CN107842399A - 一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能源利用技术领域，公开一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统，包括空气管路，其包括依次连接的空气压缩机、冷却器、储气室、回热器、透平膨胀机；热量循环管路，包括依次连接成循环管路的低温回热储罐和高温回热储罐，冷却器和回热器设在热量循环管路上；空气管路和热量循环管路通过冷却器和回热器热传递；蓄冷器，包括壳体以及空气流道，壳体内填有蓄冷介质，空气流道一端与冷却器、回热器连接，另一端分别通过第一支路和第二支路与储气室连接；第二支路上设有节流稳压阀。放气时，该系统通过蓄冷器吸收并存储空气节流后的冷量，从而预热透平膨胀机进气；充气时，通过蓄冷器存储的冷量冷却储气室进气，提升储气室储气量和系统容量。

Description

一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统。
背景技术
储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型蓄能蓄电技术。1978年，德国建成世界第一座示范性压缩空气蓄能电站，紧跟其后的是美国、日本和以色列。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量，驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，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，完成了电能—空气势能—电能的转化。然而目前的压缩空气储能系统中，由于高压空气经过节流稳压阀后产生节流效应，空气温度急剧降低，导致空气焓值降低并转化为冷量，一部分进入环境空气中耗散，一部分由系统热能进行抵消，导致系统的效率降低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统，其能够提高系统效率，同时提高储气室的储气量，进而增加系统容量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统，其包括：
空气管路，所述空气管路包括依次连接的空气压缩机、冷却器、储气室、回热器、透平发电机组中的透平膨胀机；
热量循环管路，所述热量循环管路包括依次连接构成循环管路的低温回热储罐和高温回热储罐，所述冷却器和所述回热器设置在所述热量循环管路上，其中所述冷却器设置在所述低温回热储罐的出口端和所述高温回热储罐的入口端之间，所述回热器设置在所述高温回热储罐的出口端和所述低温回热储罐的入口端之间，在所述热量循环管路内设置有液体循环工质；所述空气管路和所述热量循环管路分别通过所述冷却器和所述回热器进行热传递；
蓄冷器，所述蓄冷器包括壳体以及位于所述壳体内的空气流道，所述壳体内且在所述空气流道外部填充有蓄冷介质，所述空气流道的一端分别与所述冷却器和所述回热器连接，所述空气通道的另一端分别通过第一支路和第二支路与所述储气室连接；
第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门和节流稳压阀，所述第一控制阀门设置在所述冷却器和所述蓄冷器之间，所述第二控制阀门设置在所述蓄冷器和所述回热器之间，所述第一支路上设置有第三控制阀门，所述第二支路上设置有节流稳压阀。
其中，所述空气压缩机在电网负荷低谷或有可再生能源电力消纳需求时启动，从大气中吸气并产生高温高压气体。
其中，所述储气室在电网或用户存在供电需求时开始释放所存储的常温高压气体。
(三)有益效果
本发明所提供的节流回冷的绝热压缩空气储能系统，通过蓄冷器对压缩空气储能系统中节流稳压阀产生的节流冷量进行回收和储存，从而提升了进入回热器的空气温度，有助于进一步提升透平膨胀机进气温度，在提升系统热能的利用率的同时也提升了高压空气的做功能力；此外，利用蓄冷器所存储的冷量冷却储气室的进气，以降低储气室整体进气温度水平，进一步降低储气室平均储气温度，从而提升储气室的实际储气量，使放气时长延长、系统容量增加。
附图说明
图1为根据本发明的一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统的一个优选实施例的结构示意图。
