CN113006889B - 一种绝热的近等温压缩空气储能系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绝热的近等温压缩空气储能系统及其运行方法，系统包括蓄热器及电加热装置、再热器、透平膨胀机、第二水泵、水轮机、蓄水池以及相互连通的高压储气空间和低压储气空间，介质从低压储气空间到高压储气空间的管路上设置多罐抽水压缩空气储能装置，高压储气空间依次连通再热器和透平膨胀机，透平膨胀机连通低压储气空间；再热器连通蓄热器及电加热装置；低压储气空间为水气共容空间，低压储气空间、水轮机、蓄水池以及第二水泵依次连通；蓄热器及电加热装置的电能输入端连接风电系统或太阳能发电系统电能输出端；满足可再生能源的消纳需求，结合功率型及能量型的储能系统需求，容量大、响应快，系统无外加热源或消耗燃料。

Description

一种绝热的近等温压缩空气储能系统及其运行方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，具体涉及一种绝热的近等温压缩空气储能系统及其运行方法。

背景技术

目前，一些风、光资源丰富的地区已建成了大规模的光伏、风电、热电等形式的发电系统。可再生能源具有随机性、波动性等特点，为满足电网需求，需要配套建设大规模的储能系统。现阶段，光伏电站和风电场配套使用的储能部分以电化学储能为主。

电化学储能具有两点缺陷：

1、对于某一确定的电化学种类，其充放电倍率一般固定，可调节范围较小。同时，大充放电倍率的电化学储能系统发热情况严重，需要配备大功率的空调对其进行冷却，系统的整体性能很差。

2、对于电化学储能系统的直流侧，无法消纳无功功率，同时会伴随出现直流闭锁等效应。因此，在可再生能源的储能系统中需要引入转动惯量对电能进行储存及利用。

对于引入转动惯量的储能系统，常常需要优先考虑其功率型性能，即：具有快速响应特性，在电网侧功率突然增加时能够快速启动，短时间内（一般小于15秒）达到目标功率；其次需要考虑其能量型性能，即：具有较大的容量，能够长时间稳定运行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种绝热的近等温压缩空气储能系统及其运行方法满足可再生能源的消纳需求，结合功率型及能量型的储能系统需求，容量大、响应快，系统无外加热源或消耗燃料，在释能过程能够同时实现功率型和能量型的需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种绝热的近等温压缩空气储能系统，包括高压储气空间、低压储气空间、蓄热器及电加热装置、再热器、透平膨胀机、多罐抽水压缩空气储能装置、第二水泵、水轮机以及蓄水池；低压储气空间和高压储气空间通过两条管路相互连通，介质从低压储气空间到高压储气空间的管路上设置多罐抽水压缩空气储能装置，高压储气空间依次连通再热器和透平膨胀机，透平膨胀机的出口连通低压储气空间；再热器的加热介质进出口连通蓄热器及电加热装置的出入口；低压储气空间为水气共容空间，低压储气空间、水轮机、蓄水池以及第二水泵依次连通；水轮机连接有水轮机发电机，透平膨胀机连接有膨胀机发电机；蓄热器及电加热装置的电能输入端连接风电系统或太阳能发电系统电能输出端。

高压储气空间出口至再热器空气入口之间设置回热器，回热器的加热介质入口连通透平膨胀机的工质出口，回热器的加热介质出口连通低压储气空间；高压储气空间的空气经回热器加热进入再热器；设置多条回热器、再热器以及透平膨胀机连通的管路并联，设置多套多罐抽水压缩空气储能装置。

多罐抽水压缩空气储能装置包括三个水气共容罐、一台第一水泵及若干阀门和管道；每个水气共容罐底部设有两个水路通道，所述两个水路通道中的一个水路连通第一水泵进口，另一个水路连通第一水泵的出口，水气共容罐底部出水口均设置阀门，第一水泵的进出口均设置阀门；水气共容罐顶部设有两个气体通道，所述两个气体通道中一个与高压储气空间连通，另一个与低压储气空间连通，并且水气共容罐顶部出气口处均设置阀门，通往高压储气空间和低压储气空间管路上均设置阀门。

采用导叶和静叶可调的透平膨胀机。

高压储气空间和低压储气空间均采用地埋管道，同一储气空间的多个地埋管道之间通过总管道连通，总管道连接高压储气空间和低压储气空间外部设备接口；每根地埋管道接总管道头部高于尾部，尾部设有排水管道，排水管道通向其安装基础面；地埋管道包括若干高压储气管道和若干低压储气管道，高压储气管道和低压储气管道间隔布置，高压储气空间的体积小于低压储气空间的体积。

