CN111412126B - 压缩空气储能系统及储能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能技术领域，公开了一种压缩空气储能系统及储能方法。该储能系统包括空气压缩机、换热器、储气库、空气膨胀机、回热器和蓄热器，空气压缩机的出气口通过换热器的第一换热管道与储气库的气相空间连通，气相空间还通过回热器的第三换热管道与空气膨胀机的进口连接，储气库的蓄热介质空间通过换热器的第二换热管道与蓄热器的进口连接，蓄热器的出口通过回热器的第四换热管道连接于蓄热介质空间。利用该储能系统的储能方法将释能存储与热能存储系统结合起来，利用储气库、换热器、蓄热器和回热器形成回热循环，可同时实现压缩空气储能系统内部热量平衡和压力平衡，避免空气压缩机变背压运行和空气膨胀机滑压运行工况。

Description

压缩空气储能系统及储能方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种压缩空气储能系统及储能方法。
背景技术
储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型蓄能蓄电技术。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量，压缩机驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气装置将气相空间内的压缩空气释放出来，并在燃烧室中与燃料混合燃烧，生成的高温气体在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电，完成了电能—空气势能—电能的转化。绝热压缩空气储能系统摒弃了消耗燃料提升压缩空气做功能力的技术路线，利用绝热压缩在空气压缩过程中将电能转化为热能和空气势能分别存储，并在发电过程中利用系统自身热能加热透平膨胀机进气，满足了透平膨胀机对于入口温度的要求，并避免了系统碳排放。
在绝热压缩空气储能系统中，热能和势能分别独立存储，而在释放能量发电时又必须将热能和势能耦合。势能存储是以存储高压空气的形式实现的，且储气库为有限的固定容积，因而在压缩充气或放气膨胀过程中，储气库的压力逐渐上升或逐渐下降，进而导致压缩机组出口或膨胀机入口压力不断变化。空气压缩机背压随储气库压力逐渐变化时，压缩机组将严重偏离设计工况，导致机组运行效率低下，排气温度也不断变化，对系统蓄热造成技术困难；同理，储气库排气压力不断变化时，空气膨胀机必须滑压运行，机组运行效率也会大打折扣。
此外，大容积高压储气库大流量充放气时，会引发储气库内空气的温度骤升或骤降，进一步引起储气库实际储气量或放气量的降低，对膨胀机进气稳定性也有一定的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例的目的是提供一种压缩空气储能系统及储能方法，以解决压缩空气储能系统存在的充放气压力波动及温度波动的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种压缩空气储能系统，包括：空气压缩机、换热器、储气库、空气膨胀机、回热器和蓄热器，所述换热器包括第一换热管道和第二换热管道，所述回热器包括第三换热管道和第四换热管道，所述储气库包括相互连通的气相空间和蓄热介质空间，所述蓄热介质空间内填充有蓄热介质，所述空气压缩机的出气口通过所述第一换热管道与所述气相空间连通，所述气相空间还通过所述第三换热管道与所述空气膨胀机的进口连接，所述蓄热介质空间通过所述第二换热管道与所述蓄热器的进口连接，所述蓄热器的出口通过所述第四换热管道连接于所述蓄热介质空间。
