CN107514294A - 一种组合式压缩空气储能系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式压缩空气储能系统及其控制方法，在高、低压压缩机组间和高、低压膨胀机组间分别装有离合器，并相应地设置了高、低压储气室，使得该系统具有多种灵活的运行模式，在不同工况条件下可以实现压缩机组和膨胀机组的低压机组单独运行、高压机组单独运行或者联合运行，显著地拓宽了系统的变工况范围，使得系统在偏离设计点较远的运行工况下仍然可以安全运行，同时保证了相对较高的运行效率。

Description

一种组合式压缩空气储能系统及其控制方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，涉及一种应用于电力储能的系统及其控制方法，尤其涉及一种组合式压缩空气储能系统及其控制方法，通过压缩机组和膨胀机组在不同工况条件下的低压机组单独运行、高压机组单独运行或者联合运行，显著地拓宽了压缩空气储能系统的变工况范围，保证了储能效率，可应用于多种类型电源，尤其是导致系统运行工况大范围变化的风力发电和太阳能发电等可再生能源。
背景技术
电力储能系统在削峰填谷、电网调频、改善电能质量和电网稳定性、提高电网对可再生能源的接纳能力等方面具有重要作用。同时，电力储能系统还是智能电网的重要组成部分。大力发展电力储能系统，扩大其在电力系统中的应用必将成为未来电网发展的趋势。
压缩空气储能系统具有技术成熟、储能容量大、储能周期长等优点，被认为是极具发展前景的大规模电力储能系统。传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统，在用电低谷期，利用电能将空气压缩并存于储气室，在用电高峰期，将高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室燃烧，然后驱动透平发电。
压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统的核心部件。在将压缩空气储能系统应用于风力发电和太阳能发电等可再生能源领域时，由于可再生能源的间歇性和不稳定性，常常导致压缩空气储能系统的输入功率和输出功率波动较大，进而需要压缩机和膨胀机大范围地变工况运行。而压缩机和膨胀机的变工况范围有限，大范围的偏离额定工况运行会大幅降低其运行效率和使用寿命，影响压缩空气储能系统的储能效率，造成能源浪费。
发明内容
为克服现有技术的缺点及不足，本发明旨在提供一种组合式压缩空气储能系统及其控制方法，利用压缩空气储能系统一般为多级压缩和多级膨胀的特点，使压缩过程和膨胀过程可实现针对不同工况条件分段进行，明显拓宽了压缩机组和膨胀机组的变工况范围，同时保持了相对较高的运行效率，进而提高了压缩空气储能系统的整体储能效率。与传统压缩空气储能系统相比，组合式压缩空气储能系统具有多种灵活的运行模式，在不同工况条件下可以实现压缩机组和膨胀机组的低压机组单独运行、高压机组单独运行或者全部运行，明显地拓宽了系统的运行边界，使得系统在严重偏离设计点的运行条件下仍然可以安全运行。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种组合式压缩空气储能系统，包括压缩机组、低压储气室、高压储气室、膨胀机组，其特征在于：
--所述压缩机组包括低压压缩机组和高压压缩机组，所述低压压缩机组包括至少一台低压压缩机，所述高压压缩机组包括至少一台高压压缩机，
其中，
所述低压压缩机组分布在一根传动轴上，所述高压压缩机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第一离合器连接；
所述低压压缩机组的进气口与大气连通，排气口经管线分别与高压压缩机组进气口和低压储气室连通，且排气口与高压压缩机组进气口和低压储气室之间的管线上均设置有阀门；
所述高压压缩机组的进气口还通过管线与低压储气室连通，且进气口与低压储气室之间的管线上均设置有阀门，排气口经管线与高压储气室连通，且排气口与高压储气室之间的管线上设置有阀门；
--所述膨胀机组包括高压膨胀机组和低压膨胀机组，所述高压膨胀机组和低压膨胀机组各至少包括一台膨胀机，
其中，
所述高压膨胀机组分布在一根传动轴上，所述低压膨胀机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第二离合器连接；
所述高压膨胀机组的进气口经管线与高压储气室连通，且进气口与高压储气室之间的管线上设置有阀门，排气口经管线分别与低压膨胀机组进气口和低压储气室连通，且排气口与低压膨胀机组进气口和低压储气室之间的管线上均设置有阀门；
所述低压膨胀机组的进气口还通过管线与低压储气室连通，且进气口与低压储气室之间的管线上设置有阀门，排气口与大气连通。
优选地，所述低压储气室在储能过程中是用以储存低压压缩机组单独运行时压缩产生的低压空气，同时为高压压缩机组单独运行时提供空气来源，在释能过程中是用以储存高压膨胀机组单独运行时膨胀产生的低压空气，同时为低压膨胀机组单独运行时提供空气来源。
优选地，所述高压储气室在储能过程中是用以储存被高压压缩机组压缩过的高压空气，在释能过程中是用以为高压膨胀机组运行提供空气来源。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较低时，断开第一离合器，启用低压压缩机组，打开低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，断开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，空气被压缩至较低压力并储存于低压储气室。
