CN109681412A - 高效型压缩空气储能系统 - Google Patents

高效型压缩空气储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高效型压缩空气储能系统，包括电能储存系统、电能释放系统及压缩空气运输通道，其特征在于：电能储存系统包括若干数量的空气压缩机单元及换热器一、储气空间、储热罐，电能释放系统包括若干数量的燃烧器、若干数量的膨胀机单元、气体混合装置、发电机、若干数量的换热器二及若干数量的储能系统废热再利用换热器；本发明的储能系统废热再利用换热器将空气压缩机单元排气热量、膨胀机单元及发电机等润滑油携带的废热加热压缩空气，燃烧器及换热器将压缩空气进一步加热与换热，换热后带压力烟气与膨胀机单元排气在气体混合装置内汇合，汇合后共同流入膨胀机单元做功，充分的利用了烟气携带的热量，大幅度提高系统效率。

Description

高效型压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及电力储能领域，具体用于电网电能的大规模储能，实现电网负荷的削峰填谷，也可以用于太阳能发电技术或者风力发电技术等新能源电力的品质改善以及电能规模化存储的高效型压缩空气储能系统。
背景技术
压缩空气储能技术是一种大规模物理储能技术，在电网处于负荷低谷期间，利用波谷期间的廉价电能驱动空气压缩机做功，将廉价的低谷电能转变为压缩空气的压力能进行储存，在电网处于用电高峰时释放储罐内的高压力压缩空气，经过换热器或者燃烧器提升温度后，进入空气膨胀机内膨胀做功，输出旋转轴功，驱动发电机输出稳定电能。
现有的压缩空气储能技术分为两类，其一为无补燃式压缩空气储能技术，电能储能过程中，电能转变为压缩空气的压力能进行储存，这一过程第一压缩机与第二压缩机产生的排气温度不高，排气温度通常低于150℃，热量在温度较低时，热量品质就较差，通过这部分热量加热进入膨胀机的空气气流能力有限，膨胀机的入口空气能够达到的温度有限，因而做功能力有限；
其二为补燃式压缩空气储能技术，释放压缩空气进行做功环节中，在每一级空气膨胀机的入口都配置燃烧器，设备投入成本太高，第一级空气膨胀机入口的压力较高，让天然气在高压下直接与高压空气参混燃烧的技术难度大，每一级空气膨胀机入口都设置燃烧器，导致天然气消耗量过大，致使最后一级空气膨胀机排烟温度过高，降低了整个压缩空气储能系统的效率。
发明内容
有鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷，提供一种降低压缩空气技术复杂性、大幅度提高能量转换效率的高效型压缩空气储能系统。
本发明的目的通过以下技术方案实现：高效型压缩空气储能系统，包括电能储存系统、电能释放系统及压缩空气运输通道，其特征在于：电能储存系统包括若干数量的空气压缩机单元及换热器一、储气空间、储热罐，电能释放系统包括若干数量的燃烧器、若干数量的膨胀机单元、气体混合装置、发电机、若干数量的换热器二、若干数量的储能系统废热再利用换热器，空气压缩机单元与换热器一的空气入口端连接，换热器一的液态介质流出端与所述储热罐连接，所述燃烧器与所述换热器二连接，气体混合装置布置在膨胀机单元的入口处，发电机与膨胀机单元连接。
进一步的，一个数量的空气压缩机单元与一个数量的换热器一形成一个组合，多级的空气压缩机-换热器一的组合串接，末级空气压缩机-换热器一组合内的换热器一与储气空间连接，多级空气压缩机单元-换热器一的组合实现空气加压，从而获得高压空气。
进一步的，储热罐内的储热介质为具有大比热容的液态物质。
进一步的，首台的膨胀机单元的入口配置有换热器二，换热器二的入口端连接有燃烧器，燃烧器内的燃料在带压力的压缩空气中燃烧从而产生带压力的烟气，带压力的烟气通过换热器二对空气膨胀机入口的压缩空气气流进行加热。
进一步的，其余数量所述的换热器二安装在第二台膨胀机单元或第二台膨胀机单元之后的膨胀机单元入口处，其余数量的所述换热器二均是采用带压力的烟气对膨胀机单元入口做功气流进行加热。
进一步的，燃烧器燃烧所需空气来源于膨胀机单元的带压力排气、储气空间、压缩空气运输管道中的一种。
进一步的，膨胀机单元的数量至少为两台，若干数量的膨胀机单元串接在一起。
进一步的，气体混合装置为三通管件、压力匹配器、喷射器、气体混合罐及带喷嘴的气体混合设备当中的一种。
进一步的，所述气体混合装置入口的一端连接所述膨胀机单元的乏气出口，气体混合装置入口另一端与安装在第一台膨胀机单元入口的换热器二或安装在膨胀机单元乏气出口的换热器二连接，所述气体混合装置将所述燃烧器产生及经过所述换热器二换热后带压力烟气与所述膨胀机单元的排气进行混合，混合后的气流进入与气体混合装置出口连接的其余数量的膨胀机单元做功。
