CN110715572B - 压缩空气储能蓄热系统的设计方法及设计装置 - Google Patents

压缩空气储能蓄热系统的设计方法及设计装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压缩空气储能蓄热系统的设计方法及设计装置，该压缩空气储能蓄热系统的设计方法包括：基于膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、第一换热腔的尺寸，确定每个蓄热器包含的子蓄热器的个数N；基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质的物理参数、蓄热器的工作时间、子蓄热器的个数N、第一管的外径、子蓄热器的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle；基于第一换热腔的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle，确定第二管的外径和确定第二换热腔的外径。本发明的缩空气储能蓄热系统的设计方法，提供了一种模块化的设计方案，可以方便地设计出蓄热器的结构，且确保释能阶段膨胀机处于高效的工作温区。

Description

压缩空气储能蓄热系统的设计方法及设计装置
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能蓄热系统的设计方法、设计装置、电子设备和存储介质。
背景技术
当前，我国清洁能源发电源迅速发展，以水电、光伏、风电为代表的新型清洁可再生能源成为我国建设清洁能源电站的首要选择。由于复杂的电源结构、电网结构、电价构成及历史因素影响等原因，造成了电力资源配置扭曲等突出矛盾，且受限于常规电源特性和电网结构，新能源消纳问题突出。大规模电力储能技术可有效解决可再生能源的不稳定性、调整电网峰谷、改善电力系统经济性和稳定性。
压缩空气储能因不需要燃料的补燃，环境友好性佳，目前得到大力推广，但是如何提高先进绝热压缩空气储能技术的系统效率，降低运行成本也成了该技术领域的研究热点之一。
相关技术中，压缩空气储能蓄热系统的设计通常是一个项目出一次设计方案，导致大量重复和繁琐的计算工作，工作效率低，存在改进空间。
发明内容
本发明实施例提供一种压缩空气储能蓄热系统的设计方法，用以解决现有技术中压缩空气储能蓄热系统的设计难度大的缺陷。
一方面，本发明实施例提供一种压缩空气储能蓄热系统的设计方法，所述压缩空气储能蓄热系统包括：蓄热装置、压缩机、储气装置、多级膨胀机，所述蓄热装置包括多个蓄热器，所述蓄热器包括多个子蓄热器，所述子蓄热器包括第一管、第二管、第三管，所述第三管、所述第二管、所述第一管从外到内顺次套设，且所述第二管与所述第一管之间限定出用于填充蓄热介质的蓄热腔，所述第一管限定出第一换热腔，所述第三管和所述第二管之间限定出第二换热腔，且同一个所述蓄热器的多个所述第一换热腔及多个所述第二换热腔并联连接于所述蓄热装置的换热流路，且至少部分所述蓄热器的所述第一换热腔及所述第二换热腔可选择性地与所述换热流路连通，所述压缩机与所述换热流路相连，所述储气装置的进口和出口分别连接于所述换热流路的两端，多级所述膨胀机串联连接于所述换热流路；所述设计方法包括：基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N；基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径。
在一些实施例中，所述基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N，包括：应用公式
Figure BDA0002238061450000021
确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N，其中qm_e为膨胀机的质量流量，ρh为热换热介质密度，v为释能时换热介质的流动速度，Ain为所述第一换热腔的横截面积，Aout为所述第二换热腔的横截面积，r1为所述第一换热腔的半径。
在一些实施例中，所述基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，包括：基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间，确定所述蓄热器的所述蓄热介质的体积Vsalt；基于所述蓄热介质的体积Vsalt、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle。
在一些实施例中，所述基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间，确定所述蓄热器的所述蓄热介质的体积Vsalt，包括：应用公式
Figure BDA0002238061450000031
