CN103775207A - 一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法及其系统，其技术方案是：在电网低谷负荷时，利用设置在储气室的蛇形盘管热管换热器和压气机出口的逆流气液热管换热器，通过强制循环，梯级吸收压气蓄能过程的压缩热，并将吸收的热量存储在储热装置；在电网高峰负荷时，释放储热装置的热量，利用设置在透平机入口的放气逆流气液热管换热器和设置在储气室的蛇形盘管热管换热器，通过强制循环提高进入透平机的气体温度并吸收储气室膨胀冷，保持储气室温度相对稳定。本发明梯级吸收压气蓄能过程的压缩热和放气发电过程产生的膨胀冷，既可使储气室内空气保持恒定温度，提高系统整体运行效率，又可保证储气室安全，保障机组连续稳定运行。

Description

一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种发电技术，特别是一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法及系统。 

背景技术

压缩空气蓄能是一种具有发展潜力的大规模蓄能方式，它具有动态响应快、成本低、环境友好等优点。压缩空气蓄能发电系统在使用电力驱动压气机压缩空气并存入储气室的过程中，压气机出口空气温度以及储气室内空气温度都将随之提高。并且储气室内空气压力上升越快，储气室内的空气温度上升幅度也越大。反之，在储气室的放气过程中，储气室压力将随着压缩空气的释放而降低，随着储气室压力的降低，储气室内空气的温度也会随之降低，且储气室的温度降低幅度与储气室压力下降幅度直接相关。现有的压缩空气蓄能发电系统，储气室与周围环境的热传递仅靠储气室壁面与环境之间的自然散热，储气室内空气温度变化幅度直接与储气室压力变化率相关，其温度并不受控，散热不畅尤其是短时间快速的储气室压力上升或下降，将导致储气室温度快速上升或下降。储气室内空气温度反复频繁的升高与降低，会影响压缩空气储能发电系统的储气蓄能功耗和发电效率，如：储气室内空气温度上升会增加储气蓄能的功耗，储气室内空气温度降低将直接导致从储气室中放出的驱动透平工作的压缩空气温度降低，从而降低了压缩空气的做功能力。此外，储气室内空气温度反复频繁的身高与降低，还会对蓄能及放气发电过程的稳定性及储气室的安全运行产生重要影响，例如由于长时间的冷热变化，储气室壁面材料疲劳老化，储气室壁面反复冷热交变造成的疲劳损伤将影响储气室安全运行。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种旨在提高系统整体运行效率及储气室安全性能的能够稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法及其系统。 

本发明所述问题是以下述技术方案实现的： 

一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法，在电网低谷负荷时电动机驱动压气机压缩空气并存储于储气室，电网高峰负荷时储气室释放空气，高压空气膨胀对外做功，经透平机发电，其特别之处是：电网低谷负荷时，利用设置在储气室的蛇形盘管热管换热器和压气机出口的逆流气液热管换热器，通过强制循环，梯级吸收压气蓄能过程的压缩热，并将吸收的热量存储在储热装置；在电网高峰负荷时，释放储热装置的热量，利用设置在透平机入口的放气逆流气液热管换热器和设置在储气室的蛇形盘管热管换热器，通过强制循环提高进入透平机的气体温度并吸收储气室膨胀冷，并保持储气室温度相对稳定。

一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，它包括低压压气机、高压压气机、储气室和透平机，储气室进气管路连通高压压气机，储气室出气管路连通透平机，特别之处是，所述储气室内设有蛇形盘管热管换热器，储气室出气管路处设有放气逆流气液热管换热器，所述系统还设有吸热储热支路、放气发电支路和放热平衡支路，所述吸热储热支路包括蓄水池、升压泵、进口三向阀、蛇形盘管热管换热器、出口三向阀、储热装置和将上述部件连接的管路；所述放气发电支路包括储气室、放气逆流气液热管换热器、透平机、发电机和将上述部件依次连接的管路；所述放热平衡支路包括储热装置、循环泵、放气逆流气液热管换热器、进口三向阀、蛇形盘管热管换热器、出口三向阀、蓄水池和将上述部件依次连接的管路。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述吸热储热支路还包括低压逆流气液热管换热器和高压逆流气液热管换热器，所述低压逆流气液热管换热器位于低压压气机和高压压气机之间，所述高压逆流气液热管换热器位于高压压气机和储气室之间。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述蛇形盘管热管换热器由盘管和多个与盘管连接的盘管热管构成，盘管呈蛇形设置在储气室内，盘管螺旋环绕在各盘管热管的一端，各盘管热管的另一端设有伞状翅片。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述高压逆流气液热管换热器包括壳体，壳体内并排设置热管，由密封隔板将壳体分隔为空气腔室和水腔室，各热管两侧分别位于空气腔室和水腔室内，空气腔室的两端分别设有空气进口和空气出口，水腔室内分别设有水进口和水出口，空气进口和水出口位于壳体的一端，空气出口和水进口位于壳体的另一端。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述设置在高压逆流气液热管换热器内的热管两端设有伞状翅片。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述放气逆流气液热管换热器、低压逆流气液热管换热器与高压逆流气液热管换热器为相同结构。 

