CN111456825A - 一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统和方法，系统包括冷热一体储罐单元等，冷热一体定压储罐单元包括冷热一体储罐、蒸汽定压装置和软化水补充装置，冷热一体储罐内设上、下两个布水器。方法包括：在储能过程中对空气进行压缩存至储气装置，同时将压缩产生的热量存储在冷热一体储罐的上部空间，当冷热一体储罐全部充满热水时，完成储热；在释能过程中，高压气体从储气装置释放，同时存储在冷热一体储罐中的热量对高压空气进行加热，加热后的空气推动膨胀机做功，并带动发电机发电，当冷热一体储罐内全部充满冷水时，完成放热。本发明可充分利用压缩产生的热量，提升储热效率，减少罐体腐蚀，同时节省储罐的数量，降低设备投资。

Description

一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统和方法
技术领域
本发明属于能量存储与利用技术领域，具体涉及一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统和方法。
背景技术
随着能源清洁低碳化发展趋势日益明显，以光伏和风电为代表的新能源得到了迅速发展，截止2018年，我国风电装机和光伏装机分别达到4亿千瓦和3.7亿千瓦，均居世界首位，但新能源规模的不断增大不断提升给电力系统运行带来了一系列的影响，如随机波动性带来的调峰能力不足问题，给电网的稳定运行带来了安全隐患。发展储能技术可以有效解决可再生能源存在的间歇性和波动性问题，增强电网的调峰能力。储能技术对优化能源结构，推动能源转型升级的发挥作用越来越受到重视。
为解决这一问题，常见的方法是利用储能技术。目前已有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能及飞轮储能等。压缩空气储能和抽水蓄能由于储能能量大、转换效率高等优点，成为当下研究的重点。抽水蓄能需要建设高低两个水库，受到特殊的场地要求选址非常困难，而且厂址一般都远离大规模风电场和太阳能发电场，建设周期也较长，还会带来一定范围的生态和移民问题，使用上存在一定限制。电化学储能和飞轮储能的储能能量较小，只能起到调节优化的作用。压缩空气储能是一种大规模能源储存技术，该技术利用多余的能源驱动压缩机将空气压缩后储存于储气容器中，待到需要时再将压缩空气从储气容器中释放推动膨胀机带动发电机进行发电。传统的压缩空气储能需要利用天然气等燃料，由此会带来环境污染等问题。现有的压缩空气储能技术为了提高压缩空气储能效率，大部分将压缩余热进行存储后再利用，在蓄热技术上大都用了冷、热两个储罐，不仅增加了设备投资，增加了占地面积，且容易出现罐体腐蚀，降低了储热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统和方法，以解决风电和光伏等新能源的消纳等问题。
为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，包括压缩单元、膨胀单元、换热器、储气装置和冷热一体储罐单元；其中，所述压缩单元包括电动机以及与电动机同轴连接的若干级串联的压缩机；
所述膨胀单元包括发电机以及与发电机同轴连接的若干级串联的膨胀机；
所述冷热一体定压储罐单元包括冷热一体储罐、蒸汽定压装置和软化水补充装置，所述冷热一体储罐内设上布水器和下布水器，所述上布水器位于冷热一体储罐的顶部，用于控制热水的进出，下布水器位于冷热一体储罐的底部，用于控制冷水的进水；所述蒸汽定压装置与冷热一体定压储罐顶部相连，所述软化水补充装置与冷热一体定压储罐下部相连；
所述换热器包括储能换热器和释能换热器；
所述储能换热器与压缩机的级数相同，储能换热器为并联设置；所述储能换热器分别与对应级的压缩机和冷热一体定压储罐连接，各级储能换热器与冷热一体定压储罐的下布水器出口和上布水器进口连接；除第一级压缩机进口和最末级压缩机出口外，各级压缩机进口与上一级储能换热器出口连接，各级压缩机出口与对应级储能换热器进口连接，第一级压缩机进口与大气直接连接，最末级压缩机出口与储气装置连接；
所述释能换热器与膨胀机的级数相同，释能换热器为并联设置；所述释能换热器分别与对应级的膨胀机和冷热一体定压储罐连接，各级释能换热器与冷热一体定压储罐的上布水器出口和下布水器进口连接；除第一级膨胀机进口和最末级压缩机出口外，各级膨胀机进口与上一级储能换热器出口连接，各级膨胀机出口与对应级释能换热器进口连接，第一级膨胀机进口与储气装置连接，最末级膨胀机出口直通大气。
本发明进一步的改进在于，所述蒸汽定压装置用于防止冷热一体定压储罐内部热水发生汽化，同时减少罐内含氧量，减少系统腐蚀的发生。
本发明进一步的改进在于，所述软化水补充装置用于补充冷热一体定压储罐的水损失。
本发明进一步的改进在于，所述储能换热器和释放换热器的换热方式均为逆流换热。
一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能方法，该方法基于上述一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，该方法包括以下步骤：
