CN103644095B - 一种适合变工况运行的压缩空气储能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的压缩空气储能的方法及装置，特别是一种适合变工况运行的压缩空气储能的方法及装置，该压缩空气储能的方法及装置将输入电能的变工况输入功率范围划分为若干等级，各功率等级与压缩空气储能系统的压力等级对应。当输入的电能功率变化较大时，通过改变压缩空气储能系统的压缩空气压力等级来实现变工况运行，并存储电能；当输入的电能功率变化较小时，压缩空气的压力等级保持不变，通过调整压缩空气的流量来实现变工况运行，并存储电能。不同压力的压缩空气通过定压存储方式分别存储。采用该发明进行压缩空气储能，可以保证在电能输入功率大幅度频繁变化的情况下，系统的各主要设备始终在额定工况附近运行，因而大大提高了储能系统的储能效率。

Description

一种适合变工况运行的压缩空气储能的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种使用压缩空气对能量进行存储的方法及装置，尤其涉及一种通过综合控制压缩空气的压力和流量，来适应输入电能的变工况性能，实现电能存储的方法及装置，特别适用于输入功率大范围频繁变化的情况，比如风力发电和太阳能发电等。

背景技术

压缩空气储能技术是一种电力储能技术，传统的压缩空气储能技术的原理是：在储能过程中，电能驱动空气压缩机压缩空气，将电能转化为压缩空气的内能，并储存在储气室内；在释能过程中，压缩空气从储气室内放出，通过空气膨胀机膨胀，空气膨胀机转动并带动发电机发电，从而向外界输出电能。

压缩空气储能技术可以解决目前风力发电中存在的问题。近年来，风力发电得到了迅速发展，但是风电输出功率随着风向和强度随时变化，波动范围大，变化频繁，导致其输入电网时对电网产生很大冲击。为了保护大电网的安全可靠，很多地方对风力发电进行了限制，甚至出现了风电不允许上网的现象，阻碍了风电的发展。压缩空气储能技术可以存储功率不断变化的风电，然后将其以指定的功率输入电网，从而解决了风电冲击电网的难题。

虽然传统的压缩空气储能可以解决上述问题，但是系统效率仍然较低，主要源于两方面原因。

首先，当储能过程输入电能的功率大幅度频繁变化时，空气压缩机一直处于变工况条件下工作，远离额定工作条件，设备效率低。尤其情况严重时，很可能出现设备不能正常工作，甚至损坏的严重后果。

其次，压缩空气储能系统往往是向一定容积的储气室存储空气，导致其在储能过程中空气压缩机的背压不断上升。这使得空气压缩机始终处于部分负载的工作状态，不能在额定工况下稳定运行，导致设备的效率大大降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种适合变工况的新型压缩空气储能的方法及装置。与传统的压缩空气储能方法相比，本发明的方法及装置可以实现储能系统中的各主要设备在工作过程中始终在额定工况附近工作，从而大大提高了储能系统的储能效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出了一种适合变工况的新型压缩空气储能方法，使用压缩空气储能系统来存储输入电能，该方法包括：

将所述输入电能的变工况功率范围划分为若干等级，各功率等级与所述压缩空气储能系统的各压力等级对应，所述输入电能的功率等级越高，对应的所述压缩空气储能系统的压力等级越大，即对应的压力越大；

当所述输入电能的功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变所述压缩空气储能压力等级，即通过改变所述压缩空气储能系统的压力大小来存储输入电能；当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，保持所述压缩空气储能系统的空气压力不变，通过调整压缩空气的流量来实现变工况运行，并存储输入电能；

不同压力等级的压缩空气通过定压存储方式分别存储。

优选地，该方法进一步包括：

当输入的电能功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变压缩空气的压力来存储电能，压缩空气的压力控制通过下述办法实现：设计若干台空气压缩机，将这些空气压缩机依次串联，其中，

a）第一台空气压缩机额定功率对应最小电能输入功率等级，前两台空气压缩机额定功率之和对应第二电能输入功率等级……以此类推，所有空气压缩机额定功率之和对应最大电能输入功率等级；

b）各台空气压缩机额定流量相等；

c）第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力，第一台空气压缩机的出口压力为第一压力等级，第二台空气压缩机的出口压力为第二压力等级……以此类推，最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；