图2为根据本发明的一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统的另一个优选实施例的结构示意图。
图中，1：空气压缩机；1.1：初级空气压缩机；1.2：二级空气压缩机；2：冷却器；2.1：初级冷却器；2.2：二级冷却器；3：蓄冷器；4：储气室；5：节流稳压阀；6：回热器；6.1：初级回热器；6：二级回热器；7：透平膨胀机；7.1：初级透平膨胀机；7.2：二级透平膨胀机；8：低温回热储罐；9：高温回热储罐；a：第一控制阀门；b：第二控制阀门；c：第三控制阀门。
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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出了根据本发明的一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统的一个优选实施例。如图所示，该绝热压缩空气储能系统包括空气管路，空气管路包括依次连接的空气压缩机1、冷却器2、储气室4、回热器6、透平发电机组中的透平膨胀机7。该绝热压缩空气储能系统还包括热量循环管路，热量循环管路包括依次连接构成回路的低温回热储罐8和高温回热储罐9，其中，冷却器2和回热器6也设置在热量循环管路上，具体地，冷却器2设置在低温回热储罐8的出口端和高温回热储罐9的入口端之间，回热器6设置在高温回热储罐9的出口端和低温回热储罐8的入口端之间，在热量循环管路内设置有液体循环工质。空气管路和热量循环管路分别通过冷却器2和回热器6进行热传递。此外，该绝热压缩空气储能系统还包括蓄冷器3，该蓄冷器3包括壳体以及位于壳体内的空气流道，壳体内且在空气流道外部填充有蓄冷介质，其中，空气流道的一端分别与冷却器2和回热器6连接，空气通道的另一端分别通过第一支路和第二支路与储气室4连接。该绝热压缩空气储能系统还包括第一控制阀门a、第二控制阀门b、第三控制阀门c和节流稳压阀5，其中第一控制阀门a设置在冷却器2和蓄冷器3之间，第二控制阀门b设置在蓄冷器3和回热器6之间，第一支路上设置有第三控制阀门c，第二支路上设置有节流稳压阀5。
充气时，开启第一控制阀门a和第三控制阀门c，关闭第二控制阀门b和节流稳压阀5，环境大气经空气压缩机1压缩后压力和温度同时升高，高温高压空气进入冷却器2与热量循环管路中的液体循环工质进行换热，高温高压空气放热降温变成中温高压空气，从冷却器2排出的的中温高压空气进入蓄冷器3的空气流道中进一步被冷却后变成低温高压空气排出，同时蓄冷器3中的蓄冷工质吸收从冷却器2排出的中温高压空气的热量而使得温度上升。从蓄冷器3排出的低温高压空气经第三控制阀门c进入储气室4中储存，储气室4在储气过程中由于室内气体压缩导致温度上升，但由于进气平均温度较低，因此使得充气结束时储气室4内整体温度接近环境温度(即储气室4内的空气处于常温高压下)。
当需要发电时，开启第二控制阀门b和节流稳压阀5，关闭第一控制阀门a和第三控制阀门c，储气室4排出的常温高压空气经过节流稳压阀5，在这里，节流稳压阀5的主要作用是节流调压，使得储气室4出口压力持续下降的情况下保持节流稳压阀5出口输出恒定压力等级的空气；此外，该节流稳压阀5存在节流制冷效应，使得储气室4排出的常温高压空气经节流稳压阀5后以低温恒压空气(一般为－20℃～－15℃)排出。从节流稳压阀5排出的低温恒压空气进入蓄冷器3的空气流道，与蓄冷器3内的蓄冷工质换热，蓄冷工质温度降低，低温恒压空气吸收热量变成常温恒压空气。从蓄冷器3排出的常温恒压空气进入回热器6，并在回热器6中与热量循环管路的液体循环工质进行换热，常温恒压空气吸收热量变成高温恒压空气从回热器6排出。回热器6排出的高温恒压气体进入透平膨胀机7，然后在透平膨胀机7中膨胀做功，并带动发电机输出电力；最后透平膨胀机7向大气环境中排出做功后的尾气。
低温回热储罐8中的低温液体循环工质进入冷却器2与空气管路上从空气压缩机1压缩后的高温高压空气进行换热，吸收热量后成为高温液体循环工质，高温液体循环工质进入高温回热储罐9存储。高温回热储罐9中的高温液体循环工质进入回热器6与空气管路上从蓄冷器3的空气流道排出的常温恒压空气进行换热，释放热量后成为低温液体循环工质，低温液体循环工质进入低温回热储罐8中存储。