所述高压储气空间和低压储气空间的总管道上均设置阀门，将高压储气管道和低压储气管道分为多组。

采用电加热器及蓄热器，蓄热温度为150℃至350℃。

基于本发明所述近等温压缩空气储能系统的运行方法，向高压储气空间充入空气和向低压储气空间充入水完成储能，在需要补气时再次向高压储气空间和低压储气空间充入空气，气体部分采用闭式循环运行方式；

释能过程分为功率型储能系统运行模式、能量型储能系统运行模式以及综合储能系统运行模式；

功率型储能系统运行模式：高压储气空间内部的气体直接进入低压储气空间膨胀，推动其内部的水进入水轮机做功，选择性地采用一组或多组低压储气空间参与做功。

能量型储能系统运行模式：高压储气空间的气体首先进入回热器中被初步加热，之后进入再热器中被加热，接着进入透平膨胀机做功，做功后的空气经过回热器后回收剩余热量，进入低压储气空间推动水轮机做功；

结合功率型储能系统运行模式与能量型储能系统运行模式实现综合储能系统运行模式。

综合储能系统运行模式具体为：高压储气空间内部的压缩空气直接进入低压储气空间膨胀，低压储气空间中的空气向水施压推动水轮机做功，启动再热器、透平膨胀机及蓄热器，使压缩气体进入透平膨胀机做功，在透平膨胀机启动的过程中，其输出功不断增加，不断调整直接进入低压储气空间的流量，系统处于最高效运行时，停止直接向低压储气空间进气。

第一水气共容罐压缩排气：第一水气共容罐压缩空气至目标压力后进行排气，第一水泵向第一水气共容罐内部充水，罐内气体逐渐被压缩，当气体压力达到设定值时，第一水气共容罐顶部通向高压储气空间的阀门打开，第一水气共容罐内气体储存进高压储气空间；

第二水气共容罐膨胀：在前一个循环结束后，第二水气共容罐中留有未排尽的高压残余气体，残余气体先膨胀降压至低压储气空间内部压力，随后静置待下一个循环开始后进气使用，膨胀过程中，第二水气共容罐内部的水通过第一水泵排进第一水气共容罐，直至膨胀结束后第一水气共容罐和第二水气共容罐内部压力相等，排水停止；

第三水气共容罐排水吸气：低压储气空间中气体进入第三水气共容罐，第三水气共容罐中的水通过第一水泵压入第一水气共容罐中；

三个水气共容罐循环进行压缩排气、膨胀以及排水吸气。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

与传统采用压缩机对气体进行压缩的压缩空气储能系统不同，本发明采用一种多罐抽水压缩空气储能装置对气体进行压缩，压缩过程接近等温/近等温压缩，无显著压缩热产生；由于水泵的稳定工况曲线明显优于气体压缩机，采用水泵作为能量输入设备对气体进行压缩，可以实现系统在更加宽广的工况区内工作，对于消纳风、电等可再生能源的储能系统，弃风、弃电的功率变化范围往往较大，因此，利用水泵对废弃电能进行储存，可以实现更加合理的能量分配与调度，提高储能系统的实际使用率；

仅利用空气透平做功的压缩空气储能系统，透平及空气加热时间较长，系统启动慢，无法实现快响应的应用需求，本系统具有两个释能管路，两个管路分别具有快响应和高效率的特性，可通过仅采用高压储气空间、低压储气空间、连通管路以及水轮机系统实现快响应的功率型储能系统效果；可通过仅采用高压储气空间、低压储气空间、蓄热器及电加热装置、再热器、透平膨胀机及水轮机系统实现大容量的能量型储能系统效果；也可通过两个管路的综合利用，可实现系统的能量型及功率型功能；

利用弃光弃风的电能对蓄热器中的蓄热材料加热，为压缩空气膨胀时提供热源，相比于采用光热方式的集热办法，避免了大范围铺设太阳能集热板，提高了光伏电站场地的综合利用率，也避免了光污染。

进一步的，对于采用地埋管道进行储气的方式，结合间隔排布等方式进行温度控制，地下1至5米的深度即可满足系统的保温需求，不需要埋于更深的地下，提高了系统的可实现性，降低了施工难度；对于气体储存空间的设置，采用高压管道与低压管道实现对气体的大规模储存，避免了开挖大规模地下洞穴、竖井等传统储气结构，适用于高原地区的环境特点；

