CN112901460A - 一种深度供能的压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深度供能的压缩空气储能系统，该深度供能的压缩空气储能系统主要由多级压缩机和多级透平机组成，在各压缩机出口处均设置有通往储气库的注汽旁路，在各透平机入口处均设置有通往储气库的通气旁路。储能过程中，系统根据储气库压力的变化采用不同级数的压缩机串联增压实现梯级压缩，以降低储能注气压差，减少压缩过程耗功。释能过程中，根据储气库压力的变化选择不同级数的透平机串联透平实现梯级膨胀，以此扩大系统的透平压力运行区间，增加系统释能容量。本方案可在有效增加压缩空气储能系统的储释能容量的同时，提高系统效率。

Description

一种深度供能的压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种深度供能的压缩空气储能系统。
背景技术
大规模储能技术对于能源系统的优化和调节具有重大意义，是解决可再生能源的不稳定性、调整电网峰谷、改善电力系统经济性和稳定性的重要手段。在现有的大规模电力储能技术中，压缩空气储能得到了广泛应用。其主要原理是利用电力系统低谷时段的剩余电力将空气压缩储存在储气库里，在符合高峰时将其释放透平发电，具有容量大、经济性好、环境友好、运行成本低等优势。
目前的压缩空气储能系统大多采用多级串联增压直接注气的储能模式和节流阀稳压透平的释能模式。
然而，在储能阶段，采用串联增压直接注气会增加注气压力和储气库背景压力之间的压差，会造成压力损失；在释能阶段，采用节流阀稳压的方式也会造成储气库大量压力损失，且低于透平压力的部分空气无法参与做功，从而降低了压缩空气储能系统的有效释能容量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深度供能的压缩空气储能系统，其能解决上述问题。
一种深度供能的压缩空气储能系统，系统包括压缩机组、透平机组、储气库、换热装置、蓄热器组、电动机和发电机，所述电动机设置在压缩机组的前端，所述发电机设置在所述透平机组的输出轴端；所述压缩机组包括多级空气压缩机，所述透平机组包括多级空气透平机，所述换热装置包括多级冷却器和多级回热器，蓄热器组包括低温蓄热器和高温蓄热器；多级所述空气压缩机和对应的冷却器之间通过空气管路和开关阀组可控的连通，多级所述冷却器的空气出口通过空气管路和开关阀组可控的与所述储气库的进气端连通，以此形成压缩气路；所述储气库的出气端与各级回热器的进气端连通，各级回热器的出气端与对应的各级空气透平机进气端连通，以此形成膨胀气路；各级冷却器的介质出口通过介质管路与高温蓄热器连通，高温蓄热器的介质出口通过介质管路分级可控的与各级回热器的介质入口连通，以此形成高温介质分级供给流路；各级回热器的介质出口通过介质管路与低温蓄热器连通，低温蓄热器的介质出口通过介质管路与各级冷却器的介质入口连通，以此形成低温介质循环回路。
优选的，各级冷却器内蓄热介质在吸收对应空气压缩机的热能后通过介质管路流入高温蓄热器，并可控的向各级回热器输送高温蓄热介质；各级回热器内换热介质在向对应空气透平机释放热能后通过介质管路流入低温蓄热器，低温蓄热器内的低温换热介质通过介质管路和介质入口流向各级冷却器。
优选的，储气库与各级回热器之间的空气管路上设置节流阀。
优选的，每组所述开关阀组包括压缩控阀和储气控阀，各级冷却器出口处通过压缩控阀和储气控阀并联设置有通往下级空气压缩机的空气管路和通往储气库的空气管路；在各级回热器的介质入口上游设置通往下级回热器的介质旁通管路，并在各介质旁通管路上设置介质旁通阀。
优选的，在各级空气透平机出口处设置通往下级回热器的空气管路。
优选的，空气压缩机具有变频压缩和定频压缩两种工作模式。
优选的，高温介质分级供给流路和低温介质循环回路内的介质采用导热油或水。
优选的，多级空气压缩机与多级空气透平机的级数相同或不同，多级空气压缩机与多级冷却器的级数相同，多级空气透平机与多级回热器的级数相同。
优选的，多级空气压缩机与多级空气透平机的级数均为五级。