进一步的，储能系统废热再利用换热器布置在储气空间与换热器二之间，储能系统废热再利用换热器对储气空间的压缩空气进一步加热。
进一步的，储能系统废热再利用换热器的热量来源于所述电能储能系统中压缩机单元排出压缩空气热量、电能释放系统中膨胀机单元及发电机等设备做功过程中润滑油携带的热量当中的一种或者两者兼有。
进一步的，燃烧器前配置有储能系统废热再利用换热器，所述储能系统废热再利用换热器对进入所述燃烧器的压缩空气进行预加热。
进一步的，换热器二采用的带压力烟气来自首级膨胀机单元入口处配置的燃烧器产生带压力烟气、所述换热器二前配置的燃烧器产生的带压力烟气两者中的一种或者两者兼有。
本发明提供的高效型压缩空气储能系统设计科学简单，结构紧凑合理，其具有以下功能：
(1)本发明所提供的高效型压缩空气储能系统，燃烧器只需要在中低压(0.2MPa-2.5MPa)下对压缩空气进行带压力燃烧，压力较低，降低了燃烧器的生产成本；同时，燃烧器燃烧产生的烟气不直接与首台空气膨胀机的高压空气气流进行混合，大幅度降低了技术复杂性，提高了技术的可操作性。
(2)本发明所提供的高效型压缩空气储能系统，采用多台数量的换热器二对燃烧器的烟气热量进行了充分利用，同时设置了气体混合装置，实现带压力烟气与空气膨胀机单元排气在气体混合装置内混合，混合后的烟气再流进与气体混合装置连接的其余数量的空气膨胀机单元做功，充分的利用了烟气携带的热量，大幅度提高系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图4为本发明实施例四提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图5为本发明实施例五提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图6为本发明实施例六提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图7为本发明实施例七提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图；
图8为现有技术中可调式喷射器的结构示意图；
图9为现有技术中一种接受室为缩放喷管的喷射器的结构示意图。
图1至图7中：1-空气压缩机单元；2-换热器一；3-储气空间；4-储热罐；5-燃烧器；6-膨胀机单元；7-气体混合装置；8-发电机；9-换热器二；10-储能系统废热再利用换热器。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例一
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。
请参阅图1，为本发明所述的高效型压缩空气储能系统，在电能储能过程中，电网负荷处于波谷期间，利用波谷期间的廉价电能驱动空气压缩机单元1，空气压缩机单元1制备高压力的压缩空气，高压力的压缩空气存储于储气空间3中，进而波谷电能转变为压缩空气的压力能。
波谷电能驱动多台空气压缩机单元1工作，空气被吸入空气压缩机单元1后，压力提升，排出的空气温度升高，压缩空气携带的热量经过换热器一2传递给水，被加热的水存储在储热罐4当中，用于对居民小区进行生活热水供应。经过第一台换热器一2冷却后的压缩空气，经过第二台空气压缩机单元1进行压缩，然后再经过换热器一2冷却后，流入储气空间3进行储存备用。在实际运用中，一台空气压缩机单元1与一台换热器一2形成一个组合，电能储存过程中可以配置多级组合，以制备不同压力的压缩空气气流。
电网处于负荷波峰时，释放压缩空气驱动膨胀机单元6做功，驱动发电机8输出稳定的电能。在此过程中，高压力的压缩空气从储气空间3释放出来，通过储能系统废热再利用换热器10的再次加热，经过多台膨胀机单元6做功，驱动发电机8输出稳定的电能。在对外输出电能过程中，布置独立的燃烧器5，在燃烧器5之前的第一台储能系统废热再利用换热器10加热带压力的压缩空气，将加热后的带压力的压缩空气气流及燃料在燃烧器5中燃烧，产生高温烟气，高温烟气经过换热器二9后，进一步加热储气空间3流出的压缩空气气流，提升压缩空气气流的温度，燃烧器5流出的烟气与储能系统废热再利用换热器10流出的压缩空气不混合，储气空间3流出的压缩空气分别通过第二台储能系统废热再利用换热器10及换热器二9提升温度后进入膨胀机单元6内膨胀做功，输出轴功；压缩空气自身的压力下降，自身的温度降低之后流入第二台换热器二9，压缩空气被加热提升温度，继而流入第二台膨胀机单元6内做功，输出轴功；第二台换热器二9需要的烟气由第一台换热器二9供应。第二台换热器二9排出的带压力的烟气经过气体混合装置7，与第二台膨胀机6排出的压缩空气气流进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机6做功，输出轴功，排出做功乏气。多台膨胀机6输出的轴功驱动发电机8输出稳定的电能。
