CN107939654A - 冷‑热‑电联供压缩空气储能系统 - Google Patents

冷‑热‑电联供压缩空气储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储能领域,公开了一种冷‑热‑电联供的压缩空气储能系统。储能模式,系统通过压缩机组消耗电能将压缩空气储存于储气装置,通过冷却器回收压缩过程中产生的热量并储存于储热器;释能模式,系统通过回热器将储气装置中的空气加热,通过热空气驱动透平发电机组发电,并将膨胀过程中产生的冷量储存于储冷器中;供热模式,系统通过储热器向系统外供热;供冷模式,系统通过储冷器向系统外供冷。系统可单一模式运行或多模式混合运行。同时,系统可通过预热器或储热器回收工业余热、废热和太阳能等热源,或通过再冷器或储冷器回收工业废冷和LNG气化等冷量,利用简单系统满足多样化的能量需求。

Description

冷-热-电联供压缩空气储能系统
技术领域
[0001]本发明涉及储能领域,具体的说涉及一种冷-热-电联供压缩空气储能系统。
背景技术
[0002] 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。本发明提 出一种经济可行的、无污染、多接口、用途广的储能技术,为解决传统电力及可再生能源的 大规模集成存储问题提供解决方案。抽水蓄能是目前应用最为广泛和成熟的储能方式,根 据2008年数据统计,抽水蓄能占国际储能系统总装机容量的99%;常规压缩空气储能系统 占0 • 5%,位居第二。蓄电池、飞轮、超级电容等储能系统面临着效率不高,寿命短,存取不 便,蓄能容量偏小,投资成本大等各方面问题。除了抽水蓄能,压缩空气储能系统是最有增 长潜力的储能形式。但传统的压缩空气储能系统功能单一,不能满足目前电力系统风-光-电日益交融的发展需求。
[0003] 抽水蓄能电站也面临有一些实际问题。例如对建站地理条件要求苛刻,上水库建 在面积较大的山顶上,高度、面积、地质结构要求严格,下水库占地面积也大,并且水源、道 路交通都有特定要求;投资大,建设周期长,例如装机容量180万KW,投资额65〜90亿元,建 设周期6〜8年;需要占用大片的土地,并造成生态环境的破坏,以180万kW为例,建站占地 4000〜5000亩,工程量包括上下两个水库、引水管、导流管、盘山公路、引水渠等;电站的运 行还存在一定的风险,地震、滑坡、暴风雨、泥石流、岩石风化、坝体开裂、热胀冷缩破裂等都 会带来致命的危险。
[0004] 而压缩空气储能无特定地理要求,山洞、山脚、荒滩、废矿井,甚至海滩、海底都可 以,储气库深埋地下,几乎不占用土地,也可以采用钢制的高压储罐作为高压气体的存储空 间;压缩空气采用自然界的大气作为工质,吸气和排气都在环境大气中进行,不会带来污染 和生态问题,是一种真正能够实现零排放环境友好的储能方式。
[0005] 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,完成了电能一空气势能一电能的转化。
发明内容
[0006] (一)要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的是提供成本低、无污染、高效率的多功能压缩空气储能系统方案。
[0008] (二)技术方案
[0009] 为了解决上述技术问题,本发明提供冷-热-电联供压缩空气储能系统,其包括:压 缩机组、储气装置、透平机组、回冷器、预热器、再冷器和导热工质循环系统。
[0010] it中,所述导执工质循环系统包括冷却器、储热器、回热器、储冷器和加压系统,以 及存在于II环系统内的导热工质。所述冷却器、储热器、回热器和储冷器的所述导热工质侧 管系依次连接;所述储冷器导热工质出口与所述冷却器导热工质入口连接;所述加压系统 与所述储热器、储冷器连接; 、
[0011] 其中,所述回冷器高温侧进气口与大气连接;所述回冷器尚温侧排气口与所述压 缩机组进气口连接;所述压缩机组、冷却器、再冷器、储气装置、预热器、回热器、透平机组: 储冷器的空气侧管系依次连接;所述储冷器排气口与所述回冷器低温侧进气口连接;所述 回冷器低温侧排气口与大气连接。 、
[0012] 所述压缩机组出气口与所述储气装置的进气口通过所述冷却器、再冷器气侧通道 连接;空气经所述压缩机组压缩后经所述冷却器、再冷器降温后储存于所述储气装置。
