CN111396162A - 一种高效率的先进压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率的先进压缩空气储能系统及方法，包括热量回收装置和先进压缩空气储能系统，热量回收装置热量输出口连接到先进压缩空气储能系统的低温储热罐，先进压缩空气储能系统的末级透平膨胀机排气管道连接有第二换热器，热量回收装置的热量输入口连接到第二换热器的热量输出端口，热量回收装置的空气入口连接到先进压缩空气储能系统的低压储气罐，热量回收装置的空气出口连接到末级透平膨胀机的气体入口。本发明充分利用和保存电网中剩余的电能，减少电能的损耗，真正实现“削峰填谷”，在用电低谷时储存电能，在用电高峰时将电能释放，同时设置热量回收装置进一步减少能量损失，并加以利用增加做功量，提高压缩空气储能系统的效率。

Description

一种高效率的先进压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高效率的先进压缩空气储能系统及方法，属于压缩空气储能系统技术领域。
背景技术
在电力行业发展过程中，新能源发电已经成为行业重点发展趋势，但随着新能源发电在电力供应份额的不断增加，其自身诸如间歇性、波动性等不稳定特征日益凸显，部分地区出现弃风、弃光等资源浪费的现象，给电网带来调峰调频等问题，因此需要储能技术来解决新能源发电大规模发展带来的一系列问题。在储能技术中，压缩空气储能技术是一项具有光明前景的储能技术，它可以起到削峰填谷的作用，在用电低谷时储存多余的电能，在用电高峰期将电能释放出去，保障供电平衡，减少电能损耗。
先进压缩空气储能系统是基于传统压缩空气储能系统进行的改进，它摒弃了传统压缩空气储能系统需要外部燃烧室补燃的环节，通过将空气压缩至高压状态，同时利用换热器将压缩过程产生的压缩热收集起来，用以加热透平膨胀机入口的空气，进而提高整个系统的效率。先进压缩空气储能系统满足现阶段全球节能减排的要求，具有寿命长、零排放、大容量等发展优势，通过在压缩机和膨胀机的每一级级间进行换热和储热，实现储能、释能和发电全过程无污染。其中，在储能过程中，电网剩余的电能带动电动机驱动压缩机工作，经过压缩机将空气压缩至储气室中储存，压缩热保存在高温储热罐中；释能过程中，高压空气从储气室释放后先在换热器中被换热工质加热，再进入各级透平膨胀机膨胀做功，带动发电机发电。做功结束的空气最终排入大气，完成换热的工质进入低温储热罐。
但是我国对先进压缩空气储能系统的研究并不成熟，还处于起步阶段，目前已建成几个示范项目，且都属于小型系统，未来压缩空气储能技术必将朝着大型化和大输出功率的方向发展。现有的压缩空气储能系统效率依然较低，换热工质的剩余热量没有得到充分利用，排出的空气仍然具备部分做功能力，种种问题都限制了先进压缩空气储能系统的进一步发展。
针对目前存在的能量损失问题，提出一种新的设计方案，在回收热量的同时，将这部分热量用于加热末级透平膨胀机的排气，以增加透平膨胀机做功量，实现工质余热的回收和利用，进而提高压缩空气储能系统的效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高效率的先进压缩空气储能系统及方法，在回收换热工质余热的同时，将这部分热量用于加热末级透平膨胀机排气，加热后的空气进入末级透平膨胀机进行膨胀做功，可以增加膨胀机做功量，进而提高压缩空气储能系统效率。
本发明采取的技术方案为：一种高效率的先进压缩空气储能系统，包括热量回收装置和先进压缩空气储能系统，热量回收装置热量输出口连接到先进压缩空气储能系统的低温储热罐，先进压缩空气储能系统的末级透平膨胀机排气管道连接有第二换热器，热量回收装置的热量输入口连接到第二换热器的热量输出端口，热量回收装置的空气入口连接到先进压缩空气储能系统的低压储气罐，热量回收装置的空气出口连接到末级透平膨胀机的气体入口。
优选的，上述热量回收装置与低压储气罐之间连接管道上安装有阀门六。
