CN112459983B - 一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法，涉及储能技术领域。系统中，压缩机、冷却器、储气库、回热器、透平机和发电机依次连接，发电机用于向热电负荷输送电能。冷却器、蓄热罐、回热器、第一换热器和蓄冷罐依次连接成循环回路。第一换热器和土壤蓄热器连接成循环回路，第一换热器用于将回热器产生的富余热量存储到土壤蓄热器中。地源热泵与土壤蓄热器连接，地源热泵用于将土壤蓄热器中的热量输送给热电负荷。该系统能够将压缩空气释能过程中的富余压缩热存储于土壤中，保证蓄冷罐内介质温度在合理区间，使压缩空气储能过程安全、高效运行，并将土壤中存储的热能在需要时高效利用，避免能源浪费。

Description

一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体而言，涉及一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能技术是一种大容量物理储能技术，在解决新能源消纳、增强电网灵活性、改善新能源发电并网特性等方面具有显著优势。该储能技术具备“零碳排、高效率、长寿命、冷/热/电多能联供、多能联储”等优势特征，因此，在大规模储能领域以及综合能源领域均具备良好的推广应用前景。然而，压缩空气储能系统在供电时会伴随产生大量的低温废热，供冷时也会造成大量的压缩热富余，若不能及时的消纳掉富余的压缩热将严重影响下一周期运行安全。

地源热泵技术指以大地作为冷热源的热泵技术，该技术通过充分利用可再生土壤能实现冬季供暖和夏季供冷，其理想工作状态为，在冬季运行时，土壤换热器作为热泵系统的蒸发器，吸收土壤中的低温热能后向外界供暖，此时土壤温度下降；在夏季运行时，土壤换热器作为热泵系统的冷凝器，通过不断向土壤放热，以维持热泵系统的制冷运行。当冬夏两季冷、热负荷差异不大时，土壤中的能量可处于动态平衡状态。然而，对冬夏负荷相差很大的严寒地区，热负荷远远大于冷负荷，热泵冬季从土壤中取出的热量远远大于夏季的排热量，常年运行会导致土壤中热量失去平衡，土壤温度逐年降低，热泵运行效率也将逐年下降。

因此，设计一种供能系统，能够将压缩空气释能过程中的富余压缩热存储于土壤中，使压缩空气储能过程安全、高效运行，并将土壤中存储的热能在需要时高效利用，避免能源浪费，这是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法，其能够将压缩空气释能过程中的富余压缩热存储于土壤中，保证蓄冷罐内介质温度在合理区间，使压缩空气储能过程安全、高效运行，并将土壤中存储的热能在需要时高效利用，避免能源浪费。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种含压缩空气储能的综合供能系统，系统包括压缩机、冷却器、蓄热罐、回热器、储气库、蓄冷罐、透平机、发电机、第一换热器、土壤蓄热器和地源热泵，其中，冷却器包括a1口、b1口、c1口和d1口，a1口与c1口连通，b1口与d1口连通，回热器包括a2口、b2口、c2口和d2口，a2口与c2口连通，b2口与d2口连通，第一换热器包括a3口、b3口、c3口和d3口，a3口与c3口连通，b3口与d3口连通；

压缩机、a1口、c1口、储气库、a2口、c2口、透平机和发电机依次连接，发电机用于向热电负荷输送电能；

b1口、d1口、蓄热罐、d2口、b2口、a3口、c3口和蓄冷罐依次连接成循环回路，其中，压缩机用于将空气压缩，并输送给冷却器，冷却器用于将压缩空气与蓄冷罐输送来的蓄冷介质进行热交换，形成蓄热介质，并存储至蓄热罐中，压缩后的空气经过热交换冷却后注入储气库中存储；

b3口、d3口和土壤蓄热器连接成循环回路，其中，第一换热器用于将回热器产生的富余热量存储到土壤蓄热器中；

地源热泵与土壤蓄热器连接，地源热泵用于将土壤蓄热器中的热量输送给热电负荷。

在可选的实施方式中，系统还包括：

第二换热器，第二换热器包括a4口、b4口、c4口和d4口，a4口与c4口连通，b4口与d4口连通，a4口与b2口通过管道连通，c4口与蓄冷罐的入口通过管道连通，b4口和d4口用于连接热电负荷。