相比于常规压缩空气储能系统而言，本发明的有益效果在于：采用这种分级注气、分级透平的运行模式可以极大的增加系统的储、释能容量，从而提高系统的储能密度；而末级变频压缩的运行模型也能极大的避免因注气压差导致的做功能力损失，从而提高整体系统的发电效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种深度供能的压缩空气储能系统原理图。
附图标记：
1、第一级空气压缩机；2、第二级空气压缩机；3、第三级空气压缩机；4、第四级空气压缩机；5、第五级空气压缩机；6、第一级空气透平机；7、第二级空气透平机；8、第三级空气透平机；9、第四级空气透平机；10、第五级空气透平机；11、第一级冷却器；12、第二级冷却器；13、第三级冷却器；14、第四级冷却器；15、第五级冷却器；16、第一级回热器；17、第二级回热器；18、第三级回热器；19、第四级回热器；20、第五级回热器；21、储气库；22、低温蓄热罐；23、高温蓄热罐；24/26/28/30、压缩控阀；25/27/29/31、储气控阀；32～36、节流阀；37～40、介质旁通阀；100、电动机；200、发电机。
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的一部分实施例，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的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。
第一实施例
如图1所示，本发明实施例的一种深度供能的压缩空气储能系统,系统包括：
第一级空气压缩机1、第二级空气压缩机2；第三级空气压缩机3、第四级空气压缩机4、第五级空气压缩机5、第一级空气透平机6、第二级空气透平机7、第三级空气透平机8、第四级空气透平机9、第五级空气透平机10、第一级冷却器11、第二级冷却器12、第三级冷却器13、第四级冷却器14、第五级冷却器15、第一级回热器16、第二级回热器17、第三级回热器18、第四级回热器19、第五级回热器20、储气库21、低温蓄热罐22、高温蓄热罐23、压缩控阀24/26/28/30、储气控阀25/27/29/31、节流阀32～36、介质旁通阀37～40、电动机100、发电机B。
第二实施例
本发明方法针对图示的一种深度供能的压缩空气储能系统,系统包括：第一级空气压缩机1、第二级空气压缩机2；第三级空气压缩机3、第四级空气压缩机4、第五级空气压缩机5、第一级空气透平机6、第二级空气透平机7、第三级空气透平机8、第四级空气透平机9、第五级空气透平机10、第一级冷却器11、第二级冷却器12、第三级冷却器13、第四级冷却器14、第五级冷却器15、第一级回热器16、第二级回热器17、第三级回热器18、第四级回热器19、第五级回热器20、储气库21、低温蓄热罐22、高温蓄热罐23、压缩控阀24/26/28/30、储气控阀25/27/29/31、节流阀32～36、介质旁通阀37～40、电动机100、发电机B。
一种深度供能压缩空气储能系统的分级储能方法，方法通过系统的电动机100驱动多级压缩机，通过透平机组驱动发电机B；其特征在于：方法通过系统的控制器调节各级开关阀组的开闭状态控制压缩气路，控制器调节高温蓄热器23下游的介质旁通阀提供不同等级的高温介质分级供给流路；在储能时，根据储气库21的压力变化，选择开关阀组的开闭实现不同级数的压缩机串联增压；在释能时，根据储气库21的储气压力变化，选择不同节流阀和介质旁通阀的开闭实现不同级数的透平机串联透平。
储能时，与储气库21连接的空气压缩机采用变频压缩模式，其余空气压缩机采用定频压缩模式。
多级空气压缩机与多级空气透平机的级数相同或不同，多级空气压缩机与多级冷却器的级数相同，多级空气透平机与多级回热器的级数相同。
多级空气压缩机与多级空气透平机的级数均为五级。
储气方法，假设第一级空气压缩机1的出口压力为P1，第二级空气压缩机2的出口压力为P2，第三级空气压缩机3的出口压力为P3，第四级空气压缩机4的出口压力为P4，第五级空气压缩机5的出口压力为P5。储气时，储气库21的初始压力为P0。在每级空气压缩机出口处均增加一条通往储气库21的注气旁路，注气旁路上设置储气控阀25/27/29/31。显然在串联压缩模型下，各级空气压缩机的出口压力满足P1>P2>P3>P4>P5，假设储气库21的初始压力P0低于第一级空气压缩机1的出口压力P1。在储能时的步骤如下：