高压与低压管道间隔排布，可以维持系统在运行过程中较为稳定的环境，保证系统的稳定、可靠运行，本发明采用等温/近等温压缩，膨胀过程中采用回热器对气体余热进行回收，可以认为进出储气空间的气体温度变化不大，只需考虑充、放气过程中储气空间内部的温度变化；储能阶段，低压储气空间放气温度降低，高压储气空间充气温度升高，释能阶段反之。一方面，采用管道相比于洞穴等大体积空间，增加了换热面积，加快了气体与环境的换热，减小了气体的温度变化；另一方面，采用高压管道与低压管道间隔排布，即升温与降温的管道间隔排布，提高了二者和环境的换热效率，进一步地维持了储气空间内部的稳定状态。

本发明所述系统运行时，系统的气体回路采用闭式循环，提高了系统的能量密度，提高系统的能量效率，对于高原地区，大气压远低于标准大气压，若采用开式循环，会导致储能过程中吸气压力过低，设备实际压缩比极大，压缩时间长，压缩性能差。根据热力学第二定律，空气在低压范围做功能力显著低于高压范围，采用闭式循环，抬高整体的气体工作压力，可以提高系统的能量密度；进一步地，减小膨胀比可以时系统在释能过程中需要更少的热量，提高系统的能量效率；

功率型储能系统运行模式的电能输出设备为水轮机，响应快，气体直接进入低压储气空间膨胀效率低，但是能满足功率型储能系统的需求；

能量型储能系统运行模式的电能输出设备增加了透平膨胀机发电机组，配合再热器及回热器，具较高的功率，相应时间慢，但是可满足能量型储能系统的需求；综合储能系统运行模式使得本发明所述系统能作为大容量、快响应的储能系统运行。

进一步的，释能阶段采用弃风弃光的电能对气体进行再热，再热温度为150℃至350℃。对于闭式循环的储能系统，相比于开式循环的能量密度高，释能过程中所需输入的热量低，采用150℃至350℃的再热温度即可满足常规运行范围内的工作要求，结合闭式循环的特点，管路四的膨胀比低于出口为大气的系统，因此对压缩空气再热温度的要求远低于传统的开式释能过程，降低了系统的建设难度，提高了系统的可靠性。

进一步的，采用导叶和静叶可调的透平膨胀机，可进一步提高系统的效率和容量；传统高压储气空间与低压储气空间出口均设置节流环节，以保持透平膨胀机的稳定工况，但是节流会对气体的压力能造成显著损失：降低了高压储气空间的排气压力，同时提高了低压储气空间的充气压力；低压储气空间为恒压空间，进一步地采用进口导叶和静叶可调的透平膨胀机，在释能阶段根据高压储气空间的状态不断改变膨胀比，可以显著提高系统的容量，提高系统的效率。

进一步的，相比于现有抽水压缩空气储能系统及相似的气体压缩装置，本发明多罐抽水压缩空气储能装置采用三罐或更多罐体对气体进行压缩，该罐体结构及其附属管道设计可实现水泵的连续工作，解决了传统单罐或双罐压缩气体装置中存在的余气膨胀过程中水泵无法工作问题，而对于三罐压缩系统的结构，通过对水循环使用实现吸气、压缩和排气，进一步提高了系统的可调控性和功率范围。

附图说明

图1本发明一种可实施的压缩空气储能系统示意图。

图2一种多罐抽水压缩空气储能装置示意图。

图3一种高压储气空间与低压储气空间布置示意图。

图4有回热的管路系统示意图。

图5无回热释能管路系统示意图。

图6本发明图1所示系统五个循环周期内部三罐水位和空气储量变化示意图。

图7本发明图1所示系统五个循环周期内部三罐水和空气流量变化示意图。

附图中：1、第一阀门，2、第二阀门，3、第三阀门，4、第四阀门，5、第五阀门，6、第六阀门，7、第七阀门，8、第八阀门，9、第九阀门，10、第十阀门，11、第十一阀门，12、第十二阀门，13、第十三阀门，14、第十四阀门，15、第十五阀门16、第十六阀门，17、第一水气共容罐；18、第二水气共容罐；19、第三水气共容罐；20、第一水泵；21、高压储气空间；22、低压储气空间；23、蓄热器及电加热装置；24、再热器；25、透平膨胀机；26、回热器；27、多罐抽水压缩空气储能装置；28、第二水泵；29、水轮机及发电机；30、蓄水池；31、第十七阀门，32第十九阀门、33、第二〇阀门，34、第二一阀门，35、第二二阀门36、第二三阀门，37、第二四阀门，38、第二五阀门，39、第二六阀门，40、第二七阀门；42、预压缩机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