[0013] 进一步,所述压缩机组包括至少一台压缩机和相应的压缩机驱动装置,所述驱动 装置利用电能驱动所述压缩机压缩空气。 _
[0014] 进一步,所述的压缩机组设有控制系统,实现所需工况的控制和运转。
[0015] 所述储气装置的出气口与所述透平机组入气口通过所述预热器、回热器气侧通道 连接;压缩空气经所述储气装置释放后经所述预热器、回热器加热后进入所述透平机组。
[0016] 所述透平机组包括至少一台透平机和相应的发电机;所述透平机利用压缩空气膨 胀做功驱动发电装置发电;所述透平机的出气口与所述储冷器、回冷器连接,其进气口与所 述回热器连接。 _
[0017] 进一步,所述的透平发电机组设有控制系统,实现特定工况控制和运转。
[0018] 所述导热工质储存于所述冷却器、储热器、回热器、储冷器构成的循环系统,以及 所述加压系统中。
[0019] 进一步,所述储热器导热工质出口与所述回热器导热工质入口之间存在所述导热 工质的驱动装置;在所述储气装置所储空气驱动所述透平发电机组进行发电时,驱动装置 将所述导热工质由所述储热器经所述回热器与所述透平机组进气换热降温后存储于所述 储冷器。
[0020] 进一步,所述储冷器导热工质出口与所述冷却器导热工质入口之间存在所述导热 工质的驱动装置;在所述压缩机组进行空气压缩时,驱动装置将所述导热工质由所述储冷 器经所述冷却器与所述压缩机组排气换热升温后存储于所述储热器。
[0021] 进一步,所述导热工质优选为水。
[0022] 所述加压系统与所述储热器、储冷器连接,为所述储热器、储冷器中的所述导热工 质加压,提高所述导热工质的沸点。
[0023] 进一步,在所述导热工质优选为水时,所述导热工质循环系统的优选工作压力为 0•l_3MPa〇
[0024] 所述冷却器采用所述储冷器中低温的所述导热工质与所述压缩机组排气换热;所 述低温导热工质吸收所述压缩机组压缩空气时产生的热量并进入所述储热器;所述压缩机 排气经所述冷却器冷却后进入所述再冷器。
[0025] 所述再冷器采用系统外冷源对所述冷却器排气进行再次冷却。
[0026] 进一步,所述再冷器与所述冷却器可共同工作,也可由任一设备单独工作。
[0027] 所述预热器采用系统外热源对所述储气装置排气进行预热。
[0028] 所述回热器采用所述储热器中高温的所述导热工质与所述预热器后的压缩空气 换热;所述高温导热工质释放所存储热量后进入所述储冷器;所述压缩空气经所述回热器 加热后进入所述透平机组。
[0029] 进一步,所述预热器与所述回热器可共同工作,也可由任一设备单独工作。
[0030]所述储热器可通过换热器对系统外供热,也可通过换热器存储系统外热源热量。 [0031]所述储冷器可通过换热器对系统外供冷,也可通过换热器存储系统外冷源冷量。 [0032] 所述压缩机组和所述透平机组可同时工作,也可不同时工作。
[0033] 进一步,所述压缩机组和所述透平机组同时工作时,所述透平机组排气经所述储 冷器后通过所述预冷器预冷所述压缩机进气。
[0034] 所述系统可采用的系统外热源包括工业余热、废热或者太阳能。
[0035] 所述系统可采用的系统外冷源包括工业余冷、废冷或LNG气化冷。
[0036] (三)有益效果
[0037] 本发明提供的冷-热_电压缩空气储能系统,冷却器和储热器利用导热工质将压缩 机组产生的热量至少部分回收存储,并用于向外界供热或在发电过程中加热压缩空气,驱 动透平发电机组发电;回热器和储冷器利用导热工质将透平机组产生的冷量至少部分回收 存储,并用于向外界供冷或在空气压缩过程中冷却压缩空气,冷却后的压缩空气存储于储 气装置。压缩过程和发电过程组成了一个完整且具有扩展接口的循环过程,完成了由电 能一一压缩空气内势能和导热工质热能一一电能的转换过程,利用加压系统对储热器加 压,提高导热工质的沸点,从而提高储热能力,等量的导热工质存储更多的热能,对压缩空 气的加热能力也提高,具有结构简单、储热效果好、造价低的优点。对比现在常用的高温导 热油、相变工质以及其他固体储热形式,该系统中采用水作为冷却介质,成本低廉,且不污 染环境,系统可操作性强,运行可靠。该系统可以通过储热器、预热器在任何工况下回收利 用工业余热、废光热等热源,摒弃了天然气补燃的方式,实现了零排放的效果。进一步的,也 可以在任何工况下采用储冷器、再冷器回收工业余冷、LNG工业废冷等冷源。