进一步地，当低压储气室的储气量达到上限时，关闭低压压缩机组并启用高压压缩机组，关闭低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，打开低压储气室与高压压缩机组之间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，将低压储气室的空气压缩至高压并储存于高压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较大时，闭合第一离合器，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，打开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，常压空气依次经低压压缩机组和高压压缩机组缩至高压后储存于高压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较低时，断开第二离合器，启用低压膨胀机组，打开低压储气室与低压膨胀机组进气口之间的阀门，断开低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，低压储气室内的空气在低压膨胀机组内膨胀做功。
进一步地，当低压储气室的储气量达到下限时，关闭低压膨胀机组并启用高压膨胀机组，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及高压膨胀机组排气口与低压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，高压储气室的空气在高压膨胀机组内膨胀做功至低压并被储存于低压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较高时，闭合第二离合器，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，高压储气室的空气依次在高压膨胀机组和低压膨胀机组内膨胀做功至大气压。
优选地，所述低压压缩机组为整个压缩机组按照空气流动方向的前若干级，所述高压压缩机组为整个压缩机组的后若干级。
优选地，所述低压压缩机组分布在一根传动轴上，所述高压压缩机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第一离合器连接，第一离合器根据运行模式进行闭合或断开。
优选地，所述低压压缩机组的排气口、高压压缩机进气口以及低压储气室两两之间经管线、阀门相互连通，各个阀门的开关与压缩机组不同的运行模式相协调。
优选地，所述压缩机可以为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式。
优选地，所述低压储气室既是低压空气长期储存的容器，又是低压压缩机组和高压压缩机组或低压膨胀机组和高压膨胀机组分段运行时空气的过渡容器。
优选地，所述高压膨胀机组可以为整个膨胀机组按空气流动方向的前若干级，所述低压膨胀机组为整个膨胀机组的后若干级。
优选地，所述高压膨胀机组分布在一根传动轴上，所述低压膨胀机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第二离合器连接,第二离合器根据运行模式进行闭合或分开。
优选地，所述高压膨胀机组的排气口、低压膨胀机组进气口以及低压储气室两两之间经管线、阀门相互连通，各个阀门的开关与膨胀机组不同的运行模式相协调。
优选地，所述的膨胀机可以为活塞式、向心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式。
优选地，所述系统输入功率较低时是指输入功率不足以同时驱动低压压缩机组和高压压缩机组，仅能驱动低压压缩机组或者高压压缩机组压缩空气。
优选地，所述系统输入功率较高时是指输入功率足以同时驱动低压压缩机组和高压压缩机组。
优选地，所述系统输出功率较低时是指输出功率不需要低压膨胀机组和高压膨胀机组同时运行，仅靠低压膨胀机组或者高压膨胀机组运行便可满足供电需求。
优选地，所述系统输入功率较高时是指输出功率需要低压膨胀机组和高压膨胀机组同时运行。
优选地，所述系统储能的来源可以为常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电中的一种或多种。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述组合式压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较低时，断开第一离合器，启用低压压缩机组，打开低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，断开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，空气被压缩至较低压力并储存于低压储气室。
