CN108953121B - 自回压恒压压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自回压恒压压缩空气储能系统及方法，包括能量储存回路和能量释放回路，能量储存回路包括主路和支路，所述主路和支路均包括低压压缩机，主路的低压压缩机连接高压压缩机，高压压缩机出口与储气/储水罐连接，储气/水罐与水轮机连接，水轮机通过机械传动装置带动支路低压压缩机，支路的低压压缩机出口与主路的低压压缩机出口混合，构成能量储存回路；储气/储水罐与高压膨胀机连接，高压膨胀机出口分两个管路，主管路连接低压膨胀机，支管路连接第二低压膨胀机之后，第二低压膨胀机通过机械传动装置连接水泵，水泵连接至所述储气/储水罐，构成能量释放回路。

Description

自回压恒压压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自回压恒压压缩空气储能系统及方法。

背景技术

能源是现代工业的基础。随着世界范围内能源消费的快速增长，传统化石燃料资源面临枯竭，并带来了严重的环境问题。因而，近年来我国以风电、光伏为代表的可再生能源发电产业增长迅猛。由于风、光电具有间歇性、波动性和随机性，大规模的并网会严重影响电网的稳定性和安全性，弃风、弃光现象也日益突出。为解决上述问题，合理的发展储能技术是关键。目前，商业化的大规模物理储能技术仅有抽水蓄能和压缩空气储能两种。抽水蓄能选址受地理条件和水资源严重制约(需建造具有高差的两个水库或水坝)，甚至有可能影响区域生态环境。相比之下，压缩空气储能可根据容量采用地下盐穴、岩洞、废弃矿井或地上容器、管道储气，且可靠性高、单位造价低，极具发展潜力。

常规压缩空气储能系统的储气室容量固定，在储能阶段，储气室内压力逐渐升高，空气压缩机连续变工况运行使得压缩效率较低，而在释能阶段，膨胀机入口压力持续降低，连续变工况运行同样会使得膨胀机效率低下。因而，常规压缩空气储能系统一般使用节流阀将压缩空气减压至预设压力后再进入膨胀机做功，这会浪费大量压力能。为解决上述弊端，恒压压缩空气储能系统应运而生。恒压压缩空气储能系统通过改变储气容积保持压缩空气压力恒定，从而使压缩机和膨胀机始终工作在额定工况，从而有效提高系统电-电效率。恒压压缩空气储能系统通常利用水的静压或者泵压维持储气室内压力恒定，需要有大量可重复使用的水资源，在储能阶段，储气室排出的高压水的压力能难以有效利用，会损失一部分水压力能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种自回压恒压压缩空气储能系统及方法，本发明能够克服现有恒压压缩空气储能技术的不足，通过布置在居民区、写字楼等用户侧，与建筑供水系统相结合，利用泵压调节储气罐中的压力，并在储能阶段回收排水高压压力能生产压缩空气，在释能阶段利用透平泵产生进入储气/储水罐中的高压水，从而实现系统内压力自维持，提高系统效率。此外，该系统还有运行简单，占地面积小，安全性高，改善供水系统能优势。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种自回压恒压压缩空气储能系统，包括能量储存回路和能量释放回路，其中：

所述能量储存回路包括主路和支路，所述主路和支路均包括低压压缩机，主路的低压压缩机连接高压压缩机，高压压缩机出口与储气/储水罐连接，储气/水罐与水轮机连接，水轮机通过机械传动装置带动支路低压压缩机，支路的低压压缩机出口与主路的低压压缩机出口混合，构成能量储存回路；

所述储气/储水罐与高压膨胀机连接，高压膨胀机出口分两个管路，主管路连接低压膨胀机，支管路连接第二低压膨胀机之后，第二低压膨胀机通过机械传动装置连接水泵，水泵连接至所述储气/储水罐，构成能量释放回路。

进一步的，所述能量储存回路中的空气依次经过低压空气压缩机、高压空气压缩机，变成高压可存储的压缩空气，压缩空气压入储气/储水罐中，储气/储水罐中的高压水，被排出并推动水轮机转动，水轮机通过机械传动装置带动支路的低压压缩机旋转压缩空气，压缩后的空气与主路的低压空气压缩机出口空气混合。