根据不同输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些空气压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入对应压力等级的定压储气设备。

进一步地，当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，实现压缩空气的压力保持不变，通过调整压缩空气的流量来存储电能，压缩空气的流量控制通过下述办法实现：当输入的电能在同一功率等级内变化时，通过调节处于工作状态的若干级空气压缩机的转速，进而控制压缩空气的流量，使各台空气压缩机的流量相等。优选地，每台空气压缩机的电机配有变频器，通过变频器调节处于工作状态的若干级空气压缩机的电机的转速。由于空气压缩机串联工作，通过变频器实现各台空气压缩机的流量相等。这样，在空气通过这些空气压缩机后，压力仍为该功率等级下的压力，通过流量的变化存储了电能。

根据该发明的另一方面，还提供了一种适合变工况运行的压缩空气储能装置，可以满足系统输入电能的功率大幅度频繁变化的情况，所述装置包括空气压缩机组和若干台定压存储设备，其特征在于，

所述空气压缩机组包括若干台空气压缩机，各空气压缩机按照设计压力由低到高的顺序通过管道串联连接，第一台空气压缩机进口与大气相通，其后每台空气压缩机的进口通过主连接管道连通前面一台空气压缩机的出口；相邻两台空气压缩机之间的连接管道上还设有分支管路，分支管路与对应压力的定压储气设备的进气口相连；最后一台空气压缩机的出口通过管路直接与一对应压力的定压储气设备相连。

优选地，相邻两台空气压缩机之间的主连接管道上均设有控制阀门，且所述控制阀门设置于相应的分支管路连接点的下游的主连接管道上；与各定压储气设备相连的管路上也设有控制阀门。

所述的压缩空气储能装置中，空气压缩机组的作用是将不同功率的电能转化为压缩空气的压力能。空气压缩机组包括若干台空气压缩机，这些空气压缩机按照设计压力从低到高的顺序依次串联，可以将空气压缩到对应不同功率等级的压力。

优选地，每台空气压缩机均由电机驱动，且各电机均配有变频器。进一步的，所有空气压缩机的额定流量一致。进一步的，第一台空气压缩机的额定功率对应最小电能输入功率等级，前两台空气压缩机的额定功率之和对应第二电能输入功率等级……以此类推，所有空气压缩机额定功率之和对应最大电能输入功率等级；第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力，第一台空气压缩机的出口压力为第一压力等级，第二台空气压缩机的出口压力为第二压力等级……以此类推，最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；根据不同电能输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些空气压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入对应压力等级的定压储气设备。

所述的压缩空气储能装置中，定压储气装置的作用是存储不同压力的压缩空气。为了保证空气压缩机在工作过程中保持额定工作状态，要求空气压缩机的背压恒定，因此需要使用定压储气装置。每台空气压缩机后连接一台定压储气设备，以满足存储不同压力压缩空气的需要。在储能过程中，装置将不同压力的压缩空气分别输入对应的定压储气设备。

优选地，当输入的电能功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变空气压缩机组的压力等级来存储电能。

进一步地，当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，保持空气压缩机组的压力等级不变，通过调整压缩空气的流量来存储电能。

所述的压缩空气储能装置，其具体的工作方式是：根据输入功率等级的大小，确定需要存储的压缩空气的压力等级。将输入的电能驱动与之功率等级对应的前面若干级空气压缩机，空气依次通过这些空气压缩机，便可以获得该功率等级下的压缩空气。通过管道上阀门的控制，将得到的压缩空气引入该压力下的定压储气设备。当输入功率变化较小，仍在当前功率等级内变化时，使用变频器调节电机的转速，压缩空气的流量随功率而变化，但是存储压力不发生变化，仍然引入同一定压储气设备。当功率变化较大，超出当前功率等级范围时，重新确定压缩空气的压力，调整工作的空气压缩机的数量，得到新输入功率下的压缩空气。通过调整管路上的阀门，将新得到的压缩空气存储到相应压力的定压存储设备。

所述的压缩空气储能装置中，空气压缩机的种类不限，可以是活塞式空气压缩机、轴流式空气压缩机、离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机等，也可以是不同种类空气压缩机的组合。