确定所述蓄热介质的体积Vsalt，其中qm_e为膨胀机的质量流量，Cp为换热介质的定压比热容，Tc out为所述前级膨胀机的出口温度，Tc in为所述后级膨胀机的出口温度，β为散热损失，th为每个所述蓄热器的释能时间，Cp_salt为所述蓄热介质的比热，ρsalt为所述蓄热介质的密度，ΔT为所述蓄热介质的工作温度区间。
在一些实施例中，所述基于所述蓄热介质的体积Vsalt、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，包括：应用公式
Figure BDA0002238061450000032
确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，其中r1为所述第一换热腔的半径，δ为所述第一管的壁厚，l为所述子蓄热器的长度。
在一些实施例中，所述基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径，包括：基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle、所述第一管及所述第二管壁厚，确定所述第二管的外径；基于所述第一换热腔的尺寸、所述第二管的外径，确定所述第二换热腔的外径。
在一些实施例中，所述基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle、所述第一管及所述第二管壁厚，确定所述第二管的外径，包括：应用公式
r2＝r1+δmiddle+2·δ，
确定所述第二管的外径r2，其中，r1为所述第一换热腔的半径，所述第一管的壁厚及所述第二管的壁厚均为δ。
在一些实施例中，包括：应用公式
Ain＝πr1 2，Aout＝π(r3 2-r2 2)，Aout＝Ain，
确定所述第二换热腔的外径，其中，r1为所述第一换热腔的半径，r2为所述第二管的外径。
在一些实施例中，还包括：基于所述储气装置的释能时间tall、每个所述蓄热器的释能时间th，应用公式
Figure BDA0002238061450000041
确定所述蓄热器的数量Nm。
另一方面，本发明实施例提供一种压缩空气储能蓄热系统的设计装置，所述压缩空气储能蓄热系统包括：蓄热装置、压缩机、储气装置、多级膨胀机，所述蓄热装置包括多个蓄热器，所述蓄热器包括多个子蓄热器，所述子蓄热器包括第一管、第二管、第三管，所述第三管、所述第二管、所述第一管从外到内顺次套设，且所述第二管与所述第一管之间限定出用于填充蓄热介质的蓄热腔，所述第一管限定出第一换热腔，所述第三管和所述第二管之间限定出第一换热腔，且同一个所述蓄热器的多个所述第一换热腔及多个所述第二换热腔并联连接于所述蓄热装置的换热流路，且多个所述换热腔中的至少部分可选择性地与所述换热流路连通，所述压缩机与所述换热流路相连，所述储气装置的进口和出口分别连接于所述换热流路的两端，多级所述膨胀机串联连接于所述换热流路；所述设计装置包括：第一处理单元，用于基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N；第二处理单元，用于基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；第三处理单元，用于基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径。
再一方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法的步骤。
又一方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法的步骤。
本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的设计方法、设计装置、电子设备及存储介质，提供了一种模块化的设计方案，可以方便地设计出蓄热器的结构，且确保释能阶段膨胀机处于高效的工作温区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的结构原理图；
图2为本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的子蓄热器的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的设计方法流程图；
图4为本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的设计装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
首先参考图1-图2描述本发明实施例的压缩空气储能蓄热系统的设计方法。
如图1所示，本发明实施例的存取共用型压缩空气储能蓄热系统包括：蓄热装置10、压缩机、储气装置20和多级膨胀机。
其中，蓄热装置10包括多个蓄热器11，蓄热器11用于储能且在需要时释能，比如可以将多余的电能通过热能的方式存储，在需要使用时再释放热能。
