CN107893684B - 一种尾气回冷的压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能源利用领域，公开了一种尾气回冷的压缩空气储能系统，其包括空气管路，包括依次连接的空气压缩机、冷却器、储气室、回热器、透平膨胀机；热量循环管路，包括依次连接的低温回热储罐和高温回热储罐，冷却器和回热器设置在循环管路上，空气管路和热量循环管路分别通过冷却器和回热器进行热传递；蓄冷器，包括壳体以及蓄冷侧空气流道和回冷侧空气流道，壳体内填充有蓄冷介质，回冷侧空气流道串联在空气管路上并位于冷却器和储气室之间，蓄冷侧空气流道入口与透平膨胀机排气口连通。本发明的压缩空气储能系统能够对透平膨胀机尾气中的冷量进行回收储存，避免能量的浪费，并用于降低储气室储气温度，以提升有效储气量。

Description

一种尾气回冷的压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种尾气回冷的压缩空气储能系统。
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，压缩机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储气室的容积效率较低，且能源利用效率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种尾气回冷的压缩空气储能系统，其能够对透平膨胀机低温尾气中的冷量进行回收和储存，以降低系统的能量损失，同时避免了系统对环境排放废弃冷量所可能存在的不利影响；并降低了储气室的进气温度，从而降低整体储气温度，以提升系统的有效储气量，进一步提升系统整体能源利用效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种尾气回冷的压缩空气储能系统，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，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蓄冷侧空气流道和回冷侧空气流道，所述壳体内且在所述蓄冷侧空气流道和所述回冷侧空气流道的外部填充有蓄冷介质，所述回冷侧空气流道串联在所述空气管路上并位于所述冷却器和所述储气室之间，所述蓄冷侧空气流道的入口与所述透平膨胀机的排气口连通，所述蓄冷侧空气流道的出口与外界环境连通；
第一控制阀门和第二控制阀门，所述第一控制阀门设置在所述储气室和所述回冷侧空气流道之间，所述第二控制阀门设置在所述储气室和所述回热器之间。
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
本发明所提供的一种尾气回冷的压缩空气储能系统，通过蓄冷器对压缩空气储能系统中透平膨胀机低温尾气中的冷量进行回收和储存，降低了系统的能量损失，同时避免了系统对环境排放废弃冷量所可能存在的不利影响；通过降低储气室进气温度降低了储气室的进气温度，从而降低整体储气温度，提升了系统的有效储气量，有利于系统提升系统出力水平；利用尾气回冷技术将系统冷量有效回收利用，实现了系统能量的综合利用，有利于提升系统整体能源利用效率。
附图说明
图1为根据本发明的一种尾气回冷的压缩空气储能系统的结构示意图。
图中，1：空气压缩机；2：冷却器；3：蓄冷器；4：储气室；5：回热器；6：透平膨胀机；7：低温回热储罐；8：高温回热储罐。
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尾气回冷的压缩空气储能系统的一个优选实施例。如图所示，该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5、透平发电机组中的透平膨胀机6。该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循环管路的低温回热储罐7和高温回热储罐8，冷却器2和回热器5设置在热量循环管路上，其中冷却器2设置在低温回热储罐7的出口端和高温回热储罐8的入口端之间，回热器5设置在高温回热储罐8的出口端和低温回热储罐7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5进行热传递。此外，该压缩空气储能系统还包括蓄冷器3，蓄冷器3包括壳体以及位于壳体内的蓄冷侧空气流道和回冷侧空气流道，壳体内且在蓄冷侧空气流道和回冷侧空气流道的外部填充有蓄冷介质，回冷侧空气流道串联在空气管路上并位于冷却器2和储气室4之间，蓄冷侧空气流道的入口与透平膨胀机6的排气口连通，蓄冷侧空气流道的出口与外界环境连通。该压缩空气储能系统还包括第一控制阀门和第二控制阀门，其中，第一控制阀门设置在储气室4和回冷侧空气流道之间，第二控制阀门设置在储气室4和回热器5之间。
使用时，开启第一控制阀门，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的回冷侧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，储气室4排出的常温高压空气进入回热器5，并在回热器5中与热量循环管路的液体循环工质进行换热，常温高压空气吸收热量变成高温高压空气从回热器5排出。回热器5排出的高温高压气体进入透平膨胀机6，然后在透平膨胀机6中膨胀做功，并带动发电机输出电力；透平膨胀机5排出做功后的低温低压尾气进入蓄冷器3与蓄冷器3内的蓄冷工质换热后直接进入大气，蓄冷工质温度降低。
低温回热储罐7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8存储。高温回热储罐8中的高温液体循环工质进入回热器5与空气管路上从蓄冷器3的蓄冷侧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7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。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，关闭第一控制阀门。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，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，关闭第二控制阀门，透平膨胀机6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)。例如空气压缩机1为两级，冷却器2也为两级，初级空气压缩机1排出的高温高压气体进入初级冷却器2，初级冷却器2冷却后的空气继续进入二级空气压缩机1，经二级空气压缩机1压缩后进入二级冷却器2，二级冷却器2(即末级冷却器2)的排气口与蓄冷器3的回冷侧空气流道相接。
类似地，在该实施例中，透平膨胀机6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6和回热器5也可以为n级(其中，n≥2)。例如透平膨胀机6为两级，回热器5也为两级，从蓄冷器3的蓄冷侧空气流道排出的空气进入初级回热器5，初级回热器5加热后的高温空气进入初级透平膨胀机6膨胀做功后生成低温空气，低温空气继续进入二级回热器5再次加热，二级回热器5加热后的高温空气进入二级透平膨胀机6膨胀做功后生成低温空气，其中，各级透平膨胀机6共同带动发电机输出电力。
综上所述，本发明提供的尾气回冷的压缩空气储能系统，通过蓄冷器3对压缩空气储能系统中透平膨胀机6低温尾气中的冷量进行回收和储存，降低了系统的能量损失，同时避免了系统对环境排放废弃冷量所可能存在的不利影响；并通过蓄冷器所回收和储存的冷量来降低储气室4的进气温度，提升储气室4的有效储气量，也就意味着透平膨胀机7能够工作更长时间，输出更多的可用电力，即系统的容量增加，从而实现了系统能量的综合利用，有利于提升系统整体能源利用效率。
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)

1.一种尾气回冷的压缩空气储能系统，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，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蓄冷侧空气流道和回冷侧空气流道，所述壳体内且在所述蓄冷侧空气流道和所述回冷侧空气流道的外部填充有蓄冷介质，所述回冷侧空气流道串联在所述空气管路上并位于所述冷却器和所述储气室之间，所述蓄冷侧空气流道的入口与所述透平膨胀机的排气口连通，所述蓄冷侧空气流道的出口与外界环境连通；
第一控制阀门和第二控制阀门，所述第一控制阀门设置在所述储气室和所述回冷侧空气流道之间，所述第二控制阀门设置在所述储气室和所述回热器之间。
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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