CN106438297A - 一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，适合于电网削峰填谷、分布式能源和可再生能源等领域。通过增加多流道回热器和中温储热罐，可以实现空气出口温度和蓄热工质出口温度的自适应调节和不同品质能量的梯级利用，提高系统效率和控制灵活度。本发明的一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统有效的解决了传统压缩空气储能系统中存在的湿空气冷凝、非稳态运行过程温度波动较大等问题，能够促进压缩空气储能技术的发展和大规模商业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源、压缩空气储能、分布式能源等领域，涉及一种无化石燃料燃烧的蓄热式压缩空气储能系统，尤其涉及一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，是一种系统温度可自适应调节并实现回收热量梯级利用的压缩空气储能系统，可有效解决压缩空气储能系统非稳态运行阶段温度不稳定和湿空气压缩冷凝问题。
背景技术
压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统，通过压缩空气在电力消耗低谷时储存电网多余的电能或太阳能、风力发电等可再生能源产生的不稳定电能，并在需要时将高压空气释放通过膨胀机做功发电来获取稳定电能，目前已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行。
当前主流的压缩空气储能技术根据热源的不同，主要有带化石燃料燃烧的常规压缩空气储能系统和蓄热式压缩空气储能系统两种。常规压缩空气储能系统在释能时，需要通过化石燃料与高压空气燃烧提高膨胀机进口气体温度，存在因化石燃料燃烧带来的污染物排放等问题。蓄热式压缩空气储能系统，在该系统中空气的压缩和膨胀过程接近于绝热过程，压缩过程中产生大量的压缩热被储存在储热装置中，在释能阶段用于加热压缩空气然后驱动涡轮做功。由于回收了压缩热，蓄热式压缩空气储能系统的效率得到了较大的提高，同时由于避免了化石燃料的燃烧，实现了二氧化碳和污染物的零排放，是压缩空气储能技术的重要发展方向。
虽然蓄热式压缩空气储能系统的研究已经取得了长足的进步，国内也已经建成了一些示范装置，取得了较好的效果，但是在运行过程中出现了如下问题：1、压缩机增压后的含湿空气中的水蒸气在回热器冷却过程中会发生冷凝，采用双流道回热器会导致回热器出口空气温度过高，而增加回热水流量则导致回热温度不足；2、在压缩机统启动、调节和停机时的非稳态运行阶段，回热水出口温度较低，回收这部分热量将降低整体蓄热水的温度，降低热能品味，降低系统运行效率；3、压缩机回热换热器内为逆流式水-气换热，无法同时满足对空气出口温度和蓄热水出口温度的同时和独立控制，而这两个参数是提高压缩空气储能系统效率和安全性的重要参数。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种梯级热能储存和利用、蓄热工质和压缩空气出口温度可自适应调节的蓄热式压缩空气储能系统，实现对不同品质热能的梯级存储和利用，并实现对压缩空气和蓄热工质出口温度的自适应独立调节。
本发明为实现其技术目的所采用的技术解决方案是：
一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，包括多级空气压缩系统、储气系统、多级空气膨胀做功系统、梯级储热系统和热能梯级利用系统，其特征在于，
--所述多级空气压缩系统包括多级空气压缩机和多级多流道回热器，其中，所述多流道回热器的液侧包括至少一高温液侧流道和一中温液侧流道；多级空气压缩系统的初级压缩机进气口与大气连接，中间各级回热器设置在相邻各级空气压缩机之间的气体管路上，末级回热器设置在最后一级空气压缩机和储气系统之间的气体管路上；
--梯级储热系统包括至少一高温储液罐、至少一中温储液罐和至少一低温储液罐，其中，低温储液罐出口与各级回热器的液侧所有流道的进口连接，各级回热器的液侧高温流道出口与高温储液罐进口连接，各级回热器的液侧中温流道出口与中温储罐进口连接，各级回热器的液侧高温流道出口同时与中温储罐进口连接；所述高温储液罐的进口处设置有阀门，各级回热器的液侧高温流道出口与中温储罐进口之间的连接管路上设置有阀门，所述高温储液罐和中温储液罐的出口处均设置有阀门；