其中，还包括缓冲器，所述缓冲器包括第一进口、第二进口和第一出口，所述蓄热介质空间分别与所述第一进口、所述第一出口连通，所述蓄热器的出口依次通过所述第四换热管道、所述第二进口、所述第一出口与所述蓄热介质空间连通。
其中，所述空气压缩机为多台串联或并联的空气压缩机组，且在每个所述空气压缩机的出气口连接有一个所述换热器；
若为多个空气压缩机串联，则前一级的所述空气压缩机的出气口通过对应的所述换热器的所述第一换热管道与后一级的所述空气压缩机的进气口连接；
若为多个空气压缩机并联，则各级的所述空气压缩机的出气口通过对应的所述换热器的所述第一换热管道并联连接于所述气相空间。
其中，所述空气膨胀机为多台串联或并联的空气膨胀机组，且在每个所述空气膨胀机的入口连接有一个所述回热器；
若为多个空气膨胀机串联，则后一级的所述空气膨胀机的入口通过对应的所述回热器的所述第三换热管道与前一级的所述空气膨胀机的出口连接；
若为多个空气膨胀机并联，则各级的所述空气膨胀机的入口通过对应的所述回热器的所述第三换热管道并联连接于所述气相空间。
其中，还包括第一阀、第二阀、第三阀、第四阀、第一泵和第二泵，所述第一阀连接于所述第一换热管道与所述气相空间之间，所述第二阀连接于所述第三换热管道与所述气相空间之间，所述第三阀和第二泵均连接于所述蓄热器的出口与所述第四换热管道之间，所述第四阀和第一泵均连接于所述第二换热管道与所述蓄热介质空间之间。
其中，还包括第五阀、第六阀和第三泵，所述第五阀连接于所述蓄热介质空间与所述第一进口之间，所述第六阀和所述第三泵连接于所述蓄热介质空间与所述第一出口之间。
本发明还公开了一种利用如上述实施例的压缩空气储能系统的储能方法，包括：
通过第一阀和第二阀控制所述空气压缩机内的气体进出；
储能时，经所述空气压缩机压缩后的空气通过所述换热器与从所述蓄热介质空间中吸出的蓄热介质进行换热后，通入并储存在所述气相空间内，经所述换热器换热后的蓄热介质通入所述蓄热器储存；
释能时，所述气相空间内的压缩空气通过回热器与从所述蓄热器内吸出的蓄热介质换热后通入空气膨胀机；从所述蓄热介质空间中吸出的一部分蓄热介质以及经回热器换热后的蓄热介质通过缓冲器回流至所述蓄热介质空间，并通过第四阀控制蓄热介质从所述蓄热介质空间中排至所述蓄热器中，通过第五阀控制蓄热介质从所述蓄热介质空间中排至所述缓冲器中，通过第三阀控制蓄热介质从所述蓄热器排至所述缓冲器中，通过第六阀控制蓄热介质从所述缓冲器排至所述蓄热介质空间中。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种清洁储能系统及储能方法，将释能存储与热能存储系统结合起来，利用储气库、换热器、蓄热器和回热器形成回热循环。充气时，同步将储气库中的蓄热介质排出，以维持储气库中的压力稳定、维持空气压缩机背压稳定，同时，由于蓄热介质可以通过换热器吸收空气压缩产生的压缩热，可保证储气库中空气温度的稳定；放气时，同步将蓄热介质充入储气库，以维持储气库中压力稳定，由于蓄热介质可以通过回热器补偿放气过程储气室中空气的吸热量，同样可保证储气库中空气温度的稳定；因此，本发明可同时实现压缩空气储能系统内部热量平衡和压力平衡，避免空气压缩机变背压运行和空气膨胀机滑压运行工况。
附图说明
图1为本发明实施例一种压缩空气储能系统的结构示意图。
附图标记：