在可选的实施方式中，系统还包括附加支路和第一电磁阀，附加支路的一端连接蓄热罐的出口，附加支路的另一端连接b2口或b2口所连的管路，第一电磁阀安装在附加支路上。

在可选的实施方式中，系统还包括第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀，第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀分别安装在a3口、c3口、b3口和d3口。

在可选的实施方式中，系统还包括第六电磁阀和第七电磁阀，第六电磁阀和第七电磁阀分别安装在a4口和c4口。

在可选的实施方式中，系统还包括第八电磁阀和第九电磁阀，第八电磁阀和第九电磁阀分别安装在储气库的入口和出口。

在可选的实施方式中，地源热泵包括第三换热器、第四换热器、泵体和第十电磁阀，第三换热器包括a5口、b5口、c5口和d5口，a5口与c5口连通，b5口与d5口连通，第四换热器包括a6口、b6口、c6口和d6口，a6口与c6口连通，b6口与d6口连通；

a5口、土壤蓄热器和c5口连接成循环回路；

b5口、泵体、a6口、c6口、第十电磁阀和d5口连接成循环回路；

b6口和d6口用于连接热电负荷。

在可选的实施方式中，系统还包括第十一电磁阀和第十二电磁阀，第十一电磁阀和第十二电磁阀分别安装在b6口和d6口。

在可选的实施方式中，系统还包括发动机，发动机与压缩机连接，发动机用于驱动压缩机。

第二方面，本发明提供一种含压缩空气储能的综合供能方法，方法采用前述实施方式的含压缩空气储能的综合供能系统，方法包括：

压缩空气储能操作，控制压缩机将空气压缩，并输送给冷却器，控制冷却器将压缩空气与蓄冷罐输送来的蓄冷介质进行热交换，形成蓄热介质，并存储至蓄热罐中，压缩后的空气经过热交换冷却后注入储气库中存储；

压缩空气释能发电操作，控制储气库中的空气进入到回热器，并与蓄热罐输送来的蓄热介质进行热交换，经过热交换的空气进入透平机，并由发电机向热电负荷发电；

控制回热器产生的富余热量通过第一换热器存储到土壤蓄热器中；

控制地源热泵将土壤蓄热器中的热量输送给热电负荷。

本发明实施例提供的一种含压缩空气储能的综合供能系统及方法的有益效果包括：

1.压缩空气释能发电过程中产生的富余热量，可以通过第一换热器存储于土壤蓄热器中，避免富余热量影响设备的安全运行，保证在下一周期的压缩空气储能过程中，蓄冷罐内介质温度在合理区间，实现压缩空气储能的安全、高效运行；

2.土壤蓄热器中存储有压缩空气释能发电过程中产生的富余热量，可以在需要的时候输送给热电负荷利用，实现了废热高效利用，避免能源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的含压缩空气储能的综合供能系统的组成示意图。

图标：10-含压缩空气储能的综合供能系统；11-发动机；12-压缩机；13-冷却器；14-蓄热罐；15-回热器；16-储气库；17-蓄冷罐；18-透平机；19-发电机；20-土壤蓄热器；21-第一换热器；22-第二换热器；23-第三换热器；24-第四换热器；25-泵体；26-附加支路；27-第一电磁阀；28-第二电磁阀；29-第三电磁阀；30-第四电磁阀；31-第五电磁阀；32-第六电磁阀；33-第七电磁阀；34-第八电磁阀；35-第九电磁阀；36-第十电磁阀；37-第十一电磁阀；38-第十二电磁阀；39-地源热泵；40-热电负荷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种含压缩空气储能的综合供能系统10，系统包括发动机11、压缩机12、冷却器13、蓄热罐14、回热器15、储气库16、蓄冷罐17、透平机18、发电机19、土壤蓄热器20、地源热泵39、第一换热器21、第二换热器22、附加支路26、第一电磁阀27、第二电磁阀28、第三电磁阀29、第四电磁阀30、第五电磁阀31、第六电磁阀32、第七电磁阀33、第八电磁阀34、第九电磁阀35、第十一电磁阀37和第十二电磁阀38。

