CN112983783A - 应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法 - Google Patents

应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法 Download PDF

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张子玉
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Abstract

本申请涉及一种应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法，储能子系统包括：储气室；控制阀，连接于所述储气室；第一压气设备，连接于所述控制阀，在所述控制阀导通时向所述储气室输出压缩空气；第二压气设备，输入端连接于所述控制阀，输出端连接于所述储气室。上述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法通过第一压气设备和第二压气设备串联，在第一压气设备输出的气压达到预设条件时，启动第二压气设备对第一压气设备输出的压缩气体进一步压缩，将储能过程根据不同的压力登记划分的按级压缩，保证每级压缩单元在系统的变工况状态下的储能过程中的平均效率最大，提高系统整体的压缩效率。

Description

应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法
技术领域
本公开涉及压缩空气储能设备领域，尤其是一种应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
压缩空气储能技术是机械储能技术的一种，由燃气轮机发电技术演变而来，最早是在1949年由德国人Sral Laval所提出，利用地下洞穴存储高压空气。起初压缩空气储能系统的开发是用于存储用电低谷时电网的过剩电量，并将其用之于每天的用电高峰时刻，由于CAES系统的快速启停能力，能够在峰谷电价机制下套利。随着世界可再生能源的高速发展，目前，调节以风电、光电为主的不稳定电源发电量对电网的冲击，提高其并网率，成为了当今压缩空气储能系统一个更为重要的目标与应用场景。
压缩空气储能可以是基于燃气轮机技术的储能系统，也可以是不包含燃气轮机技术的储能系统，例如可以是纯空气透平，用于在电力负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电力负荷高峰期释放压缩空气推动燃气轮机发电的储能方式。由于储能过程中储气室的压力是不断提高的，系统始终处在变工况状态，不分级运行的多级串联压缩结构在变工况运行的过程中，各级压气机不可能始终工作在各自的最佳压比下，导致压气机的工作效率较低。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法，以提高压缩空气的效率。
一种应用于压缩空气储能系统的储能子系统，包括：
储气室，用于存储压缩空气；
控制阀，连接于所述储气室；
第一压气设备，连接于所述控制阀，在所述控制阀导通时向所述储气室输出压缩空气；
第二压气设备，输入端连接于所述控制阀，输出端连接于所述储气室，在所述控制阀导通时，将所述第一压气设备输出的压缩空气压缩后，向所述储气室输出压缩空气。
优选地，所述控制阀包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述第一压气设备的输出端，第一输出端连接于所述储气室，第二输出端连接于所述第二压气设备的输入端。
优选地，所述控制阀包括第一开关阀和第二开关阀，所述第一压气设备的输出端经所述第一开关阀连接于所述储气室，并且经第二开关阀连接于所述第二压气设备的输入端。
优选地，还包括第一换热器和储热机构，所述第一换热器设于所述第一压气设备和所述控制阀之间，用于吸收所述第一压气机排出的气体的热量；所述储热机构连接于所述第一换热器，用于存储所述第一换热器吸收的热量。
优选地，所述储热机构包括热罐和冷罐，所述第一压气设备通过所述第一换热器连接于所述控制阀，所述热罐和冷罐连接于所述第一换热器，使得所述冷罐内的空气经所述第一换热器吸热后，进入所述热罐存储。
优选地，还包括第二换热器，所述第二换热器设于所述第二压气设备和所述储气室之间，所述第二压气设备通过所述第二换热器连接于所述储气室，所述热罐和冷罐还连接于所述第二换热器，使得所述冷罐内的空气经所述第二换热器吸热后，进入所述热罐存储。
优选地，还包括第三开关阀和第四开关阀，所述冷罐通过所述第三开关阀与所述第二换热器连接，所述第二换热器通过所述第四开关阀连接于所述热罐。
优选地，所述第一压气设备包括第一电动机和第一压气机，所述第一电动机与所述第一压气机连接，用于驱动所述第一压气机压缩空气；所述第二压气设备包括第二电动机和第二压气机，所述第二电动机连接所述第二压气机，用于驱动所述第二压气机压缩空气。
一种应用于压缩空气储能系统的运行方法，包括以下步骤：