附图说明
[0038]图1为本发明冷-热-电联供压缩空气储能系统的结构连接图;
[0039]图中,1:压缩机组;2:冷却器;3:储气装置;4:回热器;5:透平机组;6:储冷器;7:储 热器;8:预冷器;9:加压系统;10:再冷器;11:预热器。
具体实施方式
[0040]下面结合附图和头施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
[0041]如图1所示,本发明冷-热-电压缩空气储能系统,其包括:压缩机组丨、储气装置3、 透平机组5、预冷器8、再冷器10、预热器11和导热工质循环,导热工质循环包括冷却器2、回 热器4、储冷器6、储热器7和加压系统9;压缩机组1利用电能将空气压缩成高压状态的压缩 空气,储气装置3的进气口与压缩机组1的出气口连接,储气装置3储存压缩机组丨压缩的空 气;储气装置3的出口与透平机组5连接,为透平发电机组5发电提供压缩空气。冷却器2、储 热器7、回热器4和储冷器6依次连接,储冷器6导热工质出口与冷却器2导热工质入口连接; 储冷器6和储热器7分别储存低温和高温导热工质;冷却器2设在储气装置3进气口前•,压_ 机组1出气口后,压缩机组1工作时,低温导热工质由储冷器6进入冷却器2,冷却器2利用低 温导热工质至少部分回收压缩机组1压缩空气产生的热量,低温导热工质温度升高,进人储 热器7;回热器4设在储气装置3出气口后,透平机组5进气口前,透平机组5工作日寸,°高温导 工质由储热器7进入回热器4,回热器4利用尚温导热工质加热储气装置3释放的压缩空'气. 加压系统9与储热器6连接,为储热器6加压,使储热装置6内的压力升高.例如 为水时,优选的,加压系统9维持储热装置6内部的压力为0.1〜3MPa。 ^ ’ ^ 入
[0042]在电网负荷低谷或风、光电无法并网时,开始空气压缩,电机驱动压缩机组i压缩 空气产生压缩空气,并通过管路将其储存到储气装置3中;同时,冷却器2利用低温导热工质 至少回收部分压缩机组1压缩空气时产生的热量,导热工质吸热升温,产生的高温导^工质 储存在储热器7中。
[0043]在电网负荷尖峰或出现临时供电需求时,开始透平发电,储气装置3放出压缩空 气,高温导热工质由储热器7进入回热器4,回热器4利用高温导热工质加热储气装置3放出 的压缩空气,导热工质放热降温,产生的低温导热工质储存在储冷器6中;同时,压缩空气吸 热升温,热的压缩空气进入透平机组5膨胀做功,透平机组5驱动发电机对外输出电力。
[0044] 在有供冷需求时,储冷器6通过换热器向外供冷。
[0045] 在有供热需求时,储热器7通过换热器向外供热。
[0046] 进一步,在空气压缩过程中,可利用再冷器10辅助或者取代冷却器2对压缩机组1 产生的压缩空气进行降温,再冷器11的冷源可为环境废冷、工业余冷等。
[0047] 进一步,在透平发电过程中,可利用预热器11辅助或者取代回热器4对储气装置3 释放的压缩空气进行加热,预热器11的热源可为环境废热、工业余热或太阳能光热等。
[0048] 进一步,利用加压系统9对储热器7加压,储热器6内部的压力升高,导热工质的沸 点升高,导热工质的储热能力增强;导热工质温度高,用高温导热工质加热空气,被加热的 压缩空气的温度升高,等量空气能量密度增大,发电效率提高,能够有效提高电能的转化 率。
[0049] 进一步的,加压系统7还与储冷器6连接,为储冷器6加压。储冷器6为冷却器2提供 加压的低温导热工质,导热工质储热能力提高。优选储冷器6的压力与储热器7的压力相同, 使整个导热工质回路各处的压力平衡。
[0050] 进一步的,压缩机组1包括至少一台压缩机和相应的驱动电机,压缩机的进气口与 大气连接,其出气口与储气装置连接;驱动电机利用彳氐谷电、弃1风电、弃水电、弃1光电等乘1】 余电能驱动压缩机压缩空气。压缩机组1也可以采用多个压缩机与驱动电机的串联、并联或 其他组合方式。 _
[0051] 进一步的,压缩机组1设有压缩机控制系统,根据需要实现特定工况的控制和运 转,使系统的效率提高。