优选地，当低压储气室的储气量达到上限时，关闭低压压缩机组并启用高压压缩机组，关闭低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，打开低压储气室与高压压缩机组之间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，将低压储气室的空气压缩至高压并储存于高压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较大时，闭合第一离合器，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，打开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，常压空气依次经低压压缩机组和高压压缩机组缩至高压后储存于高压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较低时，断开第二离合器，启用低压膨胀机组，打开低压储气室与低压膨胀机组进气口之间的阀门，断开低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，低压储气室内的空气在低压膨胀机组内膨胀做功。
优选地，当低压储气室的储气量达到下限时，关闭低压膨胀机组并启用高压膨胀机组，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及高压膨胀机组排气口与低压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，高压储气室的空气在高压膨胀机组内膨胀做功至低压并被储存于低压储气室。
优选地，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较高时，闭合第二离合器，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，高压储气室的空气依次在高压膨胀机组和低压膨胀机组内膨胀做功至大气压。
同现有的技术相比，本发明的组合式压缩空气储能系统及其控制方法具有显著的技术效果：利用压缩机组和膨胀机组多种灵活的运行模式，极大程度地拓宽了系统变工况范围的同时，保证了相对较高的工作效率，适用于各种类型电源尤其是功率波动范围大的可再生能源领域。同时克服了低压储气室因储气压力低而导致体积过大的问题，对环境友好，提高了土地和资源使用效率。
附图说明
图1为本发明的组合式压缩空气储能系统的结构示意图。
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。
如图1所示，本发明的组合式压缩空气储能系统，包括：至少由一台低压压缩机(示例中包括初级低压压缩机2和末级低压压缩机3)组成的低压压缩机组，至少由一台高压压缩机(示例中包括第一级高压压缩机11和末级高压压缩机12)组成的高压压缩机组，低压储气室6，高压储气室15，阀门5、7、8、14、16、20、21、22，第一离合器10、第二离合器24，至少由一台高压膨胀机(示例中包括第一级高压膨胀机17和末级高压膨胀机18)组成的高压膨胀机组，至少由一台低压膨胀机(示例中包括第一级低压膨胀机25和末级低压膨胀机26)组成的低压膨胀机组等部件。
低压压缩机组2、3的共有传动轴通过第一离合器10与高压压缩机组11、12的共有传动轴连接。初级低压压缩机2入口接空气1，末级低压压缩机3的排气口经阀5与低压储气室6通连，经阀7与第一级高压压缩机11的入口通连，低压储气室6经阀8与第一级高压压缩机11的入口通连，末级高压压缩机12的排气口经阀14与高压储气室15通连。高压膨胀机组17、18的共有传动轴通过第二离合器24与低压膨胀机组25、26的共有传动轴连接。高压储气室15经阀16与第一级高压膨胀机17的入口通连，末级高压膨胀机18的排气口经阀20与低压储气室6通连，经阀21与第一级低压膨胀机25的入口通连，低压储气室6经阀22与第一级低压膨胀机25的入口通连，末级低压膨胀机26的出口27通大气。
本发明的组合式压缩空气储能系统，在储能过程中，当系统输入功率较低，不足以同时驱动低压压缩机组2、3和高压压缩机组11、12时，断开第一离合器10，将阀5开启，阀7、8、14均关闭，优先启用低压压缩机组2、3压缩空气，末级低压压缩机3出口的低压空气4被储存于低压储气室6，当低压储气室6的储气量达到上限时，将阀8、14开启，阀5、7关闭，关闭低压压缩机组2、3并启用高压压缩机组11、12，将低压储气室6的低压空气9压缩成高压空气13并储存于高压储气室15；当系统输入功率较大且足以同时驱动低压压缩机组2、3和高压压缩机组11、12时，闭合第一离合器10，将阀7、14开启，阀5、8关闭，常压空气1经低压压缩机组2、3和高压压缩机组11、12压缩成高压空气13后储存于高压储气室15。一般情况下，储能与释能过程不能同时进行，故储能过程中阀16、20、21、22均为关闭状态。
在释能过程中，将阀5、7、8、14关闭。当系统所要输出的功率较低，无需同时开启高压膨胀机组17、18和低压膨胀机组25、26时，断开第二离合器24，将阀22开启，阀16、20、21关闭，优先启用低压膨胀机组25、26，低压储气室6内的低压空气23在低压膨胀机组25、26内膨胀做功，当低压储气室6的储气量达到下限时，将阀16、20开启，阀21、22关闭，关闭低压膨胀机组25、26并启用高压膨胀机组17、18，高压储气室15的空气在高压膨胀机组17、18内膨胀做功至低压19并被储存于低压储气室6；当系统所要输出的功率较高需同时启用高压膨胀机组17、18和低压膨胀机组25、26时，闭合膨胀机间的第二离合器24，将阀16、21开启，阀20、22关闭，高压储气室15的空气经高压膨胀机组17、18和低压膨胀机组25、26膨胀做功至大气压。