本发明有别于常规燃烧器采用常压燃烧的方式，在本实施例提供的技术方案中采用了带压力燃烧方式产生带压力的烟气，在经过多个数量的换热器二9多次回收烟气热量后，采用气体混合装置7实现带压力烟气与压缩空气气流的混合，混合气流进入最后一台膨胀机单元6做功，最大程度利用了烟气携带的热量。
实施例二
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。与实施例一的区别，如图2所示，在本发明的实施例二所提供的技术方案中，采用了两台燃烧器5，燃烧器5产生的带压力烟气各自流经换热器二9然后汇合，汇合之后的两路烟气经过气体混合装置7，与第二台膨胀机6排出的压缩空气气流进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机6做功，输出轴功，排出做功乏气。
实施例三
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。如图3所示，与实施例一相比的区别，本发明所提供的实施例3中采用了一台燃烧器5，燃烧器5产生的带压力烟气可以分为多股烟气，分别流向不同的换热器二9。多股烟气在换热器二9内完成压缩空气气流加热后然后汇合，汇合之后的两路烟气经过气体混合装置7，在气体混合装置7内与第二台膨胀机6排出的压缩空气气流进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机6做功，输出轴功，排出做功乏气。
实施例四
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。如图4所示，在本发明所提供的实施例四中，相较于实施例三，增加了一台膨胀机单元6，气体混合装置7不一定只能布置在最后一台膨胀机单元6的入口处，也可以布置在其余数量的膨胀机单元6的入口处。
实施例五
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。如图5所示，与实施例一相比的区别，在首台膨胀机单元6入口设置换热器9，中间位置的若干台膨胀机单元6的入口不设置换热器9，最后在第三台膨胀机单元6前将燃烧器5的排烟与第二台膨胀机单元6的压缩空气在气体混合装置7汇合，汇合成一股气流进入第三台膨胀机单元6做功。
实施例六
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。如图6所示，与实施例一相比的区别，减少了一台数量的膨胀机单元6，减少了布置在燃烧器5入口处的储能系统废热再利用换热器10，带压力的压缩空气直接进入燃烧器5进行燃烧，产生高温烟气，高温烟气经过换热器二9后，进入气体混合装置7。换热器二9进一步加热储气空间3流出的压缩空气气流，提升温度的压缩空气气流进入膨胀机单元6内膨胀做功，输出轴功。流出换热器二9的带压力烟气进入气体混合装置7与第一台膨胀机单元6的排气形成同一股均匀的做功气流，进入第二台膨胀机单元6做功，输出轴功，排出做功乏气。
实施例七
本实施例既可以用于电网的削峰填谷场景，也可以用于光伏发电或者风电等新能源电能的大规模存储与释放。如图7所示，本实施例在实施例六的基础上增加了一台数量的膨胀机单元6，首台膨胀机单元6的带压力排气进入第二台膨胀机单元6做功从而输出轴功，第二台膨胀机单元6的带压力排气进入气体混合装置7与流出换热器二9的带压力烟气混合形成均一做功气流进入第三台膨胀机单元做功输出轴功，排出做功乏气。
如图8至图9所示，气体混合装置7是一种能够实现多股气流汇合，形成同一股气流的装置或者设备，可以为三通管件、压力匹配器、喷射器、气体混合罐及带喷嘴的气体混合设备当中的一种，本发明所采用的的气体混合装置可以为专利CN201610321926.X-可调式喷射器及CN201510200413.9-一种接受室为缩放喷管的喷射器当中的一种，通过气体混合装置将多股气流混合形成单股均一气流进入膨胀机单元6输出轴功。
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 (13)

