CN107355371B - 一种高效压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效压缩空气储能系统及方法，系统包括依次连接的冷却器、低压空气压缩机、级间冷却器、高压空气压缩机、储热/换热器和透平膨胀机；高压空气压缩机排气口与储热/换热器压缩热回收管束进口连通，储热/换热器压缩热回收管束与气水分离器、冷却器依次连通，气水分离器空气出口通过截断止回阀与储气室连通，构成能量存储回路；储气室与排气回热器高压空气进口连通，排气回热器高压空气出口与储热/换热器上部的气体鼓泡装置连通，储热/换热器空气与透平膨胀机连接，透平膨胀机与发电机连接，构成能量释放回路。

Description

一种高效压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高效压缩空气储能系统及方法。
背景技术
随着我国风电、光伏为代表的新能源发电产业迅猛增长，弃风、弃光现象也越来越突出。造成这种问题的主要原因在于风、光电的波动性和间歇性影响电网稳定，并增加电网负荷峰谷差。压缩空气储能系统可利用风、光弃电驱动空气压缩机将电能转换为高压空气存储，需要时再将高压空气释放出来驱动透平膨胀机做功，进而驱动电动机输出电能。通过压缩空气储能技术，可以将波动性新能源电能转化为稳定输出的高品质电能，同时还可灵活调整发电周期，平抑电网符合峰谷差。
压缩空气储能系统可分为非绝热型和绝热型两类。非绝热型压缩空气储能系统不回收利用空气压缩热，需要在系统内布置燃烧装置，严重依赖于天然气供应，故其在偏远地区应用受到限制。绝热型压缩空气储能系统回收圧缩热，并在释能阶段用于加热透平膨胀机进口高压空气，不依赖于外部能源，且具有较高的电-电效率，是压缩空气储能技术发展的主要方向。现阶段，绝热压缩空气储能技术还存在以下问题：1)空气压缩机连续变工况运行，其相对内效率低，能量损耗高；2)系统内压缩热的回收、存储和利用需要增加多个热交换器及储热/换热器，使得系统流程复杂、占地面积大，同时储热介质的输送需要消耗大量泵功；3)中高温储热(>300℃)虽可提高系统电-电效率，但对储热/换热器材料和储热介质要求苛刻，成本高；4)由于储气室容量固定，释能阶段其压力逐渐降低，需要将高压空气节流减压以保证透平膨胀机进口压力稳定，一方面使得空气压力能损失，做功能力降低，另一方面导致回收的圧缩热不能被充分利用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种高效压缩空气储能系统及方法，本发明能够克服现有绝热压缩空气储能技术的不足，特别适用于中小容量，通过减少空气压缩过程能量消耗，充分利用压缩热增加释能过程输出功，同时通过空气压力差提供储热介质输送功耗，实现压缩空气储能系统的高效运行。此外，该系统还具有流程简单、占地面积少、设备维护方便、造价低的优势。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效压缩空气储能系统，包括依次连接的冷却器、低压空气压缩机、级间冷却器、高压空气压缩机、储热/换热器和透平膨胀机；
高压空气压缩机排气口与储热/换热器压缩热回收管束进口连通，储热/换热器压缩热回收管束与气水分离器、冷却器依次连通，气水分离器空气出口通过截断止回阀与储气室连通，构成能量存储回路；
储气室与排气回热器高压空气进口连通，排气回热器高压空气出口与储热/换热器上部的气体鼓泡装置连通，储热/换热器空气与透平膨胀机连接，透平膨胀机与发电机连接，构成能量释放回路。
进一步的，系统内还包括高压空气湿化器，所述高压空气湿化器布置在储热/换热器与透平膨胀机之间，其功能是提高进入透平膨胀机的高压压缩空气加热加湿效果。
进一步的，所述冷却器替换为预喷雾器。
进一步的，根据选取的系统内压缩空气最高压力，空气压缩机采用2级、3级或4级压缩，相应的在各级空气压缩机之间布置级间冷却器。
进一步的，根据选取的高压空气初始膨胀压力，所述透平膨胀机采用多级膨胀方式。
进一步的，所述透平膨胀机排气口与排气回热器连接后排空，所述排气回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种，高压空气与透平膨胀机排气间的流动方式为逆流。
进一步的，所述气水分离器出水口与水喷雾装置之间布置有气动流量调节阀以分配预冷却器和级间冷却器内的注入水量。
进一步的，所述冷却器采用竖直布置或水平布置，所述水喷雾装置布置在冷却器内部空气进口后部，水滴喷射方向与冷却器内空气流动方向相同；
进一步的，所述水喷雾装置为压力式雾化喷嘴、超声波雾化喷嘴、双流体雾化喷嘴中的一种或几种的组合，雾化水滴直径范围为5-15微米，喷入水的质量流量为空气质量流量的3-8％。
进一步的，所述储热/换热器内储热介质为水。
进一步的，所述储热/换热器内下部伸入压缩热回收管束，高压空气压缩机排出的高压高温空气在压缩热回收管束的管内流动，流动方向由上向下，储热/换热器内下部的低温水被换热管束以自然对流换热方式加热并流向储热/换热器上部存储。
