CN104675464B - 压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统采用了压缩机的分级运行，减小了压缩机变工况运行的范围，提升了压缩机的运行效率；同时采用膨胀机的分级运行，使储气室内空气的压力能实现梯级利用，减小了压力能的损失。

Description

压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及能量存储与利用技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能系统(CAES)是上世纪50年代发展起来的一种基于燃气轮机技术的能量存储系统。该系统利用低谷电，将空气压缩并储存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。目前，德国(Huntorf60MWh)和美国(McIntosh110MW，Ohio9×300MW，Texas4×135MW和Iowa200MW项目等)等国家建成CAES商业运行电站，日、瑞士、俄、法、意、卢森堡、以色列和韩国等也在积极开发CAES电站。CAES系统具有储能容量大、周期长、效率高和单位投资小等诸多优点。

但是，CAES系统储能时压缩机一直处在变工况条件下运行，压缩机运行效率低；释能时需要将储气室高压空气泄压到透平进口压力，造成储能和释能的压力差(压力损失)巨大，最终导致系统效率较低。为了实现压缩空气储能系统的规模化应用，需要在减少系统能量损失、提高系统效率、增加储能密度等方面寻求解决方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种压缩空气储能系统，以提高储能时压缩机运行效率，减小释能时压力能损失，最终提高整个压缩空气储能系统运行效率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统包括：空气压缩子系统、N-1组的压缩气路选择子系统和第N级进气阀门。其中，空气压缩子系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括：压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2；其中，第一级空气压缩机的进气口连接至空气。对于第I级和第I+1级空气压缩机，其中1≤I≤N-1，两者之间的压缩气路选择子系统包括：第I级三通阀门，其进气口连接至第I级空气压缩机的出气口，其第一出气口连接至第I+1级空气压缩机的进气口；第I级进气阀门，其进气口连接至第I级三通阀门的第二出气口，其出气口连接至储气室的进气。第N级进气阀门，连接于第N级空气压缩机的出气口和储气室之间。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统包括：空气膨胀子系统、第1级节流阀以及J-1组的膨胀气路选择子系统。其中，空气膨胀子系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括：工作压力逐渐减小的J级空气膨胀机，J≥2；其中，第J级空气膨胀机的出气口连接至空气。第1级节流阀，连接于储气室的出气口和第1级空气膨胀机的进气口之间。对于第L级和第L+1级空气膨胀机而言，其中，1≤L≤J-1，两者之间的膨胀气路选择子系统包括：第L+1级三通阀门，其第一进气口连接至第L级空气膨胀机的出气口，其出气口连接至第L+1级空气膨胀机的进气口；第L+1级节流阀，其进气口连接至储气室的出气口，其出气口连接至第L+1级三通阀门的第二进气口。

根据本发明的再一个方面，又提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统包括：储气室、储能端组件和释能端组件。其中：

(1)储能段组件包括：空气压缩子系统、N-1组的压缩气路选择子系统和第N级进气阀门。其中，空气压缩子系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括：压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2；其中，第一级空气压缩机的进气口连接至空气。对于第I级和第I+1级空气压缩机，其中1≤I≤N-1，两者之间的压缩气路选择子系统包括：第I级三通阀门，其进气口连接至第I级空气压缩机的出气口，其第一出气口连接至第I+1级空气压缩机的进气口；第I级进气阀门，其进气口连接至第I级三通阀门的第二出气口，其出气口连接至储气室的进气。第N级进气阀门，连接于第N级空气压缩机的出气口和储气室之间；

(2)储能端组件包括：空气膨胀子系统、第1级节流阀以及J-1组的膨胀气路选择子系统。其中，空气膨胀子系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括：工作压力逐渐减小的J级空气膨胀机，J≥2；其中，第J级空气膨胀机的出气口连接至空气。第1级节流阀，连接于储气室的出气口和第1级空气膨胀机的进气口之间。对于第L级和第L+1级空气膨胀机而言，其中，1≤L≤J-1，两者之间的膨胀气路选择子系统包括：第L+1级三通阀门，其第一进气口连接至第L级空气膨胀机的出气口，其出气口连接至第L+1级空气膨胀机的进气口；第L+1级节流阀，其进气口连接至储气室的出气口，其出气口连接至第L+1级三通阀门的第二进气口。第L+1级节流阀，其进气口连接至储气室的出气口，其出气口连接至第L+1级三通阀门的第二进气口。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明分级运行的压缩空气储能系统可增加系统储能时压缩机运行效率，减小压缩机功率消耗；同时，可减小系统释能时节流降压能量损失，增加膨胀机功率输出。因此，本发明提高了压缩空气储能系统的运行效率，推动其大规模应用的进程。