1、空气压缩机；2、换热器；3、储气库；3-1、气相空间；3-2、蓄热介质空间；4、回热器；5、空气膨胀机；6、蓄热器；7、缓冲器；8-1、第一泵；8-2、第三泵；8-3；第二泵；9-1、第一阀；9-2、第二阀；10-1、第四阀；10-2、第五阀；10-3、第三阀；10-4、第六阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例公开了一种压缩空气储能系统，包括：空气压缩机1、换热器2、储气库3、空气膨胀机5、回热器4和蓄热器6，换热器2包括第一换热管道和第二换热管道，回热器4包括第三换热管道和第四换热管道，储气库3包括相互连通的气相空间3-1和蓄热介质空间3-2，蓄热介质空间内填充有蓄热介质，空气压缩机1的出气口通过第一换热管道与气相空间3-1连通，气相空间3-1还通过第三换热管道与空气膨胀机5的进口连接，蓄热介质空间3-2通过第二换热管道与蓄热器6的进口连接，蓄热器6的出口通过第四换热管道连接于蓄热介质空间3-2。
具体地，本实施例中的蓄热介质可采用水。本实施例通过压缩空气充气和蓄热介质储热的方式，实现充气蓄热过程和放气放热过程。
可以理解的是，本实施例中换热器2的第一换热管道和第二换热管道之间发挥换热作用；回热器4的第三换热管道和第四换热管道之间发挥换热作用。本实施例可采用逆流换热或其他换热方式，本申请不限制第一换热管道、第二换热管道和第三换热管道、第四换热管道的布置方式和介质之间的相对流向。
充气蓄热过程：空气压缩机1用于接收环境中的空气，压缩成为高温高压的空气，经换热器2的第一换热管道(也即换热器2的高温侧)与第二换热管道(也即换热器2的低温侧)的蓄热介质换热，高温高压空气释放热量后温度降低，之后通入储气库3的气相空间3-1储存；同时，蓄热介质空间3-2抽取蓄热介质通入第二换热管道(也即换热器2的低温侧)，低温的蓄热介质升温，之后进入蓄热器6储热。
放气放热过程：蓄热介质从蓄热器6的出口通入第四换热管道(也即回热器4的高温侧)，并与从气相空间3-1排出并通入第三换热管道(也即回热器4的低温侧)中的压缩空气进行换热，高温的蓄热介质释放热量降温，并最终回流至蓄热介质空间3-2；同时，气相空间3-1排出的低温高压空气通入第三换热管道(也即回热器4的低温侧)吸收热量后温度升高，之后，进入空气膨胀机5中膨胀做功、直接输出轴功或驱动发电机输出电能。
进一步地，为了保证储气库3中的气相压力基本恒定，则可通过控制从空气压缩机1排至储气库3的进气量、从储气库3中排至空气膨胀机5的出气量、从蓄热介质空间3-2的蓄热介质排出量和进入到蓄热介质空间3-2的蓄热介质进入量，调整四者之间的平衡，以保证储气库3中的气相压力基本恒定，具体操作可以为：充气过程中可控制储气库3只进气，蓄热介质空间3-2只排出蓄热介质，实现储气库3的进气量与排液量基本一致；放气过程中，可控制储气库3只放气，蓄热介质空间3-2只输入蓄热介质，实现储气库3的放气量与进液量基本一致。在充放气过程中，由于水的比热容远大于空气的比热容，蓄热介质空间3-2中的水足以抵消气相空间3-1内空气温度的波动，从而保证储气库3充放气过程中高压空气温度的稳定。
本发明实施例提供的一种清洁储能系统及储能方法，将释能存储与热能存储系统结合起来，利用储气库3、换热器2、蓄热器6和回热器4形成回热循环。充气时，同步将储气库3中的蓄热介质排出，以维持储气库3中的压力稳定、维持空气压缩机1背压稳定，同时，由于蓄热介质可以通过换热器2吸收空气压缩产生的压缩热，可保证储气库3中空气温度的稳定；放气时，同步将蓄热介质充入储气库3，以维持储气库3中压力稳定，由于蓄热介质可以通过回热器4补偿放气过程储气室中空气的吸热量，同样可保证储气库3输出的空气温度的稳定；因此，本发明可同时实现压缩空气储能系统内部热量平衡和压力平衡，避免空气压缩机1变背压运行和空气膨胀机5滑压运行工况。