上述稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，所述储热装置为保温良好的耐压热水罐。 

本发明利用逆流气液热管换热器、蛇形盘管热管换热器，通过强制循环的方式，梯级吸收压气蓄能过程的压缩热和放气发电过程产生的膨胀冷，其主要优点如下：1、在压缩空气储能系统充气蓄能时，通过蛇形盘管热管换热器和逆流气液热管换热器梯级回收热量，并将吸收的热量存储在储热装置；在压缩空气储能系统放气发电时，释放储热装置的热量，通过放气逆流气液热管换热器提高进入透平的空气温度，通过蛇形盘管热管换热器吸收储气室内的膨胀冷量，从而达到无论是充气还是放气过程都可以保证储气室内空气温度相对稳定，避免储气室壁面反复冷热交变造成的疲劳损伤；2、压缩热梯级回收，考虑到压缩空气蓄能发电系统在充气蓄能过程的特点及自然散热等原因，利用升压泵驱动水依次逐级流过蛇形盘管热管换热器、低压逆流气液热管换热器、高压逆流气液热管换热器，采用吸热温度由低到高的顺序，逐级提高所储热水的温度，梯级回收压缩热；3、压缩热充分回收利用于放气发电过程，既提高了充气蓄能及放气发电过程的稳定性，也提高了系统整体运行效率。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

图1是本发明系统的示意图； 

图2是蛇形盘管热管换热器示意图；

图3是高压逆流气液热管换热器示意图。

图中各标号清单为：1、电动机，2、低压压气机，3、低压逆流气液热管换热器，4、高压压气机，5、高压逆流气液热管换热器，5-1、壳体，5-2、热管，5-3、密封隔板，5-4、空气进口，5-5、空气出口，5-6、水进口，5-7、水出口，6、储气室，7、透平机，8、发电机，9、储热装置，10、循环泵，11、蓄水池，12、升压泵，13、蛇形盘管热管换热器，13-1、盘管，13-2、盘管热管，13-2-1、伞状翅片，13-3、连接件，14、放气逆流气液热管换热器，15、出口三向阀，16、进口三向阀。 

具体实施方式

参看图1，本发明的工作原理如下：在电网低谷负荷时期，压缩空气蓄能发电系统的低压压气机2、高压压气机4开始工作，压缩空气经管道被连续充入储气室6，压气机出口空气温度以及储气室内空气温度都将随之提高。此时，升压泵12开始工作，将水从蓄水池11中抽出，经进口三向阀16送入蛇形盘管热管换热器13中吸收储气室6内的压缩热；吸热后的热水在压力的作用下，经出口三向阀15进入高压逆流气液热管换热器5、低压逆流气液热管换热器3中依次吸收压气机的级后及级间压缩热，经过梯级回收的热量送入储热装置9中保温储存。在电网高峰负荷时期，压缩空气蓄能发电系统的储气室6开始放气，膨胀气体对外做功进入透平机7，驱动发电机8发电。储气室的放气过程中，储气室压力将随着压缩空气的释放而降低，储气室内空气的温度也会随之降低。此时储热装置9的出口阀门打开，由循环泵10升压后送入放气逆流气液热管换热器14放热，加热进入透平机的气体，提高系统整体运行效率；由放气逆流气液热管换热器14流出的、还带一部分余热的水经进口三向阀16进入蛇形盘管热管换热器13，吸收储气室内的膨胀冷量，保持储气室温度相对稳定，最后经出口三向阀15进入蓄水池11中保存。综上所述，本发明利用逆流气液热管换热器、蛇形盘管热管换热器，通过强制循环的方式，梯级吸收压气蓄能过程的压缩热和放气发电过程产生的膨胀冷，既可使储气室内空气保持相对恒定的温度，提高了系统整体运行效率，也可保证储气室安全，避免储气室壁面反复冷热交变造成的疲劳损伤，保障机组连续安全稳定的运行。 

