CN108591027A - 一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其包括：压缩机组、换热器、控制装置、储气罐、蓄冷回热器、减压阀、储液罐、液态泵和膨胀机组，该储能系统能在满足大规模电能存储需求的前提下，既避免大型压缩空气储能系统采用人工储罐的高成本问题，又避免液态压缩空气储能系统储能效率相对偏低和系统释能响应较慢的缺点。

Description

一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及压缩空气储能技术领域，特别是涉及一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统。
背景技术
压缩空气储能技术是指在用电低谷时利用电网上的富裕电力或者风能、太阳能等不稳定的新能源电力来压缩空气，并将压缩后的高压空气进行密封存储起来，在电能需求高峰时，将高压空气释放并推动空气透平带动发电机发电，以达到电能存储的目的。现有的压缩空气储能系统中，通常将压缩后的高压空气存储在地下储气室或者人工储气罐中进行存储，并在需要的时候进行能量释放，以利用储存能量对电网实现削峰填谷的效果。
地下储气室主要采用天然的洞穴作为高压空气存储的装置，其具有造价低廉、储气容量大的优点，主要应用于大型压缩空气储能系统。但是天然洞穴主要存在于特定的地质环境中，地下储气室需要选择特定的地理环境，因此应用地下储气室的大型压缩空气储能电站的建设主要受到地理因素的影响和限制。电网电能使用峰谷差较大且需要进行电能存储的地区主要集中在发达地区，而这些发达地区的地理环境往往较为平坦，缺乏天然的洞穴作为现成的储气室。并且，天然洞穴的密封性较差，由于地质的原因，必然存在高压空气泄露的情况。因此，以天然洞穴作为储气室的大型压缩空气储能电站，其储气室的储气压力会随着储存时间的推移而降低，这样会缩短电能存储的时长，缩短系统运行时间。
人工储气罐制造方便，作为高压空气的存储装置不受地理因素的限制，并且具有较高的存储压力，但是储气容量相对较小，而且造价成本较高。若进行大型压缩空气储能电站的储气装置，必然需要采用多个大型的人工储气罐联合进行空气存储，以满足大规模电能存储的需求，但是这也大大增加了储能电站的建设成本，而成本问题也是目前限制压缩空气储能系统发展的重要因素。
现有技术中为了避免大型储气装置对压缩空气储能系统的限制，一种液态压缩空气储能系统被提出，采用液态空气储罐代替大型的储气装置，使得压缩空气储能系统的储能密度大大增加，并且摆脱了大型储气装置对储能系统的限制。但是，这种液态的压缩空气储能系统增加了空气液化环节和液态泵，使得液态压缩空气储能系统的储能效率低于一般的气态压缩空气储能系统。而且液态压缩空气储能系统在储能过程需要将高压空气液化为液态空气进行存储，在释能过程中需要液态罐中的液态空气先吸热汽化后再进行膨胀做功，因此液态压缩空气储能系统的释能响应速度要远远低于气态压缩空气储能系统。
因此，本领域技术人员亟需一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统，以使大型压缩空气储能系统摆脱大型储气装置对储能系统的限制，提高液态压缩空气储能系统的释能响应速度和储能效率。
发明内容
本发明提供一种利用气/液两种状态压缩空气的大型电能存储系统，摆脱现有技术流行的压缩空气储能系统的一系列弊端：1)采用天然洞穴的大型压缩空气储能系统受到地理因素的限制且存在密封困难；2)采用人工储气罐的大型压缩空气储能系统建设成本较高；3)液态压缩空气储能系统的储能效率低于气态存储的压缩空气储能系统，且释能响应速度远远低于气态压缩空气储能系统。
本发明提供一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其包括：压缩机组、换热器、控制装置、储气罐、蓄冷回热器、减压阀、储液罐、液态泵和膨胀机组；
所述换热器包括：第一换热器和第二换热器；
所述控制装置包括：第一控制装置和第二控制装置；
所述蓄冷回热器包括：第一蓄冷回热器和第二蓄冷回热器；
所述压缩机组的另一端连接所述第一换热器的一端，所述第一换热器的另一端连接所述第一控制装置的一端；