进一步的，所述压缩空气经过高压膨胀机，高压膨胀机出口空气分为两股，主路气流继续推动低压膨胀机做功发电；支路气流推动另一支路低压膨胀机转动，低压膨胀机通过机械传动装置连接水泵。

进一步的，所述水轮机的出口通过水管束流入蓄能气罐，蓄能气罐的出口接入供水管网。

进一步的，所述能量储存回路和能量释放回路中传输空气的管路上均设置有阀门。

进一步的，所述能量储存回路和能量释放回路中传输液体的管路上均设置有回止阀。

进一步的，所述低压空气压缩机和高压空气压缩机之间设置有换热器，所述高压空气压缩机与储气/储水罐之间设置有换热器。

进一步的，所述高压膨胀机和低压膨胀机之间设置有换热器。

本发明的第二目的是提供一种自回压恒压压缩空气储能系统的工作方法，包括储能过程：

初始状态下，储气/储水罐中装满高压水，水压和压缩空气储气系统最高储气压力相同；

储能过程，关闭能量释放回路，打开能量储存回路，空气在低压压缩机升温升压，流经换热器冷却然后进入高压压缩机继续升温升压，高压压缩机出口压缩空气流经换热器冷却降温，并进入储气/储水罐内存储，储气/储水罐内的高压水推动水轮机旋转并排出，输出到供水系统管网；水轮机旋转通过机械传动装置带动低压压缩机压缩空气，压缩后的空气再通过空气管束流经换热器冷却进入高压压缩机中。

自回压恒压压缩空气储能系统的工作方法，包括释能过程，关闭能量储存回路，打开能量释放回路，储气/储水罐内的高压空气升温，进入高压膨胀机内膨胀做功发电，高压膨胀机出口中压空气流经换热器升温后，进入低压膨胀机内继续膨胀做功发电，高压膨胀机出口部分中压空气升温后进入低压膨胀机内膨胀推动膨胀机旋转后排出进入环境大气；低压膨胀机通过机械传动装置带动水泵做功，水升压后进入储气/储水罐内维持罐内恒压。

进一步的，或，初始状态，储气/储水罐中装部分体积的高压水，水压和罐内的水上面的空气压力同为储气系统最高储气压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)利用楼宇建筑物群的供水系统中的水，控制储气/储水罐内的压力恒定，使得储能/释能过程，压缩机/膨胀机都在恒压下工作，从而减小储能/释能过程中的膨胀和节流能量损失，提高了系统的储能效率。

(2)储能过程排出的高压水，推动水轮机旋转，通过机械传动装置带动支路压缩机运转，也用来压缩空气，减少了压缩空气耗功；释能过程膨胀机，通过机械传动装置，带动支路水泵运转，升高进入储气/储水罐中水的压力，减少了水泵升压水的额外耗能，提高了系统的储能效率。

(3)该储能系统结合了压缩空气储能系统和楼宇建筑物群的供水系统，储气/储水罐可以利用原有的楼宇建筑物群的供水系统的水箱，水泵可以利用原有的楼宇建筑物群的供水系统的升压泵，对环境友好，经济性较高，具有广阔的使用前景。

(4)储能系统的压缩/膨胀机都在恒压下运行，降低了变工况工作压缩机/膨胀机的寿命损耗；同时，供水系统的水泵也在定工况下工作，也降低了变频对水泵寿命的损耗，安全性、经济性较好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明第一实例自回压恒压压缩空气储能系统的结构示意图；

图2是本发明第二实例自回压恒压压缩空气储能系统的结构示意图；

其中，1、32-低压压缩机4-高压压缩机

18、22-低压膨胀机14-高压膨胀机

23、31-机械传动装置9-储气/储水罐24-水泵30-水轮机

3、6、12、16、20、34-换热器37-储能气罐

2、5、8、10、13、17、21、33-管束

25、27、28、35-管束7、11、15、19、26、29-阀门36-止回阀；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，一种自回压恒压压缩空气储能系统，其包括低压空气压缩机(1、32)，级间换热器(3、6、12、16、20、34)，高压空气压缩机4，定容储气/储水罐9，低压膨胀机(18、22)，高压膨胀机14，水泵24，水轮机30，机械传动装置(23、31)，阀门(7、11、15、19、26、29)，空气管束(2、5、8、10、13、17、21、33)，水管束(25、27、28)。