S01：首先启动第一级空气压缩机1并采用变频压缩模式，关闭一级压缩控阀24，打开一级储气控阀25，从一级空气压缩机1出口并经过一级冷却器11回收压缩热后空气，通过注气旁路注入储气库21。如此，直到储气库21内的空气压力由P0增加到P1。
S02：启动第一、二级空气压缩机，第一级空气压缩机1采用定频压缩模式，第二级空气压缩机2采用变频压缩模式。关闭一级储气控阀25和二级压缩控阀26，打开一级压缩控阀24和二级储气控阀27，从二级空气压缩机12的出口并经过二级冷却器回收压缩热后空气，通过注气旁路注入储气库21。如此，直到储气库内的空气压力由P1增加到P2。
S03：启动第一、二、三级空气压缩机，第一、二级空气压缩机采用定频压缩模式，第三级空气压缩机3采用变频压缩模式。关闭前二级储气控阀25、27和三级压缩控阀28，打开前二级压缩控阀24、26和三级储气控阀29，从三级压缩机13出口并经过三级冷却器回收压缩热后空气，通过注气旁路注入储气库21。如此，直到储气库内的空气压力由P2增加到P3。
S04：启动第一、二、三、四级空气压缩机，第一、二、三级空气压缩机采用定频压缩模式，第四级空气压缩机4采用变频压缩模式。关闭前三级储气控阀25、27、29和四级压缩控阀30，打开前三级压缩控阀24、26、28和四级储气控阀31，从四级压缩机14出口并经过四级冷却器回收压缩热后空气，通过注气旁路注入储气库21。如此，直到储气库内的空气压力由P3增加到P4。
S05：启动第一、二、三、四、五级空气压缩机，第一、二、三、四级空气压缩机采用定频压缩模式，第五级空气压缩机5采用变频压缩模式。关闭全部四级储气控阀25、27、29、31，打开全部四级压缩控阀24、26、28、30，从五级压缩机5出口并经过五级冷却器15回收压缩热后空气，通过注气旁路注入储气库21。如此，直到储气库内的空气压力由P4增加到P5。
在储能过程中，从低温蓄热罐22出口的低温蓄热介质利用各级冷却器吸收各级压缩机出口空气的高温热能后温度升高，从各级冷却器出口的高温蓄热介质储存于高温蓄热罐23，通过分级梯次注气可降低压缩过程中的耗功。
释能方法：假设释能初始时储气库压力为Pt_max。第五级空气透平机10的进口压力为Pt5；第四级空气透平机9的进口压力为Pt4；第三级空气透平机8的进口压力为Pt3；第二级空气透平机7的进口压力为Pt2；第一级空气透平机6的进口压力为Pt1。在串联透平模式下，各级透平机的进口压力满足Pt5>Pt4>Pt3>Pt2>Pt1，在释能时，采用以下步骤：
S06：打开一级节流阀32，关闭后四级节流阀33～36，打开全部四级介质旁通阀37～40，将储气库21内高压空气节流至Pt5后，依次通过五级透平机做功。如此，直到储气库21内的空气压力由Pt_max降低到Pt5。其间，从高温蓄热罐23出口的高温蓄热介质，通过全部五级回热器16～20加热各级透平机进口空气温度，各级回热器出口的低温蓄热介质回到低温蓄热罐22。
S07：打开二级节流阀33、关闭其它节流阀32、34、35、36，打开前三级介质旁通阀38～40，关闭四级介质旁通阀37，将储气库21内空气节流至Pt4后，依次通过四级透平机做功。如此，直到储气库21内的空气压力由Pt5降低到Pt4。其间，从高温蓄热罐23出口的高温蓄热介质，通过四级回热器加热各级透平机进口空气温度，各级回热器出口的低温蓄热介质回到低温蓄热罐22。
S08：打开三级节流阀34，关闭其它节流阀32、33、35、36，打开前二级介质旁通阀39～40，关闭后两级介质旁通阀37～38，将储气库21内低压空气节流至Pt3后，通过三级透平机做功。如此，直到储气库21内的空气压力由Pt4降低到Pt3。其间，从高温蓄热罐23出口的高温蓄热介质，通过三级回热器加热各级透平机进口空气温度，各级回热器出口的低温蓄热介质回到低温蓄热罐22。
S09：打开四级节流阀35，关闭其它节流阀32、33、34、36，打开一级介质旁通阀40，关闭其它介质旁通阀37～39，将储气库21内低压空气节流至Pt2后，通过两级透平机做功。如此，直到储气库21内的空气压力由Pt3降低到Pt2。其间，从高温蓄热罐23出口的高温蓄热介质，通过两级回热器加热各级透平机进口空气温度，各级回热器出口的低温蓄热介质回到低温蓄热罐22。
