CN110726067A - 一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统，该系统中的双层储气罐的内层罐体用于存储高压空气，内层罐体与外层罐体之间的夹层空间用以存储中压空气，该中压空气的压力比内层高压空气低一个压力等级，多个双层储气罐通过管道相联，内层罐体的主管路和夹层存储空间的主管路都与压缩机组、膨胀机组连通，通过调节阀控制压缩、膨胀过程。内层罐体放置于支撑导轨上，方便安装，并使罐体能适应运行过程中反复承压及温度变化造成的形变和位移。本发明通过设置双层储气罐体，使得外层罐体存储压力减小，内层罐体只承受高低压差，可以大幅减小内外罐体的壁厚，减少系统成本，还能通过调节阀的匹配来减小膨胀机低负荷工况下的节流损失。

Description

一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统

技术领域

本发明涉及能量存储技术领域，涉及一种压缩空气储能系统，具体地说是一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统。

背景技术

为解决常规电力系统在发电、输配电及用电环节存在的匹配问题，提高其经济性和安全性，近年来，具有效率高、对环境友好、可大规模应用、不受地理位置限制等优点的压缩空气储能系统迅速发展。目前已建成的压缩空气储能装置中，储气主要采用废弃矿井、压力容器、输气管道，其中废弃矿井受地理位置限制，而压力容器和输气管道都采用单层壳体结构，存储压力较高或者储能系统容量较大时，存储容器的壁厚随其直径的增大而增加较快，造成了成本的快速上升。

为了适应较高的存储压力，现有技术中已出现了多种结构形式的双层壳体的高压储气罐结构，例如中国专利CN201821657568.0，该专利公开了一种防爆双层式储气罐，包括外壳层、进气口、出气口和支架，所述进气口贯穿外壳层并到达外壳层内，所述出气口贯穿外壳层并到达外壳层内，所述支架固定连接在外壳层的下端侧壁上，储气罐内压力过大时，此时会使得活塞发生运动，此时按动开关，电动伸缩杆运动，开始带动推杆运动，活塞不断的向靠近密封圈的方向运动，从而降低防蚀层内气体的压力，以达到防止爆炸的效果。该专利中内外壳体之间的夹层空间为中空结构，不参与高压气体的存储，内外壳体之间设置缓冲装置，当内壳体中存储的高压气体压力过大时，通过缓冲装置进行快速泄压。

中国专利CN201620697436.5公开了一种耐高压复合材料贮氨器，该容器采用双层管壁机构，其外层筒体和内衬之间形成夹套，夹套内安装有碳纤维制成的支撑夹芯，以此提高容器的耐压能力。然而，该专利中外层筒体和内衬之间填充碳纤维制成的支撑夹芯，二者之间的夹层空间并不是中空结构，同样不参与高压气体的存储，容器耐压能力的提高，主要得益于外层筒体和内衬之间填充的碳纤维制成的支撑夹芯。

中国专利CN200510050470.X公开了一种多层高压氢气储罐，它具有两双层半球形封头，在双层半球形封头上设有大接管，在两双层半球形外封头上设有封头接管、加强箍，在两双层半球形内封头端部上焊接有薄内筒，薄内筒绕有钢带层，钢带层外设有外保护壳，外保护壳和钢带层与加强箍之间设有斜面焊缝，外保护壳上设有筒体接管。该专利主要通过使用多层结构，使得内层泄漏时，外层继续承受工作压力。

上述现有技术所披露的高压储气装置，虽然一定程度上都能够提高容器的高压气体的存储压力，并且基本都是通过增加壳体层数，以此提高壳体的承压能力，然而，这些现有技术中，内层罐体都需要直接承受高压气体，对其承压能力提出了较高的要求，外层壳体或者外层加强结构的引入本质上而言与直接增加单层储气容器的壁厚无异，增加了系统成本，并且将其使用到压缩空气储能系统时也不能减小储能系统运行过程中的节流损失。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统，通过使用双层储气罐体，使得外层罐体存储压力减小，内层罐体只承受高低压力等级的压差，可以大幅减小内外罐体的壁厚，减少系统成本，还能通过调节阀的匹配来减小膨胀机低负荷工况下的节流损失，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统，包括一空气压缩机组、一空气膨胀机组和至少一双层储气罐，所述空气压缩机组的进气口与大气连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，其特征在于，