第一压气设备对空气进行压缩，并将压缩后的空气存储于储气室；
检测所述第一压气设备输出的压缩空气的压力；
在所述第一压气设备输出的压缩空气的压力值超过预设值时，启动控制阀，使得所述第一压气设备输出的压缩空气经第二压气设备压缩后存储于储气室。
优选地，在所述第一压气设备将压缩后的空气存储于储气室时，还包括：
储热介质从冷罐输出后，经第一换热器吸取所述第一压气设备输出的压缩空气的热量后，存储于热罐；
以及，在所述第二压气设备将压缩后的空气存储于储气室时，还包括：储热介质从冷罐输出后，经第二换热器吸取所述第二压气设备输出的压缩空气的热量后，存储于热罐。
相较于现有技术，上述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法通过第一压气设备和第二压气设备串联，在第一压气设备输出的气压达到预设条件时，启动第二压气设备对第一压气设备输出的压缩气体进一步压缩，将储能过程根据不同的压力登记划分的按级压缩，保证每级压缩单元在系统的变工况状态下的储能过程中的平均效率最大，从而提高系统整体的压缩效率、减少功耗，节省储能成本以增加机组的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是应用于压缩空气储能系统的储能子系统的结构示意图。
图2是应用于压缩空气储能系统的运行方法的流程图。
图3是本公开储能子系统的第一压气设备和第二压气设备的效率图。
图4是本公开储能子系统的第一压气设备和第二压气设备的耗电功率图。
主要元件符号说明
Figure BDA0002999386870000031
Figure BDA0002999386870000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，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方式，都属于本公开保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。
在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
图1是应用于压缩空气储能系统的储能子系统的结构示意图。如图1所示，应用于压缩空气储能系统的储能子系统包括第一压气设备10、第二压气设备20、控制阀40和储气室30，以及换热子系统50。
储气室30用于存储压缩空气。本实施方式中，储气室30可以是报废矿井、山洞、过期油气井或新建储气井，将压缩后的空气输入储气室30内进行储存。
控制阀40连接于所述储气室30，用于控制气流流向。在一些实施方式中，所述控制阀40包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述第一压气设备10的输出端，第一输出端连接于所述储气室30，第二输出端连接于所述第二压气设备20的输入端，使得从第一压气设备10输入的压缩空气可以经控制阀40的第一输出端直接输出至储气室30进行存储。在切换换向阀的连通状态后，第一压气设备10输入的压缩空气经控制阀40的第二输出端输出至第二压气设备20。在另外一些实施方式中，所述控制阀40包括第一开关阀41和第二开关阀42。所述第一压气设备10的输出端经所述第一开关阀41连接于所述储气室30，并且经第二开关阀42连接于所述第二压气设备20的输入端。这样，可以通过第一开关阀41控制第一压气设备10与储气罐之间的导通或者关闭，通过第二开关阀42控制第一压气设备10和第二压气设备20之间的导通或者关闭。
第一压气设备10连接于所述控制阀40，用于对空气进行压缩储能，在所述控制阀40导通时向所述储气室30输出压缩空气。本实施方式中，所述第一压气设备10包括第一电动机11和第一压气机12，所述第一电动机11与所述第一压气机12连接，用于驱动所述第一压气机12压缩空气。第二压气设备20的输入端连接于所述控制阀40，输出端连接于所述储气室30，在所述控制阀40导通时，将所述第一压气设备10输出的压缩空气压缩后，向所述储气室30输出压缩空气。所述第二压气设备20包括第二电动机21和第二压气机22，所述第二电动机21连接所述第二压气机22，用于驱动所述第二压气机22压缩空气。第一压气机12和第二压气机22均为压气机，压气机是压缩空气储能系统储能过程中的关键压缩设备，其性能特性对储能过程的耗功情况和系统效率有着重要影响。压气机在压缩的初始时刻运行点偏离设计工况点最远，效率较为低下。在储能的过程中逐渐向设计工况靠拢，系统只在储能终了时刻达到设计工况点，也即储能子系统的最高效率。
所述换热子系统50包括第一换热器53、第二换热器54、热罐52和冷罐51，用于存储压缩空气的热量。所述第一换热器53设于所述第一压气设备10和所述控制阀40之间，所述第一压气设备10通过所述第一换热器53连接于所述控制阀40。所述热罐52和冷罐51连接于所述第一换热器53，使得所述冷罐51内的空气经所述第一换热器53吸热后，进入所述热罐52存储。