低压压缩机1经过空气管束2换热器3与高压压缩机4连通。高压压缩机4经过空气管束5换热器6阀门7及空气管束8与储气/储水罐9相连通。储气/储水罐9经水管束28阀门29与水轮机30相连通。水轮机30通过机械传动装置31连接低压压缩机32。低压压缩机32经过空气管束33换热器34与高压压缩机4连通。

储气/储水罐9经过空气管束10阀门11换热器12空气管束13与高压膨胀机14连通。高压膨胀机14通过阀门15换热器16空气管束17与低压膨胀机18相连通。高压膨胀机14通过阀门19换热器20空气管束21与低压膨胀机22相连通。低压膨胀机22通过机械传动装置23与水泵24相连。水泵24通过水管束25阀门26水管束27与储气/储水罐9相连通。

以下介绍本实施例自回压恒压压缩空气储能的储能过程和释能过程。

(1)初始状态下，所有阀门(7、11、15、19、26、29)均为闭合状态。储气/储水罐中装满高压水，水压和压缩空气储气系统最高储气压力相同。或者储气/储水罐中装部分体积的高压水，水压和罐内的水上面的空气压力同为储气系统最高储气压力。

(2)储能过程，关闭阀门(11、15、19、26)，打开阀门(7、29)，空气在低压压缩机1升温升压，通过空气管束2流经换热器3冷却然后进入高压压缩机4继续升温升压。高压压缩机4出口压缩空气通过空气管束5流经换热器6冷却降温，并通过阀门7及空气管束8进入储气/储水罐9内存储。储气/储水罐9内的高压水经水管束28阀门29推动水轮机30旋转并排出，输出到楼宇建筑物群的供水系统管网。水轮机30旋转通过机械传动装置31带动低压压缩机32压缩空气，压缩后的空气再通过空气管束33流经换热器34冷却进入高压压缩机4中。

(3)释能过程，关闭阀门(7、29)，打开阀门(11、15、19、26)，储气/储水罐9内的高压空气通过空气管束10阀门11流经换热器12升温，然后通过空气管束13进入高压膨胀机14内膨胀做功发电。高压膨胀机14出口中压空气通过阀门15流经换热器16升温后，再通过空气管束17进入低压膨胀机18内继续膨胀做功发电。高压膨胀机14出口部分中压空气通过阀门19流经换热器20升温，再通过空气管束21进入低压膨胀机22内膨胀推动膨胀机22旋转后排出进入环境大气。低压膨胀机22通过机械传动装置23带动水泵24做功，水泵24把水库来水升压后通过水管束25阀门26水管束27进入储气/储水罐9内维持罐内恒压。

实施例2

如图2所示，是本发明的另一个实施例，实施例2和实施例1的区别是：水轮机30的出口通过水管束35止回阀36流入一个蓄能气罐37。蓄能气罐37的出口接入楼宇建筑物群的供水管网进行供水。

初始状态下，蓄能气罐37内装满氮气或者装入部分容积的氮气。储能过程，打开止回阀36，水轮机30出口流出的一定压力的水进入蓄能气罐37内，蓄能气罐37内的氮气压力升高。

作为不同的实施方式，实施例2增加的蓄能气罐37，能够起到压力缓冲作用。当楼宇建筑物群的供水管网用水负荷发生变化时候，供水管网入入口的压力也需要发生相应的变化。蓄能气罐37内的水面上一定压力的氮气能够起到缓冲作用。即为：供水管网负荷减低时，蓄能气罐37出口水量降低，氮气压缩升高压力，水轮机30出口压力不变；供水管网负荷升高时，蓄能气罐37出口水量提高，一定压力的氮气膨胀降低压力，水轮机30出口压力不变。在止回阀的作用下，水不会发生逆向流动，影响水轮机30正常恒定负荷运行。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：包括能量储存回路和能量释放回路，其中：

