CN107762579A - 一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，包括高温压缩机组、储气室、透平发电机组、高温冷却器、高温蓄热器、高温回热器、高温蓄冷器、中温冷却器、中温蓄热器、中温回热器和中温蓄冷器；高温冷却器的换热管、高温蓄热器、高温回热器的回热管和高温蓄冷器循环连接；中温冷却器的换热管、中温蓄热器、中温回热器的回热管和中温蓄冷器循环连接；高温压缩机组、高温冷却器的进气管、中温冷却器的进气管、储气室、中温回热器的进气管、高温回热器的进气管和透平发电机组依次连接。本发明利用高温回热循环和中温回热循环对压缩热进行梯度回收和复式回热，提高蓄热温度和回热效率；降低了单一蓄热介质相对的蓄热温差和成本，且控温稳定。
Description
技术领域
本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统。
背景技术
压缩空气储能技术利用空气作为储能介质对低谷电力或可再生能源并网受限电力进行存储。传统的压缩空气储能系统利用空气压缩机将空气压缩到储气室中存储，在需要发电时释放高压空气与化石燃料混合燃烧，利用燃烧后的混合产物推动透平膨胀机做功，并带动发电机输出电力。由于需要燃烧化石燃料，对系统有一定的限制性，且考虑到当前能源战略和环保需求，一种绝热压缩空气储能系统应运而生。绝热压缩空气储能系统在压缩空气时采用准绝热压缩过程，即随着压力的上升，空气的温度也显著上升，利用蓄热介质将空气中蕴含的压缩热储存下来，并用于加热透平膨胀机进气，取代化石燃料为进气提供热量。
但目前的绝热压缩空气储能系统仍存在以下缺陷：系统蓄热温度低，导致回热效率低；另外，若提高蓄热温度，由于蓄热温差较大，一般的流体介质不易实现，且成本较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，以解决现有绝热压缩空气储能系统的高温蓄热和回热的问题，提高回热效率，降低成本。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，包括高温压缩机组、储气室和透平发电机组，还包括高温回热循环和中温回热循环；其中，所述高温回热循环包括高温冷却器、高温蓄热器、高温回热器和高温蓄冷器，所述高温冷却器的换热管、高温蓄热器、高温回热器的回热管和高温蓄冷器循环连接；所述中温回热循环包括中温冷却器、中温蓄热器、中温回热器和中温蓄冷器；所述中温冷却器的换热管、中温蓄热器、中温回热器的回热管和中温蓄冷器循环连接；所述高温压缩机组、高温冷却器的进气管、中温冷却器的进气管、储气室、中温回热器的进气管、高温回热器的进气管和透平发电机组依次连接。
其中，所述高温压缩机组的排气温度为400～600℃。
其中，所述高温压缩机组包括多级空气压缩机；所述透平发电机组包括多级透平膨胀机和发电机。
其中，所述高温压缩机组包括单级或多级空气压缩机和驱动电机；所述透平发电机组包括单级或多级透平膨胀机和发电机。
其中，所述高温回热循环的循环蓄热工质为熔融盐。
其中，所述熔融盐为NaNO3与KNO3构成的二元熔融盐。
其中，所述中温回热循环的循环蓄热工质为导热油。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，通过高温冷却器、高温蓄热器、高温回热器和高温蓄冷器构成高温回热循环，通过中温冷却器、中温蓄热器、中温回热器和中温蓄冷器构成中温回热循环；利用高温压缩机组进行准绝热压缩产生高温高压空气，并利用高温回热循环和中温回热循环对高温高压空气中的压缩热进行梯度回收和双级回热，一方面，提高了蓄热温度，使回热效率增大；另一方面，降低了单一蓄热介质相对的蓄热温差，降低了成本。具有回热效率高、控温稳定、成本低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中一种单级压缩、单级膨胀的高温复式回热绝热压缩空气储能系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2中一种双级压缩、双级膨胀的高温复式回热绝热压缩空气储能系统的结构示意图；
