CN108953099B - 一种闭式等压压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

一种闭式等压压缩空气储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种闭式等压压缩空气储能系统及方法，包括压缩机组、电动机、高压储气室、高压储液池、膨胀机组、发电机、低压储气室和低压储液池；低压储气室的出口通过压缩机组和高压储气室的入口连通，高压储气室的出口通过膨胀机组与低压储气室的入口连通，形成封闭的回路；低压储气室和高压储气室分别通过低压输液管道和高压输液管道连接低压储液池和高压储液池；压缩机组安装有电动机；膨胀机组安装有发电机。该系统的膨胀机组的膨胀比下降，空气在每级膨胀机内得到充分的膨胀；减少了系统的复杂度且消除了传统压缩空气储能系统的节流稳压阀导致的压力损失，保证系统的压缩机组和膨胀机组能在稳定工况下运行，提高了系统的效率和经济性。

Description

一种闭式等压压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及电力储能利用领域，具体为一种闭式等压压缩空气储能系统及方法。
背景技术
中国高速发展的经济离不开能源的支撑。作为世界第一大能源消费国，中国需要加大节能减排力度，以缓解因化石燃料的大量使用导致的环境污染问题。
新能源的发展为能源的清洁利用带来希望。然而现有的风能、太阳能等清洁能源均具有一定波动性，风场很难24小时保证风量充足，夜晚太阳能电站无法发电，而且风电的波动性也导致它不能直接并网发电。
储能技术被视为解决新能源并入电网的有效技术手段。但现有的压缩空气储能系统多是采用开式循环，储能时必须把常压空气压缩至70个大气压空气进行储存，释能时将高压空气膨胀至大气压并排入大气。在相同的储气压力下，开式循环导致压缩机组的压比过高、压缩过程长、发热严重等问题，从而不得不设计复杂的冷却系统和采用多级压缩等手段来降低每级压缩机的压比，这就又出现了系统复杂、经济性低等问题；而且现有的压缩空气储能系统多采用节流阀来实现高压储气罐出口空气压力的稳定，这会造成很大的节流损失，降低系统经济性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种闭式等压压缩空气储能系统及方法，设计合理，系统简单，压缩空气储能系统节流稳压时损失小，造价较低，系统效率高。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种闭式等压压缩空气储能系统，包括压缩机组、电动机、高压储气室、高压储液池、膨胀机组、发电机、低压储气室和低压储液池；低压储气室的出口通过压缩机组和高压储气室的入口连通，高压储气室的出口通过膨胀机组与低压储气室的入口连通，形成封闭的回路；所述的低压储气室和高压储气室分别通过低压输液管道和高压输液管道连接低压储液池和高压储液池；所述的压缩机组安装有电动机；所述的膨胀机组安装有发电机。
优选的，所述的低压储气室的入口通过排气管道与膨胀机组的出口连通，膨胀机组的入口连通放气管道与高压储气室的出口连通，高压储气室的入口通过储气管道与压缩机组的出口连通，压缩机组的入口通过进气管道与低压储气室的出口连通。
进一步，所述的进气管道、储气管道、放气管道和排气管道上分别设置有进气阀、储气阀、放气阀和排气阀。
优选的，所述的压缩机组由单级或多级压缩机串联而成，多级压缩机级间设置有级间冷却器，所述的膨胀机组由单级或多级膨胀机串联组成，膨胀机组的进口前设置有进气加热器，多级膨胀机级间设置有级间加热器。
进一步，所述的级间冷却器的冷却介质采用水；所述的级间加热器的加热介质热源采用太阳能加热、工业余热或者燃料加热。
优选的，所述的低压储气室和高压储气室分别采用两个独立洞穴，或者采用将一个洞穴隔成两部分。
进一步，所述的低压储液池和高压储液池内储存的液体密度不同，所述的低压储气室和高压储气室内储存的气体压力由洞穴深度H，高压储液池内的液体密度ρ1，低压储液池内的液体密度ρ2以及当地重力加速度g决定；高压储气室内储存的气体压力恒等于ρ1gH，低压储气室内储存的气体压力恒等于ρ2gH。
