CN104457020B - 一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于压缩空气储能系统领域的一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法。该方法通过利用压缩空气储能系统储能过程中多级压缩机产生的压缩热作为制冷系统的驱动热源产生冷量,并将该部分冷量用于级间和级后冷却从而降低多级压缩机的耗功,提高压缩空气储能系统的整体性能；同时多余的冷量可以存储在蓄冷装置中,在用电高峰时进行空间供冷,以减少电能的消耗。

Description

一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能系统领域，特别涉及一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法。
背景技术
压缩空气储能系统是在燃气轮机系统的基础之上进行改造而成的。具体工作过程为：在用电低谷时，压缩机利用多余的电能压缩大气环境中的空气，将电能转换为空气的内能并存储在储气室中；在用电高峰时段，压缩空气从储气室内释放出来，通过燃烧室加热升温后进入透平膨胀做功，最终转换为电能。
压缩空气储能系统由于要将环境中的空气压缩到80—200个大气压，因此，为了提高多级压缩机的效率，通常采用多级压缩级间冷却的方法；同时,为了保证储气室的安全稳定，在压缩空气注入储气室前压缩空气被冷却至接近环境温度，即压缩空气的级后冷却。
尽管压缩空气储能系统已经受到了国内外科研人员和相关机构的高度关注，但是到目前为止仍然没有大规模的商业应用，制约其发展的一个关键因素是储能效率较低，例如德国Huntorf电站的效率为42％，美国McIntosh电站效率为54％。造成压缩空气储能系统效率较低的主要原因之一为：在压缩过程中产生了大量的压缩热，而这部分压缩热没有被充分利用而是被排放到了环境之中。
为充分利用压缩过程中产生的热量，提高压缩空气储能系统的效率，最近几年国内外学者分别开展了利用压缩热量取代燃烧室加热压缩空气的先进绝热压缩空气储能系统(Advanced Adiabatic CAES,AA-CAES)以及利用压缩热进行供暖的具有蓄热装置的压缩空气储能系统(CAES combined with Thermal Energy Storage,CAES/TES)和分布式压缩空气储能系统(Distributed CAES,DCAES)等研究，使压缩热得到了基本的利用,压缩空气储能系统效率得到了提高,理论效率可以达到70％。但是，对于AA-CAES系统由于不采用化石燃料热源，使得压缩空气储能系统的能量密度更低，更加凸显了对大型储气室的依赖；对于CAES/TES、DCAES系统，由于对空间供暖的需求，使压缩机级间冷却温度较高，导致压缩机耗功较高，从而导致系统电效率降低。因此，必须找到合理有效的压缩热利用方式，才能使压缩空气储能系统得到更广泛而又有效的利用。
目前，多级压缩机级间和级后冷却过程中所采用的冷却介质为环境温度的水，由于受换热器换热有效系数的限制导致级间被冷却后的压缩空气温度一般在环境温度以上，尤其是在高温干旱地区，级间冷却温度通常为40～50℃，如果能将该温度降低则可以更好的减少多级压缩机的耗功，提高多级压缩机的效率，从而提高压缩空气储能系统的整体性能。
因此，如何利用压缩空气储能系统中压缩热和降低多级压缩机级间和级后冷却温度来提高压缩空气储能系统效率的问题，成为本领域技术人员尤其是高温干旱地区的技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法，该方法通过利用压缩空气储能系统储能过程中多级压缩机产生的压缩热制冷来降低多级压缩机级间和级后冷却温度，进而降低多级压缩机的耗功,提高压缩空气储能系统的整体性能；同时多余的冷量可以存储在蓄冷装置中,在用电高峰时进行空间供冷,以减少电能的消耗。
本方法包括以下步骤：
步骤一：冷却介质在多级压缩机级间和级后冷却器内吸收多级压缩机产生的压缩热，使压缩机入口温度以及储气室入口温度降低；
步骤二：吸收压缩热后的冷却介质，将该部分热量输送到吸收式制冷机中，作为吸收式制冷机的驱动热源使吸收式制冷机工作产生冷量；
步骤三：在吸收式制冷机中释放热量后的冷却介质进入换热器，在换热器内被冷却到接近环境温度；
步骤四：从换热器内出来的冷却介质被吸收式制冷机产生的冷量进一步冷却，冷却到环境温度以下，一般冷却到5-10℃；
步骤五：被冷却到环境温度以下的冷却介质进入到压缩空气储能系统中，对多级压缩机进行级间和级后冷却；
所述利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法基于下述2个子系统实现：压缩空气储能系统、级间和级后冷却系统；其中，
压缩空气储能系统包括多级压缩机、膨胀机组、储气室、燃烧室、级间冷却器、级后冷却器，级间和级后冷却器与级间和级后冷却系统相连；
级间和级后冷却系统包括换热器、吸收式制冷机、流量调节阀、升压泵、蓄冷装置，流量调节阀和升压泵调节进入级间和级后冷却器冷却介质的流量和压力以确保冷却介质在换热器内充分换热以及不被汽化；
所述蓄冷装置存储吸收式制冷机产生的多余冷量,在用电高峰时进行空间供冷,以减少电能的消耗；
所述冷却介质在吸收式制冷机中释放热量后先经换热器被冷却到环境温度，然后再利用吸收式制冷机产生的冷量进一步被冷却到环境温度以下，一般为5-10℃；
所述冷却介质在级间和级后冷却器、吸收式制冷机、换热器、蓄冷装置中形成一个循环。