所述第一控制装置的另一端中的一路连接所述储气罐的一端，所述储气罐的另一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器的另一端，所述第二换热器的一端连接所述膨胀机组的另一端；
所述第一控制装置的另一端中的另一路连接所述第一蓄冷回热器的一端，所述第一蓄冷回热器的另一端连接所述减压阀的一端，所述减压阀的另一端连接所述储液罐的一端，所述储液罐的另一端连接所述液态泵的另一端，所述液态泵的一端连接所述第二蓄冷回热器的另一端，所述第二蓄冷回热器的一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器的另一端，所述第二换热器的一端连接所述膨胀机组的另一端。
优选地，所述第一换热器和所述第二换热器之间设置有热量储罐，所述第一换热器连接所述热量储罐的一端，所述热量储罐的另一端连接所述第二换热器，所述换热器利用导热油将热量导入到所述热量储罐中进行热量存储或者将所述热量储罐中热量导出。
优选地，所述第一蓄冷回热器和所述第二蓄冷回热器之间设置有冷量储罐，所述第一蓄冷回热器连接所述冷量储罐的一端，所述冷量储罐的另一端连接所述第二蓄冷回热器，所述蓄冷回热器用于吸收冷量存储在所述冷量储罐中或者将所述冷量储罐中的冷量释放。
优选地，所述第一控制装置和所述第二控制装置均包括三通管道和三个控制阀，可调控压缩气体分别进入所述储气罐或者所述储液罐中；或者选择从所述储气罐或所述储液罐中释放压缩气体。
优选地，所述压缩机组由多级压缩机组成，每级压缩机之间设有所述第一换热器作为级间冷却器，并利用导热油将高压空气的级间热量导入到所述热量储罐中进行热量存储。
优选地，所述膨胀机组由多级膨胀机组成，每级膨胀机之间设置有所述第二换热器作为级间再热器，利用导热油将所述热量储罐中的热量导出加热高压空气。
优选地，所述储气罐为人工储气罐；储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器冷却到常温后进入所述储气罐中存储；释能时，所述储气罐中的高压空气利用所述第二换热器加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
优选地，所述储液罐为人工储液罐；储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器冷却后进入所述第一蓄冷回热器中吸收所述冷量储罐中的冷量，将高压空气降低到低温状态，再经过所述减压阀减压液化为液态空气并存储在所述储液罐中；释能时，所述储液罐中的液态空气经过所述液态泵加压到高压状态，经过在所述第二蓄冷回热器中释放冷量，将液态空气汽化为气态高压空气，所述第二蓄冷回热器将吸收的冷量存储在所述冷量储罐中，高压空气利用所述第二换热器加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
本发明的有益效果为：
该气/液双状态大型压缩空气储能系统以气态储气装置和液态储气装置相互结合的方式进行存储，两者互相取长补短。利用液态储罐的高储能密度特性弥补气态储罐储能密度较低的不足，能够解决纯气态存储的大型储气罐高成本问题和天然储气室的地理限制；利用小型储气装置的快速响应特性和储能效率高于纯液态存储储能效率的优点，以弥补纯液态空气存储的释能响应速度较低和储能效率低于纯气态空气存储的缺点。
该储能系统能在满足大规模电能存储需求的前提下，既避免大型压缩空气储能系统采用人工储罐的高成本问题，又避免液态压缩空气储能系统储能效率相对偏低和系统释能响应较慢的缺点。
附图说明
图1是本发明的气/液双状态的大型压缩空气储能系统的结构示意图；
图2是本发明的气/液双状态的大型压缩空气储能系统的四级压缩-四级膨胀状态的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其包括：压缩机组、换热器、控制装置、储气罐3、蓄冷回热器、减压阀9、储液罐10、液态泵11和膨胀机组；
所述换热器包括：第一换热器2和第二换热器5；
所述控制装置包括：第一控制装置和第二控制装置；
所述蓄冷回热器包括：第一蓄冷回热器8和第二蓄冷回热器12；
所述压缩机组的另一端连接所述第一换热器2的一端，所述第一换热器2的另一端连接所述第一控制装置的一端；
所述第一控制装置的另一端中的一路连接所述储气罐3的一端，所述储气罐3的另一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器5的另一端，所述第二换热器5的一端连接所述膨胀机组的另一端；