[0052] 进一步的,透平机组5包括至少一台空气膨胀透平和一台发电机,空气膨胀透平进 气口与储气装置3出气口连接,经过换热器11及回热器4加热的压缩空气流入空气膨胀透 平;空气膨胀透平利用加热的压缩空气驱动发电机发电,并向外供电。
[0053] 进一步的,透平发电机组设有透平控制系统,实现特定工况的控制和运转,使系统 的效率提闻。
[0054] 上述实施例所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,在用电低谷和弃水、风、尤 时,消耗电能,能量以空气势能和导热工质热能的形式分别储存在储气装置和储热器中;在 用电高峰或其他用电需求时,输出电能,储热器储存的热能通过回热器赋予压缩空气,驱动 透平发电机组实现电力再生。采用加压系统对储热器和储冷器加压,提高导热工质的沸点, 导热工质储能密度提高,储热器最高温度提高;储存在储热装置中的导热工质温度高,加热 空气的能力增强,被加热的压缩空气能量密度增大,驱动透平的能力提高,发电效率提高, 提高电能一电能的转化率。储热器和储冷器直接对外界取热和取冷,或者供热和供冷,增加 了系统的灵活性和用途。同时,还可采用环境余冷、工业废冷作为压缩机组排气降温的冷 源,采用环境余热、废热和太阳能作为透平机组进气加热的热源,达到节能减排的效果。
[0055] 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 (25)

1. 一种回冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,其包括:压缩机组、储气装置、 透平机组、回冷器、预热器、再冷器和导热工质循环系统; 所述导热工质循环系统包括冷却器、储热器、回热器、储冷器和加压系统,以及存在于 循环系统内的导热工质。所述冷却器、储热器、回热器和储冷器的所述导热工质侧管系依次 连接;所述储冷器导热工质出口与所述冷却器导热工质入口连接;所述加压系统与所述储 热器、储冷器连接; 所述回冷器高温侧进气口与大气连接;所述回冷器高温侧排气口与所述压缩机组进气 口连接;所述压缩机组、冷却器、再冷器、储气装置、预热器、回热器、透平机组、储冷器的空 气侧管系依次连接;所述储冷器排气口与所述回冷器低温侧进气口连接;所述回冷器低温 侧排气口与大气连接。
2. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述压缩机组出 气口与所述储气装置的进气口通过所述冷却器、再冷器气侧通道连接;空气经所述压缩机 组压缩后经所述冷却器、再冷器降温后储存于所述储气装置。
3. 如权利要求2所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述压缩机组包 括至少一台压缩机和相应的压缩机驱动装置,所述驱动装置利用电能驱动所述压缩机压缩 空气。
4. 如权利要求3所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述的压缩机组 设有控制系统,实现所需工况的控制和运转。
5. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述储气装置的 出气口与所述透平机组入气口通过所述预热器、回热器气侧通道连接;压缩空气经所述储 气装置释放后经所述预热器、回热器加热后进入所述透平机组。
6. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述透平机组包 括至少一台透平机和相应的发电机;所述透平机利用压缩空气膨胀做功驱动发电装置发 电;所述透平机的出气口与所述储冷器、回冷器连接,其进气口与所述回热器连接。 ’ 7.如权利要求6所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述的透平发电 机组设有控制系统,实现特定工况控制和运转。
8. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述导热工质储 存于所述冷却器、储热器、回热器、储冷器构成的循环系统,以及所述加压系统中。