附图说明

图1为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图3为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图4为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图5为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图6为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图7为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图8为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图9为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图；

图10为本发明实施例分级运行的压缩空气储能系统的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-低压级压缩机；2-高压级压缩机；

3-离合器；4-三通阀门；

5-低压进气阀门；6-高压进气阀门；

7-储气室；8-高压节流阀；

9-高压级膨胀机；10-低压级膨胀机；

11-离合器；12-低压节流阀；

13-三通阀门；14-高压燃烧室；

15-低压燃烧室；16-低压冷却器；

17-高压冷却器；18-高压加热器；

19-低压加热器；20-低温储罐；

21-低温储罐的出口阀门；22-高温储罐的进口阀门；

23-高温储罐；24-高温储罐的出口阀门；

25-低温储罐的进口阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统采用了压缩机的分级运行，减小了压缩机变工况运行的范围，提升了压缩机的运行效率；同时采用膨胀机的分级运行，使储气室内空气的压力能实现梯级利用，减小了压力能的损失。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种压缩空气储能系统。请参照图1，该压缩空气储能系统包括：低压级压缩机1，其出口连接至三通阀门4进气口；低压级进气阀门5，其进口与三通阀门4的第二出气口连接，其出口连接至储气室7；高压级压缩机2，其进口与三通阀门4的第一出气口连接，其出口连接至高压进气阀门6；离合器3，将低压级压缩机1和高压级压缩机2的轴连接。

本实施例压缩空气储能系统工作于储能状态：

电力驱动低压级压缩机1，被压缩的空气通过三通阀门4和低压进气调节阀门5进入储气室7中，当储气室7内压力提高至低压压缩机1出口压力时，被压缩的空气通过三通阀门4进入高压级压缩机2继续压缩，然后通过高压进气阀门6进入储气室7，完成了将电能转化为高压空气的压力能加以储存。

高压级压缩机和低压级压缩机是相对而言的，一般而言，前级的压缩机称为低压级压缩机；后级的压缩机称为高压级压缩机。

以下分别对本实施例的压缩空气储能系统的各个组成部分进行详细说明：

空气压缩子系统，利用电能将空气压缩至高压，完成电能到高压空气压力能的转换，由至少一个低压级压缩机1和至少一个高压级压缩机2组成。低压级压缩机1和高压级压缩机2可分别为同台压缩机的低压级和高压级，也可以分别是单台低压级压缩机和单台高压级压缩机。

离合器3，将低压级压缩机1和高压级压缩机2的轴连接，可同轴或分轴。

三通阀门4，用于控制低压级压缩机1出口空气的流向，其进口与低压级压缩机1出口连接，其第一出气口与高压级压缩机2进口连接，其第二出气口与储气室低压级进气阀5进口连接。

高压空气储存子系统，由低压级进气阀门5、高压级进气阀门6和储气室7组成。

低压级进气阀门5，用于控制低压级压缩机1出口气体进入并储存在储气室7中，其出口与储气室7进口连接。

高压级进气阀门6，用于控制高压级压缩机2出口气体进入并储存在储气室7中，其进口与高压级膨胀机2出口连接，其出口与储气室7进口连接。

以下对本实施例的压缩空气储能系统的运行特点进行详细说明。

储能时压缩机能实现分级运行。当储气室7压力低于低压级压缩机1出口压力时，离合器3分离，低压级压缩机1工作，高压级压缩机2停机，低压级压缩机1出口空气通过三通阀门4和进口阀门5进入储气室7中，此时，三通阀门4通向高压级压缩机2的第二出气口关闭；当储气室7压力不低于低压级压缩机1出口压力时，离合器3连接，低压级压缩机1和高压级压缩机2同时工作，低压级压缩机1出口空气通过三通阀门4进入高压级压缩机继续压缩，然后通过进口阀门6进入储气室7中，此时，三通阀门4通向进口阀门5的第一出气口关闭。

