CN109488573A - 一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、压缩空气储气罐、储冷罐、储热罐、电加热保温套筒、发电机、电动机以及外置电网；所述压缩机组与压缩空气储气罐相连，该压缩空气储气罐与膨胀机机组相连，在相邻两级压缩机之间均设有第一换热器，在相邻两级膨胀机之间均设有第二换热器，在压缩空气储气罐与一级膨胀机之间的管道上以及各第二换热器与后一级膨胀机之间的管道上均套设有一所述电加热保温套筒，且所述电加热保温套筒与外置电网相连。本发明能使膨胀机做功能力提升，也能增加释能阶段的空气流量以増加透平输出功率；从而大大提升AA‑CAES系统的做功效率及输出功率。

Description

一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及先进绝热压缩空气储能领域，尤其涉及一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统（AA-CAES）。

背景技术

在现有的储能技术中，压缩空气储能以其储能规模大、存储周期长、对环境污染小等优势受到人们的青睐。随着可再生能源的发展，发展大规模储能势在必行，具有广阔的应用前景。

我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚,但随着电力储能需求的快速增加，相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视。目前还没有投入商业运行的传统压缩空气储能电站，但是对于新型压缩空气储能（不使用燃料，不使用储气洞穴）在中国发展及应用已基本与国际同步。按照压缩空气储能技术的发展历程，目前国际上己经提出了三代CAES技术：

第一代CAES技术就是传统典型的压缩空气储能系统。该系统通过在用电低谷期利于富裕的电能将空气进行压缩，储存在天然洞穴中；待用电高峰期，释放出的高压空气与燃料在燃烧室中混合燃烧，然后高温燃气驱动透平做功产生电能以供使用。第二代CAES技术在第一代基础上增加了回热器；通过在末级透平后添加回热器，膨胀前空气可利用系统高温尾气进行预热；与第一代CAES技术相比，第二代CAES不仅降低了系统的热耗、减少了天然气的消耗，还提高了系统的能量利用率。第三代CAES技术也称为先进绝热型压缩空气储能技术（AA－CAES）；该系统取消了燃烧室，将压缩阶段的压缩热储存起来，在释热阶段加热膨胀机入口处的空气，由于没有燃烧室，不消耗化石燃料，具有很高的环保性。

虽然第三代CAES技术的效率远远高于前两代技术，但AA－CAES系统的输出功率却远远小于前两者，主要有以下两个原因：1)与前两个系统相比，由于AA－CAES系统的热量是由储能阶段的压缩热提供，当储能阶段的各设备参数确定之后压缩热的热量也随之确定，它能提供给释能子系统的热量是有限的，因此换热之后的空气温度不会像与天然气燃烧之后一样高，AA－CAES透平入口温度较低，导致透平做功能力下降；２）AA－CAES系统释能阶段的空气流量远远低于前两个系统，进而造成透平单位时间做功量减少；如果为了増加透平输出功率而增加释能阶段的空气流量，会导致透平入口处的空气温度下降，最终系统的输出功率并不一定呈现增大的趋势。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有CAES技术透平做功能力小，单位时间做功量少，做功效率低的问题，提供一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统（AA-CAES），能够利用电量富余时的电力去加热电热保温套筒，使其温度高于膨胀机入口气体温度；并通过该高温套筒对膨胀机入口的气体进行加热，使膨胀机做功能力提升，也能增加释能阶段的空气流量以増加透平输出功率；从而大大提升AA-CAES系统的做功效率及输出功率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、压缩空气储气罐、储冷罐、储热罐、电加热保温套筒、发电机、电动机以及外置电网；其中，所述压缩机组包括同轴设置且依次相连的一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机和四级压缩机，膨胀机组包括同轴设置且依次相连的一级膨胀机、二级膨胀机、三级膨胀机和四级膨胀机，其中，四级压缩机的出气端通过管道与压缩空气储气罐的进气口相连，该压缩空气储气罐的出气口通过管道与一级膨胀机的进气口相连，在压缩空气储气罐与一级膨胀机之间的管道上设有一电动阀；所述电动机与一级压缩机相连，发电机与四级膨胀机相连，该发动机和发电机均与外置电网相连；其特征在于：

在相邻两级压缩机之间均设有第一换热器，所述第一换热器的空气进气端通过管道与前一级压缩机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级压缩机的空气进气端相连；在相邻两级膨胀机之间均设有第二换热器，所述第二换热器的空气进气端通过管道与前一级膨胀机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级膨胀机的空气进气端相连；