--多级空气膨胀做功系统包括多级空气膨胀机和多级再热器，其中，初级再热器设置在储气系统和初级空气膨胀机之间的气体管路上，中间各级再热器设置在相邻各级空气膨胀机之间的气体管路上，末级膨胀机的排气口与大气连接；各级再热器液侧进口同时与高温储液罐出口和中温储液罐出口连接，各级再热器液侧出口与低温储罐进口连接；
--热能梯级利用系统包括供热换热器和制冷机组，其中，所述供热换热器的热侧进口与中温储液罐出口连接，供热换热器热侧出口与低温储液罐进口连接；制冷机组热侧流体进口与中温储液罐出口连接，制冷机组热侧流体出口与低温储液罐进口连接。
优选地，在储能开始阶段，打开各级回热器的液侧高温流道出口与中温储罐进口之间的连接管路上的阀门，关闭其余各阀门，低温储热工质由低温储液罐内进入各级多流道回热器内与高温压缩空气交换热量，当储热工质出口温度没有达到设定温度时，吸热后的中温储热工质由各级多流道回热器的液侧出口进入中温储液罐。
进一步地，在储能系统稳定运行一段时间以后，各级多流道回热器液侧高温流道出口温度达到设定温度以上，打开所述高温储液罐进口处的阀门，关闭其余各阀门，各级多流道回热器液侧高温流道出口与高温储液罐连接，高温储热工质吸收压缩空气热量并调节储热工质出口温度后进入高温储液罐保存，多流道回热器的液侧中温流道出口输出的中温储热工质在吸收冷凝释放热量并调节多流道回热器出口空气温度后，进入中温储液罐储存。
优选地，在空气压缩系统启动、停机和调节过程中，较低温度的蓄热工质进入中温储液罐，而不进入高温储液罐。
优选地，在释能开始前，打开中温储液罐出口处的阀门，关闭高温储液罐出口处的阀门，中温储液罐内的中温储热工质进入各级再热器内预热。
进一步地，释能开始时，打开高温储液罐出口处的阀门，关闭中温储液罐出口处的阀门，各级膨胀机再热器进口与高温储液罐出口连接，高温储热工质进入各级再热器内加热高压空气，加热后的高压空气驱动空气膨胀机做功。
优选地，所述储气系统包括空气储罐，所述空气储罐进口与末级回热器气侧出口连接，所述空气储罐出口与初级再热器气侧进口连接。
优选地，所述中温储液罐存储储能过程中产生的中温蓄热工质，所述高温储液罐存储储能过程中产生的高温蓄热工质，供热换热器、制冷机组以及各级再热器的储热工质进口与中温储液罐出口连接，实现热能的梯级利用，提高系统效率。
优选地，所述蓄热工质为水、醇类、熔融盐、导热油、相变材料等材料中的1种或至少2种的混合物。
优选地，所述高温储液罐、中温储液罐和低温储液罐顶部通过气体管道连接，使三者内部气相空间压力平衡。
优选地，所述多流道回热器为管壳式换热器、板状换热器或板翅式换热器中的一种或多种组合。
优选地，所述再热器为管壳式换热器、板状换热器或板翅式换热器中的一种或多种组合。
优选地，所述供热换热器为管壳式换热器、板状换热器或板翅式换热器中的一种或多种组合。
优选地，所述供热换热器的冷侧流体进口与循环水连接，循环水在供热换热器被加热后用于供热、供暖等场合。
优选地，所述制冷机组为吸收式制冷机组和吸附式制冷机组中的一种或者多种组合。
优选地，所述制冷机组为利用余热制冷的吸收式制冷机组，冷侧流体进口与循环冷却工质连接，循环冷却工质在制冷机组内降温后用于空调、冷库等供冷场合。优选地，所述循环冷却工质为水、乙二醇水溶液、甲醇、乙醇和盐水等材料中的1种或至少2种的混合物。
优选地，所述空气压缩系统由电动机驱动。
优选地，所述空气压缩机为活塞式、轴流式、离心式、螺杆式或混合式。
优选地，所述空气膨胀做功系统在高压空气驱动下做功，通过发电机产生电能。
优选地，所述空气膨胀机为活塞式、轴流式、离心式、螺杆式或混合式。
本发明的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，其运行流程为：
1.在储能开始阶段，多流道回热器高温侧出口和中温侧出口均连接中温储罐进口，低温储热工质由低温储液罐内进入多流道换热器内与压缩空气交换热量，吸热后的高温储热工质由多流道回热器的中温侧出口和高温侧出口进入中温储液罐。压缩冷却后的高压空气储存在空气储罐内。
2.在稳定运行一段时间以后，多流道回热器高温液侧出口温度达到设定温度以上，切换阀门，高温液侧出口与高温储液罐连接，高温储热工质进入高温储液罐保存，而中温侧储热工质在吸收冷凝释放热量并调节多流道回热器空气侧出口温度后，进入中温储液罐储存。通过调节高温侧储热工质流量控制所需的高温侧出口温度，通过控制中温侧蓄热工质流量调节压缩空气出口温度。压缩后的高压空气储存在空气储罐内。