优选的，所述的低压储气室和高压储气室的内部喷涂有密封材料。
一种闭式等压压缩空气储能方法，采用上述的任意一种系统，其包括如下步骤：
步骤1，初始化阶段；通过高压输液管道将高压储液池内的液体送入高压储气室内，使其充满液体；
步骤2，储能阶段；将低压储气室内的空气等压放气，通过进气管道被送入压缩机组，电动机带动压缩机组将空气压缩，压缩机组出口的空气经由储气管道被送入高压储气室，高压空气排开高压储气室内的液体被存入高压储气室；
步骤3，释能阶段；高压储气室内的高压空气等压放气，通过放气管道被送入膨胀机组，膨胀机组带动发电机发电；在空气还未膨胀到大气压力时就通过排气管道将其排入低压储气室，进行低压空气的等压充气，排开低压储气室内的液体被存入低压储气室。
优选的，所述的低压储气室和高压储气室内气液界面设置有蒸发抑制剂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过设置高压储气室和低压储气室，在相同的储气压力下降低了压缩机组的压比和膨胀机组的膨胀比，有效提高了系统效率；在高压空气没有膨胀到大气压力时就将其存入低压储气室，储能时压缩机组的入口空气压力等于低压储气室内的压力，高于大气压。故在相同的储气压力下，相比传统压缩空气储能系统，该系统的压缩机组的压比下降，提高了压缩过程的系统经济性；在释能过程中，膨胀机组的排气压力高于大气压，故在相同的储气压力下，相比传统压缩空气储能系统，该系统的膨胀机组的膨胀比下降，空气在每级膨胀机内得到充分的膨胀，系统效率得到提高；
同时，通过将高压储气室和低压储气室分别与高压和低压储液池连通，保证高压储气室和低压储气室在任何工况下均能保持恒压，即储气室内的压力始终等于液柱的压力，实现了储气室在充气和放气全工况过程中的压力稳定，无需布置节流稳压阀等稳压装置，减少了系统的复杂度且消除了传统压缩空气储能系统的节流稳压阀导致的压力损失，保证系统的压缩机组和膨胀机组能在稳定工况下运行，提高了系统的效率和经济性。
进一步的，本发明在压缩机组中每级压缩机之间都引入了级间冷却器，冷却每级压缩机出口空气，将压缩机组压缩空气过程中产生的热量回收利用，提高了系统的经济性。
进一步的，本发明在膨胀机组中每级膨胀机之前都引入了级间再热器，加热每级膨胀机入口空气，利用工业余热加热高压空气，提高了空气的做功能力，进而提高了系统效率和经济性。级间冷却器和级间加热器。
进一步的，本发明通过在进气管道、储气管道、放气管道和排气管道上分别设置有进气阀、储气阀、放气阀和排气阀，保证整个系统安全运行。
进一步的，本发明采用的低压储气室和高压储气室可以为两个独立洞穴的形式，也可以为将一个洞穴隔成两部分的形式，可以根据结合实际情况进行选择，灵活方便；而且低压储气室和高压储气室内部喷涂有密封材料，有效防止高压空气泄露至地下。
进一步的，本发明采用的储能方法，能保证整个运行过程工作在带压的封闭环境下，与大气环境完全隔离，在整个储能和释能过程中，系统未和外界发生气体交换，空气始终在系统内间歇式流动。储能时，低压储气室中的空气经由进气管道被引入压缩机组，多余的电能通过电动机带动压缩机组压缩空气，并将压缩后的空气通过储气管道存入高压储气室；释能时，高压储气室中的高压空气经由放气管道被引入膨胀机组，高压空气经由膨胀机组膨胀带动发电机发电，膨胀机组的末级经由排气管道被存入低压储气室，高压储气室和低压储气室压力始终保持不变。同时，释能过程中不再像传统压缩空气储能系统把膨胀后的空气直接排向大气，而是将排气储存至低压储气室。高压储液池和低压储液池在储气和放气时均可保证背压等于液柱的压力，确保压缩机对高压储气室的等压充气和膨胀机向低压排气室的等压排气，进而保证系统的压缩机组和膨胀机组能在稳定工况下高效率运行。
