CN106677851A - 一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，包括压气机、空气换热器、储热装置、储气室、给水加热器、引射闪蒸器；压气机出口与空气换热器入口通过管路连接，空气换热器出口与储热装置气侧入口通过管路连接，储热装置气侧出口与储气室入口经管路连接，储气室出口连接引射闪蒸器的工作喷嘴，引射闪蒸器的引射闪蒸管经过储热装置的内部与水源连接，给水加热器设置在引射闪蒸管与储热装置之间的管路或设置在储热装置与水源之间的管路，引射闪蒸器的出口与透平连接。本发明基于引射及闪蒸原理，利用水的换热系数大于空气的换热系数，提高储热装置的换热效率，消除储热装置的残热，提高系统做功效率，保证系统连续稳定运行。

Description

一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及热能发电技术领域，特别是涉及一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统。

背景技术

当前，电力需求持续增长，可再生能源发电所占份额逐年增加，且由于可再生能源存在固有的间歇性缺点，以及用户侧的用电峰谷差越来越大，这些问题使电网调峰问题十分突出，发展储能技术可有效平抑电网负荷峰谷波动。

压缩空气储能电站具有储能效率高、单位储能功率成本低等优点，是适合大规模电能存储技术手段之一。传统的压缩空气储能系统的基本工作流程为：在充气储能过程中,电动机带动压气机工作，常压空气经压气机升温升压后，高温高压的压缩空气被送入到储热装置中，压缩空气的压缩热被储热装置吸收蓄热，经储热装置换热冷却后的压缩空气被送入到储气室内储存；在放气释能过程中，压缩空气从储气室中被释放出来，压缩空气首先经过节流降压阀门节流降压，而后进入储热装置内吸收存储在储热装置中的压缩热，最后被加热后的压缩空气再被送入透平做功，从而带动发电机工作发电，从而完成放气释能发电过程。

上述传统方案需要在储气室出口安装节流降压阀门控制进入透平的空气压力，从而保证透平进气压力的稳定。然而节流降压阀门的存在也使得压缩空气在降压过程产生了很大的节流损失。并且在放气释能过程中，随着储气室内压缩空气压力的不断降低，储气室内压缩空气的温度也随之下降，从而使储气室出口的压缩空气温度随之也不断降低；与此同时，压缩空气经过节流降压阀门节流后，压缩空气的温度也进一步降低。两种因素叠加，最终导致透平进口压缩空气温度降低比较明显，节流损失也比较巨大，工质的做功能力显著下降。且透平进口温度降低，会使透平功率下降，为保证透平功率稳定，必须随之提高做功工质的流量，开大节流降压阀门的开度，从而使得透平进气压力提高，这将加剧透平进口工质参数的不稳定，最终造成透平运行工况的不稳定；此外，传统方案中的每次储能/释能循环的储热装置不能完全释放储热过程的压缩热，导致多次循环后储热装置的蓄热能力及系统效率都大幅下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，针对现有压缩空气储能系统的弊端，采用非节流降压方式控制透平进口参数，使透平进口工质参数状态稳定，从而保证透平的安全稳定运行；并在此基础上，利用水的换热系数大于空气的换热系数的特点，充分提高储热装置的换热效率并有效利用存储在储热装置中的压缩热，消除储能/释能循环中残存在储热装置中的残热。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，包括压气机、空气换热器、储热装置、储气室、给水加热器、引射闪蒸器；所述压气机出口与所述空气换热器入口通过管路连接，所述空气换热器出口与储热装置气侧入口通过管路连接，所述储热装置气侧出口与所述储气室入口经管路连接，所述储气室出口连接所述引射闪蒸器的工作喷嘴，所述引射闪蒸器的引射闪蒸管经过所述储热装置的内部与水源连接，所述给水加热器设置在所述引射闪蒸管与所述储热装置之间的管路上或设置在所述储热装置与所述水源之间的管路上，所述引射闪蒸器的出口与透平连接；

所述引射闪蒸器还包括吸入室和扩散管，所述吸入室通过喉管与所述扩散管连通，所述工作喷头设置在所述吸入室内，所述吸入室依次连接所述喉管和所述扩散管，所述引射闪蒸管通过管路与所述吸入室的侧部连通。

优选的，所述吸入室为空腔结构，所述工作喷嘴从所述吸入室顶端深入到所述吸入室内腔。

优选的，所述工作喷嘴的末端设有可调喷嘴叶栅，所述喉管后段为可伸缩结构，所述扩散管的出口设有可调叶栅。

优选的，所述引射闪蒸管为流量可调的空腔结构，所述引射闪蒸管的出口管沿所述吸入室侧部倾斜进入吸入室的内腔。

优选的，所述压气机为单级压气机或带中间冷却的多级压气机。

优选的，所述透平为单级透平或带中间再热的多级透平。

优选的，所述给水加热器的热源为太阳能、工业余热和生物质能提供的一种或几种热源。

优选的，所述给水加热器的热源为弃风电和后夜电提供的热源。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、传统的压缩空气储能系统采用节流降压阀门对储气罐出口压缩空气节流降压，具有非常大的节流损失，系统的经济性很低。本发明所述系统采用非节流降压方式控制透平进口参数，从而避免了节流损失，基于引射及闪蒸原理，利用压缩空气与高温水或水蒸气混合的方式使混合工质压力降低，避免了传统采用节流降压阀门降压造成的节流损失，提高了系统的热效率。