蓄热器11，蓄热器11包括多个子蓄热器12，如图2所示，每个子蓄热器12均具有蓄热腔和换热腔，蓄热腔用于填充蓄热介质16，图2中的蓄热腔已填充有蓄热介质16，蓄热介质16包括但不限于熔盐，换热腔与蓄热腔隔离，并可以通过中间的隔离层导热，隔离层为热的良导体制成，比如铜、不锈钢、铝等金属。同一个蓄热器11的多个换热腔与换热流路19同步连通或断开。
换言之，每个蓄热器11实质是子蓄热器组，这样在蓄热容量一定的情况下，可以将每个子蓄热器12设计的较小，对应地，每个蓄热腔和每个换热腔的横截面积可以做的较小，可以提高换热效率。
同一个蓄热器11的多个子蓄热器12的换热腔并联连接，即当某蓄热器11工作时，该蓄热器11的多个子蓄热器12同步并联工作，以提高每个蓄热器11的换热速度。
同一个蓄热器11的多个子蓄热器12并排设置，以便于整个蓄热器11的封装以及换热腔之间的并联连接。
如图1所示，同一个蓄热器11的多个换热腔通过共同的控制阀18连接于换热流路19，控制对应的控制阀18的通断状态，即可实现每个蓄热器11的多个子蓄热器12的并联通断。
换热腔为直线型。这样在储能或释能阶段，相较于相关技术中的U型回路，可以大幅降低压降损失，从而增强系统的能效。
如图2所示，子蓄热器12包括第一管13、第二管14、第三管15，第三管15、第二管14、第一管13从外到内顺次套设，且第二管14与第一管13之间限定出用于填充蓄热介质16的蓄热腔，第一管13限定出第一换热腔17a，第三管15和第二管14之间限定出第二换热腔17b。
换言之，第一管13限定出第一换热腔17a，第二管14套设在第一管13外，第二管14与第一管13沿径向间隔开，这样第二管14与第一管13之间限定出蓄热腔，第三管15套设在第二管14外，第三管15与第二管14沿径向间隔开，这样第三管15与第二管14之间限定出第二换热腔17b。蓄热腔与内侧的第一换热腔17a通过第一管13隔离，蓄热腔与第二换热腔17b通过第二管14隔离。
需要说明的是，在该实施例中，换热腔包括两层，即蓄热腔的内外两侧均设计换热腔，第一管13和第二管14可以为热的良导体制成，以便于换热，第三管15外包覆有保温层。蓄热腔的内外两侧的第一换热腔17a和第二换热腔17b可以同时工作，且第一换热腔17a和第二换热腔17b内的换热介质同向流动，这样，换热效率更高。
第三管15、第二管14与第一管13可以均为直管，比如第三管15、第二管14与第一管13可以为同心的圆形直管，对应地，蓄热腔为环形腔，外侧的第二换热腔17b为环形腔。
多个蓄热器11并联连接，同一个蓄热器11的多个第一换热腔17a及多个第二换热腔17b并联连接于蓄热装置10的换热流路19，且至少部分蓄热器11的第一换热腔17a及第二换热腔17b可选择性地与换热流路19连通。比如，每个蓄热装置10通过各自对应的控制阀18连接于换热流路19。
压缩机与蓄热器11的换热流路19相连，压缩机的工作介质(可以为空气)即为换热介质。压缩机可以为空气压缩机，压缩机用于将空气压缩，在压缩过程会使空气增压升温，压缩机可以连接有电动机，比如图1中的压缩机通过电动机A/B/C驱动，电动机可以用风电、光伏电等不便于上网的可再生电驱动。
膨胀机与换热流路19相连，膨胀机的工作介质也为换热介质。膨胀机可以利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功，且会使气体温度降低，膨胀机用于将压缩空气的内能和压力势能转化为机械能输出，比如膨胀机可以连接有发电机D/E，以驱动发电机D/E发电。
储气装置20的进口和出口分别连接于换热流路19的两端，储气装置20用于存储高压气体，比如储气装置20可以包括管线钢储气装置20。储气装置20可以通过保温处理，保持内部存储的气体的热能。换热流路19的两端指换热流路19的分别与换热腔的两端相连的两个总干路。
在储能阶段，压缩机工作，换热介质(可以为空气等气体)流经换热腔，并将热能传递给蓄热腔内的蓄热介质16，比如蓄热腔内的熔盐吸热升温融化，这样可以将换热腔内的换热介质的能量传递给蓄热腔内的蓄热介质16存储。换热后的换热介质(高压气体)可以存储于储气装置20。
在释能阶段，储气装置20中存储的换热介质(高压气体)流经换热腔，蓄热腔内的蓄热介质16将热量传递给换热腔的换热介质，使换热介质升温后流入膨胀机做功以输出能量，比如蓄热腔内的熔盐放热降温凝固，这样可以将蓄热腔内的蓄热介质16存储的热能释放。
换言之，该蓄热装置10中蓄能和释能使用的是同样的换热腔，也就是说，在储能阶段高温的换热介质与释能阶段低温的换热介质流经的是同样的换热腔，这样使得整个蓄热器11的结构简单。
另外，储能和势能时流动的介质为高压的换热气体，由系统运行时气体内部的压差驱动，蓄热介质无需流动，这样不用设置驱动泵。由于蓄热介质16无需流动，较相关技术中驱动蓄热介质16流动的方案可以节省运行电损耗和驱动泵的建设成本。
可以理解的是，在储能阶段，可以通过控制各个蓄热器11与换热流路19的连通状态，实现各个蓄热器11的逐个蓄能。比如图1中，每个蓄热器11可以通过各自对应的控制阀18来控制自身与换热流路19的连通状态，在当前的蓄热器11内的熔盐全部达到设计储能温度时，关闭当前蓄热器11的分支控制阀18，开启其他未蓄热蓄热器11的控制阀18，并以此类推。