制冷系统参数的选择以级间和级后冷却器冷流出口温度为选择依据；级间和级后冷却器出口温度的确定以压缩机的入口温度、压比、级间和级后冷却器有效系数、环境温度为依据；
具体确定步骤为:
步骤一：设定多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度，多级压缩机入口温度；
步骤二：根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器有效系数计算得到冷却器内换热量、冷流出口温度；根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器冷流出口温度确定制冷系统参数，从而得到制冷量；
步骤三：验证制冷系统产生的冷量是否满足将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度时所需冷量；
步骤四：如不满足需重新设定多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度，重复以上步骤到制冷系统制冷量大于等于将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度所需冷量时为止。
本发明的有益效果为：
本发明将压缩空气储能系统中的压缩热转换成冷量进行利用，实现了压缩热的利用及两种能量系统之间的互补集成。
具体有以下三个特点：
第一，系统中利用吸收式制冷机将收集的压缩热转换成冷量，一部分用来降低压缩机的级间冷却温度从而降低压缩机的耗功，多余部分可以存储在蓄冷装置中在用电高峰时进行供冷，进而提高压缩空气储能系统的整体性能，根据理论计算本发明可使压缩空气储能系统效率达到85％；
第二，多级压缩级间冷却过程中所采用的冷却介质在压缩机中释放完热量后先通过换热器再被吸收式制冷机产生的冷量进行冷却，这样可以减少冷量的消耗，提高压缩空气储能系统的整体效率；
第三，压缩机级间冷却系统中的冷却介质可以重复利用，且在一个封闭的系统中进行，对环境影响较小。
附图说明
图1为本发明一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法的实施例示意图。
图2为制冷系统参数选择流程图。
图3为本发明的能量转换流程示意图。
图中标号
1-低压压缩机；2-中压压缩机；3-中压压缩机；4-高压压缩机；5-发电机/电动机；6-蒸汽透平；7-燃气透平；8、9、10-级间冷却器；11-级后冷却器；
12、13-燃烧室；14-回热器；15-节流阀；16-储气室；17-发生器；18-冷凝器；19-制冷剂节流器；20-蒸发器；21-换热器；22-吸收剂节流器；23-溶液泵；24-吸收器；25-空气；26-吸热后的冷却介质；27-释放热量后的冷却介质；28-环境温度的冷却介质；29-环境温度以下的冷却介质；30-流量调节阀；31-升压泵；32-过剩冷量；33-蓄冷装置。
具体实施方式
本发明提供了一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明可以基于所述系统实现，其具体结构如图1所示，所述的压缩空气储能系统由多级压缩机(1、2、3、4)、发电机/电动机(5)、膨胀机组(6、7)、冷却器(8、9、10、11)、燃烧器(12、13)、回热器(14)、节流阀(15)、储气室(16)组成；所述的级间和级后冷却系统由吸收式制冷机、冷却器(21)、蓄冷装置(33)组成；其中吸收式制冷机包括发生器(17)、冷凝器(18)、制冷剂节流器(19)、蒸发器(20)、吸收剂节流器(22)、溶液泵(23)、吸收器(24)。
级间和级后冷却器(8、9、10、11)将两个子系统有机地连接为一体化的压缩空气储能系统；其中级间和级后冷却器冷流出口端的冷却介质依次通过吸收式制冷机的发生器(17)、换热器(21)、蒸发器(20)，经流量调节阀和升压泵后进入级间和级后冷却器(8、9、10、11)进行换热。
当电网处于用电低谷时，过剩的电力驱动多级压缩机压缩空气，产生的压缩空气经级间冷却器后进入下一级压缩机或是经级后冷却器(11)冷却后进入储气室(16)存储。
冷却介质在级间冷却器和级后冷却器中吸收压缩空气的热量后进入吸收式制冷机，作为热源驱动吸收式制冷机工作产生冷量，具体而言：
冷却介质在级间和级后冷却器内由于冷却压缩空气换热温度会升高，温度升高后的冷却介质作为驱动热源进入吸收式制冷机的发生器(17)使吸收式制冷机工作，在蒸发器(20)中产生冷量。
冷却介质在吸收式制冷机的发生器(17)释放完热量后进入冷却器(21)被空气冷却最后进入到蒸发器(20)中吸收吸收式制冷机产生的冷量，被冷却到环境温度以下，通过流量调节阀和升压泵后进入级间和级后冷却器形成一个循环。
吸收式制冷机产生的冷量除用来冷却冷却介质外，剩余的冷量存储在蓄冷装置(33)中。
系统中的冷却介质为水或导热油；蓄冷装置可以为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷装置中的一种或几种的组合。
当用电高峰时，存储的压缩空气通过节流阀后进入燃烧室加热，然后进入膨胀机做功产生电能；同时，释放蓄冷装置中的冷量进行空间供冷，减少用电高峰时由于制冷对电能的需求。
制冷系统参数的选择如图2所示，具体为：
步骤一：设定多级压缩机(1、2、3、4)级间和级后冷却器(8、9、10、11)冷流入口温度，多级压缩机入口温度；