进一步的，本发明在高压储液池和低压储液池内采用不同的液体，通过改变液体的密度，可以改变高压储气室和低压储气室内气体的储存压力；同时，低压储气室和高压储气室内的气液界面设置有蒸发抑制剂，可以防止液体蒸发混入空气。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图中：压缩机组1，电动机2，级间冷却器3，储气阀4，储气管道5，高压储气室6，高压输液管道7，高压储液池8，放气管道9，放气阀10，级间再热器11，膨胀机组12，发电机13，排气阀14，排气管道15，低压储气室16，低压输液管道17，低压储液池18，进气管道19，进气阀20，蒸发抑制剂21。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本发明一种闭式等压压缩空气储能系统，如图1所示，包括由电动机2带动的压缩机组1、由膨胀机组12驱动的发电机13、高压储气室6、高压储液池8及连通高压储气室6和高压储液池8的高压输液管道7、低压储气室16、低压储液池18及连通低压储气室16和低压储液池18的低压输液管道17；
所述的低压储气室16的入口经由排气管道15连接至膨胀机组12的出口，低压储气室16的出口经由进气管道19连接至压缩机组1入口。高压储气室6的入口经由储气管道5连接至压缩机组1出口，高压储气室6的出口经由放气管道9连接至膨胀机组12入口；所述的进气管道19、储气管道5、放气管道9和排气管道15上分别设置有进气阀20、储气阀4、放气阀10和排气阀14；
所述的压缩机组1由单级或多级压缩机串联组成，多级压缩机级间设置有级间冷却器3；膨胀机组12由单级或多级膨胀机串联组成，单级膨胀机和多级膨胀机的进口前均设置有进气加热器，多级膨胀机级间设置有级间加热器11。
在实际应用中，通过高压输液管道7将高压储液池8内的液体送入高压储气室6内，使其充满含有蒸发抑制剂21的液体；储能时，打开进气阀20和储气阀4，低压储气室16中的空气经由进气管道19被引入压缩机组1，多余的电能通过电动机2带动压缩机组1压缩空气，并将压缩后的空气通过储气管道5存入高压储气室6；释能时，打开放气阀10和排气阀14，高压储气室6中的高压空气经由放气管道9被引入膨胀机组12，高压空气经由膨胀机组12膨胀带动发电机13发电，膨胀机组12的末级经由排气管道15被存入低压储气室16，高压储气室6和低压储气室16压力始终保持不变；在整个储能和释能过程中，系统未和外界发生气体交换，空气始终在系统内间歇式流动。
其中，低压储液池18和高压储液池8储存的气体压力由洞穴深度H，高压储液池8内的液体密度ρ1，低压储液池18内液体的密度ρ2，以及当地重力加速度g决定；高压储气室6内储存的气体压力可视为恒等于ρ1gH，低压储气室16内储存的气体压力可视为恒等于ρ2gH。
其中，压缩机组1可以由多级压缩机串联而成，串联的压缩机的台数依据储气压力和进气压力确定；膨胀机组12可以由多级膨胀机串联而成，串联的膨胀机的台数依据储气压力和排气压力确定。
本发明中的低压和高压都是相对概念，即高压、低压和大气压是依次降低的，具体的压力设定可以根据需求，以及实际储气室和储液池的条件，以及液体的密度进行调整和配置。
实施例2
本发明一种闭式等压压缩空气储能方法，包括以下几个步骤：
步骤1，储能前：
由于高压储气室6通过高压输液管道7与高压储液池连8通，而储能开始前高压储气室6内没有储存空气，故此时高压储气室6内充满液体。
步骤2，储能阶段：
打开进气阀20和储气阀4。低压储气室16内的空气被送入压缩机组1，电动机2带动压缩机组1将空气压缩，压缩机组1出口的空气经由储气管道5被送入高压储气室6，高压气体排开高压储气室6内的液体被存入高压储气室6。此过程高压储气室6内的压力可近似认为等于液柱产生的压力，由于液柱高度相对变化不大，此过程可认为是等压过程。
步骤3，释能阶段：
打开放气阀10和排气阀14。高压储气室6内的空气被送入膨胀机组12，膨胀机组12带动发电机13发电。在空气还未膨胀到大气压力时就通过排气管道15将其排入低压储气室16，此时低压储气室16内的压力可认为等于液柱产生的压力，由于液柱高度相对变化不大，此过程依然是等压过程。

Claims (8)