当然，也可以通过控制控制阀18的开闭状态，实现多个蓄热器11同步并联蓄能或释能，或者通过在蓄热器11的两端均设置控制阀18，还可以控制多个蓄热器11同步串联蓄热。
同样，在释能阶段，可以通过控制各个蓄热器11与换热流路19的连通状态，实现各个蓄热器11的多种释能模式。
这样，可以根据当前储能或释能的需求，选择合适数目的蓄热器11工作或者合适的工作模式，确保存储的热能为高温度的高品质热能。
根据本发明实施例的存取共用型压缩空气储能蓄热系统，通过设计了存、取共用的蓄热装置10以及换热介质自流动的方案，不仅可以大幅降低投资成本，还可以节省运行电损耗以及空气加热和冷却时的压降损失，提高系统效率，通过设计可独立并入换热流路19的多个蓄热器11，有利于该系统的容量扩充及模块化运行。
在一些实施例中，本发明实施例的存取共用型压缩空气储能蓄热系统包括多个压缩机，多个压缩机串联连接，这样可以形成多级压缩的模式，使得存入储气装置20的气体压力足够大。
如图1所示，沿压缩气路相邻的压缩机分布于换热流路19的异侧。换言之，相邻两级的压缩机分别分布于蓄热装置10的两侧。压缩气路指储能阶段，压缩气体的流路。比如图1中一级压缩机31布置于蓄热装置10的上侧(图1中的上)，二级压缩机32布置于蓄热装置10的下侧(图1中的下)，三级压缩机33布置于蓄热装置10的上侧(图1中的上)。经过一级压缩机31出口的高温空气加热蓄热器11内的蓄热介质16后，流动到蓄热装置10下侧。将二级压缩机32布置在蓄热器11的下侧，此时经过换热出口的中压空气正好通过二级压缩机32进一步压缩，避免将二级压缩机32设置到上侧时需要增加空气引出管和增加空气压降的问题。同理将三级压缩机33放置于蓄热器11的上侧，以承接来自二级压缩机32的高压空气。
需要说明的是，相关技术中，大规模的压缩空气储能系统的压降很严重，发明人通过大量研究发现，该压降来源于空气流入引出管导致的长且拐弯的流路，本申请通过将相邻两级压缩机分别分布于蓄热装置10的两侧，可以省掉空气流入引出管的建设成本，且大幅降低整个系统的压降，增强系统储能效率。
在一些实施例中，本发明实施例的存取共用型压缩空气储能蓄热系统包括多级膨胀机，多级膨胀机串联连接于换热流路19。这样可以形成多级膨胀的模式，可以充分利用各个阶段的压力，释能效率更高。
如图1所示，沿膨胀气路相邻的膨胀机分布于换热流路19的异侧。换言之，相邻两级的膨胀机分别分布于蓄热装置10的两侧。膨胀气路指释能阶段，气体的流路。比如图1中前级膨胀机41布置于蓄热装置10的上侧(图1中的上)，后级膨胀机42布置于蓄热装置10的下侧(图1中的下)。本申请通过将相邻两级膨胀机分别分布于蓄热装置10的两侧，可以省掉空气流入引出管的建设成本，且大幅降低整个系统的压降，增强系统释能效率。
根据本发明实施例的存取共用型压缩空气储能蓄热系统，在储能时，高压高温空气流入子蓄热器12的换热腔，并将热量传给蓄热腔处的蓄热介质16(以熔盐为例)。在释能时，从储气装置20出口的高压低温空气通过子蓄热器12的换热腔，被蓄热腔处的蓄热介质16加热到高温，高温高压空气再到膨胀机，膨胀机做功。该蓄热装置10为直管布置，可以降低流动阻力。该系统可模块化设计，存、取运行环节共用一套蓄热装置10可降低投资成本，通过规划压缩机、膨胀机布置在蓄热装置10两侧，进一步降低空气流路压降。
在实际的执行中，多个同心套管式的子蓄热器12并联组成一列蓄热器11，多个蓄热器11并联组成了整个蓄热装置10，对每个子蓄热器12都进行外管保温处理。以熔盐作为储能介质为例，本方案主要分为储能和释能两个步骤。
储能时，经过压缩机压缩的高温高压空气，通过子蓄热器12的换热腔加热位于环腔内的熔盐，熔盐吸热升温融化。当目标蓄热器11的熔盐全部达到设计储能温度时，关闭当前蓄热器11的分支控制阀18。开启其他蓄热器11的控制阀18，并以此类推。依次加个蓄热装置10中各个储热器，直到所有储热器分支均达到设计蓄热温度或储气装置20内空气压力达到设计压力值。
释能时，储气装置20出口的高压空气，通过子蓄热器12的换热腔，蓄热腔的熔盐将热量传递给通过换热腔内的空气，空气温度升高。再到膨胀机内膨胀做功。通过控制各蓄热器11的控制阀18的开闭，使高压空气依次通过各个蓄热器11被加热，直到提取完整个储热装置的蓄热或者储气装置20内空气高压空气释放完成为止。
本发明实施例提供了一种存取共用型压缩空气储能蓄热系统。该系统以内置蓄热夹层的同心套管为核心子蓄热器12。该子蓄热器12为圆直管。通过在子蓄热器12的夹层处填充合适的蓄热介质16来吸收和加热通过内外环腔的空气，起到储热和释热的作用。通过若干子蓄热器12并联组成蓄热器11，再通过若干蓄热器11并联成蓄热整个蓄热装置10。在每个蓄热器11前设置阀门，便于规划存、取热过程中的气体流路。
子蓄热器12通过环腔作为蓄热核心加热或冷却内管空气，同时具备蓄热和换热的功能。直管布置能很好的降低空气流路中存在的压降，提高系统效率。储能、释能环节共用一套设备，降低了整个系统的投资。运营过程中蓄热介质16无需流动，也降低了运营成本。模块化的设计和管理方式，有助于大规模生产、容量的扩展，也能降低系统投资和运营管理难度。
