CN110630467B - 一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的可提高电‑电转换效率的压缩空气储能系统及方法，系统结合了补燃型和非补燃型两种发电模式，弥补了由储气罐气压下限约束较高所造成的系统充电效率降低的缺陷；系统在发电工况下，当储气罐内气压值处于较高位时，由非补燃发电组件进行发电，储气罐排出的高压气体节流后，用低品质热源与高压气体进行换热，可提高单位工质的做功能力；当空气透平长时间处于较高发电负荷运行时，储气罐内的气压值下降速率加快，改用高品质热源与高压气体进行换热，以节省储气罐在气压值处于高位时的用气；当储气罐内气压值较低时，由补燃发电组件进行发电，以增加储气罐的用气深度，保证系统在一个调度周期内只进行一次充放电循环，提高系统电‑电转换效率。

Description

一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，特别是涉及一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统及方法。
背景技术
压缩空气储能(CAES)技术是指在用电低谷时，将风能、太阳能等新能源的过剩发电量通过压缩空气存储起来，并将压缩后的高压空气存储到特定的储气罐中，等到用电高峰阶段时，再将储气罐中的高压空气释放出来，用以推动空气透平带动发电机发电，最终实现电能存储的目的。
由于空气透平额定发电功率的约束，储气罐的气压下限值需要设定的较高，才能满足负荷的发电需求，这就导致压缩空气储能系统在释能时，若发电功率长时间处于高位，对于中小型储气罐而言，随着气压值的快速下降，其剩余可发电量也会急剧下降，因此在一个调度周期内有必要进行多次充电，以补充储气量；此外，对储气罐排出的空气进行加热，用以提高单位工质的发电能力，也可以减少压缩空气储能系统在发电功率长时间较高时的用气量，目前可用于实现该目的的压缩空气储能系统可分为两类，包括绝热型和非绝热型，绝热型是将压缩热存储起来，在系统释能时对储气罐排出的空气进行加热，因为不需要外界的辅助热能，压缩空气储能系统具有较高的能量转换效率，但加热后的单位工质做功能力较低；而非绝热型又分为补燃型和非补燃型，补燃型通过额外消耗燃料产生高温烟气推动燃气透平发电，非补燃型则借助外界热源与储气罐排出的空气进行换热，在单位工质做功能力上补燃型更具优势。
但是，在压缩空气储能系统充电过程中，随着储气罐气压的增加，在压缩机组以及传输管道中产生的能量损耗也逐渐增加，由此导致系统在一个调度周期内的数次充电过程的效率降低，从而降低了整个压缩空气储能系统的电-电转换效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统及方法，首次将补燃型和非补燃型两种发电模式进行了结合，有效弥补了由储气罐气压下限约束较高所造成的系统充电效率降低的缺陷，有效提高了系统的电-电转换效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统，包括电动机、压缩机组、储气罐、三通阀、非补燃发电组件及补燃发电组件；所述非补燃发电组件包括第一气液换热器、第二气液换热器、空气透平及第一发电机；所述补燃发电组件包括回热器、天然气储罐、燃烧室、燃气透平及第二发电机；所述电动机的电机轴与压缩机组的动力输入轴相固连，压缩机组的出气口通过第一速关阀与储气罐的进气口相连通，储气罐的出气口通过第二速关阀与三通阀的进气口相连通；所述三通阀的第一出气口分两路输出，第一路通过第一电动调节阀与第一气液换热器的进气口相连通，第二路通过第二电动调节阀与第二气液换热器的进气口相连通，第一气液换热器和第二气液换热器的出气口汇接成一路且通过第三速关阀与空气透平的进气口相连通，空气透平的出气口与大气相通，空气透平的动力输出轴与第一发电机的电机轴相固连；所述第一气液换热器的进液口通入的热源为中品质热源，热源的温度≥500℃；所述第二气液换热器的进液口通入的热源为低品质热源，热源的温度≥200℃；所述三通阀的第二出气口通过第三电动调节阀与回热器的冷端进气口相连通，回热器的冷端出气口与燃烧室的空气进气口相连通，所述天然气储罐的燃气出口通过第四电动调节阀与燃烧室的燃气进口相连通，燃烧室的烟气出口通过第四速关阀与燃气透平的进气口相连通，燃气透平的出气口与回热器的热端进气口相连通，回热器的热端出气口与大气相通；所述燃气透平的动力输出轴与第二发电机的电机轴相固连。
一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能方法，采用了所述的可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统，包括如下步骤：
步骤一：测量储气罐内的气压，将测量到的气压记为Pcq.t；