1、本系统设计了一种抽水压缩空气储能系统对电能进行储存，该系统具有效率高、近等温压缩等特点。同时，对于大容量、高功率的储能系统，本发明设计了多罐抽水压缩空气系统。

2、针对高原地区的高寒高海拔等特点，采用开式循环会导致常规压缩机入口参数偏离最优工况点，甚至跳出稳定工作区，因此，本发明考虑采用闭式循环系统，分别设置高压和低压储气空间，在保证系统稳定运行的情况下提高了系统的压力等级和系统的储能密度，同时，低压储气空间为水气共容空间，连接水泵与水轮机工作，提高了系统的容量，同时满足了系统的功率型需求。

3、高原大部分地区的地下无大型矿洞或岩洞，且在地表建设大规模高压容器成本较高，考虑采用地埋管道对高压气体进行储存，同时，采用地埋管道的储存方式可以将储气空间分为多组，采用多组分步启动运行可实现系统的快速启动，另外，地下温度较为稳定，有利于维持系统的稳定运行、防止工质温度过低。

4、为了保证系统的输出功率满足电网需求，本发明采用空气膨胀透平进行释能发电，考虑到高原地区环境特点，在储能过程中采用利用一部分电能进行储热，膨胀过程中利用储存的热量对压缩空气进行再热，系统整体不消耗燃料，无外界热源输入。

如图1所示，一种绝热的近等温压缩空气储能系统，包括高压储气空间21、低压储气空间22、蓄热器及电加热装置23、再热器24、透平膨胀机25、多罐抽水压缩空气储能装置27、第二水泵28、水轮机29以及蓄水池30；低压储气空间22和高压储气空间21通过两条管路相互连通，介质从低压储气空间22到高压储气空间21的管路上设置多罐抽水压缩空气储能装置27，高压储气空间21依次连通再热器24和透平膨胀机25，透平膨胀机25的出口连通低压储气空间22；再热器24的加热介质进出口连通蓄热器及电加热装置23的出入口；低压储气空间22为水气共容空间，低压储气空间22、水轮机29、蓄水池30以及水泵28依次连通；水轮机29连接有水轮机发电机，透平膨胀机25连接有膨胀机发电机；蓄热器及电加热装置23的电能输入端连接风电系统或太阳能发电系统电能输出端。

系统包括五组管路及一个辅助循环，分别作具体说明：

管路一：水储能管路，工质是水，所述水储能管路包括依次连通的蓄水池30、第十七阀门31、第二水泵28以及低压储气空间22。

管路二：空气储能管路，工质是压缩空气，所述空气储能管路包括依次连通的低压储气空间22、第十九阀门32、多罐抽水压缩空气储能装置27、第二〇阀门33以及高压储气空间21。

管路三：第一空气释能管路，工质是压缩空气，所述第一空气释能管路包括依次连通的高压储气空间21、第二一阀门34、低压储气空间22。

管路四：第二空气释能管路，工质是压缩空气，所述第二空气释能管路包括高压储气空间21、第二二阀门35、回热器26、再热器24、透平膨胀机25以及低压储气空间22，沿着介质流向高压储气空间21出口连通回热器26、再热器24以及透平膨胀机25，透平膨胀机25的出气口连通回热器26的工质入口，回热器26的工质出口连通低压储气空间22的进气口。

管路五：水释能管路，工质是水，所述水释能管路包括依次连通的低压储气空间22、第二五阀门38、水轮机及发电机29以及蓄水池30。

辅助循环：储热管路，工质为导热介质，所述储热管路包括蓄热器及电加热装置23、再热器24和第二四阀门37，蓄热器及电加热装置23的导热介质出入口连通再热器24的工质进出口，第二四阀门37设置在蓄热器及电加热装置23的导热介质出口。