所述能量储存回路包括主路和支路，所述主路和支路均包括低压压缩机，主路的低压压缩机连接高压压缩机，高压压缩机出口与储气/储水罐连接，储气/储水罐与水轮机连接，水轮机通过机械传动装置带动支路低压压缩机，支路的低压压缩机出口与主路的低压压缩机出口混合，构成能量储存回路；所述水轮机的出口通过水管束流入蓄能气罐，蓄能气罐的出口接入供水管网；

所述储气/储水罐与高压膨胀机连接，高压膨胀机出口分两个管路，主管路连接第一低压膨胀机，支管路连接第二低压膨胀机之后，第二低压膨胀机通过机械传动装置连接水泵，所述水泵把水库来水升压后进入储气/储水罐内，构成能量释放回路。

2.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：所述能量储存回路中的空气依次经过低压压缩机、高压压缩机，变成高压可存储的压缩空气，压缩空气压入储气/储水罐中，储气/储水罐中的高压水，被排出并推动水轮机转动，水轮机通过机械传动装置带动支路的低压压缩机旋转压缩空气，压缩后的空气与主路的低压压缩机出口空气混合。

3.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：压缩空气经过高压膨胀机，高压膨胀机出口空气分为两股，主路气流继续推动第一低压膨胀机做功发电；支路气流推动另一支路第二低压膨胀机转动，第二低压膨胀机通过机械传动装置连接水泵。

4.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：所述能量储存回路和能量释放回路中传输空气的管路上均设置有阀门。

5.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：所述能量储存回路和能量释放回路中传输液体的管路上均设置有回止阀。

6.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：所述低压压缩机和高压压缩机之间设置有换热器，所述高压压缩机与储气/储水罐之间设置有换热器。

7.如权利要求1所述的一种自回压恒压压缩空气储能系统，其特征是：所述高压膨胀机和低压膨胀机之间设置有换热器。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的自回压恒压压缩空气储能系统的工作方法，其特征是：包括储能过程：

初始状态下，储气/储水罐中装满高压水，水压和压缩空气储气系统最高储气压力相同；

储能过程，关闭能量释放回路，打开能量储存回路，空气在低压压缩机升温升压，流经换热器冷却然后进入高压压缩机继续升温升压，高压压缩机出口压缩空气流经换热器冷却降温，并进入储气/储水罐内存储，储气/储水罐内的高压水推动水轮机旋转并排出，输出到供水系统管网；水轮机旋转通过机械传动装置带动低压压缩机压缩空气，压缩后的空气再通过空气管束流经换热器冷却进入高压压缩机中；

释能过程，关闭能量储存回路，打开能量释放回路，储气/储水罐内的高压空气升温，进入高压膨胀机内膨胀做功发电，高压膨胀机出口中压空气流经换热器升温后，进入第一低压膨胀机内继续膨胀做功发电，高压膨胀机出口中压空气升温后进入第二低压膨胀机内膨胀推动膨胀机旋转后排出进入环境大气；第二低压膨胀机通过机械传动装置带动水泵做功，水升压后进入储气/储水罐内维持罐内恒压。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的自回压恒压压缩空气储能系统的工作方法，其特征是：包括储能过程：

初始状态，储气/储水罐中装部分体积的高压水，水压和罐内的水上面的空气压力同为储气系统最高储气压力；

储能过程，关闭能量释放回路，打开能量储存回路，空气在低压压缩机升温升压，流经换热器冷却然后进入高压压缩机继续升温升压，高压压缩机出口压缩空气流经换热器冷却降温，并进入储气/储水罐内存储，储气/储水罐内的高压水推动水轮机旋转并排出，输出到供水系统管网；水轮机旋转通过机械传动装置带动低压压缩机压缩空气，压缩后的空气再通过空气管束流经换热器冷却进入高压压缩机中；

释能过程，关闭能量储存回路，打开能量释放回路，储气/储水罐内的高压空气升温，进入高压膨胀机内膨胀做功发电，高压膨胀机出口中压空气流经换热器升温后，进入第一低压膨胀机内继续膨胀做功发电，高压膨胀机出口中压空气升温后进入第二低压膨胀机内膨胀推动膨胀机旋转后排出进入环境大气；第二低压膨胀机通过机械传动装置带动水泵做功，水升压后进入储气/储水罐内维持罐内恒压。