CN111550389B - 一种工业压缩空气储能系统及其储能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业压缩空气储能系统，利用峰谷电价差在低电价时段将电能以压力能的形式储存于压缩空气，并将压缩空气储存于压力容器中，在高电价时段将压力容器中的压缩空气释放，经处理后，用于工厂中的用气设备。系统包括：压缩机组、储热系统、膨胀机、低压储气罐，高压储气装置以及截止阀；膨胀机用于将高压储气装置中释放的高压空气减压至用气设备所需压力的空气储存到低压储气罐中供用气设备使用，储热系统用于将压缩后的空气的热量回收并在压缩空气进入膨胀机工作前加热压缩空气。在本发明中，经压缩机组压缩的空气可以以高压和常温的状态进入和排出高压储气装置，并在装置内部改变并优化空气储存的状态。

Description

一种工业压缩空气储能系统及其储能方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，更具体的说是涉及一种工业压缩空气储能系统及其储能方法。
背景技术
电网的电价随用电峰谷而波动，其高峰期电价是低谷期电价的2-3倍。通过合理利用峰谷电价差，低谷时利用较低的电价生产压缩空气并进行存储，可以有效降低工业气动系统的电力运行成本。在高峰时，压缩空气释放，此外，在现有压缩空气存储条件下，提高存储压力可以提高压缩空气的利用率，进而大大降低其储气成本。
由于利用峰谷电价差来改变压缩空气系统运行策略，其产气量会产生周期性波动变化。为保证压力的稳定输出，需要对高压空气存储方式进行设计，保证压力的稳定。
本发明所提出的压缩空气储能系统，储存压缩空气的目的不是用作发电来实现电网电力的“削峰填谷”，而是从工业领域压缩空气系统电力运行成本角度出发，利用峰谷电价差来降低系统电力成本。在现有工业压缩空气系统基础上，通过增加高压压缩机设备及储气设备构成压缩空气储能系统，可以节省系统的成本投入。本发明提供了一种降低工业领域压缩空气系统运行的电力成本的方法。
与常温压缩空气储存相比，本发明采用相同容积的压力容器，以高压空气的形式储存更多的压力能。由于压力容器的成本在压缩空气储能系统中占比大，改善压力容器中压缩空气的利用率，有利于降低系统的总成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种工业压缩空气储能系统，用于降低压缩空气储能系统的成本；同时，提供了一种压缩空气储存的方法，空气可以以高压和近常温的状态进入和排出空气储存装置，并在装置内部改变并优化空气储存的状态。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种工业压缩空气储能系统，包括：压缩机组、储热系统、膨胀机、低压储气罐、高压储气装置和执行机构；
所述压缩机组包括低压压缩机和高压压缩机，所述低压压缩机的进气口连接空气源；
所述储热系统包括储热器一和储热器二；
所述低压压缩机、储热器一、低压储气罐、高压压缩机、储热器二和膨胀机依次相连；
其中，所述储热器一和储热器二还均与所述高压储气装置相连；
所述膨胀机的出气口与所述低压储气罐的进气口相连；
所述低压储气罐的出气口与所述执行机构相连。
进一步的，所述低压压缩机与所述膨胀机可以根据需要同轴连接或不连接。
更进一步的，上述的一种工业压缩空气储能系统，还包括：
截止阀一和截止阀二；所述截止阀一设置在所述低压储气罐与所述高压压缩机之间的管路上；
所述截止阀二设置在所述储热器二口与所述膨胀机之间的管路上。
在本发明中，储热系统可以回收储存压缩空气的余热，将压缩空气的温度降低至接近环境温度并在压缩空气进入膨胀机工作前加热压缩空气以防止空气中的水汽冷凝。
进一步的，所述高压储气装置包括：高压储气罐和压力补偿子系统；
所述储热器二的出气口与所述高压储气罐的进气口连接，所述高压储气罐的出气口与所述储热器二的进气口连接；
所述高压储气罐与所述压力补偿子系统连接。