步骤二：判断系统是否收到充电/发电命令；若收到充电命令，则转至步骤三；若收到发电命令，则转至步骤四；若未收到任何命令，保持第一速关阀和第二速关阀处于关断状态；
步骤三：确认第二速关阀已关断，判断储气罐内的气压是否满足Pcq.t<Pcq.max的条件，其中，Pcq.max为储气罐内的气压值上限；若干满足条件，第一速关阀开通，电动机启动，通过压缩机组向储气罐内充气，并转至步骤一；若不满足条件，则转至步骤八；
步骤四：确认第一速关阀已关断，判断储气罐内的气压是否满足其下限约束，即Pcq.t>γδPe，其中，Pe为系统周围环境气压，γ为用气深度修正系数，且满足0.5<γ<1，δ为根据空气透平的额定负荷功率确定的环境气压倍数；若满足下限约束，第二速关阀开通，并转至步骤五；若不满足下限约束，则转至步骤八；
步骤五：若满足Pcq.t>δPe，三通阀的第一出气口开通，并转至步骤六；若满足γδPe<Pcq.t<γPe，三通阀的第二出气口开通，并转至步骤七；
步骤六：判断空气透平是否长时间处于较高发电负荷运行状态，当
Figure BDA0002206866470000021
时，第一电动调节阀关断，高压气体通过第二电动调节阀进行降压，之后进入第二气液换热器中与低品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平中，以驱动空气透平来带动第一发电机进行发电，然后转至步骤一；当
Figure BDA0002206866470000031
时，第二电动调节阀关断，高压气体通过第一电动调节阀进行降压，之后进入第一气液换热器中与中品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平中，以驱动空气透平来带动第一发电机进行发电，然后转至步骤一；其中，P1.t为第一发电机的实际输出功率，P1.m为空气透平处于额定发电负荷下运行时的第一发电机的输出功率，t为调度时段，Δtmax为空气透平处于较高发电负荷的运行时间；
步骤七：第三电动调节阀开通，高压空气通过第三电动调节阀进行节流，之后进入回热器中与二次利用的高温烟气进行热交换，完成热交换的高压空气进入燃烧室中，同时天然气储罐向燃烧室中通入天然气，使天然气与高压空气在燃烧室中混合燃烧，所形成的高温烟气直接进入燃气透平中，以驱动第二发电机进行发电，随着所需发电负荷的变化，通过第四电动调节阀调整天然气储罐的出气流量，然后转至步骤一；
步骤八：确认第一速关阀和第二速关阀处于关断状态，系统停止发电。
本发明的有益效果：
本发明的可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统及方法，首次将补燃型和非补燃型两种发电模式进行了结合，有效弥补了由储气罐气压下限约束较高所造成的系统充电效率降低的缺陷；系统在发电工况下，当储气罐内气压值处于较高位时，由非补燃发电组件进行发电，储气罐排出的高压气体节流后，用低品质热源与高压气体进行换热，可提高单位工质的做功能力；当空气透平长时间处于较高发电负荷运行时，储气罐内的气压值下降速率加快，则改用高品质热源与高压气体进行换热，以节省储气罐在气压值处于高位时的用气；当储气罐内气压值较低时，则由补燃发电组件进行发电，以增加储气罐的用气深度，保证系统在一个调度周期内只进行一次充放电循环，最终提高了系统的电-电转换效率。
附图说明
图1为本发明的一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统的结构原理图；
图2为本发明的一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能方法的流程图；
图3为在一个调度周期内本发明和传统非补燃型系统的出力曲线对比图；
图中，1—电动机，2—压缩机组，3—储气罐，4—第一气液换热器，5—第二气液换热器，6—空气透平，7—第一发电机，8—回热器，9—天然气储罐，10—燃烧室，11—燃气透平，12—第二发电机，13—三通阀，14—第一速关阀，15—第二速关阀，16—第一电动调节阀，17—第二电动调节阀，18—第三速关阀，19—第三电动调节阀，20—第四电动调节阀，21—第四速关阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统，包括电动机1、压缩机组2、储气罐3、三通阀13、非补燃发电组件及补燃发电组件；所述非补燃发电组件包括第一气液换热器4、第二气液换热器5、空气透平6及第一发电机7；所述补燃发电组件包括回热器8、天然气储罐9、燃烧室10、燃气透平11及第二发电机12；所述电动机1的电机轴与压缩机组2的动力输入轴相固连，压缩机组2的出气口通过第一速关阀14与储气罐3的进气口相连通，储气罐3的出气口通过第二速关阀15与三通阀13的进气口相连通；所述三通阀13的第一出气口分两路输出，第一路通过第一电动调节阀