其中，本实施例的压缩空气储能系统还包括缓冲器7，缓冲器7包括第一进口、第二进口和第一出口，蓄热介质空间3-2分别与第一进口、第一出口连通，蓄热器6的出口依次通过第四换热管道、第二进口、第一出口与蓄热介质空间3-2连通。本实施例中的缓冲器7可调节蓄热介质空间3-2中存储的蓄热介质的量以保证气相压力基本恒定，具体地：在充气过程中，从蓄热介质空间3-2实际吸取量大于换热器2换热所需的流量，多余的蓄热介质则被直接从第一进口泵送入缓冲器7中存储，根据换热器2换热需求及储气库3气相空间3-1的压力，实时调整进入到缓冲器7的蓄热介质流量和排至蓄热介质空间3-2的蓄热介质流量，以保证储气库3气相空间3-1的压力稳定以及第二换热管道流量稳定。
进一步地，本实施例的压缩空气储能系统还包括第五阀10-2、第六阀10-4和第三泵8-2，第五阀10-2连接于蓄热介质空间3-2与第一进口之间，第六阀10-4和第三泵8-2连接于蓄热介质空间3-2与第一出口之间。本实施例可通过第五阀10-2控制蓄热介质从蓄热介质空间3-2从第一进口通入到缓冲器7内；第六阀10-4控制蓄热介质从缓冲器7中回流到蓄热介质空间3-2内；第三泵8-2用于驱动蓄热介质从缓冲器7中回流到蓄热介质空间3-2内。
其中，空气压缩机1为多台串联或并联的空气压缩机组，且在每个空气压缩机1的出气口连接有一个换热器2。
若为多个空气压缩机1串联，则前一级的空气压缩机1的出气口通过对应的换热器2的第一换热管道与后一级的空气压缩机1的进气口连接。相应地，相应地，各个换热器2的第二换热管道串联连接在蓄热介质空间3-2与蓄热器6的进口之间。位于首级的空气压缩机1的进气口与外界环境连通，位于末级的空气压缩机1的出气口通过第一换热管道连接与气相空间3-1连通。
若为多个空气压缩机1并联，则各级的空气压缩机1的出气口通过对应的换热器2的第一换热管道并联连接于气相空间3-1。相应地，各个换热器2的第二换热管道并联连接在蓄热介质空间3-2与蓄热器6的进口之间
其中，空气膨胀机5为多台串联或并联的空气膨胀机组，且在每个空气膨胀机5的入口连接有一个回热器4。若为多个空气膨胀机5串联，则后一级的空气膨胀机5的入口通过对应的回热器4的第三换热管道与前一级的空气膨胀机5的出口连接。若为多个空气膨胀机5并联，则各级的空气膨胀机5的入口通过对应的回热器4的第三换热管道并联连接于气相空间3-1。可以理解的是，本实施例的空气膨胀机5和回热器4的布置方式与上述实施例的空气压缩机1和换热器2的布置方式类似，在此不再赘述。
其中，本实施例的压缩空气储能系统还包括第一阀9-1、第二阀9-2、第三阀10-3、第四阀10-1、第一泵8-1和第二泵8-3，第一阀9-1连接于第一换热管道与气相空间3-1之间，第二阀9-2连接于第三换热管道与气相空间3-1之间，第三阀10-3和第二泵8-3均连接于蓄热器6的出口与第四换热管道之间，第四阀10-1和第一泵8-1均连接于第二换热管道与蓄热介质空间3-2之间。具体地，第一阀9-1控制压缩空气从第一换热管道进入到气相空间3-1内；第二阀9-2控制压缩空气从气相空间3-1通入到第三换热管道内；第三阀10-3控制蓄热介质从蓄热器6进入到第四换热管道内；第四阀10-1控制蓄热介质从蓄热介质空间3-2通入到第二换热管道内。第一泵8-1给蓄热介质提供驱动力，从输送蓄热介质空间3-2至第二换热管道和缓冲器7内；第二泵8-3给蓄热介质提供驱动力，从蓄热器6输送至第四换热管道。
更进一步地，本实施例中的空气输送和蓄热介质输送均可采用管道输送的形式，并在各个设备间的输送管道上可根据需求设置相应的阀门和驱动装置(例如：泵)等执行装置。
本发明实施例还公开了一种利用上述实施例的压缩空气储能系统的储能方法，包括：
通过第一阀9-1和第二阀9-2控制空气压缩机1内的气体进出；