冷却器13包括a1口、b1口、c1口和d1口，a1口与c1口连通，b1口与d1口连通。回热器15包括a2口、b2口、c2口和d2口，a2口与c2口连通，b2口与d2口连通。第一换热器21包括a3口、b3口、c3口和d3口，a3口与c3口连通，b3口与d3口连通。第二换热器22包括a4口、b4口、c4口和d4口，a4口与c4口连通，b4口与d4口连通。

其中，电动机、压缩机12、a1口、c1口、储气库16、a2口、c2口、透平机18和发电机19依次连接，发电机19用于向热电负荷40输送电能。这里的热电负荷40可以是居民楼、工厂、写字楼等。

b1口、d1口、蓄热罐14、d2口、b2口、a3口、c3口和蓄冷罐17依次连接成循环回路。b3口、d3口和土壤蓄热器20连接成循环回路。地源热泵39与土壤蓄热器20连接，地源热泵39用于向热电负荷40输送热能。

a4口与b2口通过管道连通，c4口与蓄冷罐17的入口通过管道连通，b4口和d4口用于连接热电负荷40。

具体的，地源热泵39包括第三换热器23、第四换热器24、泵体25和第十电磁阀36，第三换热器23包括a5口、b5口、c5口和d5口，a5口与c5口连通，b5口与d5口连通。第四换热器24包括a6口、b6口、c6口和d6口，a6口与c6口连通，b6口与d6口连通。a5口、土壤蓄热器20和c5口连接成循环回路。b5口、泵体25、a6口、c6口、第十电磁阀36和d5口连接成循环回路。b6口和d6口用于连接热电负荷40。

附加支路26的一端连接蓄热罐14的出口，附加支路26的另一端连接b2口或b2口所连的管路，第一电磁阀27安装在附加支路26上。第二电磁阀28、第三电磁阀29、第四电磁阀30和第五电磁阀31分别安装在a3口、c3口、b3口和d3口。第六电磁阀32和第七电磁阀33分别安装在a4口和c4口。第八电磁阀34和第九电磁阀35分别安装在储气库16的入口和出口，这里的第九电磁阀35选用节流阀。第十一电磁阀37和第十二电磁阀38分别安装在b6口和d6口。

本实施例还提供含压缩空气储能的综合供能方法，方法采用上述系统。方法包括以下步骤。

步骤一：压缩空气储能操作，启动电动机，具体可以利用低估电能启动电动机，以驱动压缩机12将常压空气压缩成高温高压空气，高温高压空气经过冷却器13与蓄冷罐17输送来的蓄冷介质进行热交换，蓄冷介质转化为蓄热介质，并存储至蓄热罐14中，同时，压缩后的高温高压空气经过热交换冷却后注入储气库16中存储。

步骤二：压缩空气释能发电操作，在步骤一的基础上，打开第九电磁阀35，储气库16中的高压空气经过第九电磁阀35节流稳压后进入回热器15，并与蓄热罐14输送来的蓄热介质进行热交换，空间经过热交换形成高温空气，并进入透平机18透平后发送至发电机19，由发电机19向热电负荷40发电。

步骤三：压缩空气释能供热操作，在步骤一的基础上，打开或增加第六电磁阀32和第七电磁阀33的开度，关闭或降低第二电磁阀28和第三电磁阀29，蓄热罐14中的蓄热介质在回热器15中释热降温后变为中温介质，第二换热器22将来自回热器15的中温介质进一步冷却至蓄冷介质，并存储至蓄冷罐17中，此过程中，第二换热器22将中温介质释放的热量可直接用于向热电负荷40供热。

在步骤三中，如果当前操作还不能满足热电负荷40的供热需求，则在步骤三的基础上，再打开第一电磁阀27，利用蓄热罐14中的蓄热介质直接流经第二换热器22，并向热电负荷40供热。

