CN107299891B - 一种非补燃式压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能储存领域，特别涉及一种非补燃式压缩空气储能系统。其包括高温压缩机组、储气装置、透平发电机组和回热系统；储气装置的进口与高温压缩机组相连，以储存高温压缩机组压缩的高压空气；储气装置的出口与透平发电机组相连，为透平发电机组发电提供压缩空气；回热系统包括冷却器、高温传热介质储存装置、低温传热介质储存装置、回热器。本发明提供的非补燃式压缩空气储能系统，通过采用高温压缩机，可使压缩热温度达250‑360摄氏度，并采用高效蓄热和回热，提高了进入透平发电机组压缩空气的温度，从而提升了储能效率。

Description

一种非补燃式压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及电能储存领域，特别涉及一种非补燃式压缩空气储能系统。

背景技术

近年来，在全球能源危机和环境污染的双重压力下，迫使人类重新思考能源利用形式。以清洁能源和能源网络互联为核心的“第三次工业革命”及相关技术的逐步推动，使得综合利用风、光、水等清洁能源成为解决全球能源和环境问题的一项共识。在此背景下，风电、光伏等可再生能源得到了迅猛发展，然而风电、光伏等可再生能源发电具有的间歇波动性给现有电力系统运行控制与优化调度带来了极大挑战。实现电能的大规模储存则是应对风光电力波动性、实现电网削峰填谷及多能源网络互补功能的有效措施。

目前国际上认可的大规模电能储存方式主要包括抽水蓄能和压缩空气储能。一般而言，抽水蓄能储能电站的建设严格受到地理条件限制，投资大，建设周期长，同时不利于生态环境。相比而言，压缩空气储能技术相对成熟，对地理条件无特殊要求，具有投资少、建设周期短、经济性能高、运行方式灵活、占地面积小等特点，被视为是大型风光电力的最佳协同者。特别地，压缩空气采用自然界的大气作为循环工质，吸气和排气都在环境大气中进行，是一种极具吸引力的大规模储能方式。

作为一种新型的蓄能蓄电技术，压缩空气储能得到了极大的关注。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，在电力系统负荷低谷时系统吸纳富余发电能力，驱动空气压缩机压缩空气，将能量以压缩空气的形式储存于储气装置；在电力系统负荷高峰时系统储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来，带动发电机发电，向电力系统释能。1978年，德国建成世界第一座商业运行压缩空气储能电站，1991年美国建成了世界上第二座商业运行压缩空气储能电站。然而，上述压缩空气储能电站需要天然气补燃，存在环境污染问题。

与补燃式压缩空气储能不同，非补燃式压缩空气储能系统主要采用蓄热回热系统收集空气压缩过程中的压缩热，并用压缩热来加热透平发电机组入口的高压空气，摒弃了天然气的补燃，是一种能实现冷热电三联供的清洁大规模储能系统。2015年，清华大学联合中科院理化所、中国电力科学研究院研制了世界上首台非补燃式500kW压缩空气储能示范系统，实现了电能—空气势能—电能的转换，其理论电换电效率为42％，实验电换电效率达33％，开创了非补燃式压缩空气储能系统的先河。然而现有的非补燃式压缩空气储能系统主要采用低温压缩机压缩空气，从空气中获得的热量不足；并且采用水作为回热介质，储热效率不高；此外，采用储气罐储气，不便于大规模储能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种非补燃式压缩空气储能系统，以提高储能效率，进而提高非补燃压缩空气储能系统的电换电效率及发电功率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非补燃式压缩空气储能系统，其中，包括高温压缩机组、储气装置、透平发电机组和回热系统；

储气装置的进口与高温压缩机组相连，以储存高温压缩机组压缩的高压空气；储气装置的出口与透平发电机组相连，为透平发电机组发电提供压缩空气；

回热系统包括冷却器、高温传热介质储存装置、低温传热介质储存装置、回热器；低温传热介质储存装置、冷却器、高温传热介质储存装置和回热器依次连接；回热器的出口与低温传热介质储存装置相连；低温传热介质储存装置存储低温传热介质；冷却器设在储气装置上游且在高温压缩机组下游，冷却器利用低温传热介质回收高温压缩机组压缩空气过程产生的压缩热；高温传热介质储存装置储存高温传热介质；回热器设置在储气装置下游且在透平发电机组上游，回热器利用高温传热介质加热储气装置释放的压缩空气。