当电力系统出现剩余电量，或新能源电站出现“弃风”、“弃光”现象时，或者电网时段处于谷价时，电动机驱动压缩机对空气进行压缩，储能换热器吸收压缩机产生的热量后传递给热水，并通过冷热一体定压储罐的上布水器均匀流入冷热一体定压储罐内，同时，冷水通过冷热一体定压储罐的下布水器均匀流出冷热一体定压储罐，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的底部时，完成压力势能和热能的存储；
当电力系统处于用电高峰，或电网时段处于峰价时，将储存在储气装置内的高压气体进行释放，推动膨胀机做功，带动发电机发电；在释能过程中，存储在冷热一体定压储罐内的热水通过上布水器均匀流出冷热一体定压储罐，通过释能换热器对高压空气进行加热，降温后的冷水通过冷热一体定压储罐的下布水器均匀流入冷热一体定压储罐内，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的顶部时，完成压力释能和热能的释放。
和现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，具有如下优点：
(1)该系统采用了冷热一体定压储罐，降低了因管道散热等损失的热量，提高了储热的效率，同时，减少了储罐的数量，降低了储罐的投资；
(2)该系统的冷热一体定压储罐采用了蒸汽定压装置，可以使罐内始终保持正压，保证管内热水不发生汽化，同时，降低罐内的含氧量，减少了系统腐蚀的发生；
(3)该系统的冷热一体定压储罐还采用了软化水补充装置，用于随时补充系统的水损失。
本发明提供的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能方法，具有如下优点：
(1)在储能时，通过电动机驱动压缩机，同时吸收了压缩机的热量储存在冷热一体定压储罐中，当冷热一体定压储罐的热交换层到达冷热一体定压储罐的底部时完成储能，将电网剩余电量或“弃风”“弃光”电量或电网低谷电转化为热能和压力势能。
(2)在释能时，将高压气体的压力势能和冷热一体定压储罐的热能释放，当热交换层到达冷热一体定压储罐的顶部时，将压力释能和热能转化为电能。
(3)该方法利用了压缩机产生的热量，大大提高了能源综合转化效率，同时，冷热一体定压储罐热交换层的上下移动可以有效配合热能的存储和释放，可以起到良好的调节作用。
综上所述，本发明可充分利用压缩产生的热量，利用冷热一体定压储罐科提升储热效率，减少罐体腐蚀，同时节省储罐的数量，降低设备投资。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明：
1是电动机，2是压缩机，3是储能换热器，4是释能换热器，5是膨胀机，6是发电机，7是储气装置，8是冷热一体定压储罐，9是上布水器，10是下布水器，11是蒸汽定压装置，12是软化水补充装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，包括压缩单元、膨胀单元、换热器、储气装置7和冷热一体储罐单元。
所述压缩单元包括电动机1以及与电动机1同轴连接的若干级串联的压缩机2。
所述膨胀单元包括发电机6以及与发电机6同轴连接的若干级串联的膨胀机5。
所述冷热一体定压储罐单元包括冷热一体储罐8、蒸汽定压装置11和软化水补充装置12，所述冷热一体储罐8内设上布水器9和下布水器10，所述上布水器9位于冷热一体储罐8的顶部，用于控制热水的进出，下布水器10位于冷热一体储罐8的底部，用于控制冷水的进水。所述蒸汽定压装置11与冷热一体定压储罐8顶部相连，所述软化水补充装置12与冷热一体定压储罐8下部相连。
所述蒸汽定压装置11是为了防止冷热一体定压储罐8内部热水发生汽化，同时减少罐内含氧量，减少系统腐蚀的发生。
所述软化水补充装置12用于补充冷热一体定压储罐8的水损失。
所述换热器包括储能换热器3和释能换热器4。
所述储能换热器3和释放换热器4的换热方式均为逆流换热。
所述储能换热器3与压缩机2的级数相同，储能换热器3为并联设置。所述储能换热器3分别与对应级的压缩机2和冷热一体定压储罐8连接，各级储能换热器3与冷热一体定压储罐8的下布水器10出口和上布水器9进口连接。除第一级压缩机进口和最末级压缩机出口外，各级压缩机进口与上一级储能换热器出口连接，各级压缩机出口与对应级储能换热器进口连接，第一级压缩机进口与大气直接连接，最末级压缩机出口与储气装置7连接。
所述释能换热器4与膨胀机5的级数相同，释能换热器4为并联设置。所述释能换热器4分别与对应级的膨胀机5和冷热一体定压储罐8连接，各级释能换热器4与冷热一体定压储罐8的上布水器9出口和下布水器10进口连接。除第一级膨胀机进口和最末级压缩机出口外，各级膨胀机进口与上一级储能换热器出口连接，各级膨胀机出口与对应级释能换热器进口连接，第一级膨胀机进口与储气装置7连接，最末级膨胀机出口直通大气。
本发明提供的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能方法，包括以下实施步骤：