1.高效型压缩空气储能系统，包括电能储存系统、电能释放系统及压缩空气运输通道，其特征在于：所述电能储存系统包括若干数量的空气压缩机单元及换热器一、储气空间、储热罐，所述电能释放系统包括若干数量的燃烧器、若干数量的膨胀机单元、气体混合装置、发电机、若干数量的换热器二、若干数量的储能系统废热再利用换热器，所述空气压缩机单元与换热器一的空气入口端连接，所述换热器一的液态介质流出端与所述储热罐连接，所述燃烧器与所述换热器二连接，所述气体混合装置布置在所述膨胀机单元的入口处，所述发电机与所述膨胀机单元连接。
2.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：一个数量的所述空气压缩机单元与一个数量的所述换热器一形成一个组合，多级的空气压缩机-换热器一的组合串接，末级所述的空气压缩机-换热器一组合内的换热器一与所述储气空间连接，多级空气压缩机单元-换热器一的组合实现空气加压，从而获得高压空气。
3.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储热罐内的储热介质为具有大比热容的液态物质。
4.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：首台所述的膨胀机单元的入口配置有换热器二，所述换热器二的入口端连接有燃烧器，所述燃烧器内的燃料在带压力的压缩空气中燃烧从而产生带压力的烟气，带压力的烟气通过所述换热器二对空气膨胀机入口的压缩空气气流进行加热。
5.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：其余数量所述的换热器二安装在次级膨胀机单元或次级膨胀机单元之后的膨胀机单元入口处，其余数量的所述换热器二均是采用带压力烟气对膨胀机单元入口做功气流进行加热。
6.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述燃烧器燃烧所需空气来源于所述膨胀机单元的带压力排气、储气空间、压缩空气运输管道中的一种。
7.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述膨胀机单元的数量至少为两台，若干数量的所述膨胀机单元串接在一起。
8.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述气体混合装置为三通管件、压力匹配器、喷射器、气体混合罐及带喷嘴的气体混合设备当中的一种。
9.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述气体混合装置入口的一端连接所述膨胀机单元的乏气出口，气体混合装置入口另一端与安装在首级膨胀机单元入口的换热器二或安装在膨胀机单元乏气出口的换热器二连接，所述气体混合装置将所述燃烧器产生及经过所述换热器二换热后带压力烟气与所述膨胀机单元的排气进行混合，混合后的气流进入与气体混合装置出口连接的其余数量的膨胀机单元做功。
10.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储能系统废热再利用换热器布置在所述储气空间与所述换热器二之间，储能系统废热再利用换热器对储气空间的压缩空气进一步加热。
11.根据权利要求1所述的高效型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储能系统废热再利用换热器的热量来源于所述电能储能系统中压缩机单元排出压缩空气热量、电能释放系统中膨胀机单元及发电机设备做功过程中润滑油携带的热量当中的一种或者两者兼有。
12.根据权利要求4所述的一种高效性压缩空气储能系统，其特征在于：所述燃烧器前配置有储能系统废热再利用换热器，所述储能系统废热再利用换热器对进入所述燃烧器的压缩空气进行预加热。
13.根据权利要求5所述的一种高效性压缩空气储能系统，其特征在于：所述换热器二采用的带压力烟气来自首级膨胀机单元入口处配置的燃烧器产生带压力烟气、所述换热器二前配置的燃烧器产生的带压力烟气两者中的一种或者两者兼有。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113565589A (zh) * 2021-05-21 2021-10-29 南方电网科学研究院有限责任公司 喷射补燃压缩空气储能系统

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Address after: 510000 No. 3 Dongyi First Street, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province

Applicant after: Guo Zuogang

Applicant after: Di Xiaohui

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Applicant before: Guo Zuogang

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