其中，回热系统还包括设置在冷却器下游且在储气装置上游的再冷器，以及与再冷器连接的冷水塔。

其中，高温压缩机组包括高温压缩机和电机，该高温压缩机采用离心式压缩机。

其中，储气装置采用地下盐穴。

其中，传热介质为高温导热油。

其中，导热油的类型为VP1。

其中，高温传热介质储存装置的压力为0.4～0.6MPa。

其中，透平发电机组包括发电机和膨胀透平，膨胀透平进口与储气装置连接，该膨胀透平利用加热的压缩空气驱动发电机发电。

其中，膨胀透平采用轴流透平。

其中，膨胀透平采用滑压膨胀。采用高温压缩机组压缩、盐穴大规模低成本储气的非补燃压缩空气储能系统。

(三)有益效果

本发明提供的非补燃式压缩空气储能系统，利用低温传热介质将高温压缩机组压缩空气产生的压缩热部分储存起来，在释能过程中利用储存的热能加热压缩空气，加热后的压缩空气则驱动透平发电。储能过程和释能过程组成了一个完整的循环过程，完成了由电能—压缩空气内势能和高温传热介质储存的热能—电能的转换过程。由于压缩机为高温压缩机，可使压缩热温度达250-360摄氏度，提高了储能效率；此外，储气装置采用地下盐穴，具有安全可靠，非渗透性好，经济实用等特点，解决了大规模储气的难题；进一步，采用高温导热油蓄热，技术成熟，储热效率高。此外，整个流程无需燃料补燃，不消耗化石燃料，不增加碳排放，可实现清洁的大容量储能发电。

附图说明

图1为根据本发明的一种非补燃式压缩空气储能系统的结构示意图。

图中，1：电动机；2-1：第一级高温压缩机；2-2：第二级高温压缩机；3冷却器；4：再冷器；5：储气装置；6：回热器；7-1：第一级膨胀透平；7-2：第二级膨胀透平；8：发电机；9：低温传热介质储存装置；10：高温传热介质储存装置；11：冷水塔；12：泵；13：分流器；14：汇集器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为根据本发明的一种非补燃式压缩空气储能系统的一个优选实施例。如图1所示，该压缩空气储能系统包括高温压缩机组、储气装置5、透平发电机组和回热系统。具体地，在该实施例中，高温压缩机组包括电机1和串联的第一级压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2，第一级高温压缩机2-1的进口与大气连接，高温压缩机组利用电能(优选利用剩余电能，例如低谷电、弃光电、弃风电或弃水电等)将空气压缩成高压状态的压缩空气。储气装置5的进口与高温压缩机组的第二级高温压缩机2-2的出口相连，用于储存高温压缩机组压缩的高压空气；储气装置5的出口与透平发电机组相连，为透平发电机组发电提供压缩空气。在该实施例中，透平发电机组包括发电机8和串联的第一级膨胀透平7-1和第二级膨胀透平7-2。

此外，该压缩空气储能系统还包括回热系统，该回热系统包括两个冷却器3、高温传热介质储存装置10、两个回热器6、低温传热介质储存装置9，其中，两个冷却器3、高温传热介质储存装置10、两个回热器6、低温传热介质储存装置9依次闭环连接。具体地，低温传热介质储存装置9通过分流器13分别与两个冷却器3的进口连接，两个冷却器3的出口通过汇集器14与高温传热介质储存装置10的进口连接，高温传热介质储存装置10的出口通过分流器13分别与两个回热器6的进口相连，两个回热器6的出口通过汇集器14与低温传热介质储存装置9的进口相连，在低温传热介质储存装置9的出口处设置有泵12，用于抽取低温传热介质储存装置9内储存的传热介质，在高温传热介质储存装置10的出口处也设置有泵12，用于抽取高温传热介质储存装置10内储存的传热介质，优选低温传热介质储存装置9、高温传热介质储存装置10的压力为0.4～0.6MPa。此外，上述两个冷却器3分别设在储气装置5上游且在高温压缩机组下游，具体地，两个冷却器3分别位于第一级高温压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2的出口处，其利用储存在低温传热介质储存装置9的低温传热介质回收部分高温压缩机压缩空气产生的压缩热，低温传热介质温度升高，将升温后的高温传热介质储存在高温传热介质储存装置10中。用电高峰时，储能系统释能，储气装置5放出压缩空气；同时，两个回热器6设置在储气装置5下游且在透平发电机组上游，具体地，两个回热器6分别设置在第一级膨胀透平7-1和第二级膨胀透平7-2的进口，其利用高温传热介质储存装置10放出的高温传热介质加热储气装置5释放的压缩空气，被加热的压缩空气驱动透平发电机组向外发电。