第一水泵20和第二水泵28均采用电动机驱动。

高压储气空间21和低压储气空间22采用地埋管道作为介质，其尺寸、体积与压力等级视具体的系统参数而定；低压储气空间22为水气共容空间，在储能过程中水经过第二水泵28进入低压储气空间，同时低压储气空间22内部的压缩空气经第十九阀门32排至多罐抽水压缩空气储能装置27，多罐抽水压缩空气储能装置将所述空气压缩后储存进入高压储气空间21，水与空气的体积流量相同，以保证低压储气空间22内部的气体部分压力恒定；多罐抽水压缩空气储能装置27分别与高压储气空间21和低压储气空间22相连，在两储气空间之间可同时设置多组多罐抽水压缩空气储能装置27并联工作；管路三中，高压储气空间21的气体经过第二一阀门34可直接进入低压储气空间膨胀，通过低压储气空间22内的压缩空气将低压储气空间22内的水挤压至管路五中，推动水轮机及发电机29做功发电；管路四中，高压储气室21的气体流出后进入回热器26预热，再进入再热器24加热，加热后的空气进入透平膨胀机25做工，最后进入回热器26回收余热并存入低压储气空间22，同时通过低压储气空间22内的压缩空气将低压储气空间22内的水挤压至管路五中，推动水轮机及发电机29做功发电；蓄热器作为热量采集系统，其内部填充有蓄热材料，在储能阶段利用电加热装置对蓄热材料进行加热，释能阶段利用导热介质对再热器24中的压缩空气进行加热，蓄热材料采用相变材料(如六水氯化钙、三水醋酸钠或有机醇)或非相变蓄热材料(如水或鹅卵石)均可，导热介质可采用水、导热油或熔盐材料。

作为可选的实施例，包括回热器26、再热器24、透平膨胀机25的第二空气释能管路，第二空气释能管路可设置多组并联工作。

参考图2，多罐抽水压缩空气储能装置27包括三个水气共容罐、一台第一水泵20及若干阀门和管道，如图2所示：每个水气共容罐底部设有两个水路通道，所述两个水路通道中的一个水路连通第一水泵20进口，另一个水路连通第一水泵20的出口，水气共容罐底部出水口均设置阀门，第一水泵20的进出口均设置阀门；水气共容罐顶部设有两个气体通道，所述两个气体通道中一个与高压储气空间连通，另一个与低压储气空间连通，并且水气共容罐顶部出气口处均设置阀门，通往高压储气空间21和低压储气空间22管路上均设置阀门。

具体的，多罐抽水压缩空气储能装置27包括第一水气共容罐17、第二水气共容罐18以及第三水气共容罐19；第一水气共容罐17底部的两个水流管道分别设置第一阀门1和第二阀门2，同时两个水流管道分别对应连通第一水泵20的入口和出口，第一水泵20的入口和出口分别对应设置第八阀门8和第七阀门7，第一水气共容罐17顶部的两个气体管道上分别设置第九阀门9和第十阀门10。

第二水气共容罐18底部的两个水流管道分别设置第三阀门3和第四阀门4，同时两个水流管道分别对应连通第一水泵20的出口和入口，第二水气共容罐18顶部的两个气体管道上分别设置第十一阀门11和第十二阀门12。

第三水气共容罐19底部的两个水流管道分别设置第五阀门5和第六阀门6，同时两个水流管道分别对应连通第一水泵20的出口和入口，第三水气共容罐19顶部的两个气体管道上分别设置第十三阀门13和第十四阀门14。

第一水气共容罐17、第二水气共容罐18和第三水气共容罐19顶部两路气流管道中均有一个气流管道相互连通，并且连通高压储气空间21，通向高压储气空间21的管道上设置第十五阀门15；第一水气共容罐17、第二水气共容罐18和第三水气共容罐19顶部的另一路气流管道相互连通，且连通低压储气空间22，通向低压储气空间22的管道上设置第十六阀门16。

参考图3，气体采用地埋管道进行储存，高压储气空间与低压储气空间的管道间隔排布。

同一储气空间的多个地埋管道之间通过一条总管道相连，其它设备与总管道相连。每根地埋管道接总管道一侧略高于尾部，尾部设有排水管道。排水管道通向其安装基础面，用于定期排除罐内的积水。

由于系统特点，高压储气空间21的体积小于低压储气空间22的体积：可以采用大管径的管道作为低压储气空间22，小管径的管道作为高压储气空间21，使两个储气空间所用管道数目相当；也可采用管径相同的管道分别作为高压储气空间21和低压储气空间22，两个储气空间所用管道数目不同；当低压管道数目多于高压管道数目时，采用多根低压储气管道之间布置一根高压储气管道的方式，实现两个储气空间的间隔排布。

