进入低压级冷却器8进行热量交换，降低温度，同时载热介质供应罐23提供的介质进入低压级换热器8中收集热量，存储于储热罐24中。

若储热罐24中热量可满足使用，则压缩端低压级开关阀14打开，压缩端低压级速启/速关阀17关闭，稀有气体依次通过压缩端低压级止回阀11、压缩端低压级开关阀14、安全阀21进入高压气体储气罐22；若储热罐24中热量需要继续补充，则压缩端低压级开关阀14关闭，压缩端低压级速启/速关阀17打开，稀有气体依次通过压缩端低压级止回阀11、压缩端低压级速启/速关阀17进入中压级压气机3，中压级压气机3由中压级电动机6带动。中压级压气机3出口稀有气体进入中压级换热器9完成热量交换，温度降低，同时中压级换热器开关阀19打开，载热介质供应罐23提供的介质进入中压级换热器9中收集热量，并存储于储热罐24中。

若储热罐24中热量可满足使用，则压缩端中压级开关阀15打开，压缩端中压级速启/速关阀18关闭，稀有气体依次通过压缩端中压级止回阀12、压缩端中压级开关阀15、安全阀21进入高压气体储气罐22；若储热罐24中热量需要继续补充，则压缩端中压级开关阀15关闭，压缩端中压级速启/速关阀18打开，稀有气体依次通过压缩端中压级止回阀12、压缩端中压级速启/速关阀18进入高压级压气机4，高压级压气机4由高压级电动机7带动。高压级压气机4出口稀有气体进入高压级换热器10完成热量交换，温度降低，同时高压级换热器开关阀20打开，载热介质供应罐23提供的介质进入高压级换热器10中收集热量，并存储于储热罐24中。

经高压级压气机4压缩后，压缩端高压级开关阀16打开，稀有气体依次通过压缩端高压级止回阀13、压缩端高压级开关阀16、安全阀21进入高压气体储气罐22进行存储。至此，提供给系统的电能转化为稀有气体的压力能和储热罐24中的热能。

当热用户28需要热量时，用热端控制系统25进行负荷需求调控，用热端开关阀27打开，用热端载热介质供应罐26提供载热介质，经由储热罐24吸收热量后送入热用户28完成热量供应，降温后的介质返回用热端载热介质供应罐26。

在对外做功及制取冷量阶段，系统可根据用户端对冷量和电量的需求有选择性回收储热罐24中的存储热量值。

当电量需求较小或其他方式获得的电能供应充足时，高压级换热器开关阀47关闭，膨胀端高压级开关阀32关闭，膨胀端高压级速启/速关阀35打开，高压气体储气罐22释放的稀有气体依次通过膨胀端高压级止回阀29、膨胀端高压级速启/速关阀35进入高压级膨胀机41，推动高压级膨胀机41对外做功，高压级膨胀机41通过转轴带动高压级发电机44对外发电。

若高压级膨胀机41出口气体温度足够低，则膨胀端中压级速启/速关阀36关闭，膨胀端中压级开关阀33打开，高压级膨胀机41出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀30、膨胀端中压级开关阀33进入储冷罐50；若高压级膨胀机41出口气体温度不够低，则膨胀端中压级速启/速关阀36打开，膨胀端中压级开关阀33关闭，高压级膨胀机41出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀30、膨胀端中压级速启/速关阀36、中压级换热器39进入中压级膨胀机42，推动中压级膨胀机42对外做功，中压级膨胀机42通过转轴带动中压级发电机45对外发电。

若中压级膨胀机42出口气体温度足够低，则膨胀端低压级速启/速关阀37关闭，膨胀端低压级开关阀34打开，中压级膨胀机42出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀31、膨胀端低压级开关阀34进入储冷罐50；若中压级膨胀机42出口气体温度不够低，则膨胀端低压级速启/速关阀37打开，膨胀端低压级开关阀34关闭，中压级膨胀机42出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀31、膨胀端低压级速启/速关阀37、低压级换热器40进入低压级膨胀机43，推动低压级膨胀机46对外做功，低压级膨胀机43通过转轴带动低压级发电机46对外发电。低压级膨胀机43出口气体将进入储冷罐50降温，再依次经过减压阀55、过滤器56、干燥器57返回到常压稀有气体存储器1。