所述双层储气罐包括一外层罐体和一内层罐体，所述内层罐体通过一内层罐体支撑导轨支撑在所述外层罐体内，所述内层罐体支撑导轨固定设置在所述外层罐体的内壁上；所述内层罐体用于存储高压空气，所述外层罐体与内层罐体之间的夹层空间用以存储中压空气；

所述外层罐体、内层罐体分别设有一通气口，所述通气口用以向罐体内通入或排出压缩空气；所述外层罐体的通气口处固定设置一中压通气管；所述内层罐体的通气口处固定设置一穿过所述外层罐体与外部连通的高压通气管，且所述高压通气管以密封的方式穿过所述外层罐体；

所述空气压缩机组的排气管通过一主连通管路与所述空气膨胀机组的进气管连通，所述高压通气管、中压通气管均与所述主连通管路连通，所述空气压缩机组的排气管、空气膨胀机组的进气管、中压通气管、高压通气管上分别设置阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅲ、阀门Ⅳ；

当所述系统处于压缩工况时，开启所述空气压缩机组，关闭所述空气膨胀机组，且进一步地：

当所述空气压缩机组的排气压力低于所述夹层空间的中压储压设计阈值时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，关闭所述阀门Ⅱ、阀门Ⅳ，或者打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，仅关闭所述阀门Ⅱ；

当所述空气压缩机组的排气压力高于所述夹层空间的中压储压设计阈值而低于所述内层罐体的高压储压设计阈值时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，关闭所述阀门Ⅱ、阀门Ⅲ；

当所述空气压缩机组的排气压力高于所述内层罐体的高压储压设计阈值时，关闭所述空气压缩机组，并关闭所有阀门。

优选地，当所述系统处于膨胀工况时，关闭所述空气压缩机组，打开所述空气膨胀机组，且进一步地：

当所述膨胀机组处于空载或低负荷运行工况时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅲ，保持所述阀门Ⅰ、阀门Ⅳ处于关闭状态；

当所述膨胀机组处于高负荷运行工况时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅳ，保持所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ处于关闭状态。

优选地，所述空气压缩机组包括至少一级空气压缩机，所述空气膨胀机组包括至少一级空气膨胀机。

优选地，所述夹层空间的中压储压设计阈值较之所述内层罐体的高压储压设计阈值低一个压力等级。

优选地，所述双层储气罐有多个，各所述双层储气罐的中压通气管依次连通，且各所述双层储气罐的高压通气管依次连通。

本发明的双层储气罐中，内层罐体用于存储高压空气，外层罐体与内层罐体之间的夹层空间用于存储中压空气，该中压储压设计阈值比高压储压设计阈值低一个压力等级，内层罐体只需要承受高压空气和中压空气的压力差，因而可以减小内层罐体的设计壁厚，节省系统成本。

优选地，所述外层罐体、内层罐体均为水平布置，所述内层罐体支撑导轨沿水平方向固定设置在所述外层罐体的内壁底部。

优选地，所述内层罐体支撑导轨为一体式导轨结构或多段分体式导轨结构，且当所述内层罐体支撑导轨选择多段分体式导轨结构时，各分段导轨之间首尾连接或不连接。

优选地，所述外层罐体、内层罐体在长度方向上的延伸方向与所述内层罐体支撑导轨的延伸方向相同，且所述内层罐体上的高压通气管的在长度方向上的延伸方向与所述内层罐体支撑导轨的延伸方向也基本相同。本发明的上述双层储气罐中，所述内层罐体在外层罐体内，通过内层罐体支撑导轨支撑，该内层罐体支撑导轨用于安装过程中将内层罐体沿导轨滑入外层罐体中，并支撑内层罐体的重量。此外，还使内层罐体能适应运行过程中反复承压及温度变化造成的形变和位移，不因固定结构限位而产生破坏。