16与第一气液换热器4的进气口相连通，第二路通过第二电动调节阀17与第二气液换热器5的进气口相连通，第一气液换热器4和第二气液换热器5的出气口汇接成一路且通过第三速关阀18与空气透平6的进气口相连通，空气透平6的出气口与大气相通，空气透平6的动力输出轴与第一发电机7的电机轴相固连；所述第一气液换热器4的进液口通入的热源为中品质热源，热源的温度为500℃左右；所述第二气液换热器5的进液口通入的热源为低品质热源，热源的温度为200℃左右；所述三通阀13的第二出气口通过第三电动调节阀19与回热器8的冷端进气口相连通，回热器8的冷端出气口与燃烧室10的空气进气口相连通，所述天然气储罐9的燃气出口通过第四电动调节阀20与燃烧室10的燃气进口相连通，燃烧室10的烟气出口通过第四速关阀21与燃气透平11的进气口相连通，燃气透平11的出气口与回热器8的热端进气口相连通，回热器8的热端出气口与大气相通；所述燃气透平11的动力输出轴与第二发电机12的电机轴相固连。
一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能方法，其流程图如图2所示，采用了所述的可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统，包括如下步骤：
步骤一：测量储气罐3内的气压，将测量到的气压记为Pcq.t；
步骤二：判断系统是否收到充电/发电命令；若收到充电命令，则转至步骤三；若收到发电命令，则转至步骤四；若未收到任何命令，保持第一速关阀14和第二速关阀15处于关断状态；
步骤三：确认第二速关阀15已关断，判断储气罐3内的气压是否满足Pcq.t<Pcq.max的条件，其中，Pcq.max为储气罐3内的气压值上限；若干满足条件，第一速关阀14开通，电动机1启动，通过压缩机组2向储气罐3内充气，并转至步骤一；若不满足条件，则转至步骤八；
步骤四：确认第一速关阀14已关断，判断储气罐3内的气压是否满足其下限约束，即Pcq.t>γδPe，其中，Pe为系统周围环境气压，γ为用气深度修正系数，且满足0.5<γ<1，δ为根据空气透平6的额定负荷功率确定的环境气压倍数；若满足下限约束，第二速关阀15开通，并转至步骤五；若不满足下限约束，则转至步骤八；
步骤五：若满足Pcq.t>δPe，三通阀13的第一出气口开通，并转至步骤六；若满足γδPe<Pcq.t<γPe，三通阀13的第二出气口开通，并转至步骤七；
步骤六：判断空气透平6是否长时间处于较高发电负荷运行状态，当
Figure BDA0002206866470000051
时，第一电动调节阀16关断，高压气体通过第二电动调节阀17进行降压，之后进入第二气液换热器5中与低品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平6中，以驱动空气透平6来带动第一发电机7进行发电，然后转至步骤一；当
Figure BDA0002206866470000052
时，第二电动调节阀17关断，高压气体通过第一电动调节阀16进行降压，之后进入第一气液换热器4中与中品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平6中，以驱动空气透平6来带动第一发电机7进行发电，然后转至步骤一；其中，P1.t为第一发电机7的实际输出功率，P1.m为空气透平6处于额定发电负荷下运行时的第一发电机7的输出功率，t为调度时段，Δtmax为空气透平6处于较高发电负荷的运行时间；
步骤七：第三电动调节阀19开通，高压空气通过第三电动调节阀19进行节流，之后进入回热器8中与二次利用的高温烟气进行热交换，完成热交换的高压空气进入燃烧室10中，同时天然气储罐9向燃烧室10中通入天然气，使天然气与高压空气在燃烧室10中混合燃烧，所形成的高温烟气直接进入燃气透平11中，以驱动第二发电机12进行发电，随着所需发电负荷的变化，通过第四电动调节阀20调整天然气储罐9的出气流量，然后转至步骤一；
步骤八：确认第一速关阀14和第二速关阀15处于关断状态，系统停止发电。
以采用单级压缩、单级膨胀传统非补燃型系统为例，其通过外界热源与储气罐排出高压气体进行热交换，尽管工质的做功能力得到提高，但是储气罐的气压下限仍较高，储气罐气压达到上限值时总的可发电量受限；如图3所示，在图3中可以看到，传统非补燃型系统在9：00到12：00处于放电工况运行状态，考虑储气罐气压处于较低位置，系统于12：00到14：00进入充电工况运行，为下一阶段的用电高峰做准备；在18：00到22：00间，系统进行第二次放电运行，最后在用电低谷时段充电，完成一个调度周期的充放电功作业；在这个调度周期内，传统非补燃型系统共进行了两轮充放电作业，在两次充电过程中，由于储气罐气压均处于相对高位，导致压缩机组以及传输管道中产生的能量损耗较高，最终导致这个调度周期内系统的电-电转换效率降低。