储能时，经空气压缩机1压缩后的空气通过换热器2与从蓄热介质空间3-2中吸出的蓄热介质进行换热后，通入并储存在气相空间3-1内，经换热器2换热后的蓄热介质通入蓄热器6储存；
释能时，气相空间3-1内的压缩空气通过回热器4与从蓄热器6内吸出的蓄热介质换热后通入空气膨胀机5；从蓄热介质空间3-2中吸出的一部分蓄热介质以及经回热器4换热后的蓄热介质通过缓冲器7回流至蓄热介质空间3-2，并通过第四阀10-1控制蓄热介质从蓄热介质空间3-2中排至蓄热器6中，通过第五阀10-2控制蓄热介质从蓄热介质空间3-2中排至缓冲器7中，通过第三阀10-3控制蓄热介质从蓄热器6排至缓冲器7中，通过第六阀10-4控制蓄热介质从缓冲器7排至蓄热介质空间3-2中。
具体地，本实施例包括充气蓄热过程和放气放热过程，充气蓄热过程可将热能和势能分别储存起来，当需要使用时，通过放气放热过程，利用储存的热能和势能。
充气蓄热过程中，第一阀9-1打开，空气压缩机1由空气中吸气并压缩，压缩产生的高温高压空气首先进入换热器2的第一换热管道(也即换热器2的高温侧)中，与第二换热管道(也即换热器2的低温侧)的低温水进行换热，高温高压空气释放热量后温度降低，并进入储气库3的气相空间3-1中存储；同时，第四阀10-1打开，第一泵8-1开始由储气库3的蓄热介质空间3-2中抽水并泵入第二换热管道(也即换热器2的低温侧)，与第一换热管道(也即换热器2的高温侧)中的高温高压空气换热，低温的水吸收热量升温后进入蓄热器6中存储；此外，为保持气相空间3-1在充气过程中压力基本恒定，第一泵8-1的实际抽水流量大于换热器2换热所需的流量，多余的水流量则被第一泵8-1直接泵送入缓冲器7中存储，根据换热器2换热需求及气相空间3-1的压力，第一泵8-1实时调整流量、第五阀10-2实时调整开度，以保证气相空间3-1的压力稳定、以及换热器2的低温侧流量稳定。充气过程中气相空间3-1容积不断扩大，挤压蓄热介质空间3-2的界面向下移动，当系统监测到气相空间3-1与蓄热介质空间3-2分界面略高于储气库3的蓄热介质空间3-2中的接水管路口部时，第一阀9-1和第四阀10-1关闭，第五阀10-2关闭，空气压缩机1和第一泵8-1停机，充气蓄热过程完成。
放气放热过程中，第二阀9-2打开，气相空间3-1中的高压空气在压差驱动下首先进入回热器4的第三换热管道(也即回热器4的低温侧)，与第四换热管道(也即回热器4的高温侧)中的高温水进行换热，低温高压空气吸收热量后温度升高，并进入空气膨胀机5中膨胀做功、直接输出轴功或驱动发电机输出电能。同时，第三阀10-3打开，第二泵8-3开始由蓄热器6底部抽取高温水并泵入第四换热管道(也即回热器4的高温侧)，与第三换热管道(也即回热器4的低温侧)中的低温高压空气换热，高温的水释放热量降温后进入缓冲器7；此外，为保持气相空间3-1在放气过程中压力基本恒定，第六阀10-4打开，第三泵8-2与空气膨胀机5，第二泵8-3同步启动，将低温水不断压入蓄热介质空间3-2中，根据储气库3的气相空间3-1的压力实时调整第三泵8-2控制流量。放气过程中储气库3的蓄热介质空间3-2容积不断扩大，向上挤压气相空间3-1，当系统监测到气相空间3-1与蓄热介质空间3-2分界面略低于气相空间3-1上的空气管路口部时，第二阀9-2和第三阀10-3关闭，第六阀10-4关闭，空气膨胀机5、第二泵8-3和第三泵8-2停机，放气放热过程完成。