步骤二：根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器有效系数计算得到冷却器内换热量、冷流出口温度；根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器冷流出口温度确定制冷系统参数，从而得到制冷量；
步骤三：验证制冷系统产生的冷量是否满足将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度时所需冷量；
步骤四：如不满足需重新设定多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度，重复以上步骤到制冷系统制冷量大于等于将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度所需冷量时为止。
该系统采用本发明所述方法运行时工作流程及压缩热的转换过程和状态如图3所示，具体为：
首先，冷却介质在多级压缩机级间和级后冷却器(8、9、10、11)内吸收多级压缩机产生的压缩热，使压缩机(2、3、4)入口温度以及储气室(16)入口温度降低；
其次，吸收压缩热后的冷却介质(26)，将该部分热量输送到制冷系统中，作为驱动热源使制冷系统产生冷量；
再次，在制冷系统中释放热量后的冷却介质(27)进入换热器(21)，在换热器(21)内被冷却到接近环境温度；
然后，从换热器内出来的冷却介质(28)被制冷系统产生的冷量进一步冷却，冷却到环境温度以下，一般冷却到5-10℃；
最后，被冷却到环境温度以下的冷却介质(29)进入到压缩空气储能系统中，对压缩空气储能系统的多级压缩机进行级间和级后冷却，多余的冷量存储到蓄冷装置(33)中，在用电高峰时进行供冷。
本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权利要求指出了本发明要求保护的构思和范围，而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该是包括在权利要求书的范围内。

Claims (2)

1.一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法，其特征在于，所述一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法为利用压缩空气储能系统储能过程中多级压缩机产生的压缩热来降低多级压缩机的级间和级后冷却温度，从而降低多级压缩机耗功，提高压缩空气储能系统的效率；
包括以下步骤：
步骤一：冷却介质在多级压缩机级间和级后冷却器内吸收多级压缩机产生的压缩热，使压缩机入口温度以及储气室入口温度降低；
步骤二；吸收压缩热后的冷却介质，将该部分热量输送到吸收式制冷机中，作为驱动热源使吸收式制冷机产生冷量；
步骤三：在吸收式制冷机中释放热量后的冷却介质进入换热器，在换热器内被冷却到接近环境温度；
步骤四：从换热器内出来的冷却介质被吸收式制冷机产生的冷量冷却到5-10℃；
步骤五：被冷却到5-10℃的冷却介质进入到压缩空气储能系统中，对压缩空气储能系统的多级压缩机进行级间和级后冷却；
所述利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法基于下述2个子系统实现：压缩空气储能系统、级间和级后冷却系统；其中，
压缩空气储能系统包括多级压缩机、膨胀机组、储气室、燃烧室、级间冷却器、级后冷却器，级间和级后冷却器与级间和级后冷却系统相连；
级间和级后冷却系统包括换热器、吸收式制冷机、流量调节阀、升压泵、蓄冷装置，流量调节阀和升压泵调节进入级间和级后冷却器冷却介质的流量和压力以确保冷却介质在换热器内充分换热以及不被汽化；
所述蓄冷装置存储吸收式制冷机产生的多余冷量,在用电高峰时进行空间供冷,以减少电能的消耗；
所述冷却介质在吸收式制冷机中释放热量后先经换热器被冷却到环境温度，然后再利用吸收式制冷机产生的冷量进一步被冷却到5-10℃；
所述冷却介质在压缩空气储能系统中的级间和级后冷却器、吸收式制冷机、换热器、蓄冷装置中形成一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种利用压缩热制冷提高压缩空气储能系统效率的方法，其特征在于，吸收式制冷机参数的确定以压缩空气储能系统的级间和级后冷却器冷流出口温度为选择依据；级间和级后冷却器出口温度的确定以压缩空气储能系统的多级压缩机的入口温度、压比、级间和级后冷却器有效系数、环境温度为依据;
具体确定步骤为:
步骤一：设定多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度，多级压缩机入口温度；
步骤二：根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器有效系数计算得到冷却器内换热量、冷流出口温度；根据压缩空气储能系统级间和级后冷却器冷流出口温度确定吸收式制冷机参数，从而得到制冷量；
步骤三：验证吸收式制冷机产生的冷量是否满足将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度时所需冷量；
步骤四：如不满足需重新设定多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度，重复以上步骤到吸收式制冷机制冷量大于等于将多级压缩机级间和级后冷却器中冷流入口温度冷却到设定温度时所需冷量时为止。
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