优选的，上述热量回收装置包括多个串接的热量回收单元，每个热量回收单元设置有空气进出口、工质（热流体）进出口和相变材料层，相变材料层将空气进出通道和工质（热流体）进出通道隔离，空气进出口和工质（热流体）进出口分别设置在空气进出通道和工质（热流体）进出通道两端。
优选的，上述多个串接的热量回收单元设置在箱体内，呈蛇形均匀排布。
优选的，上述先进压缩空气储能系统包括电动机、压缩机组、高压储气罐、透平膨胀机组、发电机和末级膨胀机，电动机与压缩机组之间通过转动轴一连接，透平膨胀机组、发电机和末级膨胀机均通过转动轴二连接，高压储气罐入气口连接到压缩机组的出气口，压缩机组的每个压缩机出气管道上安装有第一换热器，第一换热器的冷气入口和热气出口分别连接到低温储热罐和高温储热罐，透平膨胀机组和末级膨胀机的进气管道上均安装有第二换热器，第二换热器的热气进口和冷气出口连接到高温储热罐和热量回收装置，透平膨胀机组的进气口连接到高压储气罐，末级膨胀机的出气口连接到低压储气罐。
优选的，上述低温储热罐的出气管道上安装有阀门一，透平膨胀机组与高压储气罐之间的连接管道上安装有阀门二，末级膨胀机与高温储热罐之间的连接管道上安装有阀门三，末级膨胀机的出气管道还设置有连通外界的支管，支管上安装有阀门四，高温储热罐的出气管道上安装有阀门五。
一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，该方法为：储能时，剩余的电能带动电动机工作，将空气送至压缩机组进行压缩并储存至储气室；释能时，空气通过透平膨胀机组，带动发电机完成发电过程，先进压缩空气储能系统中进入低温储热罐的换热工质先进入热量回收装置，换热工质通过与相变材料换热，将换热工质的热量回收，在释能过程结束的同时将该部分热量传递给末级透平膨胀机排气。
在储能过程中，阀门二处于关闭状态，压缩机组将常温空气压缩至高压并储存在储气室中，空气压缩产生的热量在与第一换热器中与换热工质进行热量交换，换热工质进入高温储热罐，将热量储存在高温储热罐中，此时阀门五处于关闭状态，储能过程完成。
在释能过程中，开启阀门二，高压空气从储气室释放，开启阀门五,高温的换热工质携带热量经过第二换热器，加热自阀门二来的高压空气，高压空气在被加热后再进入透平膨胀机膨胀做功，此时阀门四关闭，阀门三开启，做功结束后的排气进入低压储气罐储存，待膨胀发电过程完成后，阀门六开启，低压储气罐内储存的空气通过热量回收装置，热量回收装置内的相变材料将之前吸收的热量释放并加热空气，空气再次进入末级透平膨胀机做功，此时阀门四开启，阀门三关闭，排气直接排入大气环境。
优选的，上述透平膨胀机采用多级串联，每一级透平膨胀机做功结束后的排气先进入对应的第二换热器，被换热工质加热后进入下一级膨胀机做功，直至最后一级膨胀机做功结束，并将排气储存在低压储气罐中。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在现有先进压缩空气储能系统结构基础上，新增设热量回收装置，该装置在低温储热罐之前接收来自换热器的换热工质，利用相变材料吸收该部分热量，并用于加热末级透平膨胀机排气，将其通入末级透平膨胀机参与做功过程，储能过程开始时，将加热后的空气送至压缩机组进行压缩并储存在储气室中；释能时通过透平膨胀机膨胀做功带动发电机完成发电过程，能够充分利用和保存电网中剩余的电能，减少电能的损耗，真正实现 “削峰填谷”，在用电低谷时储存电能，在用电高峰时将电能释放出去，同时设置热量回收装置进一步控制减少能量损失，并加以利用增加做功量，提高现有压缩空气储能系统的效率。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2为热量回收装置内部结构布置示意图；
图3为热量回收单元结构图；