3.释能开始前，各级膨胀机再热器储热工质进口与中温储液罐连接，中温储液罐内的较低温度储热工质进入各级再热器内预热，再热器液侧出口的低温储热工质进入低温储液罐内。
4.释能开始时，切换阀门，各级膨胀机再热器液侧进口与高温储液罐出口连接，高温储热工质进入膨胀机再热器内加热高压空气储罐内释放的高压空气，加热后的高压空气进入各级膨胀机做功，并经由发电机产生电力。
5.热能梯级利用供冷过程可以在储能过程开始前任意时刻根据需要进行，制冷机组热侧进口与中温储液罐出口连接，制冷机组热侧出口与低温储液罐进口连接，制冷机组冷侧进口与循环水进口连接，制冷机组冷侧出口与用冷接口连接。中温储热工质与冷却水交换热量后进入低温储液罐，产生的冷量输出进入冷用户接口供冷。
6.热能梯级利用供热过程可以在储能过程开始前任意时刻根据需要进行，供热换热器热侧进口与中温储液罐出口连接，供热换热器热侧出口与低温储液罐进口连接，供热换热器冷侧进口与循环水进口连接，供热换热器冷侧出口与用热接口连接。中温储热工质与循环水交换热量后进入低温储液罐，循环水吸收热量升温后进入热用户接口供热。
附图说明
图1为本发明实施例1的级间多流道回热器为单台多流道换热器形式的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统示意图；
图2为本发明实施例2的级间多流道回热器为两台双流道换热器串联形式的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统示意图。
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，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，为本发明的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统的实施例1，包括电动机100、一级空气压缩机101、二级空气压缩机102、一级多流道回热器201、二级多流道回热器202、高温储液罐301、中温储液罐302、供热换热器3021、制冷机组3022、低温储液罐303、空气储罐304、一级再热器401、二级再热器402、发电机500、一级膨胀机501、二级膨胀机502。
此实施例中，工质为软化水，压缩机为二级压缩，膨胀机为二级膨胀，采用单个高温储液罐、单个中温储液罐、单个低温储液罐和单个空气储罐。压缩机级间多流道回热器为三流道换热器，包括一空气流道、一高温液侧流道和一中温液侧流道，膨胀机级间再热器为双流道逆流换热器，制冷机组为吸收式制冷机组。
一级空气压缩机101进气口与大气连接，一级多流道回热器201设置在一、二级压缩机之间的气体管路上，二级多流道回热器202设置在二级空气压缩机102和空气储罐304之间的气体管路上。
低温储液罐303出口与回热器201、202的液侧所有流道的进口连接，回热器201、202的液侧高温流道出口与高温储液罐301进口连接，回热器201、202的液侧中温流道出口与中温储罐302进口连接，回热器201、202的液侧高温流道出口同时与中温储罐302进口连接；所述高温储液罐301的进口处设置有阀门2，各级回热器的液侧高温流道出口与中温储罐进口之间的连接管路上设置有阀门1，所述高温储液罐和中温储液罐的出口处均设置有阀门3、4。
一级再热器401设置在空气储罐304和一级膨胀机501之间的气体管路上，再热器402设置在一、二级膨胀机501、502之间的气体管路上，二级膨胀机502的排气口与大气连接；再热器401、402液侧进口同时与高温储液罐301出口和中温储液罐302出口连接，各级再热器401、402液侧出口与低温储罐303进口连接。
供热换热器3021的热侧进口与中温储液罐302出口连接，供热换热器3021热侧出口与低温储液罐303进口连接，供热换热器3021被加热流体侧进口与循环水进口连接，供热换热器3021被加热流体侧出口与用热接口连接。制冷机组3022热侧流体进口与中温储液罐302出口连接，制冷机组3022热侧流体出口与低温储液罐303进口连接。制冷机组3022被冷却流体侧进口与冷却工质进口连接，制冷机组3022被冷却流体侧出口与用冷接口连接。