优选空气压缩机1在电网负荷低谷或有可再生能源电力消纳需求时启动，从大气中吸气并产生高温高压气体，并开启第一控制阀门a和第三控制阀门c。当储气室4达到最大储气压力、或电网不再有储能需求时，空气压缩机1停机，关闭所有阀门。优选储气室4在电网或用户存在供电需求时开启第二控制阀门b和节流稳压阀5，释放常温高压气体，从而实现将储气室4所存储的压缩空气能进行移峰填谷、或将平抑可再生能源电力波动性。当储气室4达到最低储气压力、或电网不再有供电需求时，关闭所有阀门，透平膨胀机7停止工作。
在该实施例中，空气压缩机1为单级，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本发明的其它一些实施例中，空气压缩机1和冷却器2也可以为n级(其中，n≥2)。如图2所示，空气压缩机1为两级，冷却器2也为两级，初级空气压缩机1.1排出的高温高压气体进入初级冷却器2.1，初级冷却器2.1冷却后的空气继续进入二级空气压缩机1.2，经二级空气压缩机1.2压缩后进入二级冷却器2.2，二级冷却器2.2(即末级冷却器2.2)的排气口与蓄冷器3的空气流道相接。
类似地，在该实施例中，透平膨胀机7为单级，然而，需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本发明的其它一些实施例中，透平膨胀机7和回热器6也可以为n级(其中，n≥2)。如图2所示，透平膨胀机7为两级，回热器6也为两级，从蓄冷器3的空气流道排出的空气进入初级回热器6.1，经初级回热器6.1加热后的高温空气进入初级透平膨胀机7.1膨胀做功后生成低温空气，低温空气继续进入二级回热器6.2再次加热，二级回热器6.2加热后的高温空气进入二级透平膨胀机7.1膨胀做功后生成低温空气，其中，各级透平膨胀机7共同带动发电机输出电力。
综上所述，本发明提供的绝热压缩空气储能系统，通过蓄冷器3对压缩空气储能系统中节流稳压阀5产生的节流冷量进行回收和储存，从而提升了进入回热器6的空气温度，有助于进一步提升透平膨胀机7进气温度，在提升系统热能的利用率同时也提升了高压空气的做功能力；此外，利用蓄冷器3所储冷量冷却储气室进气，能够降低储气室4整体进气温度水平，进一步降低储气室4平均储气温度，从而提升储气室4的实际储气量，使放气时长延长、系统容量增加。
以上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 (3)

1.一种节流回冷的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
空气管路，所述空气管路包括依次连接的空气压缩机、冷却器、储气室、回热器、透平发电机组中的透平膨胀机；
热量循环管路，所述热量循环管路包括依次连接构成循环管路的低温回热储罐和高温回热储罐，所述冷却器和所述回热器设置在所述热量循环管路上，其中所述冷却器设置在所述低温回热储罐的出口端和所述高温回热储罐的入口端之间，所述回热器设置在所述高温回热储罐的出口端和所述低温回热储罐的入口端之间，在所述热量循环管路内设置有液体循环工质；所述空气管路和所述热量循环管路分别通过所述冷却器和所述回热器进行热传递；
蓄冷器，所述蓄冷器包括壳体以及位于所述壳体内的空气流道，所述壳体内且在所述空气流道外部填充有蓄冷介质，所述空气流道的一端分别与所述冷却器和所述回热器连接，所述空气通道的另一端分别通过第一支路和第二支路与所述储气室连接；
第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门和节流稳压阀，所述第一控制阀门设置在所述冷却器和所述蓄冷器之间，所述第二控制阀门设置在所述蓄冷器和所述回热器之间，所述第一支路上设置有第三控制阀门，所述第二支路上设置有节流稳压阀。
2.根据权利要求1所述的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机在电网负荷低谷或有可再生能源电力消纳需求时启动，从大气中吸气并产生高温高压气体。
3.根据权利要求1所述的绝热压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气室在电网或用户存在供电需求时开始释放所存储的常温高压气体。
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