更进一步的。所述压力补偿子系统包括：工质储罐、循环泵、冷却水储罐以及三通电磁阀；
所述冷却水储罐包括热水储罐和冷水储罐；
所述三通电磁阀包括三通电磁阀一和三通电磁阀二；
所述三通电磁阀一和三通电磁阀二的公共端均与所述循环泵连接；
所述三通电磁阀一的选择端分别连接所述储热器一和所述冷水储罐；
所述三通电磁阀二的选择端分别连接所述热水储罐和所述冷水储罐；
所述热水储罐还与所述储热器一相连；
所述循环泵和三通电磁阀二之间的管线流经工质储罐内部，所述工质储罐与所述高压储气罐直接相连。
进一步的，所述三通电磁阀一和所述三通电磁阀二均为二位三通电磁阀。
进一步的，所述高压储气罐内设置隔离部，用于将工质与空气隔离；
更进一步的，所述隔离部可以为气囊、膜及其他类似的隔离表面装置。
在本发明中，高压储气装置采用压力补偿的方法可以使高压储气罐内的压力在小范围内波动，当高压储气罐排气时，将工质气化，向高压储气罐内补入气态工质，当高压储气罐进气时，将气态工质液化排出高压储气罐。
上述的一种工业压缩空气储能系统的储能方法，包括储能和释能；
其中储能：此时低压压缩机和膨胀机不连接，打开截止阀一，关闭截止阀二，低压压缩机将空气压缩，并输送至储热器一内，经降温后的压缩空气输送至低压储气罐；低压储气罐中的压缩空气一方面供给执行机构，一方面输送至高压压缩机进行压缩处理；处理后输送至储热器二，经降温后的压缩空气输送至高压储气装置内储存；
其中释能，此时低压压缩机和膨胀机同轴连接，关闭截止阀一，打开截止阀二，高压储气装置中的压缩空气输送至储热器二内，经升温后的压缩空气输送至膨胀机中降压，然后输送至低压储气罐中用于向执行机构供气，同时，膨胀机带动低压压缩机工作，将环境中空气压缩，然后输送至储热器一内，经降温后的压缩空气输送至低压储气罐向执行机构供气。
进一步的，在储能时，三通电磁阀一的选择端与冷水储罐导通，三通电磁阀二的选择端与热水储罐导通，冷水储罐中的冷水由循环泵流经工质储罐冷却工质，使工质由气态转变为液态，最后输送至热水储罐中，使得压缩空气得以进入高压储气罐中储存，；
在释能时，三通电磁阀一的选择端与储热器一导通，三通电磁阀二的选择端与冷水储罐导通，高压储气罐中储存的压缩空气释放，热水储罐中的热水经储热器一预热后，由循环泵流经工质储罐加热工质，使工质由液态转变为气态，最后输送至冷水储罐中，以补偿高压储气罐中压缩空气释放所引起压力损失。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、高压储气罐中高压空气恒压释放，避免节流减压造成的有用能损失；
2、压缩空气释放压力恒定，后续设备可以在稳定的压力下工作，避免设备长期工作在非工况点而导致的效率损失，提高系统的效率；
3、在现有工业压缩空气系统基础上，通过增加高压压缩机设备及储气设备构成压缩空气储能系统，可以节省系统的成本投入。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的一种压缩空气储能系统的系统原理图；
图2是本发明提出的高压空气储存装置及其方法的原理图；
图3是本发明高压空气子系统压力能储存过程空气、工质以及冷却液的流动方向图；
图4是本发明高压空气子系统压力能释放过程空气、工质以及冷却液的流动方向图。
图中：
1a-低压压缩机；1b-高压压缩机；2a-储热器一；2b-储热器二；3-低压储气罐；4a-截止阀一；4b-截止阀二；5-高压储气装置；6-执行机构；7a-热水储罐；7b-冷水储罐；7c-热水；7d-冷水；8-循环泵；9-工质储罐；9a-工质；10-高压储气罐；10a-隔离部；11-膨胀机；12a二位三通电磁阀一；12b二位三通电磁阀二。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例
本发明提供了一种工业压缩空气储能系统，包括压缩机组、储热系统、膨胀机、低压储气罐和高压储气装置。