进一步的，所述储热/换热器内上部伸入气体鼓泡装置，气体喷射方向由下向上，将高压空气喷射进入储热/换热器上部的高温热水，使得高压空气被加热加湿。
基于上述系统的压缩空气储能方法，在能量存储阶段，通过在空气压缩机前部和各级级间喷入雾化水滴取代常规级间冷却器，在能量释放阶段，充分利用储存的压缩热，加热压缩空气的同时蒸发一定量水进入压缩空气，通过增加压缩空气流量的方式弥补其节流减压造成的做功能力损失，以提高输出功量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)在能量存储阶段，通过在空气压缩机前部和各级级间喷入雾化水滴取代常规级间冷却器，达到两个有益效果：一是水滴在空气压缩过程中蒸发吸热，使得空气温度降低，从而减少压缩过程能耗，二是喷雾/冷却器不需庞大的换热面积，装置尺寸远小于级间冷却器；
2)在能量释放阶段，充分利用储存的压缩热，加热压缩空气的同时蒸发一定量水进入压缩空气，通过增加压缩空气流量的方式弥补其节流减压造成的做功能力损失，从而提高输出功量；
3)将压缩热回收、储热、高压空气加热加湿等过程集成到储热/换热器一个装置中，避免了热交换过程中输送储热介质所需泵功，同时充分利用系统中的压缩空气压力差提供水喷雾所需动力，从而使得系统流程简化、设备集成度高、占地面积小、易于安装维护，并显著降低系统初投资。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
其中，1、预喷雾/冷却器；2、低压空气压缩机；3、级间喷雾/冷却器；4、高压空气压缩机；5、储热/换热器；6、压缩热回收管束；7、气体鼓泡装置；8、气水分离器；9、截断止回阀；10a、第一气动流量调节阀；10b、第二气动流量调节阀；11、储气室；12、节流减压阀；13、透平膨胀机；14、电动机；15、排气回热器；16、环境空气；17、低压湿空气；19、高压空气-水混合物；20、高压空气；21、中压湿空气；22、常压湿空气；23、系统排气；24、补水；25、高压空气湿化器；26、循环泵；27、减压阀。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在绝热压缩空气储能技术还存在以下问题：1)空气压缩机连续变工况运行，其相对内效率低，能量损耗高；2)系统内压缩热的回收、存储和利用需要增加多个热交换器及储热/换热器，使得系统流程复杂、占地面积大，同时储热介质的输送需要消耗大量泵功；3)中高温储热(>300℃)虽可提高系统电-电效率，但对储热/换热器材料和储热介质要求苛刻，成本高；4)由于储气室容量固定，释能阶段其压力逐渐降低，需要将高压空气节流减压以保证透平膨胀机进口压力稳定，一方面使得空气压力能损失，做功能力降低，另一方面导致回收的压缩热不能被充分利用的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种双冷源燃气锅炉烟气潜热深度回收利用系统。该系统适用于中小型燃气供暖锅炉，具有系统流程简单、潜热回收率高、占地面积少、设备维护方便、造价低的优势，同时还可通过助燃空气加湿燃烧方式降低燃气锅炉氮氧化物排放，增加环保效益。
实施例1：
如图1所示，一种高效压缩空气储能系统，其包括预喷雾/冷却器1、低压空气压缩机2、级间喷雾/冷却器3、高压空气压缩机4、储热/换热器5、气水分离器8、储气室11、透平膨胀机13及排气回热器15。
预喷雾/冷却器1采用竖直布置方式，水喷雾装置采用压力式雾化喷嘴，环境空气16从预喷雾/冷却器1上部的空气进口进入，与雾化喷嘴喷入的细水雾混合成为空气-水滴两相流体，经低压空气压缩机2压缩成为低压湿空气17。低压湿空气17与水平布置的级间喷雾/冷却器3内喷入的细水雾混合成为低压空气-水滴两相流，经高压空气压缩机4压缩成为高压湿空气18。这一过程中，输入所述压缩空气储能系统的电能被转换成空气压力能，湿空气显热能及水蒸气潜热能。之后，高压湿空气18进入储热/换热器5下部的压缩热回收管束6被冷却至露点以下，水蒸气冷凝析出液态水，成为高压空气-水混合物19，管束6外作为储热介质的水被加热，加热后的热水在浮升力作用下上升至储热/换热器5上部储存。从管束6排出的高压空气-水混合物19进入气水分离器8，液态水在重力作用下降落到其底部，而高压空气则从其顶部的气体出口排出，并经截断止回阀9进入储气室存储。气水分离器8底部的排出的冷凝水分为两路，一路经第一气动流量调节阀10a输送至预喷雾/冷却器1中的水雾化装置，另一路经第二气动流量调节阀10b输送至级间喷雾/冷却器3中的水雾化装置，从而实现雾化水的循环利用。上述子系统构成所述高效压缩空气储能系统的能量存储回路，利用该回路可将输入所述压缩空气储能系统的电能转换为存储在储气室11中空气的压力能和存储在储热/换热器5中水的显热能，从而实现电能存储。