在图1中，1.电动机；2.压缩机组；3.空气进气口；4. 第一换热器；5.低温储热罐；6.阀门一；8.阀门二；11.阀门三；13.阀门四；14.阀门五；17.阀门六；7.高压储气罐；9.第二换热器；10.透平膨胀机组；12.发电机；15.高温储热罐；16.低压储气罐；18.热量回收装置；19.末级膨胀机；20. 热量回收单元；21.空气进出口；22.工质（热流体）进出口；23.相变材料层，24.空气进出通道；25.工质（热流体）进出通道。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-3示，一种高效率的先进压缩空气储能系统，包括热量回收装置18和先进压缩空气储能系统，热量回收装置18热量输出口连接到先进压缩空气储能系统的低温储热罐5，先进压缩空气储能系统的末级透平膨胀机19排气管道连接有第二换热器9，热量回收装置18的热量输入口连接到第二换热器9的热量输出端口，热量回收装置18的空气入口连接到先进压缩空气储能系统的低压储气罐16，热量回收装置18的空气出口连接到末级透平膨胀机19的气体入口。
优选的，上述热量回收装置18与低压储气罐16之间连接管道上安装有阀门六17。
在图2为热量回收装置结构示意图；中，热量回收单元均匀排布，使得换热工质和空气可以盘旋流动，尽可能增加和相变材料的接触时间和接触面积，以尽可能多地增加吸收和释放的热量。
在图3热量回收单元结构图中，设有空气进出口、工质（热流体）进出口和相变材料。换热工质和空气有各自的流道以进行热量交换。
优选的，上述热量回收装置18包括多个串接的热量回收单元，每个热量回收单元设置有空气进出口、工质（热流体）进出口和相变材料层，相变材料层将空气进出通道和工质（热流体）进出通道隔离，空气进出口和工质（热流体）进出口分别设置在空气进出通道和工质（热流体）进出通道两端。热量回收单元指空气的出口接下一个相邻热量回收单元的空气入口，工质的出口接下一个接相邻热量回收单元的工质入口，空气与工质不接触，热量回收单元通过支架固定在罐体内。
优选的，上述多个串接的热量回收单元设置在箱体内，呈蛇形均匀排布。
优选的，上述先进压缩空气储能系统包括电动机1、压缩机组2、高压储气罐7、透平膨胀机组10、发电机12和末级膨胀机19，电动机1与压缩机组2之间通过转动轴一连接，透平膨胀机组10、发电机12和末级膨胀机19均通过转动轴二连接，高压储气罐7入气口连接到压缩机组2的出气口，压缩机组2的每个压缩机出气管道上安装有第一换热器4，第一换热器4的冷气入口和热气出口分别连接到低温储热罐5和高温储热罐15，透平膨胀机组10和末级膨胀机19的进气管道上均安装有第二换热器9，第二换热器9的热气进口和冷气出口连接到高温储热罐15和热量回收装置18，透平膨胀机组9的进气口连接到高压储气罐7，末级膨胀机19的出气口连接到低压储气罐16。
优选的，上述低温储热罐5的出气管道上安装有阀门一6，透平膨胀机组9与高压储气罐7之间的连接管道上安装有阀门二8，末级膨胀机19与高温储热罐15之间的连接管道上安装有阀门三11，末级膨胀机19的出气管道还设置有连通外界的支管，支管上安装有阀门四13，高温储热罐15的出气管道上安装有阀门五14。
先进压缩空气储能系统结构示意图如图1所示。压缩空气通过阀门8释放，经各级第一换热器9加热后进入透平膨胀机组10，换热工质先经过热量回收装置18回收热量，再进入低温储热罐9。排气进入低压储气罐16储存，待做功过程结束时通过热量回收装置18加热进入末级膨胀机做功，最终排气排入大气环境。
本发明在现有先进压缩空气储能系统结构基础上，新增设热量回收装置，该装置在低温储热罐之前接收来自换热器的换热工质，利用相变材料吸收该部分热量，并用于加热末级透平膨胀机排气，将其通入末级透平膨胀机参与做功过程。储能过程开始时，将加热后的空气送至压缩机组进行压缩并储存在储气室中；释能时通过透平膨胀机膨胀做功带动发电机完成发电过程。
上述先进压缩空气储能系统中，来自电网剩余的电能或者新能源电能通过电动机带动压缩机工作，热量回收装置回收来自换热器中工质的余热，并用于加热末级透平膨胀机排气，提高膨胀机做功量，进而提高系统效率。
在储能过程中，压缩机组将常温空气压缩至高压状态储存在储气室中，同时通过换热器将热量转换到工质进入高温储热罐，完成储能过程；在释能时，打开阀门将高压空气释放，空气先经过换热器加热再进入第一级透平膨胀机膨胀做功，做功结束后的排气进入下一级换热器加热，然后进入下一级透平膨胀机做功直至最后一级膨胀机做功结束，排气进入低压储气罐储存。在膨胀过程结束时，储存的排气经过热量回收装置加热，再次进入末级膨胀机做功，最终完成膨胀发电过程。完成换热的工质在进入低温储热罐之前，首先经过热量回收装置进行热量回收，在释能阶段将这部分热量用于加热透平膨胀机排气，在膨胀做功过程结束时，排气经过热量回收装置后进入末级膨胀机做功，能够增加透平膨胀机做功量。