在储冷罐内存储有低温介质，在储热罐内存储有高温介质；所述储冷罐的介质出口通过管道同时与各第一换热器的介质进口相连，各第一换热器的介质出口均通过管道与储热罐的介质进口相连；所述储热罐的介质出口通过管道同时与各第二换热器的介质进口相连，各第二换热器的介质出口均通过管道与储冷罐的介质进口相连；

在压缩空气储气罐与一级膨胀机之间的管道上以及各第二换热器与后一级膨胀机之间的管道上均套设有一所述电加热保温套筒，且所述电加热保温套筒与外置电网相连。

本方案中，通过在各级膨胀机的进气管道上设置电加热保温套筒，这样，能够对流经该电加热保温套筒的空气进行加热，使进入膨胀机的空气温度高于压缩空气存储罐出气口的温度，且高于膨胀机进气口处空气的温度，这样，能够使膨胀机做功能力提升，也能增加释能阶段的空气流量以増加透平输出功率；从而大大提升AA-CAES系统的做功效率及输出功率。

进一步地，所述电加热保温套筒与电动机并联，并能够与电动机同步工作；这样，在储能过程中，电加热保温套筒利用外置电网中富余的电量进行加热并保温，从而实现储能；在释能过程中，通过该电加热保温套筒对流经该电加热保温套筒的空气进行加热，从而能够充分利用能源，并大大提高整个系统的做功效率以及输出功率。

进一步地，所述电加热保温套筒位于管道靠近各膨胀机的一端；这样能够更好地对进入膨胀机的空气加热，并降低热量损失。

进一步地，在储冷罐与各第一换热器之间以及储热罐与各第二换热器之间分别设有一止回阀；从而能保证换热介质只能单向流入各级级间换热器，防止回流。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、利用电量富余时的电去加热电热保温套筒，使其温度高于膨胀机进气口空气温度；释能阶段该高温套筒对膨胀机入口的气体进行加热，使CAES膨胀机入口温度升高，从而能使膨胀机做功能力提升，并延长做功时间。

2、由于膨胀机入口温度提升，气体温度得以保证，从而能够增加释能阶段的空气流量以増加透平输出功率；进而大大提升AA-CAES系统的输出功率。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图中：101—一级压缩机，102—二级压缩机，103—三级压缩机，104—四级压缩机，201—一级膨胀机，202—二级膨胀机，203—三级膨胀机，204—四级膨胀机，3—压缩空气储气罐，4—储冷罐，5—储热罐，6—电加热保温套筒，7—发电机，8—电动机，9—外置电网，10—第一换热器，11—第二换热器，12—电动阀，13—止回阀。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1，一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、压缩空气储气罐3、储冷罐4、储热罐5、电加热保温套筒6、发电机7、电动机8以及外置电网9。其中，所述压缩机组包括同轴设置且依次相连的一级压缩机101、二级压缩机102、三级压缩机103和四级压缩机104，相邻两级压缩机之间通过传动轴及联轴器相邻；膨胀机组包括同轴设置且依次相连的一级膨胀机201、二级膨胀机202、三级膨胀机203和四级膨胀机204，相邻两级膨胀机之间也通过传动轴及联轴器相邻；所述各级压缩机均为透平压缩机，各级膨胀机都为透平膨胀机。其中，四级压缩机104的出气端通过管道与压缩空气储气罐3的进气口相连，该压缩空气储气罐3的出气口通过管道与一级膨胀机201的进气口相连，在压缩空气储气罐3与一级膨胀机201之间的管道上设有一电动阀12；通过电动阀12进行储能与释能的控制。

在相邻两级压缩机之间均设有第一换热器10，所述第一换热器10的空气进气端通过管道与前一级压缩机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级压缩机的空气进气端相连。在相邻两级膨胀机之间均设有第二换热器11，所述第二换热器11的空气进气端通过管道与前一级膨胀机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级膨胀机的空气进气端相连；所述电动机8通过传动轴及联轴器与一级压缩机101相连，发电机7通过传动轴及联轴器与四级膨胀机204相连，该发动机和发电机7均与外置电网9相连。

在储冷罐4内存储有低温介质，在储热罐5内存储有高温介质；其中，在储冷罐4和/或储热罐5内设有循环泵，通过循环泵使储冷罐4和储热罐5内的介质流动并循环起来。所述储冷罐4的介质出口通过管道同时与各第一换热器10的介质进口相连，各第一换热器10的介质出口均通过管道与储热罐5的介质进口相连。所述储热罐5的介质出口通过管道同时与各第二换热器11的介质进口相连，各第二换热器11的介质出口均通过管道与储冷罐4的介质进口相连。储冷罐4中的介质通过第一换热器10将各级压缩机的压缩热带走，换热后介质流入储热罐5；储热罐5中的介质通过第二换热器11对各级膨胀机之间的空气加热，换热后介质流入储冷罐4。在储冷罐4与各第一换热器10之间以及储热罐5与各第二换热器11之间分别设有一止回阀13；从而能保证换热介质只能单向流入各级级间换热器，防止回流。