至此，本实例的压缩空气储能系统介绍完毕。

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种压缩空气储能系统。请参照图2，该压缩空气储能系统包括：高压级节流阀8，其进口与储气室7连接，其出口连接至高压级膨胀机9；低压级节流阀12，其进口与储气室7连接；三通阀门13，其第一进气口与高压级膨胀机9出口连接，其第二进气口与低压级节流阀12出口连接，其出口与低压级膨胀机10连接；离合器11，将高压级膨胀机9和低压级膨胀机10的轴连接。

本实施例压缩空气储能系统工作于释能状态：

高压空气从储气室7出来，通过高压级压力调节阀门8降压后依次到高压膨胀机9和低压膨胀机10膨胀做功；当储气室7压力降至高压膨胀机9进口压力时，储气室7出来的空气通过低压压力调节阀门12降压后到低压膨胀机10膨胀做功，完成压力能到电能的转化。

高压级膨胀机和低压级膨胀机是相对而言的，一般而言，前级的膨胀机称为高压级膨胀机后级的膨胀机称为低压级膨胀机。

以下分别对本实施例的压缩空气储能系统的各个组成部分进行详细说明：

高压级节流阀8，用于将储气室7出来的空气压力调节到高压级膨胀机9进口压力，其进口与储气室7出口连接，其出口与高压级膨胀机9进口连接。

低压级节流阀12，用于将储气室7出来的空气压力调节到低压级膨胀机10进口压力，其进口与储气室7出口连接，其出口与三通阀门13第二进气口连接。

空气膨胀子系统，用于高压空气的膨胀做功，完成高压空气压力能到电能的转换，由至少一个高压级膨胀机9和至少一个低压级膨胀机10组成。高压级膨胀机9和低压级膨胀机10可分别为同台膨胀机的高压级和低压级，也可以分别是单台高压级膨胀机和单台低压级膨胀机。

离合器11，将高压级膨胀机9和低压级膨胀机10的轴连接，可同轴或分轴。

三通阀门13，用于控制低压级膨胀机10进口空气的来源，其第一进气口与高压级膨胀机9出口连接，其第二进气口与低压压力调节阀12出口连接，其出口与低压级膨胀机10进口连接。

以下对本实施例的压缩空气储能系统的运行特点进行详细说明。

释能时膨胀机能实现分级运行。当储气室压力高于高压级膨胀机9的入口压力时，低压级节流阀12关闭，储气室内高压空气经高压级节流阀8将压力降到高压膨胀机9入口压力后，进入高压级膨胀机9膨胀做功，高压级膨胀机9出口空气经三通阀门13进入低压级膨胀机10继续膨胀做功，此时三通阀门13与低压级节流阀12相连的第二进气口关闭；当储气室压力不高于高压级膨胀机9的入口压力时，高压级节流阀8关闭，储气室内高压空气经低压级节流阀12将压力降到低压级膨胀机10入口压力后，进入低压级膨胀机10膨胀做功，此时三通阀门13与高压级膨胀机9相连的第一进气口关闭。

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种压缩空气储能系统。请参照图3，该压缩空气储能系统包括：低压级压缩机1，其出口连接至三通阀门4进气口；低压级进气阀门5，其进口与三通阀门4的第二出气口连接，其出口连接至储气室7；高压级压缩机2，其进口与三通阀门4的第一出气口连接，其出口连接至高压级进气阀门6；离合器3，将低压级压缩机1和高压级压缩机2的轴连接；高压级节流阀8，其进口与储气室7连接，其出口连接至高压级膨胀机9；低压级节流阀12，其进口与储气室7连接；三通阀门13，其第一进气口与高压级膨胀机9出口连接，其第二进气口与低压级节流阀12出口连接，其出口与低压级膨胀机10连接；离合器11，将高压级膨胀机9和低压级膨胀机10的轴连接。

本实施例压缩空气储能系统可以处于两个工作状态：

(1)在储能状态下，电力驱动低压级压缩机1，被压缩的空气通过三通阀门4和低压级进气阀门5进入储气室7中，当储气室7内压力提高至低压级压缩机1出口压力时，被压缩的空气通过三通阀门4进入高压级压缩机2继续压缩，然后通过高压级进气阀门6进入储气室7，完成了将电能转化为高压空气的压力能，并加以储存。

(2)在释能状态下，高压空气从储气室7出来，通过高压级节流阀8降压后依次到高压级膨胀机9和低压级膨胀机10膨胀做功；当储气室7压力降至高压膨胀机9进口压力时，储气室7出来的空气通过低压级节流阀12降压后到低压膨胀机10膨胀做功，完成压力能到电能的转化。