附图标记说明
1-高温压缩机组；2-储气室；3-透平发电机组；4-高温蓄冷器；5-高温冷却器；6-高温蓄热器；7-高温回热器；8-中温蓄冷器；9-中温冷却器；10-中温蓄热器；11-中温回热器；12-一级中温冷却器；13-二级中温冷却器；14-中温蓄热器；15-一级中温回热器；16-二级中温回热器；17-中温蓄冷器；18-一级空气压缩机；19-二级空气压缩机；20-储气室；21-一级透平膨胀机；22-二级透平膨胀机；23-一级高温冷却器；24-二级高温冷却器；25-高温蓄热器；26-一级高温回热器；27-二级高温回热器；28-高温蓄冷器。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，为本实施例提供的一种单级压缩、单级膨胀高温复式回热绝热压缩空气储能系统，包括高温压缩机组1、储气室2、透平发电机组3、高温回热循环和中温回热循环。
高温回热循环包括高温冷却器5、高温蓄热器6、高温回热器7和高温蓄冷器4。高温冷却器5的换热管、高温蓄热器6、高温回热器7的回热管和高温蓄冷器4循环连接；
中温回热循环包括中温冷却器9、中温蓄热器10、中温回热器11和中温蓄冷器8；中温冷却器9的换热管、中温蓄热器10、中温回热器11的回热管和中温蓄冷器8循环连接；
高温压缩机组1、高温冷却器5的进气管、中温冷却器9的进气管、储气室2、中温回热器11的进气管、高温回热器7的进气管和透平发电机组3依次连接。
其中，高温压缩机组1由环境大气中吸气并排出高温压缩空气，排气温度为400～600℃，本实施例中，排气温度优选为460℃。
其中，高温回热循环的循环蓄热工质为熔融盐。熔融盐通过循环泵的驱动，在高温冷却器5的换热管、高温蓄热器6、高温回热器7的回热管和高温蓄冷器4中循环流动。本实施例中，熔融盐为NaNO3与KNO3构成的二元熔融盐。
其中，中温回热循环的循环蓄热工质为导热油。导热油通过循环泵的驱动，在中温冷却器9的换热管、中温蓄热器10、中温回热器11的回热管和中温蓄冷器8中循环流动。本实施例中，导热油为VP-1导热油。
其中，高温蓄冷器4中的熔融盐温度为300℃；高温蓄热器6中的熔融盐温度为440℃。中温蓄冷器8中的导热油为50℃；中温蓄热器10中的熔融盐温度为310℃。
其中，高温压缩机组1包括一个空气压缩机；透平发电机组3包括一个透平发电机。进一步的，透平发电机为叶片可调式透平膨胀机，允许进气压力在一定范围内缓慢变化，相应的，储气室2放气压力范围与之相符。
下面通过具体的过程，进一步详细的说明。
高温压缩机组1由环境大气中吸气并排出高温压缩空气，排气温度为460℃。
高温冷却器5使460℃压缩空气与熔融盐工质换热；460℃压缩空气进入高温冷却器5释放一部分压缩热成为320℃压缩空气排出高温冷却器5；300℃熔融盐工质由高温蓄冷器4进入高温冷却器5吸收压缩热成为440℃熔融盐工质并进入高温蓄热器6存储。
中温冷却器9使320℃压缩空气与导热油工质换热，320℃压缩空气进入中温冷却器9释放剩余压缩热成为60℃压缩空气进入储气室2中存储；50℃导热油工质由中温蓄冷器8进入中温冷却器9吸收压缩热成为310℃导热油工质并进入中温蓄热器10存储。
中温回热器11使储气室2释放的所储30℃高压气体与导热油工质换热，310℃导热油工质由中温蓄热器10进入中温回热器11释放所储压缩热成为50℃导热油工质并进入中温蓄冷器8存储；储气室2释放的30℃高压气体进入中温回热器11吸收压缩热成为290℃高压气体。
高温回热器7使290℃高压气体与熔融盐工质换热，440℃熔融盐工质由高温蓄热器6进入高温回热器7释放所储压缩热成为300℃熔融盐工质并进入高温蓄冷器4存储；290℃高压气体进入高温回热器吸收压缩热成为430℃高压气体并进入透平膨胀机3做功，驱动发电机输出电力。