所述第二换热器54设于所述第二压气设备20和所述储气室30之间，所述第二压气设备20通过所述第二换热器54连接于所述储气室30，所述热罐52和冷罐51还连接于所述第二换热器54，使得所述冷罐51内的空气经所述第二换热器54吸热后，进入所述热罐52存储。所述换热子系统50还包括第三开关阀541和第四开关阀542。所述冷罐51通过所述第三开关阀541与所述第二换热器54连接。所述第二换热器54通过所述第四开关阀542连接于所述热罐52。这样，在第二压气设备20工作的情况下，冷罐51中的空气经第三开关阀541进入第二换热器54吸热后，经第四开关阀542进入热罐52中存储。
图1示出的储能子系统采用二级压缩结构，但本领域技术人员理解，储能子系统可以包含二级压缩结构，即包含串联的第一压气设备10和第二压气设备20，第一压气设备10排出的压缩空气进入第二压气设备20进行进一步压缩，但储能子系统还可以包含更多的压气设备(例如第三压气设备、第四压气设备等等)，压气设备之间首尾串联，即第二压气设备20排出的压缩空气进入第三压气设备进一步压缩，第三压气设备排出的压缩空气进入第四压气设备进一步压缩，以此类推。本领域技术人员可以根据实际需要设置串联的压气设备的数量，可以是4个、5个或者6个等多个串联的压气设备。
以下详细描述利用上述储能子系统实现的应用于压缩空气储能系统的运行方法。该运行方法包括步骤S201～S203。
步骤S201：第一压气设备10对空气进行压缩，并将压缩后的空气存储于储气室30。本步骤中，储热介质从冷罐51输出后，经第一换热器53吸取所述第一压气设备10输出的压缩空气的热量后，存储于热罐52。在储能的初始阶段，由于储气室30内压力较低(即第一压气机12被压较低)，压缩空气所需的能耗偏低，此时由第一压气设备10(一级压缩机)来实现压缩过程就能够满足。
步骤S202：检测所述第一压气设备10输出的压缩空气的压力。
步骤S203：在所述第一压气设备10输出的压缩空气的压力值超过预设值时，启动控制阀40，使得所述第一压气设备10输出的压缩空气经第二压气设备20压缩后存储于储气室30。在所述第二压气设备20将压缩后的空气存储于储气室30时，还包括：储热介质从冷罐51输出后，经第二换热器54吸取所述第二压气设备20输出的压缩空气的热量后，存储于热罐52。
本步骤中，随着压缩过程的进行储气室30压力逐渐升高压气机耗功也随之增大，当第一压气机12背压升高至一定程度后，逐渐增大的耗功以及不断降低的效率导致继续使用一级压缩就不在合适。一方面，由于第一压气机12的入口空气的压强抱持不变，但是出口空气的压强持续升高，导致出口和入口之前的压比过高，导致第一压气机12运行工况过分偏离设计工况运行，造成效率降低，导致经济性变差；另一方面，第一压气机12背压的过分升高可能导致空气倒灌入第一压气机12内，产生喘振工况导致安全隐患。此时，启动第二压气设备20以增加串联压气机的级数为两级，通过两级同时做功继续将空气压缩至更高的压力值。第一压气设备10和第二压气设备20两级串联压缩能够让每一级压气机都在自己合适的压比下工作，这样的运行策略不仅让系统的安全行得到了保障，更能够有效提高系统效率，以最小耗电量完成储能过程，提高机组经济性。
本领域技术人员理解，所述的预设值(前后两个压缩阶段的压力切换点)可以根据机组容量、压气机的效率曲线、设计参数以及机组实际情况进行优化计算获得，取值以总功耗最小为目标。
在本公开涉及的两级压缩的系统中，储能子系统的运行策略各级压气机的效率与耗功率如图3、图4所示。由于第二压气机22落后运行，其耗电功率与效率曲线均落后于第一压气机12。在压缩过程的初始阶段，第一压气机12的进气口和出气口的压力相近，压比较低，因此效率在短时间里保持在较低的水平不变，但过低的效率以及不断增大的背压使第一压气机12的耗功率急剧上升。
在储气室30的压力(压比)上升至一定水平后，第一压气机12效率开始随着其效率曲线的趋势快速升高，虽然背压也不断升高使得压气机出力增大，但提高的效率让耗功率的增长趋势稍缓，而当第一压气机12压比过大(超过设计压比)压气机的效率又随之逐渐有所回落，其耗功率的增长趋势也复又变陡。当第二压气机22开启，其入口处的吸入作用使得两级间的压力有所下降并趋于稳定，第一压气机12的压比不再发生变化，也即效率不变，由于第二级压气机的分担，第一压气机12的出力有所减少，因此耗功率在发生阶跃性降低后保持不变。随着第一压气机12和第二压气机22之间的压力不变而背压升高，第二级压气机的压比逐渐增大，在起初较低的阶段其效率保持在较低值恒定，其耗功率的增长较快，在压比增大后其效率还是升高，在储能结束时达到设计值(最大效率)，这一过程中由于效率的增大其耗功率的增长趋势有所减缓，从而可以提高第一压气机12和第二压气机22的工作效率，降低第一压气机12和第二压气机22的总耗电量。