高压级压缩机和低压级压缩机是相对而言的，一般而言，前级的压缩机称为低压级压缩机；后级的压缩机称为高压级压缩机。与此类似，高压级膨胀机和低压级膨胀机是相对而言的，一般而言，前级的膨胀机称为高压级膨胀机后级的膨胀机称为低压级膨胀机。

以下分别对本实施例的压缩空气储能系统的各个组成部分进行详细说明：

空气压缩子系统，利用电能将空气压缩至高压，完成电能到高压空气压力能的转换，由至少一个低压级压缩机1和至少一个高压级压缩机2组成。低压级压缩机1和高压压缩机2可分别为同台压缩机的低压级和高压级，也可以分别是单台低压级压缩机和单台高压级压缩机。

离合器3，将低压级压缩机1和高压级压缩机2的轴连接，可同轴或分轴。

三通阀门4，用于控制低压级压缩机1出口空气的流向，其进口与低压级压缩机1出口连接，其第一出气口与高压级膨胀机2进口连接，其第二出气口与储气室低压级进气阀5进口连接。

高压空气储存子系统，由低压级进气阀门5、高压级进气阀门6、储气室7、高压级节流阀8和低压级节流阀12组成。

低压级进气阀门5，用于控制低压级压缩机2出口气体进入并储存在储气室7中，其出口与储气室7进口连接。

高压级进气阀门6，用于控制高压级压缩机2出口气体进入并储存在储气室7中，其进口与高压级膨胀机2出口连接，其出口与储气室7进口连接。

高压级节流阀8，用于将储气室7出来的空气压力调节到高压级膨胀机9进口压力，其进口与储气室7出口连接，其出口与高压级膨胀机9进口连接。

低压级节流阀12，用于将储气室7出来的空气压力调节到低压级膨胀机10进口压力，其进口与储气室7出口连接，其出口与三通阀门13第二进气口连接。

空气膨胀子系统，用于高压空气的膨胀做功，完成高压空气压力能到电能的转换，由至少一个高压级膨胀机9和至少一个低压级膨胀机10组成。高压级膨胀机9和低压级膨胀机10可分别为同台膨胀机的高压级和低压级，也可以分别是单台高压级膨胀机和单台低压级膨胀机。

离合器11，将高压级膨胀机9和低压级膨胀机10的轴连接，可同轴或分轴。

三通阀门13，用于控制低压级膨胀机10进口空气的来源，其第一进气口与高压级膨胀机9出口连接，其第二进气口与低压压力调节阀12出口连接，其出口与低压级膨胀机10进口连接。

以下对本实施例的压缩空气储能系统的运行特点进行详细说明。

储能时压缩机能实现分级运行。当储气室7压力低于低压级压缩机1出口压力时，离合器3分离，低压级压缩机1工作，高压级压缩机2停机，低压级压缩机1出口空气通过三通阀门4和进口阀门5进入储气室7中，此时，三通阀门4通向高压级压缩机2的第二出气口关闭；当储气室7压力不低于低压级压缩机1出口压力时，离合器3连接，低压级压缩机1和高压级压缩机2同时工作，低压级压缩机1出口空气通过三通阀门4进入高压级压缩机继续压缩，然后通过进口阀门6进入储气室7中，此时，三通阀门4通向进口阀门5的第一出气口关闭。

释能时膨胀机能实现分级运行。当储气室压力高于高压级膨胀机9的入口压力时，低压级节流阀12关闭，储气室内高压空气经高压级节流阀8将压力降到高压膨胀机9入口压力后，进入高压级膨胀机9膨胀做功，高压级膨胀机9出口空气经三通阀门13进入低压级膨胀机10继续膨胀做功，此时三通阀门13与低压级节流阀12相连的第二进气口关闭；当储气室压力不高于高压级膨胀机9的入口压力时，高压级节流阀8关闭，储气室内高压空气经低压级节流阀12将压力降到低压级膨胀机10入口压力后，进入低压级膨胀机10膨胀做功，此时三通阀门13与高压级膨胀机9相连的第一进气口关闭。

在本发明的第四个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。图4为本发明第四实施例压缩空气储能系统的示意图。请参照图4，该分级运行压缩空气储能系统与图3所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在高压级膨胀机9进口前增加了高压级燃烧室14。