具体的，参见图1-2，低压压缩机1a的进气口连接空气源，出气口与储热器一2a、低压储气罐3、高压压缩机1b、储热器二2b、以及膨胀机11按照空气流通顺序通过通气管线依次连接；
其中，储热器一2a和储热器二2b还均与高压储气装置5连接；
低压压缩机1可以与膨胀机10同轴联接或不连接；
进一步的，低压储气罐3与高压压缩机1b之间的管线上设置有截止阀一4a，
储热器二2b与膨胀机11之间的管线上设置有截止阀二4b；
进一步的，膨胀机11的出气口与低压储气罐3的进气口相连，可以将高压储气装置5中的高压空气减压后储存到低压储气罐3中；
进一步的，低压储气罐3的出气口连接执行机构6，在用电高峰时段，将储存的低压气体释放供执行机构6工作。
更进一步的，高压储气装置5包括压力补偿子系统和高压储气罐10；
储热器二2b的出气口与高压储气罐10的进气口连接，高压储气罐10的出气口与所述储热器二2b的进气口连接；
压力补偿子系统包括循环泵8、热水储罐7a、工质储罐9、冷水储罐7b、二位三通电磁阀一12a以及二位三通电磁阀12b；
其中，三通电磁阀一12a和三通电磁阀二12b的公共端均与循环泵8连接；
三通电磁阀一12a的选择端分别连接储热器一2a和冷水储罐7b；
三通电磁阀二12b的选择端分别连接热水储罐7a和冷水储罐7b；
热水储罐7a与储热器一2a相连；
循环泵8和三通电磁阀二12b之间的管线流经工质储罐9内部，工质储罐9与高压储气罐10直接相连。
在高压储气罐10内设置隔离部10a，用于将工质9a与空气隔离，隔离部10a可以为气囊、膜及其他类似的隔离表面装置。
在本发明中，高压压缩机1b用于将来自低压压缩机1a的压缩空气继续压缩到高压，膨胀机11用于将高压储气装置5中释放的高压空气减压至执行机构6所需要的压力，储热器2b用于将压缩后的空气的热量回收并在压缩空气进入膨胀机11工作前加热压缩空气。
在用电低谷时段，低压压缩机1a使用电力工作，空气经低压压缩机1a压缩后空气温度上升，然后，高温空气流经储热器一2a，高温空气的温度降低至接近环境温度，然后近常温低压空气进入低压储气罐3，一方面供执行机构6使用，一方面供高压压缩机2b使用，此时截止阀一4a打开，截止阀二4b关闭，高压压缩机1b从低压储气罐3中吸气将空气继续压缩，空气经高压压缩机1b压缩后空气温度上升，然后经储热器二2b降温至近环境温度，最后，近常温的高压空气流入高压储气装置5中储存；
在用电高峰时段。低压压缩机1a停止电力使用，打开截止阀二4b，关闭截止阀一4a，高压储气装置5释放高压空气，常温高压空气经储热器二2b预热后，进入膨胀机11工作，此时，低压压缩机1a与膨胀机11同轴联接，膨胀机11带动低压压缩机1a从环境中吸气并压缩空气，向执行机构6供气，最后，经膨胀机11工作后的气体重新进入低压储气罐3。
参见图3-4，在高压储气装置储能阶段，二位三通电磁阀一12a的选择端与冷水储罐7b导通，三通电磁阀二12b的选择端与热水储罐7a导通，循环泵8将冷水储罐7b中的冷水7d泵送流经工质储罐9，冷却工质9a，使工质9a由气态转变为液态，使高压空气可以进入高压储气罐10中储存，最后将冷水7d输送至热水储罐7a中储存；
在高压储气装置释能阶段，二位三通电磁阀一12a的选择端与储热器1a导通，三通电磁阀二12b的选择端与冷水储罐7b导通，热水储罐7a中的热水7c经储热器1a预热后，通过循环泵8流经工质储罐6，加热工质9a，使工质9a由液态转变为气态，以补偿高压储气罐10中高压气体释放所引起的储罐内气体的压力损失，最后将热水4c输送至冷水储罐7b中储存。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，包括：压缩机组、储热系统、膨胀机、低压储气罐、高压储气装置和执行机构；
所述压缩机组包括低压压缩机和高压压缩机，所述低压压缩机的进气口连接空气源；
所述储热系统包括储热器一和储热器二；
所述低压压缩机、储热器一、低压储气罐、高压压缩机、储热器二和膨胀机依次相连；