高温压缩机组中的第一级高温压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2使得压缩热的温度可以达到250-360度，以提高储能效率。需要说明的是，在该实施例中，高温压缩机组采用了两级压缩机，本领域技术人员应当理解，高温压缩机组也可采用一级或两级以上的压缩机。优选高温压缩机组中的第一级高温压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2为离心式压缩机，可选低压侧轴流高压侧离心的复合式压缩机系统，高温压缩机组的级数优选2-3级，第一级高温压缩机2-1和第二级高温压缩机2-2的最高排气压力优选在9-16MPa。

此外，该回热系统还包括设置在冷却器3下游且在储气装置5上游的再冷器4，用于将冷却器3换热后的空气进一步换热，为储气装置5提供适宜温度的高压空气；此外，该回热系统还包括与再冷器4连接的冷水塔11，为再冷器4提供低温水源，从而维持储气装置5输入空气温度在允许范围内。具体地，在该实施例中，冷水塔11的出口通过分流器13分别与两个再冷器4连接，冷水塔11的进口通过汇集器14分别与两个再冷器4连接。

优选地，储气装置5采用地下盐穴，其具有安全可靠，非渗透性好，经济实用等特点，从而解决了大规模储气的难题。

优选地，传热介质采用导热油。导热油的类型优选VP1，此外也可选能够满足蓄热温度的导热油。

优选地，第一级膨胀透平7-1和第二级膨胀透平7-2采用轴流透平，可选向心式透平。需要说明的是，在该实施例中，透平发电机组的级数为两级，本领域技术人员应当理解，透平发电机组的级数也可以为一级或两级以上，优选透平发电机组的级数为2-3级，且第一级膨胀透平7-1的进气压力优选在8-14MPa。

优选地，第一级膨胀透平7-1和第二级膨胀透平7-2采用滑压膨胀，不需要节流阀，减小系统的损失。

上述实施例所述的非补燃式压缩空气储能系统在电力系统负荷低谷时吸纳富余发电能力，驱动高温压缩机组压缩空气，将能量以压缩空气的形式储存于储气装置5；在电力系统负荷高峰时储气装置5将储气空间内的压缩空气释放出来，带动发电机8发电，向电力系统释能。该储能系统通过采用高温压缩机，可使压缩热温度达250-360摄氏度，提高了储能效率；并且采用高温导热油蓄热，提高了储热效率。此外，通过选用地下盐穴储气，具有安全可靠，非渗透性好，经济实用等特点，解决了大规模储气的难题；整个流程无需燃料补燃，不消耗化石燃料，不增加碳排放，可实现清洁的大容量储能发电。该压缩空气储能系统可实现10-200MW的发电功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种非补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，包括高温压缩机组、储气装置、透平发电机组和回热系统；

储气装置的进口与高温压缩机组相连，以储存高温压缩机组压缩的高压空气；储气装置的出口与透平发电机组相连，为透平发电机组发电提供压缩空气；

回热系统包括冷却器、高温传热介质储存装置、低温传热介质储存装置、回热器；低温传热介质储存装置、冷却器、高温传热介质储存装置和回热器依次连接；回热器的出口与低温传热介质储存装置相连；低温传热介质储存装置存储低温传热介质；冷却器设在储气装置上游且在高温压缩机组下游，冷却器利用低温传热介质回收高温压缩机组压缩空气过程产生的压缩热；高温传热介质储存装置储存高温传热介质；回热器设置在储气装置下游且在透平发电机组上游，回热器利用高温传热介质加热储气装置释放的压缩空气；

回热系统还包括设置在冷却器下游且在储气装置上游的再冷器，以及与再冷器连接的冷水塔，冷水塔的出口通过分流器分别与两个再冷器连接，冷水塔的进口通过汇集器分别与两个再冷器连接；

储气装置采用地下盐穴；

高温传热介质储存装置的压力为0.4～0.6MPa；

透平发电机组包括发电机和膨胀透平，膨胀透平进口与储气装置连接，该膨胀透平利用加热的压缩空气驱动发电机发电；

膨胀透平采用轴流透平；

膨胀透平采用滑压膨胀；

高温压缩机组包括高温压缩机和电机，该高温压缩机采用离心式压缩机；

传热介质为高温导热油；

导热油的类型为VP1。