压气机是压缩空气储能系统储能过程中的关键压缩设备，其性能特性对储能过程的耗功情况和系统效率有着重要影响。上述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统和运行方法通过第一压气设备10和第二压气设备20串联，在第一压气设备10输出的气压达到预设条件时，启动第二压气设备20对第一压气设备10输出的压缩气体进一步压缩，将储能过程划分为按级压缩，保证每级压缩单元在系统的变工况状态下都能够达到最大效率，提高系统整体的压缩效率、减少功耗，节省储能成本以增加机组的经济性。
而且，在储能子系统中增设热罐52来回收空气压缩过程中的压缩热以备他用，并以并联结构链接每级换热器，通过不同的阀门来控制储热工质的流向，提高了能源的利用效率。
在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，包括：
储气室，用于存储压缩空气；
控制阀，连接于所述储气室；
第一压气设备，连接于所述控制阀，在所述控制阀导通时向所述储气室输出压缩空气；
第二压气设备，输入端连接于所述控制阀，输出端连接于所述储气室，在所述控制阀导通时，将所述第一压气设备输出的压缩空气压缩后，向所述储气室输出压缩空气。
2.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，所述控制阀包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述第一压气设备的输出端，第一输出端连接于所述储气室，第二输出端连接于所述第二压气设备的输入端。
3.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，所述控制阀包括第一开关阀和第二开关阀，所述第一压气设备的输出端经所述第一开关阀连接于所述储气室，并且经第二开关阀连接于所述第二压气设备的输入端。
4.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，还包括第一换热器和储热机构，所述第一换热器设于所述第一压气设备和所述控制阀之间，用于吸收所述第一压气机排出的气体的热量；所述储热机构连接于所述第一换热器，用于存储所述第一换热器吸收的热量。
5.如权利要求4所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，所述储热机构包括热罐和冷罐，所述第一压气设备通过所述第一换热器连接于所述控制阀，所述热罐和冷罐连接于所述第一换热器，使得所述冷罐内的空气经所述第一换热器吸热后，进入所述热罐存储。
6.如权利要求5所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器设于所述第二压气设备和所述储气室之间，所述第二压气设备通过所述第二换热器连接于所述储气室，所述热罐和冷罐还连接于所述第二换热器，使得所述冷罐内的空气经所述第二换热器吸热后，进入所述热罐存储。
7.如权利要求6所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，还包括第三开关阀和第四开关阀，所述冷罐通过所述第三开关阀与所述第二换热器连接，所述第二换热器通过所述第四开关阀连接于所述热罐。
8.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的储能子系统，其特征在于，所述第一压气设备包括第一电动机和第一压气机，所述第一电动机与所述第一压气机连接，用于驱动所述第一压气机压缩空气；所述第二压气设备包括第二电动机和第二压气机，所述第二电动机连接所述第二压气机，用于驱动所述第二压气机压缩空气。
9.一种应用于压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一压气设备对空气进行压缩，并将压缩后的空气存储于储气室；
检测所述第一压气设备输出的压缩空气的压力；
在所述第一压气设备输出的压缩空气的压力值超过预设值时，启动控制阀，使得所述第一压气设备输出的压缩空气经第二压气设备压缩后存储于储气室。
10.如权利要求9所述的应用于压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，在所述第一压气设备将压缩后的空气存储于储气室时，还包括：
储热介质从冷罐输出后，经第一换热器吸取所述第一压气设备输出的压缩空气的热量后，存储于热罐；
以及，在所述第二压气设备将压缩后的空气存储于储气室时，还包括：储热介质从冷罐输出后，经第二换热器吸取所述第二压气设备输出的压缩空气的热量后，存储于热罐。
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CN113753992A (zh) * 2021-09-07 2021-12-07 武伟 高效率的真空升华蒸发冷热能分离系统和分离方法及其应用
CN115199514A (zh) * 2022-07-13 2022-10-18 中能安然(北京)工程技术股份有限公司 一种光伏发电与超临界二氧化碳储能耦合的热电联产系统

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