其中，所述储热器一和储热器二还均与所述高压储气装置相连；
所述膨胀机的出气口与所述低压储气罐的进气口相连；
所述低压储气罐的出气口与所述执行机构相连。
2.根据权利要求1所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，所述低压压缩机与所述膨胀机可以根据需要同轴连接或不连接。
3.根据权利要求1所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：截止阀一和截止阀二；所述截止阀一设置在所述低压储气罐与所述高压压缩机之间的管路上；
所述截止阀二设置在所述储热器二与所述膨胀机之间的管路上。
4.根据权利要求3所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，所述高压储气装置包括：高压储气罐和压力补偿子系统；
所述储热器二的出气口与所述高压储气罐的进气口连接，所述高压储气罐的出气口与所述储热器二的进气口连接；
所述高压储气罐与所述压力补偿子系统连接。
5.根据权利要求4所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，所述压力补偿子系统包括：工质储罐、循环泵、冷却水储罐以及三通电磁阀；
所述冷却水储罐包括热水储罐和冷水储罐；
所述三通电磁阀包括三通电磁阀一和三通电磁阀二；
所述三通电磁阀一和三通电磁阀二的公共端均与所述循环泵连接；
所述三通电磁阀一的选择端分别连接所述储热器一和所述冷水储罐；
所述三通电磁阀二的选择端分别连接所述热水储罐和所述冷水储罐；
所述热水储罐还与所述储热器一相连；
所述循环泵和三通电磁阀二之间的管线流经所述工质储罐内部，所述工质储罐与所述高压储气罐直接相连。
6.根据权利要求5所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，所述三通电磁阀一和所述三通电磁阀二均为二位三通电磁阀。
7.根据权利要求5所述的一种工业压缩空气储能系统，其特征在于，所述高压储气罐内设置隔离部，用于将工质与空气隔离。
8.如权利要求1-7任一所述的一种工业压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，包括储能和释能；
其中储能：此时低压压缩机和膨胀机不连接，打开截止阀一，关闭截止阀二，低压压缩
机将空气压缩，并输送至储热器一内，经降温后的压缩空气输送至低压储气罐；低压储气罐中的压缩空气一方面供给执行机构，一方面输送至高压压缩机进行压缩处理；处理后输送至储热器二，经降温后的压缩空气输送至高压储气装置内储存；
其中释能：此时低压压缩机和膨胀机同轴连接，关闭截止阀一，打开截止阀二，高压储气装置中的压缩空气输送至储热器二内，经升温后的压缩空气输送至膨胀机中降压，然后输送至低压储气罐中用于向执行机构供气，同时，膨胀机带动低压压缩机工作，将环境中空气压缩，然后输送至储热器一内，经降温后的压缩空气输送至低压储气罐向执行机构供气。
9.根据权利要求8所述的一种工业压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，在储能时，三通电磁阀一的选择端与冷水储罐导通，三通电磁阀二的选择端与热水储罐导通，冷水储罐中的冷水由循环泵流经工质储罐冷却工质，使工质由气态转变为液态，最后输送至热水储罐中，使得压缩空气得以进入高压储气罐中储存；
在释能时，三通电磁阀一的选择端与储热器一导通，三通电磁阀二的选择端与冷水储罐导通，高压储气罐中储存的压缩空气释放，热水储罐中的热水经储热器一预热后，由循环泵流经工质储罐加热工质，使工质由液态转变为气态，最后输送至冷水储罐中，以补偿高压储气罐中压缩空气释放所引起压力损失。
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