当冷用户54需要冷量时，用冷端控制系统51进行负荷需求调控，用冷端开关阀52打开，用冷端载冷介质供应罐53提供载冷介质，经由储冷罐50吸收冷量后送入冷用户54完成冷量供应，升温后的介质返回用冷端载冷介质供应罐53。

当电量需求偏大、冷量需求较小且其他方式获得的电能供应不足时，高压级换热器开关阀47打开，膨胀端高压级开关阀32打开，膨胀端高压级速启/速关阀35关闭，高压气体储气罐22释放的稀有气体依次通过膨胀端高压级止回阀29、膨胀端高压级开关阀32进入高压级换热器38完成升温，储热罐24供应的载热介质通过高压级换热器开关阀47进入高压级换热器38完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐23。升温后的稀有气体进入高压级膨胀机41，推动高压级膨胀机41对外做功，高压级膨胀机41通过转轴带动高压级发电机44对外发电。

若不需要继续补充电力供应，则膨胀端中压级速启/速关阀36关闭，膨胀端中压级开关阀33打开，高压级膨胀机41出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀30、膨胀端中压级开关阀33进入储冷罐50完成冷量存储；若需要继续补充电力供应，则膨胀端中压级速启/速关阀36打开，膨胀端中压级开关阀33关闭，高压级膨胀机41出口气体依次通过膨胀端中压级止回阀30、膨胀端中压级速启/速关阀36进入中压级换热器39完成升温，此时中压级换热器开关阀48打开，储热罐24供应的载热介质通过高压级换热器开关阀47、中压级换热器开关阀48后进入中压级换热器39完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐23。升温后的稀有气体进入中压级膨胀机42，推动中压级膨胀机42对外做功，中压级膨胀机42通过转轴带动中压级发电机45对外发电。

若不需要继续补充电力供应，则膨胀端低压级速启/速关阀37关闭，膨胀端低压级开关阀34打开，中压级膨胀机42出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀31、膨胀端低压级开关阀34进入储冷罐50完成冷量存储；若需要继续补充电力供应，则膨胀端低压级速启/速关阀37打开，膨胀端低压级开关阀34关闭，中压级膨胀机42出口气体依次通过膨胀端低压级止回阀31、膨胀端低压级速启/速关阀37进入低压级换热器40完成升温，此时低压级换热器开关阀49打开，储热罐24供应的载热介质通过高压级换热器开关阀47、中压级换热器开关阀48、低压级换热器开关阀49后进入低压级换热器40完成与稀有气体的热量交换，随后返回载热介质供应罐23。升温后的稀有气体进入低压级膨胀机43，推动低压级膨胀机43对外做功，低压级膨胀机43通过转轴带动低压级发电机46对外发电。低压级膨胀机43出口气体经过储冷罐50降温后，再依次经过减压阀55、过滤器56、干燥器57返回到常压稀有气体存储器1。

综上，在储能过程，该系统可利用每级压气机进气之前的开关阀和速启/速关阀控制压缩的级数，以控制气体的最终压力和热量的存储量，存储的热量值可根据热用户的需求有选择性分配给热用户及返还给高压气体；在释能过程，该系统可根据用户对电量和冷量的需求量，利用每级膨胀机进气之前的开关阀和速启/速关阀控制膨胀和再热的级数，完成冷量和电量的供应。考虑到由其他方式获得电力供应的方便性，释能过程可减少储热器中热量对高压气体的返还，系统以冷量供应为主，电力供应为辅，而该方式亦可保证热用户的用热量。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种以稀有气体为存储介质的压缩气体分布式能源系统，包括：稀有气体供应单元、稀有气体压缩储能单元、稀有气体膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于，

所述稀有气体供应单元包括常压稀有气体存储器（1）；

所述稀有气体压缩储能单元包括低压级压气机（2）、中压级压气机（3）、高压级压气机（4）及高压气体储气罐（22），其中，

--所述低压级压气机（2）的进气口通过管路与所述常压稀有气体存储器（1）的出气口连通，所述低压级压气机（2）产生的高压气体穿过低压级冷却器（8）的热流体侧后，一部分经带有压缩端低压级开关阀（14）的气体管路通入所述高压气体储气罐（22），另一部分经带有压缩端低压级速启/速关阀（17）的气体管路通入所述中压级压气机（3）的进气口,