在压缩空气储气罐3与一级膨胀机201之间的管道上以及各第二换热器11与后一级膨胀机之间的管道上均套设有一所述电加热保温套筒6，且所述电加热保温套筒6与外置电网9相连。其中，所述电加热保温套筒6位于管道靠近各膨胀机的一端；这样能够更好地对进入膨胀机的空气加热，并降低热量损失。具体实施时，所述电加热保温套筒6与电动机8并联，并能够与电动机8同步工作；这样，在储能过程中，电加热保温套筒6利用外置电网9中富余的电量进行加热并保温，从而实现储能；在释能过程中，通过该电加热保温套筒6对流经该电加热保温套筒6的空气进行加热，从而能够充分利用能源，并大大提高整个系统的做功效率以及输出功率。

储能阶段，外置电网9的电能富余，通过电动机8带动四级压缩机104进行工作，空气经四级压缩后流入压缩空气储气罐3；压缩空气与储冷罐4中的低温介质在第一换热器10中进行换热，换热后介质将压缩热带走，并储存在储热罐5中；同时，外置电网9的电能对电加热保温套筒6供电，使电加热保温套筒6进行加热工作，并使加热电加热保温套筒6的温度高于膨胀机内的空气温度，通常，套筒加热到至少850℃。

释能阶段，压缩空气储气罐3中的高压空气，流入膨胀机进行膨胀，热储存罐中的高温介质通过第二换热器11将膨胀空气加热，并将膨胀机之间的空气加热，然后储存在储冷罐4中；此时，电加热保温套筒6维持着至少850℃的高温，该温度高于压缩空气储存罐出口温度，且高于各级膨胀机进气口处空气温度，从而能对流经的气体进行加热，使进入膨胀机的空气温度高于压缩空气存储罐出气口的温度，且高于膨胀机进气口处空气的温度，这样，能够使膨胀机做功能力提升，也能增加释能阶段的空气流量以増加透平输出功率；从而大大提升AA-CAES系统的做功效率及输出功率。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、压缩空气储气罐、储冷罐、储热罐、电加热保温套筒、发电机、电动机以及外置电网；其中，所述压缩机组包括同轴设置且依次相连的一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机和四级压缩机，膨胀机组包括同轴设置且依次相连的一级膨胀机、二级膨胀机、三级膨胀机和四级膨胀机，其中，四级压缩机的出气端通过管道与压缩空气储气罐的进气口相连，该压缩空气储气罐的出气口通过管道与一级膨胀机的进气口相连，在压缩空气储气罐与一级膨胀机之间的管道上设有一电动阀；所述电动机与一级压缩机相连，发电机与四级膨胀机相连，该发动机和发电机均与外置电网相连；其特征在于：

在相邻两级压缩机之间均设有第一换热器，所述第一换热器的空气进气端通过管道与前一级压缩机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级压缩机的空气进气端相连；在相邻两级膨胀机之间均设有第二换热器，所述第二换热器的空气进气端通过管道与前一级膨胀机的空气出气端相连，其空气出气端通过管道与后一级膨胀机的空气进气端相连；

在储冷罐内存储有低温介质，在储热罐内存储有高温介质；所述储冷罐的介质出口通过管道同时与各第一换热器的介质进口相连，各第一换热器的介质出口均通过管道与储热罐的介质进口相连；所述储热罐的介质出口通过管道同时与各第二换热器的介质进口相连，各第二换热器的介质出口均通过管道与储冷罐的介质进口相连；

在压缩空气储气罐与一级膨胀机之间的管道上以及各第二换热器与后一级膨胀机之间的管道上均套设有一所述电加热保温套筒，且所述电加热保温套筒与外置电网相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，其特征在于：所述电加热保温套筒与电动机并联，并能够与电动机同步工作。

3.根据权利要求1所述的一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，其特征在于：所述电加热保温套筒位于管道靠近各膨胀机的一端。

4.根据权利要求1所述的一种具有电加热保温套筒的先进绝热压缩空气储能系统，其特征在于：在储冷罐与各第一换热器之间以及储热罐与各第二换热器之间分别设有一止回阀。