本发明的利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统中，空气压缩机组的排气管、空气膨胀机组的进气管、中压通气管、高压通气管上分别设置阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，用于控制系统运行时的压缩和膨胀过程，将压缩机组排出的高压空气导入内层罐体，或者从内层罐体导出至膨胀机组，将压缩机组排出的中压空气导入外层罐体与内层罐体之间的夹层空间中，或者从该夹层空间中导出至膨胀机组。

优选地，所述内层罐体与外层罐体之间可以采用插管焊接方式，也可采用法兰连接方式。

优选地，所述外层罐体的结构可以采用封头焊接方式，也可采用法兰连接方式。焊接结构的密封可靠性更高，而法兰连接方式则方便拆卸、检修，但成本稍高。

本发明的利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统，当系统工作在压缩工况时，压缩机组的排气阀门Ⅰ打开，膨胀机组的进气阀门Ⅱ关闭，双层储气罐的中压管路阀门Ⅲ和高压管路阀门Ⅳ都打开，或者只打开阀门Ⅲ，而关闭阀门Ⅳ；当压缩机组的排气压力大于等于内外罐体之间的存储压力时，中压管路阀门Ⅲ关闭，打开阀门Ⅳ，将压力高于中压管路设计压力的高压空气都导入至内层罐体中。

而当系统工作在膨胀工况时，压缩机组的排气阀门Ⅰ关闭，膨胀机组的进气阀门Ⅱ打开，当膨胀机组处于空载或低负荷运行工况时，所需的进气压力较低，此时高压管路阀门Ⅳ关闭，中压管路阀门Ⅲ打开，阀门节流损失相对较小，当膨胀机组处于高负荷运行工况即进气压力需要大于或者等于中压管路存储压力时，将高压管路阀门Ⅳ打开，继续提升膨胀机组的输出功率。

上述内容完成了双层储气罐进行压缩空气储能的系统，根据压力容器、输气管路的行业和国家标准，通过选取合适的压力等级、内层罐体与夹层空间的容积比、单个罐体的平均直径/长度等参数，可以明显节省系统的建设成本、减小系统运行过程中的节流损失，具有良好的实用性。

同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：

1、双层储气罐的内层罐体壁厚、外层罐体壁厚都比单层罐体设计方案的壁厚薄，根据压缩机/膨胀机设备的工作压力选择合适的内外层存储压力以及内外罐体的容积比时，储气装置的建造成本可以明显下降。

2、储能系统的膨胀机工作在不同输出功率工况时，可以通过控制内、外层罐体的管路阀门得到不同的阀前压力，以减少低负荷工况下的主气阀节流损失，提高储能系统的能量转换效率。

3、内外层罐体的设计方案与现有的单层罐体设计方案相比，内层罐体的存储安全性和保温性都更好。

附图说明

图1为本发明的双层储气罐进行压缩空气储能的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

本发明的实施例如图1所示，本发明的双层储气罐进行压缩空气储能的系统，包括一空气压缩机组8、一空气膨胀机组9和至少一双层储气罐，空气压缩机组8的进气口与大气连通，空气膨胀机组9的排气口与大气连通，双层储气罐包括一外层罐体1和一内层罐体2，内层罐体2通过一内层罐体支撑导轨3支撑在外层罐体1内，内层罐体支撑导轨3固定设置在外层罐体1的内壁上。外层罐体1、内层罐体2均为水平布置，内层罐体支撑导轨3沿水平方向固定设置在外层罐体1的内壁底部。内层罐体支撑导轨3为一体式导轨结构或多段分体式导轨结构，且当内层罐体支撑导轨3选择多段分体式导轨结构时，各分段导轨之间首尾连接或不连接。外层罐体1、内层罐体2在长度方向上的延伸方向与内层罐体支撑导轨3的延伸方向相同，且内层罐体2上的高压通气管4的2在长度方向上的延伸方向与内层罐体支撑导轨3的延伸方向也基本相同。本发明的上述双层储气罐中，内层罐体2在外层罐体1内，通过内层罐体支撑导轨3支撑，该内层罐体支撑导轨3用于安装过程中将内层罐体2沿导轨滑入外层罐体1中，并支撑内层罐体2的重量。此外，还使内层罐体2能适应运行过程中反复承压及温度变化造成的形变和位移，不因固定结构限位而产生破坏。