本实施例中，高压级燃烧室14的第一进口与高压级节流阀8出口连接，其第二进口输入燃料，其出口与高压级膨胀机9进口连接。通过增加高压级燃烧室14，燃料与高压气体燃烧，可以提升高压级膨胀机9进口气体温度，增加输出功，高压级燃烧室14中燃烧的燃料可以为天然气、石油和合成煤气等。

在本发明的第五个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。图5为本发明第五实施例压缩空气储能系统的示意图。请参照图5，该分级运行压缩空气储能系统与图3所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在低压级膨胀机10进口前增加了低压级燃烧室15。

本实施例中，低压级燃烧室15的第一进口与三通阀门13出口连接，其第二进口输入燃料，其出口与低压级膨胀机10进口连接。

同第四实施例类似，通过增加低压级燃烧室15，燃料与低压气体燃烧，可以提升低压级膨胀机10进口气体温度，增加输出功，低压级燃烧室15中燃烧的燃料可以为天然气、石油和合成煤气等。

在本发明的第六个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。该分级运行压缩空气储能系统与图3所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在高压级膨胀机9进口和低压级膨胀机10进口前分别增加了高压级燃烧室14和低压级燃烧室15。

图6为本发明第六实施例压缩空气储能系统的示意图。其连接方式与第四个实施例和第五个实施例相同。

本实施例压缩空气储能系统同时提升高压级膨胀机9和低压级膨胀机10进口气体温度，增加输出功。

在本发明的第七个示例性实施例中，还提出了一种分级运行压缩空气储能系统。该分级运行压缩空气储能系统与图3所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例增加了蓄热换热子系统。

图7为本发明第七实施例压缩空气储能系统的示意图。本实施例中蓄热换热子系统，用于回收、储存各级压缩机的压缩热，且利用储存的压缩热加热透平进口空气，包括至少一个低压级冷却器、至少一个高压级冷却器、至少一个高压级加热器、至少一个低压级加热器、低温储罐、高温储罐、低温储罐的进出口阀门、高温储罐的进出口阀门。

低压级冷却器16，用于冷却低压级压缩机1出口空气，其热流体进口与低压级压缩机1出口连接，热流体出口与三通阀门4进口连接，冷流体进口与低温储罐的出口阀门21连接，冷流体出口与高温储罐进口阀门22连接。

高压级冷却器17，用于冷却高压级压缩机2出口空气，其热流体进口与高压级压缩机2出口连接，热流体出口与高压级进气阀门6进口连接，冷流体进口与低温储罐的出口阀门21连接，冷流体出口与高温储罐进口阀门22连接。

高温储罐23，用于储存回收压缩热后的高温蓄热介质，其进口与高温储罐进口阀门22连接，出口与高温储罐出口阀门24连接。

高压级加热器18，用于加热高压级膨胀机9的进口空气，其热流体进口与高温储罐出口阀门24出口连接，热流体出口与低温储罐的进口阀门25连接，冷流体进口与高压级节流阀8出口连接，冷流体出口与高压级膨胀机9进口连接。

低压级加热器19，用于加热低压级膨胀机10的进口空气，其热流体进口与高温储罐出口阀门24出口连接，热流体出口与低温储罐的进口阀门25连接，冷流体进口与三通阀门13出口连接，冷流体出口与低压级膨胀机10进口连接。

低温储罐20，用于储存冷却后的低温蓄热介质，其进口与低温储罐的进口阀门25连接，出口与低温储罐的出口阀门21连接。

本实施例压缩空气储能系统冷却了各级压缩机出口空气，减少了各级压缩机耗功，同时回收储存这部分热量，并用于加热各级膨胀机进口气体，增加了各级透平的出功，有效提高系统的效率。

在本发明的第八个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统与图7所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在高压级膨胀机9进口增加了高压级燃烧室14。

图8为本发明第八实施例分级运行压缩空气储能系统的示意图。本实施例中燃烧室14进口与高压级加热器18的冷流体出口连接，出口与高压级膨胀机9连接。

本实施例压缩空气储能系统通过增加高压燃烧室14提升高压级膨胀机9进口温度，以提高其功率输出。

在本发明的第九个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统与图7所示的分级运行压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在低压级膨胀机10进口增加了低压级燃烧室15。

图9为本发明第九实施例压缩空气储能系统的示意图。本实施例中燃烧室15进口与低压级加热器19的冷流体出口连接，出口与低压级膨胀机10连接。

本实施例压缩空气储能系统通过增加低压级燃烧室15提升高压级膨胀机10进口温度，以提高其功率输出。

在本发明的第十个示例性实施例中，还提出了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统与图7所示的压缩空气储能系统区别仅在于：本实施例中在高压级膨胀机9进口和低压级膨胀机10进口前分别增加了高压级燃烧室14和低压级燃烧室15。