反观本发明，以四级压缩、单级膨胀的压缩空气储能系统为例，其结合了补燃型和非补燃型两种发电模式，如图3所示，在图3中可以看到，本发明在9：00到13：00处于放电工况运行状态，在12：00后，由于储气罐可用气深度增加，系统未充电；在18：00到21：00系统再次进入放电工况运行；在21：00后，系统气压不足，停止放电作业；在23：00到第二天的6：00，系统切换切换到充电工况，此时由于储气罐气压处于低位，充电过程所带来的能量损耗降低，最终提高了这个调度周期内系统的电-电转换效率。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种可提高电-电转换效率的压缩空气储能方法，采用的可提高电-电转换效率的压缩空气储能系统包括电动机、压缩机组、储气罐、三通阀、非补燃发电组件及补燃发电组件；所述非补燃发电组件包括第一气液换热器、第二气液换热器、空气透平及第一发电机；所述补燃发电组件包括回热器、天然气储罐、燃烧室、燃气透平及第二发电机；所述电动机的电机轴与压缩机组的动力输入轴相固连，压缩机组的出气口通过第一速关阀与储气罐的进气口相连通，储气罐的出气口通过第二速关阀与三通阀的进气口相连通；所述三通阀的第一出气口分两路输出，第一路通过第一电动调节阀与第一气液换热器的进气口相连通，第二路通过第二电动调节阀与第二气液换热器的进气口相连通，第一气液换热器和第二气液换热器的出气口汇接成一路且通过第三速关阀与空气透平的进气口相连通，空气透平的出气口与大气相通，空气透平的动力输出轴与第一发电机的电机轴相固连；所述第一气液换热器的进液口通入的热源为中品质热源，热源的温度≥500℃；所述第二气液换热器的进液口通入的热源为低品质热源，热源的温度≥200℃；所述三通阀的第二出气口通过第三电动调节阀与回热器的冷端进气口相连通，回热器的冷端出气口与燃烧室的空气进气口相连通，所述天然气储罐的燃气出口通过第四电动调节阀与燃烧室的燃气进口相连通，燃烧室的烟气出口通过第四速关阀与燃气透平的进气口相连通，燃气透平的出气口与回热器的热端进气口相连通，回热器的热端出气口与大气相通；所述燃气透平的动力输出轴与第二发电机的电机轴相固连；其特征在于包括如下步骤：
步骤一：测量储气罐内的气压，将测量到的气压记为Pcq.t；
步骤二：判断系统是否收到充电/发电命令；若收到充电命令，则转至步骤三；若收到发电命令，则转至步骤四；若未收到任何命令，保持第一速关阀和第二速关阀处于关断状态；
步骤三：确认第二速关阀已关断，判断储气罐内的气压是否满足Pcq.t<Pcq.max的条件，其中，Pcq.max为储气罐内的气压值上限；若干满足条件，第一速关阀开通，电动机启动，通过压缩机组向储气罐内充气，并转至步骤一；若不满足条件，则转至步骤八；
步骤四：确认第一速关阀已关断，判断储气罐内的气压是否满足其下限约束，即Pcq.t>γδPe，其中，Pe为系统周围环境气压，γ为用气深度修正系数，且满足0.5<γ<1，δ为根据空气透平的额定负荷功率确定的环境气压倍数；若满足下限约束，第二速关阀开通，并转至步骤五；若不满足下限约束，则转至步骤八；
步骤五：若满足Pcq.t>δPe，三通阀的第一出气口开通，并转至步骤六；若满足γδPe<Pcq.t<γPe，三通阀的第二出气口开通，并转至步骤七；
步骤六：判断空气透平是否长时间处于较高发电负荷运行状态，当
Figure FDA0002725125150000011
时，第一电动调节阀关断，高压气体通过第二电动调节阀进行降压，之后进入第二气液换热器中与低品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平中，以驱动空气透平来带动第一发电机进行发电，然后转至步骤一；当
Figure FDA0002725125150000021
时，第二电动调节阀关断，高压气体通过第一电动调节阀进行降压，之后进入第一气液换热器中与中品质热源进行热交换，完成热交换后的高压气体直接进入空气透平中，以驱动空气透平来带动第一发电机进行发电，然后转至步骤一；其中，P1.t为第一发电机的实际输出功率，P1.m为空气透平处于额定发电负荷下运行时的第一发电机的输出功率，t为调度时段，Δtmax为空气透平处于较高发电负荷的运行时间；
步骤七：第三电动调节阀开通，高压空气通过第三电动调节阀进行节流，之后进入回热器中与二次利用的高温烟气进行热交换，完成热交换的高压空气进入燃烧室中，同时天然气储罐向燃烧室中通入天然气，使天然气与高压空气在燃烧室中混合燃烧，所形成的高温烟气直接进入燃气透平中，以驱动第二发电机进行发电，随着所需发电负荷的变化，通过第四电动调节阀调整天然气储罐的出气流量，然后转至步骤一；
步骤八：确认第一速关阀和第二速关阀处于关断状态，系统停止发电。
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