2、在传统系统中，储气室排出的压缩空气需要经过储热装置加热，提高气体的温度。本发明所述的压缩空气储能中，储气室排出的压缩空气直接通过引射及闪蒸方式与经过加热的高温水或水蒸气混合，并使高温高压的混合工质进入透平做功，显著增大了单位时间做功工质的质量流量，提高了透平的单机功率。

3、传统系统的做功工质为压缩空气，能量密度较低。本发明所述系统做功工质采用压缩空气与水蒸气的混合气体，提高了气体单位体积工质的做功能力，使得相同发电功率下的透平体积显著减小，单位功率造价显著下降。

4、传统系统中采用的节流降压阀门只能对压力进行调节，不能解决释能过程进行时，透平入口压缩空气温度降低的问题。本发明所述系统采用的引射闪蒸器具有灵活的调节功能，能够根据工况的不同调整自身结构，实现混合工质的流量、压力、湿度等参数的协同调节，以满足整个系统的变工况需求。

5、本发明所述非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统能够有效利用太阳能、工业余热、生物质能等低品位热源，作为给水加热器的能量来源，提高了能源的利用率；根据热源温度的不同，将给水加热器放置在储热装置前后不同的位置，利用水的换热系数大于空气的换热系数，提高储热装置的换热效率并有效利用存储在储热装置中的压缩热，能够消除储热装置中的残热，进一步提高系统的做功效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统整体示意图；

图2为本发明实施例非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统的引射闪蒸器示意图；

其中，1-电动机、2-压气机、3-空气换热器、4-储热装置、5-储气室、6-给水加热器、7-引射闪蒸器、7-1-工作喷嘴、7-2-吸入室、7-3-扩散管、7-4-引射闪蒸管、8-透平、9-发电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，针对现有非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统的弊端，采用非节流降压方式控制透平进口参数，使透平进口工质参数状态稳定，从而保证透平的安全稳定运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例以压缩空气储能电站为例，对本发明的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统的具体结构和工作原理做出详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，包括电动机1、压气机2、空气换热器3、储热装置4、储气室7、给水加热器6、引射闪蒸器7、透平8和发电机9；所述空气换热器3出口与储热装置4气侧入口通过管路连接，所述储热装置4气侧出口与所述储气室7入口经管路连接，所述储气室7的放气口与所述引射闪蒸器7的工作喷嘴7-1通过管路连接，所述引射闪蒸器7的引射闪蒸管7-4经过所述储热装置4的内部与水源连接，所述给水加热器6设置在所述引射闪蒸管7-4与所述储热装置4之间的管路上或设置在所述储热装置4与所述水源之间的管路上，所述引射闪蒸器7的出口与所述透平8连接。

如图2所示，本实施例的引射闪蒸器7还包括吸入室7-3和扩散管7-3，所述吸入室7-3通过喉管与所述扩散管7-3连通，所述工作喷头设置在所述吸入室7-3内，所述吸入室7-3为空腔结构，所述工作喷嘴7-1从所述吸入室7-3顶端深入到所述吸入室7-3内腔，所述吸入室7-3依次连接所述喉管和所述扩散管7-3，所述引射闪蒸管7-4通过管路与所述吸入室7-3的侧部连通，所述引射闪蒸管7-4为流量可调的空腔结构，所述引射闪蒸管7-4的出口管沿所述吸入室7-3侧部倾斜进入吸入室7-3的内腔。

其中，所述工作喷嘴7-1的末端设有可调喷嘴叶栅，所述可调喷嘴叶栅的叶片之间重叠连接，保证工作流体只沿轴向流动，通过调节工作喷嘴7-1末端格栅收缩和扩张以改变收缩半角，以实现不同的工况需求；所述喉管后段为可伸缩结构，所述喉管后段可伸缩结构可实现喉管长度的调节；所述扩散管7-3的出口设有可调叶栅，所述可调叶栅为环状结构，叶片之间重叠连接，保证工作流体只沿轴向流动，通过调节扩散管7-3的可调叶栅自动扩张和收缩以改变扩散管7-3的扩散角和扩散断面直径，以适应现场不同工况的要求。

本实施例中利用电厂用电低谷的电能驱动电动机1，进而电动机1驱动压气机2压缩空气，所述电动机1通过传动轴与所述压气机2联接；压气机2为单级压气机2或带中间冷却的多级压气机2；透平8为单级透平8或带中间再热的多级透平8。根据实际情况的不同选择相应的压气机2和透平8的种类。

本实施例中给水加热器6的热源为太阳能、工业余热、生物质能的一种或几种低品位热源，或是弃风电、后夜电等加热的热源，上述几种热源作为给水加热器6的能量来源，提高了能源的利用率。