--所述中压级压气机（3）产生的高压气体穿过中压级冷却器（9）的热流体侧后，一部分经带有压缩端中压级开关阀（15）的气体管路通入所述高压气体储气罐（22），另一部分经带有压缩端中压级速启/速关阀（18）的气体管路通入所述高压级压气机（4）的进气口,

--所述高压级压气机（4）产生的高压气体穿过高压级冷却器（10）的热流体侧后，经带有压缩端高压级开关阀（16）的气体管路通入所述高压气体储气罐（22）;

所述稀有气体膨胀释能单元包括高压级膨胀机（41）、中压级膨胀机（42）及低压级膨胀机（43），其中，

--所述高压气体储气罐（22）储存的高压气体，一部分经设有膨胀端高压级开关阀（32）的气体管路通入高压级换热器（38）的冷流体侧后通入所述高压级膨胀机（41），另一部分经设有膨胀端高压级速启/速关阀（35）的气体管路通入所述高压级膨胀机（41）,

--所述高压级膨胀机（41）膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端中压级开关阀（33）的气体管路通入储冷罐（50），另一部分经带有膨胀端中压级速启/速关阀（36）的气体管路通入中压级换热器（39）的冷流体侧后进入所述中压级膨胀机（42），

--所述中压级膨胀机（42）膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端低压级开关阀（34）的气体管路通入储冷罐（50），另一部分经带有膨胀端低压级速启/速关阀（37）的气体管路通入低压级换热器（40）的冷流体侧后进入所述低压级膨胀机（43），

--所述低压级膨胀机（43）膨胀后的气体通过储冷罐（50）后流入常压稀有气体存储器（1）；

所述载热介质循环回路包括载热介质供应罐（23）、储热罐（24），所述载热介质供应罐（23）中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器（8）、中压级冷却器（9）、高压级冷却器（10）的冷流体侧后进入所述储热罐（24），所述储热罐（24）中的载热介质经管路分别通入高压级换热器（38）、中压级换热器（39）、低压级换热器（40）的热流体侧后进入所述载热介质供应罐（23）。

2.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述载热介质供应罐（23）通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器（8）、中压级冷却器（9）、高压级冷却器（10）的冷流体侧，位于所述低压级冷却器（8）和中压级冷却器（9）之间的供应管路上设有中压级冷却器开关阀（19），位于所述中压级冷却器（9）和高压级冷却器（10）之间的供应管路上设有高压级冷却器开关阀（20）。

3.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述储热罐（24）通过一共同的高温载热介质供应管路将载热介质分送至高压级换热器（38）、中压级换热器（39）、低压级换热器（40）的热流体侧，所述供应管路上串接有高压级换热器开关阀（47）、中压级换热器开关阀（48）、低压级换热器开关阀（49），其中，所述高压级换热器开关阀（47）设置在所述储热罐（24）和高压级换热器（38）之间的供应管路上，所述中压级换热器开关阀（48）设置在所述高压级换热器（38）和中压级换热器（39）之间的供应管路上，所述低压级换热器开关阀（49）设置在所述中压级换热器（39）和低压级换热器（40）之间的供应管路上。

4.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述储热罐（24）用以向用热单元供应热量，所述用热单元包括通过管路依次连接的热用户（28）、用热端载热介质供应罐（26）、用热端开关阀（27），其中，热用户（28）和用热端开关阀（27）之间的用热管路上设有穿过所述储热罐（24）部分的用热换热部件。

5.根据权利要求4所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述用热单元还包括用热端控制系统（25），用以控制调节用热端开关阀（27）的开度和热用户（28）的用热量。

6.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述低压级冷却器（8）的热流体侧出口处的管路上设有压缩端低压级止回阀（11）。

7.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述中压级冷却器（9）的热流体侧出口处的管路上设有压缩端中压级止回阀（12）。

8.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压级冷却器（10）的热流体侧出口处的管路上设有压缩端高压级止回阀（13）。

9.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压气体储气罐（22）的进气口处的管路上设有安全阀（21）。

10.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压级膨胀机（41）的出气口处的管路上设有膨胀端中压级止回阀（30）。