内层罐体2用于存储高压空气，外层罐体1与内层罐体2之间的夹层空间用以存储中压空气；外层罐体1、内层罐体2分别设有一通气口，通气口用以向罐体内通入或排出压缩空气；外层罐体1的通气口处固定设置一中压通气管5；内层罐体2的通气口处固定设置一穿过外层罐体1与外部连通的高压通气管4，且高压通气管4以密封的方式穿过外层罐体1；空气压缩机组8的排气管通过一主连通管路与空气膨胀机组9的进气管连通，高压通气管4、中压通气管5均与主连通管路连通，空气压缩机组8的排气管、空气膨胀机组9的进气管、中压通气管5、高压通气管4上分别设置阀门Ⅰ10、阀门Ⅱ11、阀门Ⅲ12、阀门Ⅳ13；当系统处于压缩工况时，开启空气压缩机组8，关闭空气膨胀机组9，且进一步地：当空气压缩机组8的排气压力低于夹层空间的中压储压设计阈值时，打开阀门Ⅰ10、阀门Ⅲ12，关闭阀门Ⅱ11、阀门Ⅳ13，或者打开阀门Ⅰ10、阀门Ⅲ12、阀门Ⅳ13，仅关闭阀门Ⅱ11；当空气压缩机组8的排气压力高于夹层空间的中压储压设计阈值而低于内层罐体2的高压储压设计阈值时，打开阀门Ⅰ10、阀门Ⅳ13，关闭阀门Ⅱ11、阀门Ⅲ12；当空气压缩机组8的排气压力高于内层罐体2的高压储压设计阈值时，关闭空气压缩机组8，并关闭所有阀门。当系统处于膨胀工况时，关闭空气压缩机组8，打开空气膨胀机组9，且进一步地：当膨胀机组处于空载或低负荷运行工况时，打开阀门Ⅱ11、阀门Ⅲ12，保持阀门Ⅰ10、阀门Ⅳ13处于关闭状态；当膨胀机组处于高负荷运行工况时，打开阀门Ⅱ11、阀门Ⅳ13，保持阀门Ⅰ10、阀门Ⅲ12处于关闭状态。

双层储气罐中，内层罐体2用于存储高压空气，外层罐体1与内层罐体2之间的夹层空间用于存储中压空气，该中压储压设计阈值比高压储压设计阈值低一个压力等级，内层罐体2只需要承受高压空气和中压空气的压力差，因而可以减小内层罐体的设计壁厚，节省系统成本。

图1中采用了两种双层罐体的结构，一种为封头、管路全焊接型式(位于图1中上方的第一个双层罐体)，其密封可靠性好，成本低，但是不易检修。另一种为封头、管路采用法兰连接型式(位于图1中上方的第二个双层罐体)，例如封头法兰6用于连接外层罐体和中压主管路，高压管路法兰7用于内层罐体穿过外层罐体与高压主管路相联，其具有方便检修的特点，但成本比焊接型式稍高。

压缩空气储能系统处于压缩工况时，压缩机8的出口控制阀门Ⅰ10打开，膨胀机9的主气阀门Ⅱ11关闭，压缩机排气压力较低时，低压主管路控制阀Ⅲ12和高压主管路控制阀门Ⅳ13打开，当压缩机排气压力开始高于内层罐体与外层罐体之间的夹层存储压力时，将Ⅲ12关闭，Ⅳ13保持开度，高压气体都存入内层罐体，直至内层罐体的气体压力达到设计的高压存储压力时，Ⅳ13关闭，压缩机停机。

压缩空气储能系统处于膨胀发电工况时，Ⅰ10控制阀门关闭，膨胀机组9处于启动以及低负荷工况时，Ⅳ13阀门关闭，Ⅲ12阀门开启，Ⅱ11阀门逐步增加开度，此时Ⅱ11阀前的气体压力为中压存储压力，与直接使用内层罐体内的高压气体相比，阀门Ⅱ11的节流损失较小，随着膨胀机组输出功率的增大，需要使用内层罐体存储的高压气体时，再开启Ⅳ13阀门。