本实施例提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，通过高温冷却器、高温蓄热器、高温回热器和高温蓄冷器构成高温回热循环，通过中温冷却器、中温蓄热器、中温回热器和中温蓄冷器构成中温回热循环；利用高温压缩机组进行准绝热压缩产生高温高压空气，并利用高温回热循环和中温回热循环对高温高压空气中的压缩热进行梯度回收和复式回热，一方面，提高了蓄热温度，使回热效率增大；另一方面，降低了单一蓄热介质相对的蓄热温差，降低了成本。具有回热效率高、控温稳定、成本低等优点。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：
如图2所示，为本实施例提供的一种双级压缩、双级膨胀的高温复式回热绝热压缩空气储能系统。其中，高温压缩机组包括多级空气压缩机；透平发电机组包括多级透平膨胀机和发电机。
本实施例中，高温压缩机组包括一级空气压缩机18和二级空气压缩机19；透平发电机组包括一级透平膨胀机21和二级透平膨胀机22。
高温冷却器包括一级高温冷却器23和二级高温冷却器24；高温回热器包括一级高温回热器26和二级高温回热器27；中温冷却器包括一级中温冷却器12和二级中温冷却器13；中温回热器包括一级中温回热器15和二级中温回热器16。
一级空气压缩机18、一级高温冷却器23的进气管、一级中温冷却器12的进气管、二级空气压缩机19、二级高温冷却器24的进气管、二级中温冷却器13的进气管、储气室20、一级中温回热器15的进气管、一级高温回热器26的进气管、一级透平膨胀机21、二级中温回热器16的进气管、二级高温回热器27的进气管和二级透平膨胀机19依次连接。
进一步的，一级高温冷却器23的换热管和二级高温冷却器24的换热管并联设置；一级高温回热器26的回热管和二级高温回热器27的回热管并联设置；一级中温冷却器12的换热管和二级中温冷却器13的换热管并联设置；一级中温回热器15的回热管和二级中温回热器16的回热管并联设置。
进一步的，一级透平膨胀机21和二级透平膨胀机22为叶片可调式透平膨胀机，允许进气压力在一定范围内缓慢变化，相应的，所述储气室放气压力范围与之相符。
本实施例中，一级空气压缩机18由环境大气中吸气并排出高温压缩空气，排气参数优选为1.2MPa、460℃；二级空气压缩机19进气参数为1.2MPa、60℃，排气参数优选为14.5MPa、460℃；一级透平膨胀机21进气参数优选为14.5MPa～11MPa、430℃，排气参数优选为2MPa、30℃；二级透平膨胀机22进气参数优选为2MPa、430℃，排气参数优选为0.2MPa、30℃。
下面通过具体的过程，进一步详细的说明。
一级空气压缩机18由环境大气中吸气并排出高温压缩空气，排气参数为1.2MPa、460℃。
一级高温冷却器23使1.2MPa、460℃压缩空气与熔融盐工质换热，1.2MPa、460℃压缩空气进入一级高温冷却器23释放一部分压缩热成为1.2MPa、320℃压缩空气排出一级高温冷却器23，300℃熔融盐工质由高温蓄冷器28进入一级高温冷却器23吸收压缩热成为440℃熔融盐工质并进入高温蓄热器25存储。
一级中温冷却器12使1.2MPa、320℃压缩空气与导热油工质换热，1.2MPa、320℃压缩空气进入一级中温冷却器12释放剩余压缩热成为1.2MPa、60℃压缩空气进入二级空气压缩机19，50℃导热油工质由中温蓄冷器17进入一级中温冷却器12吸收压缩热成为310℃导热油工质并进入中温蓄热器14存储。
二级空气压缩机19进气参数为1.2MPa、60℃，排气参数为14.5MPa、460℃。
二级高温冷却器24使14.5MPa、460℃压缩空气与熔融盐工质换热，14.5MPa、460℃压缩空气进入二级高温冷却器24释放一部分压缩热成为14.5MPa、320℃压缩空气排出二级高温冷却器24；300℃熔融盐工质由高温蓄冷器28进入二级高温冷却器24吸收压缩热成为440℃熔融盐工质并进入高温蓄热器25存储。
二级中温冷却器13使14.5MPa、320℃压缩空气与导热油工质换热，14.5MPa、320℃压缩空气进入二级中温冷却器13释放剩余压缩热成为14.5MPa、60℃压缩空气进入储气室20中存储，50℃导热油工质由中温蓄冷器17进入二级中温冷却器13吸收压缩热成为310℃导热油工质并进入中温蓄热器14存储。