储气室11中的高压空气经节流减压阀12减压为中压低温空气20，经排气回热器15回收透平膨胀机排出的常压湿空气22中的热能升温后进入储热/换热器5上部的气体鼓泡装置7，由下向上喷入储热热水中。进入热水的气泡在浮力作用下快速上升，并被热水加热加湿，成为中压湿空气21，其从储热/换热器5顶部的空气出口排出后进入透平膨胀机13做功，输出的功量驱动与透平膨胀机13连接的发电机14发电。上述子系统构成所述高效压缩空气储能系统的能量释放回路，利用该回路储气室中空气的压力能和储热/换热器中水的显热能被重新耦合转换为电能输出，从而实现电能释放。
实施例2：
如图2所示，是本发明的另一个实施例，实施例2与实施例1的区别是：能量释放回路中不包括储热/换热器5上部的气体鼓泡装置7，包括高压空气湿化器25，所述高压空气湿化器布置在储热/换热器与透平膨胀机之间。中压空气自高压空气湿化器25下部引入，自下向上流动，热水由储热/换热器5上部引出并进入高压空气湿化器25上部，自上向下流动，空气和热水逆流接触进行热量交换，并蒸发一定量水进入空气，由此实现中压空气的加热加湿。高压空气湿化器25底部的低温水由循环泵26增压送入储热/换热器5下部。储气室11引出高压空气经减压阀27减压后与储热/换热器5顶部连通，以保持其内部压力。
作为不同的实施方式，透平膨胀机排气口与排气回热器连接后排空，所述排气回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种，高压空气与透平膨胀机排气间的流动方式为逆流。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种高效压缩空气储能系统，其特征是：包括依次连接的预喷雾冷却器、低压空气压缩机、级间喷雾冷却器、高压空气压缩机、储热换热器和透平膨胀机；水喷雾装置分别布置在预喷雾冷却器和级间喷雾冷却器内部空气进口后部，水滴喷射方向与预喷雾冷却器和级间喷雾冷却器内空气流动方向相同；
高压空气压缩机排气口与储热换热器压缩热回收管束进口连通，储热换热器压缩热回收管束与气水分离器连通，气水分离器分别与预喷雾冷却器、级间喷雾冷却器连通，气水分离器空气出口通过截断止回阀与储气室连通，构成能量存储回路；
气体鼓泡装置伸入所述储热换热器上部，气体喷射方向由下向上，将高压空气喷射进入储热换热器上部的高温热水，使得高压空气被加热加湿，储气室与排气回热器高压空气进口连通，排气回热器高压空气出口与储热换热器上部的气体鼓泡装置连通，储热换热器空气与透平膨胀机连接，透平膨胀机与发电机连接，构成能量释放回路。
2.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：还包括高压空气湿化器，所述高压空气湿化器布置在储热换热器与透平膨胀机之间。
3.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：根据选取的系统内压缩空气最高压力，空气压缩机采用2级、3级或4级压缩，相应的在各级空气压缩机之间布置级间喷雾冷却器。
4.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：所述储热换热器内下部伸入压缩热回收管束，高压空气压缩机排出的高压高温空气在压缩热回收管束的管内流动，流动方向由上向下，储热换热器内下部的低温水被换热管束以自然对流换热方式加热并流向储热换热器上部存储。
5.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：所述透平膨胀机排气口与排气回热器连接后排空，所述排气回热器为板式换热器、管壳式换热器、热管式换热器中的一种，高压空气与透平膨胀机排气间的流动方式为逆流。
6.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：所述气水分离器出水口与水喷雾装置之间布置有气动流量调节阀以分配预喷雾冷却器和级间喷雾冷却器内的注入水量。
7.权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：所述预喷雾冷却器采用竖直布置，所述级间喷雾冷却器采用水平布置。
8.如权利要求1所述的一种高效压缩空气储能系统，其特征是：所述水喷雾装置为压力式雾化喷嘴、超声波雾化喷嘴、双流体雾化喷嘴中的一种或几种的组合，雾化水滴直径范围为5-15微米，喷入水的质量流量为空气质量流量的3-8%。
9.基于如权利要求1-8中任一项所述的系统的压缩空气储能方法，其特征是：在能量存储阶段，通过在空气压缩机前部和各级级间喷入雾化水滴取代常规级间冷却器，在能量释放阶段，充分利用储存的压缩热，加热压缩空气的同时蒸发一定量水进入压缩空气，通过增加压缩空气流量的方式弥补其节流减压造成的做功能力损失，以提高输出功量。
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