给水加热器6的放置位置根据为给水加热器6提供的热源的温度来确定，当热源的温度低于储热装置4内的温度时，将给水加热器6与引伸闪蒸管7-4之间的管路部分设置在储热装置4内，这样水先经过给水加热器6，先通过温度较低的热源使得给水加热器6加热经过管路的水，然后再将升温后的水经过储热装置4进一步升温，最后进入引射闪蒸器7的引伸闪蒸管7-4内进行混合；当热源的温度高于储热装置4内的温度时，将给水加热器6于水源之间的管路设置在所述储热装置4内，这样水先经过储热装置4进行升温，升温后的水再经过给水加热器6的进一步升温，最后进入引射闪蒸器7的引伸闪蒸管7-4内进行混合。根据给水加热器6的热源温度的不同，将给水加热器6放置在储热装置4前后不同的位置，利用水的换热系数大于空气的换热系数，提高储热装置4的换热效率，能够消除储热装置4中的残热，进一步提高系统的做功效率。

本实施例的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统在压缩空气储能电站中工作流程和工作原理为：

外部水源通过给水加热器6和储热装置4储存的压缩热进行加热，使外部水源的温度大幅度提高，给水加热器6的加热热源可以包括多种形式，如太阳能、工业余热、生物质能等低品位热源；从储气室5释放的压缩空气通过引射闪蒸器7的工作喷嘴7-1进入引射闪蒸器7，经过储热装置4加热后的热水能够消除储热装置4内部的残热，并且在引射闪蒸器7压缩空气的引射作用下被吸入引射闪蒸器7的引射闪蒸管7-4，两股流体在引射闪蒸器7内充分混合，完成质能交换过程；通过调节引射闪蒸器7的可变结构，控制混合流体的压力、温度、流量等参数满足透平8工作要求；从引射闪蒸器7充分混合后的混合工质通过连接管道直接进入透平8做功，透平8与发电机9同轴联接，带动发电机9工作，完成非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统的放气释能过程。

根据理论核算，本发明所述系统避免了传统采用阀门控制透平进气压力产生的节流损失，在储气室放气温度为25℃、放气压力为10MPa时，比传统采用阀门调节方式控制透平进气压力的压缩空气储能系统效率高约8.6％，单位质量压缩空气输出电能提升约11倍，节能效果非常明显；并且本发明所述系统做功工质为所述引射闪蒸器产生的湿空气，单位体积工质的做功能力显著高于传统相同温度、压力参数下的压缩空气，可显著提高压缩空气储能系统的输出功率，在相同输出功率情况下，大幅减小透平尺寸，且本发明与现有系统相比，利用水的换热系数大于空气的换热系数的特点，充分提高储热装置的换热效率并有效利用存储在储热装置中的压缩热，消除储能/释能循环中残存在储热装置中的残热，进一步提高了系统效率。

需要说明的是，本实施例的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统并不限于本发明，本发明提供的是一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，利用引射和闪蒸原理，作用对象为自然能如热能、水能、风能或者电站用电低谷的电能，将这些能量通过对压气机做功，进而将能量转为压缩空气和热能分别储存在储气室和储热装置中，完成对能量的储存；在能量的释放过程中通过本发明独特的引射闪蒸器对压缩空气进行工质的混合，通过调节引射闪蒸器的结构控制混合工质的输出压力，进而通过透平做功将能量释放出去，在本实施例中通过透平对发电机做功发电只是在压缩空气储能电站的常规方式，但是并不限于本发明。只要在压缩空气的释能过程中利用引射原理的设备替代了传统的节流阀均属于本发明的保护范围。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，包括压气机、空气换热器、储热装置、储气室、给水加热器、引射闪蒸器；所述压气机出口与所述空气换热器入口通过管路连接，所述空气换热器出口与储热装置气侧入口通过管路连接，所述储热装置气侧出口与所述储气室入口经管路连接，所述储气室出口连接所述引射闪蒸器的工作喷嘴，所述引射闪蒸器的引射闪蒸管经过所述储热装置的内部与水源连接，所述给水加热器设置在所述引射闪蒸管与所述储热装置之间的管路上或设置在所述储热装置与所述水源之间的管路上，所述引射闪蒸器的出口与透平连接；

所述引射闪蒸器还包括吸入室和扩散管，所述吸入室通过喉管与所述扩散管连通，所述工作喷头设置在所述吸入室内，所述吸入室依次连接所述喉管和所述扩散管，所述引射闪蒸管通过管路与所述吸入室的侧部连通。

2.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述吸入室为空腔结构，所述工作喷嘴从所述吸入室顶端深入到所述吸入室内腔。

3.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述工作喷嘴的末端设有可调喷嘴叶栅，所述喉管后段为可伸缩结构，所述扩散管的出口设有可调叶栅。

4.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述引射闪蒸管为流量可调的空腔结构，所述引射闪蒸管的出口管沿所述吸入室侧部倾斜进入吸入室的内腔。

5.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机为单级压气机或带中间冷却的多级压气机。

6.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述透平为单级透平或带中间再热的多级透平。

7.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述给水加热器的热源为太阳能、工业余热和生物质能提供的一种或几种热源。

8.根据权利要求1所述的非节流增湿增焓消除残热的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述给水加热器的热源为弃风电和后夜电提供的热源。