下面参考图2和图3描述本发明实施例的压缩空气储能蓄热系统的设计方法。
步骤S100、基于膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、第一换热腔17a的尺寸，确定每个蓄热器11包含的子蓄热器12的个数N。
需要说明的是，每个蓄热器11中的子蓄热器12的个数N可以决定整个蓄热器11的换热效率和蓄热容量，通过膨胀机的工作参数(比如膨胀机的质量流量)、换热介质的物理参数(比如换热介质的流速、密度等)、第一换热腔17a的尺寸(包括第一换热腔17a的横截面积或者可以用于计算横截面积的其他参数)，可以确定每个蓄热器11中包括几个子蓄热器12。
每个蓄热器11包含的子蓄热器12的个数N用于指导子蓄热器12的模组化规模。
步骤S200、基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质16的物理参数、蓄热器11的工作时间、子蓄热器12的个数N、第一管13的外径、子蓄热器12的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle。
可以理解的是，子蓄热器12的长度、蓄热腔的厚度δmiddle决定了子蓄热器12的蓄热量，由于确定蓄热腔的厚度δmiddle时，考虑到前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差，这样确保前级膨胀机41与后级膨胀机42均处于高效的工作温区。
步骤S300、基于第一换热腔17a的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle，确定第二管14的外径和确定第二换热腔17b的外径。
如图2所示，在已知第一换热腔17a的尺寸、第一管13的壁厚、第二管14的壁厚、第三管15的壁厚、蓄热腔的厚度δmiddle的基础上，可以方便地计算出第二管14的外径和确定第二换热腔17b的外径。
需要说明的是，第一换热腔17a的半径即为第一管13的内径，第一管13的外径即为蓄热腔的内径，蓄热腔的外径即为第二管14的内径，第二管14的外径即为第二换热腔17b的内径，第二换热腔17b的外径即为第三管15的内径。
在一些实施例中，可以将第一管13的壁厚、第二管14的壁厚、第三管15的壁厚设计为相同，当然，也可以设计为不同，在下面的实施例，将以第一管13的壁厚、第二管14的壁厚、第三管15的壁厚相同为例进行说明。
本发明实施例的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，提供了一种模块化的设计方案，可以方便地设计出蓄热器11的结构，且确保释能阶段膨胀机处于高效的工作温区。
在一些实施例中，上述步骤S100、基于膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、第一换热腔17a的尺寸，确定每个蓄热器11包含的子蓄热器12的个数N，包括：
应用公式
Figure BDA0002238061450000131
确定每个蓄热器11包含的子蓄热器12的个数N，其中qm_e为膨胀机的质量流量，ρh为热换热介质密度，v为释能时换热介质的流动速度，Ain为第一换热腔17a的横截面积，Aout为第二换热腔17b的横截面积，r1为第一换热腔17a的半径。
需要说明的是，通过确保第一换热腔17a的横截面积和第二换热腔17b的横截面积相等，使得释能阶段第一换热腔17a和第二换热腔17b出口气体温度均衡。
在一些实施例中，上述步骤S200、基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质16的物理参数、蓄热器11的工作时间、子蓄热器12的个数N、第一管13的外径、子蓄热器12的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle，包括：
步骤S210、基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质16的物理参数、蓄热器11的工作时间，确定蓄热器11的蓄热介质16的体积Vsalt。
步骤S220、基于蓄热介质16的体积Vsalt、子蓄热器12的个数N、第一管13的外径、子蓄热器12的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle。
换言之，先确定蓄热器11的蓄热介质16的体积Vsalt，再确定蓄热腔的厚度δmiddle。
蓄热介质16的体积Vsalt结合蓄热介质16的物理参数等可以确定蓄热器11的蓄热量，再结合实际工作过程中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差，即换热需求量，即可方便地确定出蓄热介质16的体积Vsalt。
在确定蓄热介质16的体积Vsalt后，根据体积计算公式，即可确定蓄热腔的厚度δmiddle。