一级中温回热器15使储气室20释放的14.5MPa～11MPa、30℃高压气体与导热油工质换热，310℃导热油工质由中温蓄热器14进入一级中温回热器15释放所储压缩热成为50℃导热油工质并进入中温蓄冷器17存储；储气室20释放的14.5MPa～11MPa、30℃高压气体进入一级中温回热器15吸收压缩热成为14.5MPa～11MPa、290℃高压气体。
一级高温回热器26使一级中温回热器15释放的14.5MPa～11MPa、290℃高压气体与熔融盐工质换热，440℃熔融盐工质由高温蓄热器25进入一级高温回热器26释放所储压缩热成为300℃熔融盐工质并进入高温蓄冷器28存储；14.5MPa～11MPa、290℃高压气体进入一级高温回热器26吸收压缩热成为14.5MPa～11MPa、430℃高压气体并进入一级透平膨胀机21做功，驱动发电机输出电力，并排出2MPa、30℃高压气体。
二级中温回热器16使一级透平膨胀机21释放的2MPa、30℃高压气体与导热油工质换热，310℃导热油工质由中温蓄热器14进入二级中温回热器16释放所储压缩热成为50℃导热油工质并进入中温蓄冷器17存储；2MPa、30℃高压气体进入二级中温回热器16吸收压缩热成为2MPa、290℃高压气体。
二级高温回热器27使二级中温回热器16释放的2MPa、290℃高压气体与熔融盐工质换热，440℃熔融盐工质由高温蓄热器25进入二级高温回热器27释放所储压缩热成为300℃熔融盐工质并进入高温蓄冷器28存储，2MPa、290℃高压气体进入二级高温回热器27吸收压缩热成为2MPa、430℃高压气体并进入二级透平膨胀机22做功，驱动发电机输出电力，并排出0.2MPa、30℃高压气体。
本实施例提供一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，高温冷却器包括一级高温冷却器和二级高温冷却器；中温冷却器包括一级中温冷却器和二级中温冷却器，实现对一级空气压缩机二级空气压缩机的排气的压缩热进行梯度回收和复式回热；高温回热器包括一级高温回热器和二级高温回热器；中温回热器包括一级中温回热器和二级中温回热器，对一级透平膨胀机和二级透平膨胀机的进气进行复式回热，一方面，提高了蓄热温度，使回热效率增大；另一方面，降低了单一蓄热介质相对的蓄热温差，降低了成本。具有回热效率高、控温稳定、成本低等优点。
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 (6)
1.一种高温复式回热绝热压缩空气储能系统，包括高温压缩机组、储气室和透平发电机组，其特征在于，还包括高温回热循环和中温回热循环；其中，所述高温回热循环包括高温冷却器、高温蓄热器、高温回热器和高温蓄冷器，所述高温冷却器的换热管、高温蓄热器、高温回热器的回热管和高温蓄冷器循环连接；所述中温回热循环包括中温冷却器、中温蓄热器、中温回热器和中温蓄冷器；所述中温冷却器的换热管、中温蓄热器、中温回热器的回热管和中温蓄冷器循环连接；所述高温压缩机组、高温冷却器的进气管、中温冷却器的进气管、储气室、中温回热器的进气管、高温回热器的进气管和透平发电机组依次连接。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温压缩机组的排气温度为400～600℃。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温压缩机组包括单级或多级空气压缩机和驱动电机；所述透平发电机组包括单级或多级透平膨胀机和发电机。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温回热循环的循环蓄热工质为熔融盐。
5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述熔融盐为NaNO3与KNO3构成的二元熔融盐。
6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述中温回热循环的循环蓄热工质为导热油。
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