当电力系统出现剩余电量，或新能源电站出现“弃风”、“弃光”现象时，或者电网时段处于谷价时，电动机1驱动压缩机2对空气进行压缩，储能换热器3吸收压缩机2产生的热量后传递给热水，并通过冷热一体定压储罐8的上布水器9均匀流入冷热一体定压储罐8内，同时，冷水通过冷热一体定压储罐8的下布水器10均匀流出冷热一体定压储罐8，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的底部时，完成压力势能和热能的存储。
当电力系统处于用电高峰，或电网时段处于峰价时，将储存在储气装置7内的高压气体进行释放，推动膨胀机5做功，带动发电机6发电。在释能过程中，存储在冷热一体定压储罐8内的热水通过上布水器9均匀流出冷热一体定压储罐8，通过释能换热器4对高压空气进行加热，降温后的冷水通过冷热一体定压储罐8的下布水器10均匀流入冷热一体定压储罐8内，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的顶部时，完成压力释能和热能的释放。
以上结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩单元、膨胀单元、换热器、储气装置(7)和冷热一体储罐单元；其中，
所述压缩单元包括电动机(1)以及与电动机(1)同轴连接的若干级串联的压缩机(2)；
所述膨胀单元包括发电机(6)以及与发电机(6)同轴连接的若干级串联的膨胀机(5)；
所述冷热一体定压储罐单元包括冷热一体储罐(8)、蒸汽定压装置(11)和软化水补充装置(12)，所述冷热一体储罐(8)内设上布水器(9)和下布水器(10)，所述上布水器(9)位于冷热一体储罐(8)的顶部，用于控制热水的进出，下布水器(10)位于冷热一体储罐(8)的底部，用于控制冷水的进水；所述蒸汽定压装置(11)与冷热一体定压储罐(8)顶部相连，所述软化水补充装置(12)与冷热一体定压储罐(8)下部相连；
所述换热器包括储能换热器(3)和释能换热器(4)；
所述储能换热器(3)与压缩机(2)的级数相同，储能换热器(3)为并联设置；所述储能换热器(3)分别与对应级的压缩机(2)和冷热一体定压储罐(8)连接，各级储能换热器(3)与冷热一体定压储罐(8)的下布水器(10)出口和上布水器(9)进口连接；除第一级压缩机进口和最末级压缩机出口外，各级压缩机进口与上一级储能换热器出口连接，各级压缩机出口与对应级储能换热器进口连接，第一级压缩机进口与大气直接连接，最末级压缩机出口与储气装置(7)连接；
所述释能换热器(4)与膨胀机(5)的级数相同，释能换热器(4)为并联设置；所述释能换热器(4)分别与对应级的膨胀机(5)和冷热一体定压储罐(8)连接，各级释能换热器(4)与冷热一体定压储罐(8)的上布水器(9)出口和下布水器(10)进口连接；除第一级膨胀机进口和最末级压缩机出口外，各级膨胀机进口与上一级储能换热器出口连接，各级膨胀机出口与对应级释能换热器进口连接，第一级膨胀机进口与储气装置(7)连接，最末级膨胀机出口直通大气。
2.根据权利要求1所述的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，其特征在于，所述蒸汽定压装置(11)用于防止冷热一体定压储罐(8)内部热水发生汽化，同时减少罐内含氧量，减少系统腐蚀的发生。
3.根据权利要求1所述的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，其特征在于，所述软化水补充装置(12)用于补充冷热一体定压储罐(8)的水损失。
4.根据权利要求1所述的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能换热器(3)和释放换热器(4)的换热方式均为逆流换热。
5.一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至4中任一项所述的一种冷热一体定压储罐式压缩空气储能系统，该方法包括以下步骤：
当电力系统出现剩余电量，或新能源电站出现“弃风”、“弃光”现象时，或者电网时段处于谷价时，电动机(1)驱动压缩机(2)对空气进行压缩，储能换热器(3)吸收压缩机(2)产生的热量后传递给热水，并通过冷热一体定压储罐(8)的上布水器(9)均匀流入冷热一体定压储罐(8)内，同时，冷水通过冷热一体定压储罐(8)的下布水器(10)均匀流出冷热一体定压储罐(8)，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的底部时，完成压力势能和热能的存储；
当电力系统处于用电高峰，或电网时段处于峰价时，将储存在储气装置(7)内的高压气体进行释放，推动膨胀机(5)做功，带动发电机(6)发电；在释能过程中，存储在冷热一体定压储罐(8)内的热水通过上布水器(9)均匀流出冷热一体定压储罐(8)，通过释能换热器(4)对高压空气进行加热，降温后的冷水通过冷热一体定压储罐(8)的下布水器(10)均匀流入冷热一体定压储罐(8)内，随着热水的不断流入和流出，当热交换层到达冷热一体定压储罐的顶部时，完成压力释能和热能的释放。
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