在实际的执行中，上述步骤S210、基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质16的物理参数、蓄热器11的工作时间，确定蓄热器11的蓄热介质16的体积Vsalt，包括：
应用公式
Figure BDA0002238061450000141
确定蓄热介质16的体积Vsalt，其中qm_e为膨胀机的质量流量，Cp为换热介质的定压比热容，Tc out为前级膨胀机41的出口温度，Tc in为后级膨胀机42的进口温度，β为散热损失，th为每个蓄热器11的释能时间，Cp_salt为蓄热介质16的比热，ρsalt为蓄热介质16的密度，ΔT为蓄热介质16的工作温度区间。
上述步骤S220、基于蓄热介质16的体积Vsalt、子蓄热器12的个数N、第一管13的外径、子蓄热器12的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle，包括：
应用公式
Figure BDA0002238061450000142
确定蓄热腔的厚度δmiddle，其中r1为第一换热腔17a的半径，δ为第一管13的壁厚，l为子蓄热器12的长度。
其中，对于直管型的蓄热器11第一管13的长度、第二管14的长度、第三管15的长度、子蓄热器12的长度可以作等同处理。
上述公式为蓄热腔的厚度δmiddle的简化算法，当然，也可以根据同心圆环的面积公式计算蓄热腔的厚度δmiddle。
在一些实施例中，上述步骤S300、基于第一换热腔17a的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle，确定第二管14的外径和确定第二换热腔17b的外径，包括：
步骤S310、基于第一换热腔17a的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle、第一管13及第二管14壁厚，确定第二管14的外径。
步骤S320、基于第一换热腔17a的尺寸、第二管14的外径，确定第二换热腔17b的外径。
在实际的执行中，上述步骤S310、基于第一换热腔17a的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle、第一管13及第二管14壁厚，确定第二管14的外径，包括：
应用公式r2＝r1+δmiddle+2·δ，确定第二管14的外径r2，其中，r1为第一换热腔17a的半径，第一管13的壁厚及第二管14的壁厚均为δ。
在实际的执行中，上述步骤S320、基于第一换热腔17a的尺寸、第二管14的外径，确定第二换热腔17b的外径，包括：
应用公式
Ain＝πr1 2，Aout＝π(r3 2-r2 2)，Aout＝Ain，
确定第二换热腔17b的外径，其中，r1为第一换热腔17a的半径，r2为第二管14的外径。
需要说明的是，通过确保第一换热腔17a的横截面积和第二换热腔17b的横截面积相等，使得释能阶段第一换热腔17a和第二换热腔17b出口气体温度均衡。
在一些实施例中，本发明的提供的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，还可以包括：
步骤S400、基于储气装置20的释能时间tall、每个蓄热器11的释能时间th，应用公式
Figure BDA0002238061450000151
确定蓄热器11的数量Nm。
这样，在设计出单个蓄热器11的基础上，还设计出了整个蓄热装置10包含的额蓄热器11的个数，且该设计方案也是基于模组化的思路，当释能时间等参数发生变化时，只需代入更新后的参数即可。
下面对本发明实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的设计装置进行描述，下文描述的压缩空气储能蓄热系统的设计装置与上文描述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法可相互对应参照。
压缩空气储能蓄热系统的结构可以参考上述描述。
如图4所示，本发明实施例的压缩空气储能蓄热系统的设计装置包括：第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元。
其中，第一处理单元，用于基于膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、第一换热腔17a的尺寸，确定每个蓄热器11包含的子蓄热器12的个数N。
第二处理单元，用于基于相邻的两级膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、换热介质的物理参数、蓄热介质16的物理参数、蓄热器11的工作时间、子蓄热器12的个数N、第一管13的外径、子蓄热器12的长度，确定蓄热腔的厚度δmiddle。