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，均应包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合式压缩空气储能系统，包括压缩机组、低压储气室、高压储气室、膨胀机组，其特征在于：
--所述压缩机组包括低压压缩机组和高压压缩机组，所述低压压缩机组包括至少一台低压压缩机，所述高压压缩机组包括至少一台高压压缩机，
其中，
所述低压压缩机组分布在一根传动轴上，所述高压压缩机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第一离合器连接；
所述低压压缩机组的进气口与大气连通，排气口经管线分别与高压压缩机组进气口和低压储气室连通，且排气口与高压压缩机组进气口和低压储气室之间的管线上均设置有阀门；
所述高压压缩机组的进气口还通过管线与低压储气室连通，且进气口与低压储气室之间的管线上均设置有阀门，排气口经管线与高压储气室连通，且排气口与高压储气室之间的管线上设置有阀门；
--所述膨胀机组包括高压膨胀机组和低压膨胀机组，所述高压膨胀机组和低压膨胀机组各至少包括一台膨胀机，
其中，
所述高压膨胀机组分布在一根传动轴上，所述低压膨胀机组分布在另一根传动轴上，两根传动轴之间通过第二离合器连接；
所述高压膨胀机组的进气口经管线与高压储气室连通，且进气口与高压储气室之间的管线上设置有阀门，排气口经管线分别与低压膨胀机组进气口和低压储气室连通，且排气口与低压膨胀机组进气口和低压储气室之间的管线上均设置有阀门；
所述低压膨胀机组的进气口还通过管线与低压储气室连通，且进气口与低压储气室之间的管线上设置有阀门，排气口与大气连通。
2.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述低压储气室在储能过程中是用以储存低压压缩机组单独运行时压缩产生的低压空气，同时为高压压缩机组单独运行时提供空气来源，在释能过程中是用以储存高压膨胀机组单独运行时膨胀产生的低压空气，同时为低压膨胀机组单独运行时提供空气来源。
3.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述高压储气室在储能过程中是用以储存被高压压缩机组压缩过的高压空气，在释能过程中是用以为高压膨胀机组运行提供空气来源。
4.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较低时，断开第一离合器，启用低压压缩机组，打开低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，断开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，空气被压缩至较低压力并储存于低压储气室。
5.根据权利要求4所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，当低压储气室的储气量达到上限时，关闭低压压缩机组并启用高压压缩机组，关闭低压压缩机组排气口与低压储气室之间的阀门，打开低压储气室与高压压缩机组之间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，将低压储气室的空气压缩至高压并储存于高压储气室。
6.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述组合式压缩空气储能系统在储能时，当系统输入功率较大时，闭合第一离合器，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，打开低压压缩机组排气口与高压压缩机组进气口间的阀门以及高压压缩机组排气口与高压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室连通的其他管线上的阀门，常压空气依次经低压压缩机组和高压压缩机组缩至高压后储存于高压储气室。
7.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较低时，断开第二离合器，启用低压膨胀机组，打开低压储气室与低压膨胀机组进气口之间的阀门，断开低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，低压储气室内的空气在低压膨胀机组内膨胀做功。
8.根据权利要求7所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，当低压储气室的储气量达到下限时，关闭低压膨胀机组并启用高压膨胀机组，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及高压膨胀机组排气口与低压储气室之间的阀门，关闭与高压储气室以及与低压储气室连通的其他管线上的阀门，高压储气室的空气在高压膨胀机组内膨胀做功至低压并被储存于低压储气室。
9.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述组合式压缩空气储能系统释能时，当系统所要输出的功率较高时，闭合第二离合器，打开高压储气室与高压膨胀机组进气口之间的阀门以及低压膨胀机组与高压膨胀机组之间的阀门，关闭与低压储气室连通的各管线上的阀门，高压储气室的空气依次在高压膨胀机组和低压膨胀机组内膨胀做功至大气压。
10.根据权利要求1所述的组合式压缩空气储能系统，其特征在于，所述低压压缩机组为整个压缩机组按照空气流动方向的前若干级，所述高压压缩机组为整个压缩机组的后若干级。
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