本发明的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，其使用流程为：
1.在储能阶段，电动机100驱动压缩机各级压缩空气，一级压缩机101压缩后的空气进入多流道回热器201中与蓄热工质交换热量，多流道回热器201出口的压缩空气进入二级压缩机102继续压缩，压力温度升高，二级压缩机102出口排出的压缩空气进入多流道回热器202内与蓄热工质交换热量，经过多流道回热器202冷却后的高压空气储存在空气储罐304内。
2.在储能开始阶段，打开阀门1，关闭阀门2～4，多流道回热器201和202高温液侧出口和中温液侧出口均连接中温储液罐302进口，低温储热工质由低温储液罐303内进入多流道换热器201和202内与压缩空气交换热量，吸热后的高温储热工质由多流道回热器201和202的中温液侧出口和高温液侧出口进入中温储液罐302。压缩后的高压空气储存在空气储罐304内。
3.在稳定运行一段时间以后，多流道换热器201和202高温液侧出口温度达到设定温度以上，打开阀门2，关闭阀门1，高温液侧出口与高温储液罐301连接，高温储热工质进入高温储液罐301保存，而多流道换热器201和202中温液侧储热工质在吸收冷凝释放热量并调节多流道回热器201和202出口空气温度后，进入中温储液罐302储存。通过调节多流道换热器高温液侧蓄热工质流量控制所需的高温液侧出口温度，通过控制中温液侧蓄热工质流量调节压缩空气出口温度。压缩后的高压空气储存在空气储罐304内。
4.释能开始前，关闭阀门1～3，打开阀门4，膨胀机级间再热器401和402的储热工质进口与中温储液罐302连接，中温储液罐302内的较低温度储热工质进入级间再热器401和402内预热，级间再热器401和402液侧出口的低温储热工质进入低温储液罐303内。
5.释能开始时，关闭阀门4，打开阀门3，膨胀机级间再热器401和402液侧进口与高温储液罐301出口连接。空气储罐出口与膨胀机一级再热器401气侧进口连接，高温储热工质进入膨胀机再热器401内加热高压空气，加热后的高压空气进入膨胀机一级501做功，膨胀机一级501出口与膨胀机二级再热器402气侧进口连接，高压空气在膨胀机二级再热器402内吸收高温蓄热工质传递的热量后进入膨胀机二级502做功，发电机500与膨胀机输出轴连接，通过膨胀机做功驱动发电机500产生电力。
6.热能梯级利用供冷过程可以在储能过程开始前任意时刻根据需要进行，制冷机组3022热侧进口与中温储液罐302出口连接，制冷机组3022热侧出口与低温储罐303进口连接，制冷机组3022冷侧进口与冷却水进口连接，制冷机组3022冷侧出口与用冷接口连接。中温储热工质经过制冷机组3022温度降低后进入低温储罐303，产生的冷量输出进入冷用户接口供冷。
7.热能梯级利用供热过程可以在储能过程开始前任意时刻根据需要进行，供热换热器3021热侧进口与中温储液罐302出口连接，供热换热器3021热侧出口与低温储液罐303进口连接，供热换热器3021冷侧进口与冷却水进口连接，供热换热器3021冷侧出口与用热接口连接。中温储热工质与冷却水交换热量后进入低温储罐303，冷却水吸收热量升温后进入热用户接口供热。
实施例2
如图2所示，为本发明的温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统的实施例2，为实施例1的改进，压缩机级二级多流道回热器202为两台双流道换热器，即高效回热器2021和空气冷却器2022串联。高效回热器2021的气侧进口与压缩机102的出口连接，高效回热器2021的气侧出口与空气冷却器2022的气侧进口连接，空气冷却器2022的气侧出口与空气储罐304进口连接，高效回热器2021储热工质进口与低温储液罐303出口连接，高效回热器2021出口与高温储液罐301和中温储液罐302连接，空气冷却器2022液侧进口为冷却水，空气冷却器2022液侧出口通往冷却塔2023冷却。通过控制储热工质流量和冷却水流量来控制高温储热工质出口和压缩空气出口温度。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统，包括多级空气压缩系统、储气系统、多级空气膨胀做功系统、梯级储热系统和热能梯级利用系统，其特征在于，
--所述多级空气压缩系统包括多级空气压缩机和多级多流道回热器，其中，所述多流道回热器的液侧包括至少一高温液侧流道和一中温液侧流道；多级空气压缩系统的初级压缩机进气口与大气连接，中间各级回热器设置在相邻各级空气压缩机之间的气体管路上，末级回热器设置在最后一级空气压缩机和储气系统之间的气体管路上；