图10为本发明第十实施例压缩空气储能系统的示意图。其连接方式与第八个实施例和第九个实施例相同。

本实施例压缩空气储能系统同时提升高压级膨胀机9和低压级膨胀机10进口气体温度，增加系统功率输出。

至此，已经结合附图对本发明十个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明压缩空气储能系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)压缩机可以为轴流式、离心式、活塞式或各种混合式等；膨胀机可以为轴流式、向心式、活塞式或各种混合式等；

(2)对于压缩空气储能系统而言，其储能组件中空气压缩机的级数、释能组件中空气膨胀机的级数可以为2级、3级、4级，也可以是多级，优选的，该级数一般介于2至15之间；

(3)系统中的储气室7可以为地下可承压的洞穴，也可以为地上可承压的容器。

(4)三通阀门4和三通阀门13可以用若干单向阀门的组合实现。

综上所述，本发明提供一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统采用了压缩机的分级运行，减小了压缩机变工况运行的范围，提升了压缩机的运行效率；采用膨胀机的分级运行，使储气室内空气的压力能实现梯级利用，减小了压力能的损失。本发明具有高效、环保和经济性好的优点，应用前景广阔。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (16)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

空气压缩子系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括：压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2；其中，第一级空气压缩机的进气口连接至空气；

N-1组的压缩气路选择子系统，其中，对于第I级和第I+1级空气压缩机，其中1≤I≤N-1，两者之间的压缩气路选择子系统包括：

第I级三通阀门，其进气口连接至第I级空气压缩机的出气口，其第一出气口连接至第I+1级空气压缩机的进气口；

第I级进气阀门，其进气口连接至所述第I级三通阀门的第二出气口，其出气口连接至储气室的进气口；以及

第N级进气阀门，连接于第N级空气压缩机的出气口和储气室之间。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩气路选择子系统在储能状态下：

当储气室内的压力低于第I级压缩机出口压力，并不低于第I-1级压缩机出口压力时，第1级至第I级空气压缩机工作，第I+1级至第N级压缩机停机，第1级至第I-1级三通阀门第一出气口打开，第二出气口关闭，第I级三通阀门第一出气口关闭，第二出气口打开，第I级进气阀门打开，其余级进气阀门关闭，其中，当I＝1时，第I-1级压缩机出口压力为大气压；

当储气室内压力低于第N级压缩机出口压力，并不低于第N-1级压缩机出口压力时，第1级至第N级空气压缩机工作，第1级至第N-1级三通阀门第一出气口打开，第二出气口关闭，第N级进气阀门打开，其余级进气阀门关闭。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

M个离合器，分别设置于相邻的两级空气压缩机之间，将前级压缩机和后级压缩机同轴或分轴连接，1≤M≤N-1，其中，对于第I级和第I+1级空气压缩机之间的离合器：当I+1级空气压缩机工作时，该离合器链接，其余时刻该离合器分离。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，第I级至第I+1级空气压缩机为独立空气压缩机或一台空气压缩机中的某一级。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，2≤N≤15。

6.根据权利要求1至4任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，空气压缩机为轴流式空气压缩机、离心式空气压缩机、活塞式空气压缩机或混合式空气压缩机。

7.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

空气膨胀子系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括：工作压力逐渐减小的J级空气膨胀机，J≥2；其中，第J级空气膨胀机的出气口连接至空气；

第1级节流阀，连接于储气室的出气口和第1级空气膨胀机的进气口之间；

J-1组的膨胀气路选择子系统，其中，对于第L级和第L+1级空气膨胀机而言，其中，1≤L≤J-1，两者之间的膨胀气路选择子系统包括：

第L+1级三通阀门，其第一进气口连接至第L级空气膨胀机的出气口，其出气口连接至第L+1级空气膨胀机的进气口；

第L+1级节流阀，其进气口连接至储气室的出气口，其出气口连接至所述第L+1级三通阀门的第二进气口。

8.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀气路选择子系统在释能状态下：

所述的第1级节流阀当储气室压力高于第1级膨胀机入口压力时打开，其他级节流阀关闭，所有级的三通阀门的第一进气口打开，第二进气口关闭，此时第1级至第J级膨胀机同时工作；