仍参看图1，本发明的发电系统包括低压压气机2、高压压气机4、储气室6、透平机7、低压逆流气液热管换热器3、高压逆流气液热管换热器5、放气逆流气液热管换热器14、吸热储热支路、放气发电支路和放热平衡支路。储气室6的进气管路连通高压压气机，储气室的出气管路连通透平机，储气室内设有蛇形盘管热管换热器13。所述放气逆流气液热管换热器14设置在储气室的出气管路处，所述低压逆流气液热管换热器3位于低压压气机2和高压压气机5之间，所述高压逆流气液热管换热器位于高压压气机和储气室6之间。 

仍参看图1、所述吸热储热支路用于系统压缩空气蓄能阶段梯级回收热量。吸热储热支路由蓄水池11、升压泵12、进口三向阀16、蛇形盘管热管换热器13、出口三向阀15、高压逆流气液热管换热器5、低压逆流气液热管换热器3、储热装置9和相应管路依次连接构成。吸热储热支路的工作过程如下：升压泵12开始工作，将水从蓄水池11中抽出，经进口三向阀16送入蛇形盘管热管换热器13中吸收储气室6内的压缩热，吸热后的热水在压力的作用下，经出口三向阀15进入高压逆流气液热管换热器5、低压逆流气液热管换热器3中吸收压气机的级间及级后压缩热，最后送入储热装置9中保温储存。 

仍参看图1、所述放热平衡支路用于系统放气发电阶段提高进入透平机的气体温度并平衡储气室温度。放热平衡支路由依次经相应的管路连接的储热装置9、循环泵10、放气逆流气液热管换热器14、进口三向阀16、蛇形盘管热管换热器13、出口三向阀15和蓄水池11。放热平衡支路的工作过程如下：储热装置9的出口阀门打开，由循环泵10升压后送入放气逆流气液热管换热器14放热，放热后还带一部分余热的水经进口三向阀16进入蛇形盘管热管换热器13，吸收储气室内的膨胀冷量，最后经出口三向阀15进入蓄水池11中保存。 

仍参看图1、所述放气发电支路用于提高进入透平机气体的温度。放气发电支路由依次经相应的管路连接的储气室6、放气逆流气液热管换热器14、透平机7、发电机8。放气发电支路的工作过程如下：在电网高峰负荷时期，压缩空气蓄能发电系统的储气室6开始放气，空气经放气逆流气液热管换热器14吸热后，再进入透平机7驱动发电机8发电。 

参看图1、图2，本发明设置在储气室内的蛇形盘管热管换热器13用于吸收压气蓄能过程产生的压缩热和放气发电过程产生的膨胀冷。蛇形盘管热管换热器13由盘管13-1和多个与盘管连接的盘管热管13-2构成，盘管的整体走向呈蛇形设置在储气室内，盘管螺旋环绕在各盘管热管的一端，各盘管热管的另一端设有伞状翅片13-2-1。系统压缩空气蓄能阶段，盘管热管吸收储气室的热量，加热盘管中由蓄水池泵入的水；系统放气发电阶段，盘管内流动的由储热装置泵入的热水经盘管热管放热，吸收储气室内的膨胀冷，保持储气室内的温度相对稳定。盘管螺旋环绕在盘管热管一端的结构，有利于提高热管的工作效率。为保证盘管热管的位置稳定牢靠，各盘管热管可采用连接件13-3固定连接。 