--梯级储热系统包括至少一高温储液罐、至少一中温储液罐和至少一低温储液罐，其中，低温储液罐出口与各级回热器的液侧所有流道的进口连接，各级回热器的液侧高温流道出口与高温储液罐进口连接，各级回热器的液侧中温流道出口与中温储罐进口连接，各级回热器的液侧高温流道出口同时与中温储罐进口连接；所述高温储液罐的进口处设置有阀门，各级回热器的液侧高温流道出口与中温储罐进口之间的连接管路上设置有阀门，所述高温储液罐和中温储液罐的出口处均设置有阀门；
--多级空气膨胀做功系统包括多级空气膨胀机和多级再热器，其中，初级再热器设置在储气系统和初级空气膨胀机之间的气体管路上，中间各级再热器设置在相邻各级空气膨胀机之间的气体管路上，末级膨胀机的排气口与大气连接；各级再热器液侧进口同时与高温储液罐出口和中温储液罐出口连接，各级再热器液侧出口与低温储罐进口连接；
--热能梯级利用系统包括供热换热器和制冷机组，其中，所述供热换热器的热侧进口与中温储液罐出口连接，供热换热器热侧出口与低温储液罐进口连接；制冷机组热侧流体进口与中温储液罐出口连接，制冷机组热侧流体出口与低温储液罐进口连接。
2.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，在储能开始阶段，打开各级回热器的液侧高温流道出口与中温储罐进口之间的连接管路上的阀门，关闭其余各阀门，低温储热工质由低温储液罐内进入各级多流道回热器内与高温压缩空气交换热量，当储热工质出口温度没有达到设定温度时，吸热后的中温储热工质由各级多流道回热器的液侧出口进入中温储液罐。
3.根据权利要求2所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，在储能稳定运行一段时间以后，各级多流道回热器液侧高温流道出口温度达到设定温度以上，打开所述高温储液罐进口处的阀门，关闭其余各阀门，各级多流道回热器液侧高温流道出口与高温储液罐连接，高温储热工质进入高温储液罐保存，多流道回热器的液侧中温流道出口输出的中温储热工质进入中温储液罐储存。
4.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，在空气压缩系统启动、停机和调节过程中，较低温度的蓄热工质进入中温储液罐，而不进入高温储液罐。
5.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，在释能开始前，打开中温储液罐出口处的阀门，关闭高温储液罐出口处的阀门，中温储液罐内的中温储热工质进入各级再热器内预热。
6.根据权利要求5所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，释能开始时，打开高温储液罐出口处的阀门，关闭中温储液罐出口处的阀门，各级膨胀机再热器进口与高温储液罐出口连接，高温储热工质进入各级再热器内加热高压空气，加热后的高压空气驱动空气膨胀机做功。
7.根据上述权利要求所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气系统包括空气储罐，所述空气储罐进口与末级回热器气侧出口连接，所述空气储罐出口与初级再热器气侧进口连接。
8.根据上述权利要求所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述中温储液罐存储储能过程中产生的中温蓄热工质，所述高温储液罐存储储能过程中产生的高温蓄热工质，供热换热器、制冷机组以及各级再热器的储热工质进口与中温储液罐出口连接，实现热能的梯级利用，提高系统效率。
9.根据上述权利要求所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热工质为水、醇类、熔融盐、导热油、类离子流体、相变材料等材料中的1种或至少2种的混合物。
10.根据上述权利要求所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温储液罐、中温储液罐和低温储液罐顶部通过气体管道连接，使三者内部气相空间压力平衡。
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