第三处理单元，用于基于第一换热腔17a的尺寸、蓄热腔的厚度δmiddle，确定第二管14的外径和确定第二换热腔17b的外径。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下压缩空气储能蓄热系统的设计方法：基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔17a的尺寸，确定每个所述蓄热器11包含的所述子蓄热器12的个数N；基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质16的物理参数、所述蓄热器11的工作时间、所述子蓄热器12的个数N、所述第一管13的外径、所述子蓄热器12的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；基于所述第一换热腔17a的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管14的外径和确定所述第二换热腔17b的外径。
需要说明的是，本实施例中的电子设备在具体实现时可以为服务器，也可以为PC机，还可以为其他设备，只要其结构中包括如图5所示的处理器810、通信接口820、存储器830和通信总线840，其中处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信，且处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令以执行上述方法即可。本实施例不对电子设备的具体实现形式进行限定。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
进一步地，本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，例如该压缩空气储能蓄热系统的设计方法包括：基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔17a的尺寸，确定每个所述蓄热器11包含的所述子蓄热器12的个数N；基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质16的物理参数、所述蓄热器11的工作时间、所述子蓄热器12的个数N、所述第一管13的外径、所述子蓄热器12的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；基于所述第一换热腔17a的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管14的外径和确定所述第二换热腔17b的外径。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，例如该压缩空气储能蓄热系统的设计方法包括：基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔17a的尺寸，确定每个所述蓄热器11包含的所述子蓄热器12的个数N；基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机41的出口与后级膨胀机42的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质16的物理参数、所述蓄热器11的工作时间、所述子蓄热器12的个数N、所述第一管13的外径、所述子蓄热器12的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；基于所述第一换热腔17a的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管14的外径和确定所述第二换热腔17b的外径。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述压缩空气储能蓄热系统包括：
蓄热装置、压缩机、储气装置、多级膨胀机，所述蓄热装置包括多个蓄热器，所述蓄热器包括多个子蓄热器，所述子蓄热器包括第一管、第二管、第三管，所述第三管、所述第二管、所述第一管从外到内顺次套设，且所述第二管与所述第一管之间限定出用于填充蓄热介质的蓄热腔，所述第一管限定出第一换热腔，所述第三管和所述第二管之间限定出第二换热腔，且同一个所述蓄热器的多个所述第一换热腔及多个所述第二换热腔并联连接于所述蓄热装置的换热流路，且至少部分所述蓄热器的所述第一换热腔及所述第二换热腔可选择性地与所述换热流路连通，所述压缩机与所述换热流路相连，所述储气装置的进口和出口分别连接于所述换热流路的两端，多级所述膨胀机串联连接于所述换热流路；
所述设计方法包括：
基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N；
基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；
基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N，包括：
应用公式
Figure FDA0002741882400000011
Ain＝πr1 2，Aout＝Ain，