所述的压缩空气储能装置中，定压储气设备可以是定压储气柜，也可以采用保证背压稳定的空气液化装置等方式。

本发明的有益效果是：1.可以存储输入功率大幅度频繁变化的电能，特别适合用于风力发电和太阳能发电的存储；2.装置的各主要设备始终在额定工况附近运行，装置的储能效率大大提高。

附图说明

图1为本发明的新型压缩空气储能装置的结构示意图。

图中1.一级空气压缩机，2.一级变频器，3.一级定压储气装置，4.二级空气压缩机，5.二级变频器，6.二级定压储气装置，7.三级空气压缩机，8.三级变频器，9.三级定压储气装置，10-14.阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

该实施例为一中等规模的压缩空气储能装置，该装置可以实现各主要设备在储能功率范围内始终在额定工况附近工作。该装置的输入功率范围为42.5-297.5kW，共分三个功率等级。其中，第一输入功率等级为85kW，功率范围在42.5-127.5kW之间，对应的压缩空气的压力为0.85MPa，即第一压力等级；第二输入功率等级为170kW，功率范围在127.5-212.5kW之间，对应的压缩空气的压力为7MPa，即第二压力等级；第三输入功率等级为255kW，功率范围在212.5-297.5kW之间，对应的压缩空气的压力为32MPa，即第三压力等级。对应三级输入功率，装置设有三台空气压缩机，分别是一级空气压缩机1、二级空气压缩机4、三级空气压缩机7，和三台定压储气设备，分别是一级定压储气装置3、二级定压储气装置6、三级定压储气装置9。空气压缩机1、4、7分别包括一级变频器2、二级变频器5、三级变频器8。三台空气压缩机1、4、7按照设计压力由小到大的顺序依次串联，串联管道上设有分支管道，分支管道与对应管道压力的定压储气设备3、6、9的进气口相连。管道上设有阀门10-14，通过阀门控制压缩空气的流向。

在空气压缩机组中，一级空气压缩机1的额定输入功率为85kW，供气量为850Nm³/h，进气压力为常压，排气压力为0.85MPa。一级空气压缩机1为活塞式压缩机，分为两级进行压缩。二级空气压缩机4的额定输入功率为85kW，供气量为850Nm³/h，进气压力为0.85MPa，排气压力为7MPa。二级空气压缩机4为活塞式压缩机，分为两级进行压缩。三级空气压缩机7的额定输入功率为85kW，供气量为850Nm³/h，进气压力为7MPa，排气压力为32MPa。三级空气压缩机7为活塞式压缩机，分为两级进行压缩。

在定压储气设备中，一级定压储气设备3使用恒压储罐进行存储，存储压力为0.85MPa，最大储气容积为2000m³；二级定压储气设备6为恒压储罐，存储压力为7MPa，最大储气容积为200m³；三级定压储气设备9为为恒压储罐，存储压力为32MPa，最大储气容积为40m³。

依据本发明的压缩空气储能方法，该压缩空气储能装置的具体工作过程如下：

在外界电能输入功率为42.5-127.5kW的功率范围内，启动一级空气压缩机1，关闭阀门10，打开阀门11，空气通过空气一级压缩机1压缩后，压力升高至0.85MPa，被引入一级定压储气设备3进行存储。当输入功率在该功率范围内变化时，压缩空气出口压力稳定在0.85MPa，通过一级变频器2调节空气压缩机1的流量来适应功率的变化。对应该功率的变化范围，压缩空气的供气量在425-1275Nm³/h的范围内变化。在外界电能输入功率为127.5-212.5kW的功率范围内，启动一级空气压缩机1、4，关闭阀门11、12、14，打开阀门10、13，空气依次通过一级空气压缩机1、二级空气压缩机4压缩后，压力升高至7MPa，被引入二级定压储气设备6。当输入功率在该功率范围内变化时，压缩空气出口压力稳定在7MPa，通过一级变频器2、二级变频器5调节一级空气压缩机1、二级空气压缩机4的流量来适应功率的变化。对应该功率等级的变化范围，压缩空气的供气量在637.5-1062.5Nm³/h的范围内变化。在外界电能输入功率为212.5-297.5kW的功率范围内，启动一级空气压缩机1、二级空气压缩机4、三级空气压缩机7，关闭阀门11、13，打开阀门10、12、14，空气依次通过一级空气压缩机1、二级空气压缩机4、三级空气压缩机7压缩后，被引入三级定压储气设备9。当外界电能输入功率在该功率范围内变化时，压缩空气出口压力保持在32MPa，通过一级变频器2、二级变频器5、三级变频器8调节一级空气压缩机1、二级空气压缩机4、三级空气压缩机7的流量来适应功率的变化。对应该功率等级的变化范围，压缩空气的供气量在705.5-991.7Nm³/h的范围内变化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (7)