所述第一控制装置的另一端中的另一路连接所述第一蓄冷回热器8的一端，所述第一蓄冷回热器8的另一端连接所述减压阀9的一端，所述减压阀9的另一端连接所述储液罐10的一端，所述储液罐10的另一端连接所述液态泵11的另一端，所述液态泵11的一端连接所述第二蓄冷回热器12的另一端，所述第二蓄冷回热器12的一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器5的另一端，所述第二换热器5的一端连接所述膨胀机组的另一端。
所述第一换热器2和所述第二换热器5之间设置有热量储罐4，所述第一换热器2连接所述热量储罐4的一端，所述热量储罐4的另一端连接所述第二换热器5，所述换热器利用导热油将热量导入到所述热量储罐4中进行热量存储或者将所述热量储罐4中热量导出。
所述第一蓄冷回热器8和所述第二蓄冷回热器12之间设置有冷量储罐7，所述第一蓄冷回热器8连接所述冷量储罐7的一端，所述冷量储罐7的另一端连接所述第二蓄冷回热器12，所述蓄冷回热器用于吸收冷量存储在所述冷量储罐7中或将所述冷量储罐7中的冷量释放。
所述第一控制装置和所述第二控制装置均包括三通管道和三个控制阀13，可调控压缩气体分别进入所述储气罐3或者所述储液罐10中；或者选择从所述储气罐3或所述储液罐10中释放压缩气体。
所述压缩机组由多级压缩机1组成，每级压缩机1之间设有所述第一换热器2作为级间冷却器，并利用导热油将高压空气的级间热量导入到所述热量储罐4中进行热量存储。
所述膨胀机组由多级膨胀机6组成，每级膨胀机6之间设置有所述第二换热器5作为级间再热器，利用导热油将所述热量储罐4中的热量导出加热高压空气。
所述储气罐3为人工储气罐，储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器2冷却到常温后进入所述储气罐3中存储；释能时，所述储气罐3中的高压空气利用所述第二换热器5加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
所述储液罐10为人工储液罐；储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器2冷却后进入所述第一蓄冷回热器8中吸收所述冷量储罐7中的冷量，将高压空气降低到低温状态，再经过所述减压阀9减压液化为液态空气并存储在所述储液罐10中；释能时，所述储液罐10中的液态空气经过所述液态泵11加压到高压状态，经过在所述第二蓄冷回热器12中释放冷量，将液态空气汽化为气态高压空气，所述第二蓄冷回热器12将吸收的冷量存储在所述冷量储罐7中，高压空气利用所述第二换热器5加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
如图2所示，以一种四级压缩-四级膨胀的气/液双状态的大型压缩空气储能系统作为第二实施例，对具体实施方式说明。
在储能阶段时：
1)若需要存储的电能较少，或者在用电低谷的时长较短，这样并不需要较大储气装置，可以直接利用四级压缩机组将空气压缩到高压状态存储在气态储气罐中；
2)若需要存储的电能较多，或者在用电低谷的时间较长，需要进行长时间的电能存储，则需要先利用四级压缩机组将空气压缩到高压状态，并将高压空气压入储气罐中，因为储气罐的储气量有限，当储气罐内存储的空气储满时，则将其余的高压空气通入到蓄冷回热器中，吸收冷量后经过减压阀液化为液态空气存储在液态罐中，因为液态罐的储能密度较大，可以存储大量的电能。
在释能阶段时：
1)当电网出现电能需求大于供应时，需要由压缩空气储能系统及时进行电能释放，可以将储气罐中的高压空气进行释放，通过四级膨胀机组进行膨胀做功，为电网及时提供电能。气态存储装置的快速响应特性能够在电网用电高峰时及时释放电能，保证电网的稳定性。
2)因为气态储气罐储存的高压空气有限，释能时长较短。当储气罐中的高压空气快要不足时，液态储气装置及时启动，继续作为动力源推动四级膨胀机做功。
压缩空气采用气态存储与液态存储相耦合的方式，这样不仅能够保证有足够多的电能供应，也弥补了液态储气装置释能响应较慢的缺点，而且使液态压缩空气储能系统的储能效率相对提高了。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于，包括：压缩机组、换热器、控制装置、储气罐、蓄冷回热器、减压阀、储液罐、液态泵和膨胀机组；