步骤四：土壤蓄热操作，当热电负荷40的供热需求较低或无供热需求时，则在步骤一的基础上，打开第二电磁阀28、第三电磁阀29、第四电磁阀30和第五电磁阀31，关闭第六电磁阀32和第七电磁阀33，回热器15输出的中温介质经过第一换热器21进一步冷却至蓄冷介质，并存储至蓄冷罐17中，此过程中，第一换热器21将中温介质释放的热量存储于土壤蓄热器20中。

在系统的运作过程中，蓄热罐14中蓄热介质经过回热器15释热降温后属于中温介质，中温介质的温度依然较高，若直接将中温介质注入蓄冷罐17中会降低下一周期的压缩空气储能过程中冷却器13的冷却效果，导致空气出口温度过高，到导致储气温度增加，造成储能密度下降，甚至引发安全问题。对此，步骤四中，将回热器15输出的中温介质经过第一换热器21降温，再存储至蓄冷罐17中，不仅可以保证在下一周期的压缩空气储能过程中，系统中具有稳定的蓄冷介质，实现压缩空气储能的安全、高效运行，还能够将中温介质富余的热量存储到土壤蓄热器20中，以备使用，避免能源浪费。

步骤五：土壤蓄热器20供热操作，打开第十电磁阀36、第十一电磁阀37和第十二电磁阀38，关闭第四电磁阀30和第五电磁阀31，土壤蓄热器20将热量依次经过第三换热器23和第四换热器24向热电负荷40供热。

以热电负荷40为居民楼为例，当居民楼处于夏季时，可采用步骤四的操作方式，将蓄热介质或中温介质的富余热量通过第一换热器21存储于土壤蓄热器20中。当居民楼处于冬季时，可以采用步骤三或步骤五的操作方式，或者一并采用步骤三和步骤五的操作方式，利用压缩空气释能和土壤蓄热器20向居民楼供热，实现热能最大化利用，提高系统的能源利用率。

本实施例提供的含压缩空气储能的综合供能系统10和方法的有益效果包括：

1.蓄热介质经过回热器15释热降温后的富余热量，可以通过第一换热器21存储至土壤蓄热器20中，不仅可以保证在下一周期的压缩空气储能过程中，保证蓄冷罐17内介质温度在合理区间，实现压缩空气储能过程中的安全、高效运行，还能够将中温介质富余的热量存储到土壤蓄热器20中；

2.通过地源热泵39可以将土壤蓄热器20中存储的废热用于向热电负荷40供热，实现废热的高效利用，避免能源浪费；

3.系统可以实现压缩空气释能供热和土壤蓄热器20供热，能够形成多个级别的供热需求，也可以实现热能的梯级利用，避免能源浪费。

以上，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统包括压缩机(12)、冷却器(13)、蓄热罐(14)、回热器(15)、储气库(16)、蓄冷罐(17)、透平机(18)、发电机(19)、第一换热器(21)、土壤蓄热器(20)和地源热泵(39)，其中，所述冷却器(13)包括a1口、b1口、c1口和d1口，所述a1口与所述c1口连通，所述b1口与所述d1口连通，所述回热器(15)包括a2口、b2口、c2口和d2口，所述a2口与所述c2口连通，所述b2口与所述d2口连通，所述第一换热器(21)包括a3口、b3口、c3口和d3口，所述a3口与所述c3口连通，所述b3口与所述d3口连通；

所述压缩机(12)、所述a1口、所述c1口、所述储气库(16)、所述a2口、所述c2口、所述透平机(18)和所述发电机(19)依次连接，所述发电机(19)用于向热电负荷(40)输送电能；

所述b1口、所述d1口、所述蓄热罐(14)、所述d2口、所述b2口、所述a3口、所述c3口和所述蓄冷罐(17)依次连接成循环回路，其中，所述压缩机(12)用于将空气压缩，并输送给所述冷却器(13)，所述冷却器(13)用于将压缩空气与所述蓄冷罐(17)输送来的蓄冷介质进行热交换，形成蓄热介质，并存储至所述蓄热罐(14)中，压缩后的空气经过热交换冷却后注入所述储气库(16)中存储；