热量回收装置包括多个热量回收单元，该单元设有进出口和空气进出口，使用相变材料将换热工质和空气流道隔开，其中换热介质流经相变材料释放热量后从单元上方位置进入低温储气罐，相变材料处于中间位置吸收和释放热量，空气从单元下方位置吸收热量进入末级膨胀机做功。
实施例2：一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，该方法为：储能过程：电网剩余的电能或者新能源电能通过电动机1带动压缩机组2工作，压缩空气依次通过各级换热器4回收压缩热进入储气室7，空气被压缩至高压状态储存在储气室，换热工质进入高温储热罐15，完成能量储存过程；释能过程：高压空气通过阀门8释放，经来自高温储热罐15的换热工质加热，进入第一级透平膨胀机做功，排气经过下一级换热器，依次进行换热和膨胀做功，直至最后一级透平膨胀机的排气排至低压储气罐16中并储存。待释能过程完成时，低压储气罐16中储存的排气通过阀门17释放，经过热量回收装置18加热，再进入末级膨胀机做功，通过增加做功量提高系统效率，先进压缩空气储能系统中进入低温储热罐5的换热工质先进入热量回收装置18，换热工质通过与相变材料换热，将换热工质的热量回收，在释能过程结束的同时将该部分热量传递给末级透平膨胀机排气。
在储能过程中，阀门二8处于关闭状态，压缩机组2将常温空气压缩至高压并储存在储气室7中，空气压缩产生的热量在与第一换热器4中与换热工质进行热量交换，换热工质进入高温储热罐15，将热量储存在高温储热罐15中，此时阀门五14处于关闭状态，储能过程完成。
在释能过程中，开启阀门二8，高压空气从储气室7释放，开启阀门五14,高温的换热工质携带热量经过第二换热器9，加热自阀门二8来的高压空气，高压空气在被加热后再进入透平膨胀机10膨胀做功，此时阀门四13关闭，阀门三11开启，做功结束后的排气进入低压储气罐16储存，待膨胀发电过程完成后，阀门六17开启，低压储气罐16内储存的空气通过热量回收装置18，热量回收装置18内的相变材料将之前吸收的热量释放并加热空气，空气再次进入末级透平膨胀机19做功，此时阀门四13开启，阀门三11关闭，排气直接排入大气环境。
优选的，上述透平膨胀机10采用多级串联，每一级透平膨胀机10做功结束后的排气先进入对应的第二换热器9，被换热工质加热后进入下一级膨胀机做功，直至最后一级膨胀机做功结束，并将排气储存在低压储气罐中16。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：包括热量回收装置（18）和先进压缩空气储能系统，热量回收装置（18）热量输出口连接到先进压缩空气储能系统的低温储热罐（5），先进压缩空气储能系统的末级透平膨胀机（19）排气管道连接有第二换热器（9），热量回收装置（18）的热量输入口连接到第二换热器（9）的热量输出端口，热量回收装置（18）的空气入口连接到先进压缩空气储能系统的低压储气罐（16），热量回收装置（18）的空气出口连接到末级透平膨胀机（19）的气体入口。
2.根据权利要求1所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：热量回收装置（18）与低压储气罐（16）之间连接管道上安装有阀门六（17）。
3.根据权利要求1所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：热量回收装置（18）包括多个串接的热量回收单元，每个热量回收单元设置有空气进出口、工质进出口和相变材料层，相变材料层将空气进出通道和工质进出通道隔离，空气进出口和工质进出口分别设置在空气进出通道和工质进出通道两端。