所述换热器包括：第一换热器和第二换热器；
所述控制装置包括：第一控制装置和第二控制装置；
所述蓄冷回热器包括：第一蓄冷回热器和第二蓄冷回热器；
所述压缩机组的另一端连接所述第一换热器的一端，所述第一换热器的另一端连接所述第一控制装置的一端；
所述第一控制装置的另一端中的一路连接所述储气罐的一端，所述储气罐的另一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器的另一端，所述第二换热器的一端连接所述膨胀机组的另一端；
所述第一控制装置的另一端中的另一路连接所述第一蓄冷回热器的一端，所述第一蓄冷回热器的另一端连接所述减压阀的一端，所述减压阀的另一端连接所述储液罐的一端，所述储液罐的另一端连接所述液态泵的另一端，所述液态泵的一端连接所述第二蓄冷回热器的另一端，所述第二蓄冷回热器的一端连接所述第二控制装置的另一端，所述第二控制装置的一端连接所述第二换热器的另一端，所述第二换热器的一端连接所述膨胀机组的另一端。
2.根据权利要求1所述的气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述第一换热器和所述第二换热器之间设置有热量储罐，所述第一换热器连接所述热量储罐的一端，所述热量储罐的另一端连接所述第二换热器，所述换热器利用导热油将热量导入到所述热量储罐中进行热量存储或者将所述热量储罐中热量导出。
3.根据权利要求1所述的气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述第一蓄冷回热器和所述第二蓄冷回热器之间设置有冷量储罐，所述第一蓄冷回热器连接所述冷量储罐的一端，所述冷量储罐的另一端连接所述第二蓄冷回热器，所述蓄冷回热器用于吸收冷量存储在所述冷量储罐中或者将所述冷量储罐中的冷量释放。
4.根据权利要求1所述的气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述第一控制装置和所述第二控制装置均包括三通管道和三个控制阀，可调控压缩气体分别进入所述储气罐或者所述储液罐中；或者选择从所述储气罐或所述储液罐中释放压缩气体。
5.根据权利要求1-4之一的所述气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩机组由多级压缩机组成，每级压缩机之间设有所述第一换热器作为级间冷却器，并利用导热油将高压空气的级间热量导入到所述热量储罐中进行热量存储。
6.根据权利要求1-4之一的所述气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述膨胀机组由多级膨胀机组成，每级膨胀机之间设置有所述第二换热器作为级间再热器，利用导热油将所述热量储罐中的热量导出加热高压空气。
7.根据权利要求1-4之一的所述气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储气罐为人工储气罐；储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器冷却到常温后进入所述储气罐中存储；释能时，所述储气罐中的高压空气利用所述第二换热器加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
8.根据权利要求1-4之一的所述气/液双状态的大型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储液罐为人工储液罐；储能时，经过所述压缩机组压缩的高压空气利用所述第一换热器冷却后进入所述第一蓄冷回热器中吸收所述冷量储罐中的冷量，将高压空气降低到低温状态，再经过所述减压阀减压液化为液态空气并存储在所述储液罐中；释能时，所述储液罐中的液态空气经过所述液态泵加压到高压状态，经过在所述第二蓄冷回热器中释放冷量，将液态空气汽化为气态高压空气，所述第二蓄冷回热器将吸收的冷量存储在所述冷量储罐中，高压空气利用所述第二换热器加热后直接进入所述膨胀机组中膨胀做功。
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