1.一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：包括压缩机组(1)、电动机(2)、高压储气室(6)、高压储液池(8)、膨胀机组(12)、发电机(13)、低压储气室(16)和低压储液池(18)；低压储气室(16)的出口通过压缩机组(1)和高压储气室(6)的入口连通，高压储气室(6)的出口通过膨胀机组(12)与低压储气室(16)的入口连通，形成封闭的回路；所述的低压储气室(16)和高压储气室(6)分别通过低压输液管道(17)和高压输液管道(7)连接低压储液池(18)和高压储液池(8)；所述的压缩机组(1)安装有电动机(2)；所述的膨胀机组(12)安装有发电机(13)；
所述的压缩机组(1)由单级或多级压缩机串联而成，多级压缩机级间设置有级间冷却器，级间冷却器(3)的冷却介质采用水；
所述的低压储气室(16)和高压储气室(6)采用将一个洞穴隔成两部分；低压储液池和高压储液池内储存的液体密度不同，所述的低压储气室和高压储气室内储存的气体压力由洞穴深度H，高压储液池内的液体密度ρ1，低压储液池内的液体密度ρ2以及当地重力加速度g决定；高压储气室内储存的气体压力恒等于ρ1gH，低压储气室内储存的气体压力恒等于ρ2gH。
2.根据权利要求1所述的一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述的低压储气室(16)的入口通过排气管道(15)与膨胀机组(12)的出口连通，膨胀机组(12)的入口连通放气管道(9)与高压储气室(6)的出口连通，高压储气室(6)的入口通过储气管道(5)与压缩机组(1)的出口连通，压缩机组(1)的入口通过进气管道(19)与低压储气室(16)的出口连通。
3.根据权利要求2所述的一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述的进气管道(19)、储气管道(5)、放气管道(9)和排气管道(15)上分别设置有进气阀(20)、储气阀(4)、放气阀(10)和排气阀(14)。
4.根据权利要求1所述的一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述的膨胀机组(12)由单级或多级膨胀机串联组成，膨胀机组(12)的进口前设置有进气加热器，多级膨胀机级间设置有级间加热器(11)。
5.根据权利要求4所述的一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述的级间加热器(11)的加热介质热源采用太阳能加热、工业余热或者燃料加热。
6.根据权利要求1所述的一种闭式等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述的低压储气室(16)和高压储气室(6)的内部喷涂有密封材料。
7.一种闭式等压压缩空气储能方法，采用如权利要求1-6所述的任意一种系统，其包括如下步骤：
步骤1，初始化阶段；通过高压输液管道(7)将高压储液池(8)内的液体送入高压储气室(6)内，使其充满液体；
步骤2，储能阶段；将低压储气室(16)内的空气等压放气，通过进气管道(19)被送入压缩机组(1)，电动机(2)带动压缩机组(1)将空气压缩，压缩机组(1)出口的空气经由储气管道(5)被送入高压储气室(6)，高压空气排开高压储气室(6)内的液体被存入高压储气室(6)；
步骤3，释能阶段；高压储气室(6)内的高压空气等压放气，通过放气管道(9)被送入膨胀机组(12)，膨胀机组(12)带动发电机(13)发电；在空气还未膨胀到大气压力时就通过排气管道(15)将其排入低压储气室(16)，进行低压空气的等压充气，排开低压储气室(6)内的液体被存入低压储气室(16)。
8.根据权利要求7所述的一种闭式等压压缩空气储能方法，其特征在于：所述的低压储气室(16)和高压储气室(6)内气液界面设置有蒸发抑制剂(21)。
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