第L级和第L+1级空气膨胀机在释能状态下：当储气室内的压力高于第L+1级膨胀机入口压力，并不高于第L级膨胀机入口压力时，第L+1级节流阀打开，其他级节流阀关闭，第L+1级三通阀门第一进气口关闭，第二进气口打开，高于L+1级处的三通阀门第一进气口打开，第二进气口关闭，此时，第1级至第L级膨胀机停止工作，第L+1级至第J级膨胀机同时工作。

9.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

K个离合器，分别设置于相邻的两级空气膨胀机之间，将前级膨胀机和后级膨胀机同轴或分轴连接，1≤K≤J-1，其中，对于第L级和第L+1级空气膨胀机之间的离合器：当第L级和第L+1级空气膨胀机同时工作时，该离合器连接，其余时刻该离合器分离。

10.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

P个燃烧室，P≤J，分别设置于所述J级空气膨胀机的任意P个不同级空气膨胀机之前；其中：

对于第1级空气膨胀机之前燃烧室而言，其第一进气口连接至前端节流阀的出气口，其第二进气口连接至燃料口，其出气口连接至第1级空气膨胀机的进气口；

对于其他级的膨胀机前燃烧室而言，其第一进气口连接至前端相邻的三通阀门的出气口，其第二进气口连接至燃料口，其出气口连接至后端相邻的空气膨胀机的进气口。

11.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，第L级至第L+1级空气膨胀机为独立空气膨胀机或一台空气膨胀机中的某一级。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，2≤J≤15。

13.根据权利要求7至11中任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，空气膨胀机为轴流式空气膨胀机、离心式空气膨胀机、活塞式空气膨胀机或混合式空气膨胀机。

14.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：储气室、储能端组件和释能端组件；

所述储能端组件包括：

空气压缩子系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括：压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2；其中，第一级空气压缩机的进气口连接至空气；

N-1组的压缩气路选择子系统，其中，对于第I级和第I+1级空气压缩机，其中1≤I≤N-1，两者之间的压缩气路选择子系统包括：

第I级三通阀门，其进气口连接至第I级空气压缩机的出气口，其第一出气口连接至第I+1级空气压缩机的进气口；

第I级进气阀门，其进气口连接至所述第I级三通阀门的第二出气口，其出气口连接至储气室的进气口；

第N级进气阀门，连接于第N级空气压缩机的出气口和储气室之间；

所述释能端组件包括：

空气膨胀子系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括：工作压力逐渐减小的J级空气膨胀机，J≥2；

第1级节流阀，连接于储气室的出气口和第1级空气膨胀机的进气口之间；

J-1组的膨胀气路选择子系统，其中，对于第L级和第L+1级空气膨胀机而言，其中，1≤L≤J-1，两者之间的膨胀气路选择子系统包括：

第L+1级三通阀门，其第一进气口连接至第L级空气膨胀机的出气口，其出气口连接至第L+1级空气膨胀机的进气口；

第L+1级节流阀，其进气口连接至储气室的出气口，其出气口连接至所述第L+1级三通阀门的第二进气口。

15.根据权利要求14所述压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

低温储罐，用于储存低温的蓄热介质；

至少一个冷却器，设置于所述N级空气压缩机中第Q级空气压缩机的后端，其热流体进口与第Q级空气压缩机的出口相连接，其热流体出口与第Q级空气压缩机的后端的第Q级三通阀门的进气口连接，其冷流体进口与低温储罐的出口相连接，用于利用自第Q级空气压缩机出口气体的压缩热对低温的蓄热介质进行加热，其中，当Q等于N时，其热流体出口与第N进气阀门的进气口连接；

高温储罐，其进口连接至所述至少一个冷却器的冷流体出口，用于存储加热后的蓄热介质；

至少一个加热器，设置于所述J级空气膨胀机的第R级空气膨胀机的前端，其热流体进口与高压储罐的出口连接，其热流体出口通过管路连接至所述低温储罐的进口，其冷流体进口与第R级空气膨胀机前端相邻的三通阀门的出口相连接，其冷流体出口与第R级空气膨胀机的进气口或其前的燃烧室第一进气口相连接，用于利用蓄热介质加热流入第R级空气膨胀机或其前燃烧室的气体，其中，当R等于1时，其冷流体进口与第1级空气膨胀机前端的节流阀出口连接。

16.根据权利要求14或15所述压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气室为可承压的容器或地下洞穴。