S10：打开五级节流阀36，关闭其它节流阀32、33、34、35，关闭全部介质旁通阀37～40，将储气库21内低压空气节流至Pt1后，通过第一级空气透平机6做功。如此，直到储气库21内的空气压力由Pt2降低到Pt1。其间，从高温蓄热罐23出口的高温蓄热介质，通过第一级回热器16加热各级透平机进口空气温度，各级回热器出口的低温蓄热介质回到低温蓄热罐22。
通过梯次储能、释能可有效扩大压缩空气储能系统的储能容量，增加储能密度，采用各级压缩机末端变频压缩策略能有效降低压缩过程中注气压差，降低能量损耗，提供系统效率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
第三实施例
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行前述方法的步骤。其中，所述方法请参见前述部分的详细介绍，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：系统包括压缩机组、透平机组、储气库(21)、换热装置、蓄热器组、电动机(100)和发电机(B)，
所述电动机(100)设置在压缩机组的前端，所述发电机(B)设置在所述透平机组的输出轴端；
所述压缩机组包括多级空气压缩机(1、2、3、4、5)，所述透平机组包括多级空气透平机(6、7、8、9、10)，所述换热装置包括多级冷却器(11、12、13、14、15)和多级回热器(16、17、18、19、20)，蓄热器组包括低温蓄热器(22)和高温蓄热器(23)；
多级所述空气压缩机和对应的冷却器之间通过空气管路和开关阀组可控的连通，多级所述冷却器的空气出口通过空气管路和开关阀组可控的与所述储气库(21)的进气端连通，以此形成压缩气路；
所述储气库(21)的出气端与各级回热器的进气端连通，各级回热器的出气端与对应的各级空气透平机进气端连通，以此形成膨胀气路；
各级冷却器的介质出口通过介质管路与高温蓄热器(23)连通，高温蓄热器(23)的介质出口通过介质管路分级可控的与各级回热器的介质入口连通，以此形成高温介质分级供给流路；
各级回热器的介质出口通过介质管路与低温蓄热器(22)连通，低温蓄热器(22)的介质出口通过介质管路与各级冷却器的介质入口连通，以此形成低温介质循环回路。
2.根据权利要求1所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：储气库(21)与各级回热器之间的空气管路上设置节流阀(32、33、34、35、36)。
3.根据权利要求2所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：每组所述开关阀组包括压缩控阀和储气控阀，各级冷却器出口处通过压缩控阀和储气控阀并联设置有通往下级空气压缩机的空气管路和通往储气库(21)的空气管路；在各级回热器的介质入口上游设置通往下级回热器的介质旁通管路，并在各介质旁通管路上设置介质旁通阀。
4.根据权利要求3所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：除末级的空气透平机(7、8、9、10)出口处设置通往对应回热器(16、17、18、19)的空气管路。
5.根据权利要求3所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：空气压缩机具有变频压缩和定频压缩两种工作模式。
6.根据权利要求1所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：高温介质分级供给流路和低温介质循环回路内的介质采用导热油或水。
7.根据权利要求1所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：多级空气压缩机与多级空气透平机的级数相同或不同，多级空气压缩机与多级冷却器的级数相同，多级空气透平机与多级回热器的级数相同。
8.根据权利要求7所述的深度供能的压缩空气储能系统，其特征在于：多级空气压缩机与多级空气透平机的级数均为五级。
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