所述b3口、所述d3口和所述土壤蓄热器(20)连接成循环回路，其中，所述第一换热器(21)用于将所述回热器(15)产生的富余热量存储到所述土壤蓄热器(20)中；

所述地源热泵(39)与所述土壤蓄热器(20)连接，所述地源热泵(39)用于将所述土壤蓄热器(20)中的热量输送给所述热电负荷(40)。

2.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二换热器(22)，所述第二换热器(22)包括a4口、b4口、c4口和d4口，所述a4口与所述c4口连通，所述b4口与所述d4口连通，所述a4口与所述b2口通过管道连通，所述c4口与所述蓄冷罐(17)的入口通过管道连通，所述b4口和所述d4口用于连接所述热电负荷(40)。

3.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括附加支路(26)和第一电磁阀(27)，所述附加支路(26)的一端连接所述蓄热罐(14)的出口，所述附加支路(26)的另一端连接所述b2口或所述b2口所连的管路，所述第一电磁阀(27)安装在所述附加支路(26)上。

4.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括第二电磁阀(28)、第三电磁阀(29)、第四电磁阀(30)和第五电磁阀(31)，所述第二电磁阀(28)、所述第三电磁阀(29)、所述第四电磁阀(30)和所述第五电磁阀(31)分别安装在所述a3口、所述c3口、所述b3口和所述d3口。

5.根据权利要求2所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括第六电磁阀(32)和第七电磁阀(33)，所述第六电磁阀(32)和所述第七电磁阀(33)分别安装在所述a4口和所述c4口。

6.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括第八电磁阀(34)和第九电磁阀(35)，所述第八电磁阀(34)和所述第九电磁阀(35)分别安装在所述储气库(16)的入口和出口。

7.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述地源热泵(39)包括第三换热器(23)、第四换热器(24)、泵体(25)和第十电磁阀(36)，所述第三换热器(23)包括a5口、b5口、c5口和d5口，所述a5口与所述c5口连通，所述b5口与所述d5口连通，所述第四换热器(24)包括a6口、b6口、c6口和d6口，所述a6口与所述c6口连通，所述b6口与所述d6口连通；

所述a5口、所述土壤蓄热器(20)和所述c5口连接成循环回路；

所述b5口、所述泵体(25)、所述a6口、所述c6口、所述第十电磁阀(36)和所述d5口连接成循环回路；

所述b6口和所述d6口用于连接所述热电负荷(40)。

8.根据权利要求7所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括第十一电磁阀(37)和第十二电磁阀(38)，所述第十一电磁阀(37)和所述第十二电磁阀(38)分别安装在所述b6口和所述d6口。

9.根据权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，其特征在于，所述系统还包括发动机(11)，所述发动机(11)与所述压缩机(12)连接，所述发动机(11)用于驱动所述压缩机(12)。

10.一种含压缩空气储能的综合供能方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1所述的含压缩空气储能的综合供能系统，所述方法包括：

压缩空气储能操作，控制所述压缩机(12)将空气压缩，并输送给所述冷却器(13)，控制所述冷却器(13)将压缩空气与所述蓄冷罐(17)输送来的蓄冷介质进行热交换，形成蓄热介质，并存储至所述蓄热罐(14)中，压缩后的空气经过热交换冷却后注入所述储气库(16)中存储；

压缩空气释能发电操作，控制所述储气库(16)中的空气进入到所述回热器(15)，并与所述蓄热罐(14)输送来的所述蓄热介质进行热交换，经过热交换的空气进入所述透平机(18)，并由所述发电机(19)向所述热电负荷(40)发电；

控制所述回热器(15)产生的富余热量通过所述第一换热器(21)存储到所述土壤蓄热器(20)中；

控制所述地源热泵(39)将所述土壤蓄热器(20)中的热量输送给所述热电负荷(40)。

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