1.一种适合变工况的压缩空气储能方法，使用压缩空气储能系统来存储输入电能，该方法包括：

将所述输入电能的变工况功率范围划分为若干等级，各功率等级与所述压缩空气储能系统的各压力等级对应，所述输入电能的功率等级越高，对应的所述压缩空气储能系统的压力等级越大，即对应的压力越大；

当所述输入电能的功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变所述压缩空气储能压力等级，即通过改变所述压缩空气储能系统的压力大小来存储输入电能；当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，保持所述压缩空气储能系统的空气压力不变，通过调整压缩空气的流量来实现变工况运行，并存储输入电能；

不同压力等级的压缩空气通过定压存储方式分别存储；

其中，

（1）当输入的电能功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变压缩空气的压力来存储电能，压缩空气的压力控制通过下述步骤实现：

设计若干台空气压缩机，将这些空气压缩机依次串联，其中，

a）第一台空气压缩机额定功率对应最小电能输入功率等级，前两台空气压缩机额定功率之和对应第二电能输入功率等级……以此类推，所有空气压缩机额定功率之和对应最大电能输入功率等级；

b）各台空气压缩机额定流量相等；

c）第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力，第一台空气压缩机的出口压力为第一压力等级，第二台空气压缩机的出口压力为第二压力等级……以此类推，最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；

根据不同输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些空气压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入对应压力等级的定压储气设备；

（2）当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，实现压缩空气的压力保持不变，通过调整压缩空气的流量来存储电能，压缩空气的流量控制通过下述步骤实现：当输入的电能在同一功率等级内变化时，通过调节处于工作状态的若干级空气压缩机的转速，进而控制压缩空气的流量，使各台空气压缩机的流量相等。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能方法，其特征在于：每台空气压缩机的电机配有变频器，通过变频器调节处于工作状态的若干级空气压缩机的电机的转速，通过变频器控制实现各台空气压缩机的流量相等。

3.一种压缩空气储能装置，可以满足系统输入电能的功率大幅度频繁变化的情况，所述装置包括空气压缩机组和若干台定压存储设备，其特征在于，

所述空气压缩机组包括若干台空气压缩机，各空气压缩机按照设计压力由低到高的顺序通过管道串联连接，第一台空气压缩机进口与大气相通，其后每台空气压缩机的进口通过主连接管道连通前面一台空气压缩机的出口；相邻两台空气压缩机之间的连接管道上还设有分支管路，分支管路与对应压力的定压储气设备的进气口相连；最后一台空气压缩机的出口通过管路直接与一对应压力的定压储气设备相连；

所有空气压缩机的额定流量一致；

第一台空气压缩机的额定功率对应最小电能输入功率等级，前两台空气压缩机的额定功率之和对应第二电能输入功率等级……以此类推，所有空气压缩机额定功率之和对应最大电能输入功率等级；第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力，第一台空气压缩机的出口压力为第一压力等级，第二台空气压缩机的出口压力为第二压力等级……以此类推，最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；根据不同电能输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些空气压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入对应压力等级的定压储气设备。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能装置，其特征在于：相邻两台空气压缩机之间的主连接管道上均设有控制阀门，且所述控制阀门设置于相应的分支管路连接点的下游的主连接管道上；与各定压储气设备相连的管路上也设有控制阀门。

5.根据权利要求3所述的压缩空气储能装置，其特征在于：每台空气压缩机均由电机驱动，且各电机均配有变频器。

6.根据权利要求3所述的压缩空气储能装置，其特征在于：当输入的电能功率变化较大，在不同功率等级间变化时，通过改变空气压缩机组的压力等级来存储电能。

7.根据权利要求3所述的压缩空气储能装置，其特征在于：当输入的电能功率变化较小，在同一功率等级内变化时，保持空气压缩机组的压力等级不变，通过调整压缩空气的流量来存储电能。