本发明所述高压逆流气液热管换热器5、放气逆流气液热管换热器14、低压逆流气液热管换热器3作为空气和水的热交换器，可显著提高换热效率。其中，低压逆流气液热管换热器3、高压逆流气液热管换热器5热流体为空气，冷流体为水；放气逆流气液热管换热器14的热流体为水，冷流体为空气。参看图3，高压逆流气液热管换热器5的构成包括壳体5-1，壳体内并排设置热管5-2，热管5-2的两端设有伞状翅片。由密封隔板5-3将壳体分隔为空气腔室和水腔室，各热管两侧分别位于空气腔室和水腔室内，空气腔室的两端分别设有空气进口5-4和空气出口5-5，水腔室内分别设有水进口5-6和水出口5-7，空气进口和水出口位于壳体的一端，空气出口和水进口位于壳体的另一端。在换热过程中，热的空气依次通过并列布置的热管的吸热端，空气温度逐渐降低，至空气出口5-5时，空气温度已降至较低的温度。冷的吸热工质水逆向进入逆流气液热管换热器，依次通过列布置的热管的放热端，水的温度逐渐升高。冷热流体均逐级换热，有效降低了换热温差，提高了换热效率，吸收了压气机的压缩热。放气逆流气液热管换热器14、低压逆流气液热管换热器3与高压逆流气液热管换热器5的结构相同，此处不做赘述。 

本发明所述储热装置9为保温良好的耐压热水罐。 

Claims (8)

1.一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电方法，在电网低谷负荷时电动机驱动压气机压缩空气并存储于储气室，电网高峰负荷时储气室释放高压空气，高压空气膨胀对外做功，经透平机发电，其特征在于：电网低谷负荷时，利用设置在储气室的蛇形盘管热管换热器和压气机出口的逆流气液热管换热器，通过强制循环，梯级吸收压气蓄能过程的压缩热，并将吸收的热量存储在储热装置；在电网高峰负荷时，释放储热装置的热量，利用设置在透平机入口的放气逆流气液热管换热器和设置在储气室的蛇形盘管热管换热器，通过强制循环提高进入透平机的气体温度并吸收储气室膨胀冷，并保持储气室温度相对稳定。

2.一种稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，它包括低压压气机（2）、高压压气机（4）、储气室（6）和透平机（7），储气室进气管路连通高压压气机，储气室出气管路连通透平机，其特征在于，所述储气室内设有蛇形盘管热管换热器（13），储气室出气管路处设有放气逆流气液热管换热器（14），所述系统还设有吸热储热支路、放气发电支路和放热平衡支路，所述吸热储热支路包括蓄水池（11）、升压泵（12）、进口三向阀（16）、蛇形盘管热管换热器（13）、出口三向阀（15）、储热装置（9）和将上述部件连接的管路；所述放气发电支路包括储气室（6）、放气逆流气液热管换热器（14）、透平机（7）、发电机（8）和将上述部件依次连接的管路；所述放热平衡支路包括储热装置（9）、循环泵（10）、放气逆流气液热管换热器（14）、进口三向阀（16）、蛇形盘管热管换热器（13）、出口三向阀（15）、蓄水池（11）和将上述部件依次连接的管路。

3.根据权利要求2所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述吸热储热支路还包括低压逆流气液热管换热器（3）和高压逆流气液热管换热器（5），所述低压逆流气液热管换热器位于低压压气机（2）和高压压气机（4）之间，所述高压逆流气液热管换热器位于高压压气机和储气室（6）之间。

4.根据权利要求3所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述蛇形盘管热管换热器（13）由盘管（13-1）和多个与盘管连接的盘管热管（13-2）构成，盘管呈蛇形设置在储气室内，盘管螺旋环绕在各盘管热管的一端，各盘管热管的另一端设有伞状翅片（13-2-1）。

5.根据权利要求4所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述高压逆流气液热管换热器包括壳体（5-1），壳体内并排设置热管（5-2），由密封隔板（5-3）将壳体分隔为空气腔室和水腔室，各热管两侧分别位于空气腔室和水腔室内，空气腔室的两端分别设有空气进口（5-4）和空气出口（5-5），水腔室内分别设有水进口（5-6）和水出口（5-7），空气进口和水出口位于壳体的一端，空气出口和水进口位于壳体的另一端。

6.根据权利要求5所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述设置在高压逆流气液热管换热器内的热管（5-2）两端设有伞状翅片。

7.根据权利要求6所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述放气逆流气液热管换热器（14）、低压逆流气液热管换热器（3）与高压逆流气液热管换热器（5）为相同结构。

8.根据权利要求7所述的稳定运行的绝热压缩空气蓄能发电系统，其特征在于，所述储热装置（9）为保温良好的耐压热水罐。

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