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 (6)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：空气压缩机、换热器、储气库、空气膨胀机、回热器和蓄热器，所述换热器包括第一换热管道和第二换热管道，所述回热器包括第三换热管道和第四换热管道，所述储气库包括相互连通的气相空间和蓄热介质空间，所述蓄热介质空间内填充有蓄热介质，所述空气压缩机的出气口通过所述第一换热管道与所述气相空间连通，所述气相空间还通过所述第三换热管道与所述空气膨胀机的进口连接，所述蓄热介质空间通过所述第二换热管道与所述蓄热器的进口连接，所述蓄热器的出口通过所述第四换热管道连接于所述蓄热介质空间；
所述压缩空气储能系统，还包括缓冲器，所述缓冲器包括第一进口、第二进口和第一出口，所述蓄热介质空间分别与所述第一进口、所述第一出口连通，所述蓄热器的出口依次通过所述第四换热管道、所述第二进口、所述第一出口与所述蓄热介质空间连通。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机为多台串联或并联的空气压缩机组，且在每个所述空气压缩机的出气口连接有一个所述换热器；
若为多个空气压缩机串联，则前一级的所述空气压缩机的出气口通过对应的所述换热器的所述第一换热管道与后一级的所述空气压缩机的进气口连接；
若为多个空气压缩机并联，则各级的所述空气压缩机的出气口通过对应的所述换热器的所述第一换热管道并联连接于所述气相空间。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀机为多台串联或并联的空气膨胀机组，且在每个所述空气膨胀机的入口连接有一个所述回热器；
若为多个空气膨胀机串联，则后一级的所述空气膨胀机的入口通过对应的所述回热器的所述第三换热管道与前一级的所述空气膨胀机的出口连接；
若为多个空气膨胀机并联，则各级的所述空气膨胀机的入口通过对应的所述回热器的所述第三换热管道并联连接于所述气相空间。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括第一阀、第二阀、第三阀、第四阀、第一泵和第二泵，所述第一阀连接于所述第一换热管道与所述气相空间之间，所述第二阀连接于所述第三换热管道与所述气相空间之间，所述第三阀和第二泵均连接于所述蓄热器的出口与所述第四换热管道之间，所述第四阀和第一泵均连接于所述第二换热管道与所述蓄热介质空间之间。
5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括第五阀、第六阀和第三泵，所述第五阀连接于所述蓄热介质空间与所述第一进口之间，所述第六阀和所述第三泵连接于所述蓄热介质空间与所述第一出口之间。
6.一种利用如权利要求1-5中任意一项所述的压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，包括：
通过第一阀和第二阀控制所述气相空间内的气体进出；
储能时，经所述空气压缩机压缩后的空气通过所述换热器与从所述蓄热介质空间中吸出的蓄热介质进行换热后，通入并储存在所述气相空间内，经所述换热器换热后的蓄热介质通入所述蓄热器储存；
释能时，所述气相空间内的压缩空气通过回热器与从所述蓄热器内吸出的蓄热介质换热后通入空气膨胀机；从所述蓄热介质空间中吸出的一部分蓄热介质以及经回热器换热后的蓄热介质通过缓冲器回流至所述蓄热介质空间，并通过第四阀控制蓄热介质从所述蓄热介质空间中排至所述蓄热器中，通过第五阀控制蓄热介质从所述蓄热介质空间中排至所述缓冲器中，通过第三阀控制蓄热介质从所述蓄热器排至所述缓冲器中，通过第六阀控制蓄热介质从所述缓冲器排至所述蓄热介质空间中。
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