4.根据权利要求3所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：多个串接的热量回收单元设置在箱体内，呈蛇形均匀排布。
5.根据权利要求1所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：先进压缩空气储能系统包括电动机（1）、压缩机组（2）、高压储气罐（7）、透平膨胀机组（9）、发电机（12）和末级膨胀机（19），电动机（1）与压缩机组（2）之间通过转动轴一连接，透平膨胀机组（10）、发电机（12）和末级膨胀机（19）均通过转动轴二连接，高压储气罐（7）入气口连接到压缩机组（2）的出气口，压缩机组（2）的每个压缩机出气管道上安装有第一换热器（4），第一换热器（4）的冷气入口和热气出口分别连接到低温储热罐（5）和高温储热罐（15），透平膨胀机组（10）和末级膨胀机（19）的进气管道上均安装有第二换热器（9），第二换热器（9）的热气进口和冷气出口连接到高温储热罐（15）和热量回收装置（18），透平膨胀机组（10）的进气口连接到高压储气罐（7），末级膨胀机（19）的出气口连接到低压储气罐（16）。
6.根据权利要求5所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统，其特征在于：低温储热罐（5）的出气管道上安装有阀门一（6），透平膨胀机组（10）与高压储气罐（7）之间的连接管道上安装有阀门二（8），末级膨胀机（19）与高温储热罐（15）之间的连接管道上安装有阀门三（11），末级膨胀机（19）的出气管道还设置有连通外界的支管，支管上安装有阀门四（13），高温储热罐（15）的出气管道上安装有阀门五（14）。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：该方法为：储能时，剩余的电能带动电动机（1）工作，将空气送至压缩机组（2）进行压缩并储存至储气室（7）；释能时，空气通过透平膨胀机组（10），带动发电机（12）完成发电过程，先进压缩空气储能系统中进入低温储热罐（5）的换热工质先进入热量回收装置（18），换热工质通过与相变材料换热，将换热工质的热量回收，在释能过程结束的同时将该部分热量传递给末级透平膨胀机排气。
8.根据权利要求7所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：在储能过程中，阀门二（8）处于关闭状态，压缩机组（2）将常温空气压缩至高压并储存在储气室（7）中，空气压缩产生的热量在与第一换热器（4）中与换热工质进行热量交换，换热工质进入高温储热罐（15），将热量储存在高温储热罐（15）中，此时阀门五（14）处于关闭状态，储能过程完成。
9.根据权利要求7所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：在释能过程中，开启阀门二（8），高压空气从储气室（7）释放，开启阀门五（14）,高温的换热工质携带热量经过第二换热器（9），加热自阀门二（8）来的高压空气，高压空气在被加热后再进入透平膨胀机（10）膨胀做功，此时阀门四（13）关闭，阀门三（11）开启，做功结束后的排气进入低压储气罐（16）储存，待膨胀发电过程完成后，阀门六（17）开启，低压储气罐（16）内储存的空气通过热量回收装置（18），热量回收装置（18）内的相变材料将之前吸收的热量释放并加热空气，空气再次进入末级透平膨胀机（19）做功，此时阀门四（13）开启，阀门三（11）关闭，排气直接排入大气环境。
10.根据权利要求7所述的一种高效率的先进压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于：透平膨胀机（10）采用多级串联，每一级透平膨胀机（10）做功结束后的排气先进入对应的第二换热器（9），被换热工质加热后进入下一级膨胀机做功，直至最后一级膨胀机做功结束，并将排气储存在低压储气罐中（16）。
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