9. 如权利要求8所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述储热器导热 工质出口与所述回热器导热工质入口之间存在所述导热工质的驱动装置;在所述储气装置 所储空气驱动所述透平发电机组进行发电时,驱动装置将所述导热工质由所述储热器经所 述回执器与所述透平机组进气换热降温后存储于所述储冷器。
10. 如权利要求8所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述储冷器导 热工质出口与所述冷却器导热工质入口之间存在所述导热工质的驱动装置;在所述压缩机 组进行空气压缩时,驱动装置将所述导热工质由所述储冷器经所述冷却器与所述压缩机组 排气换热升温后存储于所述储热器。
11. 如权利要求8至10所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述导热 工质优选为水。
12. 如权利要求8所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述加压系统 与所述储热器、储冷器连接,为所述储热器、储冷器中的所述导热工质加压,提高所述导热 工质的沸点。
13. 如权利要求8至12所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,在所述导 热工质优选为水时,所述导热工质循环系统的优选工作压力为0 .l-3MPa。
14. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述冷却器采 用所述储冷器中低温的所述导热工质与所述压缩机组排气换热;所述低温导热工质吸收所 述压缩机组压缩空气时产生的热量并进入所述储热器;所述压缩机排气经所述冷却器冷却 后进入所述再冷器。
15. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述再冷器采 用系统外冷源对所述冷却器排气进行再次冷却。
16. 如权利要求14至15所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述再冷 器与所述冷却器可共同工作,也可由任一设备单独工作。
17. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述预热器采 用系统外热源对所述储气装置排气进行预热。
18. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述回热器采 用所述储热器中高温的所述导热工质与所述预热器后的压缩空气换热;所述高温导热工质 释放所存储热量后进入所述储冷器;所述压缩空气经所述回热器加热后进入所述透平机 组。
19. 如权利要求17至18所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述预热 器与所述回热器可共同工作,也可由任一设备单独工作。
20. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述储热器可 通过换热器对系统外供热,也可通过换热器存储系统外热源热量。
21. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述储冷器可 通过换热器对系统外供冷,也可通过换热器存储系统外冷源冷量。
22. 如权利要求1所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述压缩机组 和所述透平机组可同时工作,也可不同时工作。
23. 如权利要求22所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述压缩机组 和所述透平机组同时工作时,所述透平机组排气经所述储冷器后通过所述预冷器预冷所述 压缩机近气。
24. 如权利要求及17及20所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述系 统外热源包括环境余热、废热或者太阳能。
25. 如权利要求15及21所述的冷-热-电联供压缩空气储能系统,其特征在于,所述系统 外冷源包括环境余冷、废冷或LNG气化冷。
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