确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N，其中qm_e为膨胀机的质量流量，ρh为热换热介质密度，v为释能时换热介质的流动速度，Ain为所述第一换热腔的横截面积，Aout为所述第二换热腔的横截面积，r1为所述第一换热腔的半径。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，包括：
基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间，确定所述蓄热器的所述蓄热介质的体积Vsalt；
基于所述蓄热介质的体积Vsalt、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle。
4.根据权利要求3所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间，确定所述蓄热器的所述蓄热介质的体积Vsalt，包括：
应用公式
Figure FDA0002741882400000021
确定所述蓄热介质的体积Vsalt，其中qm_e为膨胀机的质量流量，Cp为换热介质的定压比热容，Tc out为所述前级膨胀机的出口温度，Tc in为所述后级膨胀机的进口温度，β为散热损失，th为每个所述蓄热器的释能时间，Cp_salt为所述蓄热介质的比热，ρsalt为所述蓄热介质的密度，ΔT为所述蓄热介质的工作温度区间。
5.根据权利要求3所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于所述蓄热介质的体积Vsalt、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，包括：
应用公式
Figure FDA0002741882400000031
确定所述蓄热腔的厚度δmiddle，其中r1为所述第一换热腔的半径，δ为所述第一管的壁厚，l为所述子蓄热器的长度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径，包括：
基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle、所述第一管及所述第二管壁厚，确定所述第二管的外径；
基于所述第一换热腔的尺寸、所述第二管的外径，确定所述第二换热腔的外径。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle、所述第一管及所述第二管壁厚δ，确定所述第二管的外径，包括：
应用公式
r2＝r1+δmiddle+2·δ，
确定所述第二管的外径r2，其中，r1为所述第一换热腔的半径，所述第一管的壁厚及所述第二管的壁厚均为δ。
8.根据权利要求6所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，所述基于所述第一换热腔的尺寸、所述第二管的外径，确定所述第二换热腔的外径，包括：
应用公式
Ain＝πr1 2，Aout＝π(r3 2-r2 2)，Aout＝Ain，
确定所述第二换热腔的外径，其中，r1为所述第一换热腔的半径，r2为所述第二管的外径。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的压缩空气储能蓄热系统的设计方法，其特征在于，还包括：
基于所述储气装置的释能时间tall、每个所述蓄热器的释能时间th，应用公式
Figure FDA0002741882400000041
确定所述蓄热器的数量Nm。
10.一种压缩空气储能蓄热系统的设计装置，其特征在于，所述压缩空气储能蓄热系统包括：
蓄热装置、压缩机、储气装置、多级膨胀机，所述蓄热装置包括多个蓄热器，所述蓄热器包括多个子蓄热器，所述子蓄热器包括第一管、第二管、第三管，所述第三管、所述第二管、所述第一管从外到内顺次套设，且所述第二管与所述第一管之间限定出用于填充蓄热介质的蓄热腔，所述第一管限定出第一换热腔，所述第三管和所述第二管之间限定出第二换热腔，且同一个所述蓄热器的多个所述第一换热腔及多个所述第二换热腔并联连接于所述蓄热装置的换热流路，且多个所述换热腔中的至少部分可选择性地与所述换热流路连通，所述压缩机与所述换热流路相连，所述储气装置的进口和出口分别连接于所述换热流路的两端，多级所述膨胀机串联连接于所述换热流路；
所述设计装置包括：
第一处理单元，用于基于所述膨胀机的工作参数、换热介质的物理参数、所述第一换热腔的尺寸，确定每个所述蓄热器包含的所述子蓄热器的个数N；
第二处理单元，用于基于相邻的两级所述膨胀机中前级膨胀机的出口与后级膨胀机的进口温差、所述换热介质的物理参数、所述蓄热介质的物理参数、所述蓄热器的工作时间、所述子蓄热器的个数N、所述第一管的外径、所述子蓄热器的长度，确定所述蓄热腔的厚度δmiddle；
第三处理单元，用于基于所述第一换热腔的尺寸、所述蓄热腔的厚度δmiddle，确定所述第二管的外径和确定所述第二换热腔的外径。
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