通过上述实施例，完全有效地实现了本专利的目的。该领域的技术人员可以理解本专利包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本专利已就目前认为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本专利并不限于所公开的实施例，任何不偏离本专利的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种利用双层储气罐进行压缩空气储能的系统，包括一空气压缩机组、一空气膨胀机组和至少一双层储气罐，所述空气压缩机组的进气口与大气连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，其特征在于，

所述双层储气罐包括一外层罐体和一内层罐体，所述内层罐体通过一内层罐体支撑导轨支撑在所述外层罐体内，所述内层罐体支撑导轨固定设置在所述外层罐体的内壁上；所述内层罐体用于存储高压空气，所述外层罐体与内层罐体之间的夹层空间用以存储中压空气；

所述外层罐体、内层罐体分别设有一通气口，所述通气口用以向罐体内通入或排出压缩空气；所述外层罐体的通气口处固定设置一中压通气管；所述内层罐体的通气口处固定设置一穿过所述外层罐体与外部连通的高压通气管，且所述高压通气管以密封的方式穿过所述外层罐体；

所述空气压缩机组的排气管通过一主连通管路与所述空气膨胀机组的进气管连通，所述高压通气管、中压通气管均与所述主连通管路连通，所述空气压缩机组的排气管、空气膨胀机组的进气管、中压通气管、高压通气管上分别设置阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅲ、阀门Ⅳ；

当所述系统处于压缩工况时，开启所述空气压缩机组，关闭所述空气膨胀机组，且进一步地：

当所述空气压缩机组的排气压力低于所述夹层空间的中压储压设计阈值时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ，关闭所述阀门Ⅱ、阀门Ⅳ，或者打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ、阀门Ⅳ，仅关闭所述阀门Ⅱ；

当所述空气压缩机组的排气压力高于所述夹层空间的中压储压设计阈值而低于所述内层罐体的高压储压设计阈值时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，关闭所述阀门Ⅱ、阀门Ⅲ；

当所述空气压缩机组的排气压力高于所述内层罐体的高压储压设计阈值时，关闭所述空气压缩机组，并关闭所有阀门。

2.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，当所述系统处于膨胀工况时，关闭所述空气压缩机组，打开所述空气膨胀机组，且进一步地：

当所述膨胀机组处于空载或低负荷运行工况时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅲ，保持所述阀门Ⅰ、阀门Ⅳ处于关闭状态；

当所述膨胀机组处于高负荷运行工况时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅳ，保持所述阀门Ⅰ、阀门Ⅲ处于关闭状态。

3.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述空气压缩机组包括至少一级空气压缩机，所述空气膨胀机组包括至少一级空气膨胀机。

4.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述夹层空间的中压储压设计阈值较之所述内层罐体的高压储压设计阈值低一个压力等级。

5.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述双层储气罐有多个，各所述双层储气罐的中压通气管依次连通，且各所述双层储气罐的高压通气管依次连通。

6.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述外层罐体、内层罐体均为水平布置，所述内层罐体支撑导轨沿水平方向固定设置在所述外层罐体的内壁底部。

7.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述内层罐体支撑导轨为一体式导轨结构或多段分体式导轨结构，且当所述内层罐体支撑导轨选择多段分体式导轨结构时，各分段导轨之间首尾连接或不连接。

8.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述外层罐体、内层罐体在长度方向上的延伸方向与所述内层罐体支撑导轨的延伸方向相同，且所述内层罐体上的高压通气管的在长度方向上的延伸方向与所述内层罐体支撑导轨的延伸方向也基本相同。

9.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述内层罐体与外层罐体之间可以采用插管焊接方式，也可采用法兰连接方式。

10.根据上述权利要求所述的系统，其特征在于，所述外层罐体的结构可以采用封头焊接方式，也可采用法兰连接方式。焊接结构的密封可靠性更高，而法兰连接方式则方便拆卸、检修，但成本稍高。