如图4所示，作为优选实施例，在高压储气空间21与再热器24的采用回热器26，将透平出口的空气余热进行回收，预热空气；

当然，对于蓄热温度较低或膨胀比较大的情况，也可以不设置回热器26，参考图5，释能阶段，透平膨胀机出口直接与低压储气空间22连通，空气做完功后存入低压储气空间。

作为另一个优选实施例，释能过程中高压储气空间21的压力逐渐降低，低压储气空间22的压力恒定，本发明采用静叶及进口导叶可调的透平膨胀机，在工作过程中不断改变膨胀比，以适应进、出口压力的不断变化。

在释能阶段采用蓄热器及电加热装置23对气体进行再热后膨胀做功，蓄热器温度为150℃至350℃。

全部储气空间埋于地下1米至5米深的浅层，具体深度视当地昼夜温差、全年最低温度等气候条件而定。

对于多罐抽水压缩空气储能系统，本发明中所述装置为三罐结构，类似地，大于三罐的结构均可实现相同或更好的效果，即连续地将电能转化为压缩空气的压力能，避免在排气结束时至吸气开始时罐内气体压力降低引起的水流不稳定和水泵功率消耗不连续。

本发明用电加热系统作为热源对压缩空气进行再热，当然在一些地热、光热资源丰富或天然气、工业余热丰富的地区，也可以选取地热、光热资源或天然气、工业余热对压缩空气进行再热。

具体结构及工作方式：

多罐抽水压缩空气

对于水气共容罐，包括三个过程：压缩排气过程、膨胀过程、排水充气过程。现有文献中涉及采用两个罐体实现液体活塞对气体的压缩过程三个罐体循环进行以上过程，以达到储能阶段的稳定、连续。

以第一水气共容罐17压缩排气、第二水气共容罐18膨胀、第三水气共容罐19排水吸气为例，第七阀门7、第八阀门8、第十五阀门15、第十六阀门16处于常开状态，通过调节第一阀门1至第六阀门6和第九阀门9至第十四阀门14达到储能的功能。

罐体附属阀门控制及工作方式说明如下。

第一水气共容罐17压缩排气：第一阀门1和第十阀门10关闭，打开第二阀门2，压缩阶段关闭第九阀门9，压缩至目标压力后打开第九阀门9进行排气。第一水泵20向第一水气共容罐17内部充水，罐内气体逐渐被压缩，当气体压力达到设定值时，第一水气共容罐17顶部的阀门9打开，第一水气共容罐内气体被储存进21；

第二水气共容罐18膨胀：关闭第三阀门3、第十一阀门11和第十二阀门12，打开第四阀门4，在前一个循环结束后，第二水气共容罐18中留有未排尽的残余气体，残余气体先膨胀降压至低压储气空间22内部的压力，随后静置待下一个循环开始后进气使用。膨胀过程中，第二水气共容罐18内部的水通过第一水泵20被排进第一水气共容罐17，直至膨胀结束后第一水气共容罐17和第二水气共容罐18内部压力相等，排水相停止，关闭阀门4；

第三水气共容罐19排水吸气：第六阀门6和第十四阀门14打开，第五阀门5和第十三阀门13关闭，低压储气空间22中气体进入第三水气共容罐19，第三水气共容罐19中的水通过第一水泵20被压入第一水气共容罐17中。三罐循环进行，五个循环周期内部三罐水位变化示意图6所示。

气体储存部分

本发明采用地埋管道对高压气体和低压气体进行储存，高压储气空间21和低压储气空间22中的管道互相连接，并经过主管道与储能或释能部分连通，具体结构和实施方式如图3所示：

由于本系统为闭式循环，在系统运行前，利用压气机向储气空间内部充气，之后仅在补充漏气时启动压气机，通过高压储气空间与低压储气空间间隔排布的方式，能减少放气空间内部温降和充气空间内部温升的影响，同时也降低各储气空间受外部环境温度变化产生的影响。

释能过程包括两种方式：

1、打开第二〇阀门34，高压储气空间21内部的气体直接进入低压储气空间22膨胀，推动其内部的水进入水轮机做功，电能输出设备为水轮机，响应快，气体直接进入低压储气空间膨胀效率低，但是能满足功率型储能系统的需求。

2、打开第二二阀门35、第二三阀门36、第二四阀门37，高压储气空间21的气体首先进入回热器26中被初步加热，之后进入再热器24中被加热，接着进入透平膨胀机做功，做功后的空气经过回热器26后回收富余热量，储存进入低压储气空间22；电能输出设备增加了透平膨胀机发电机组，配合再热器24及回热器26，具较高的功率，相应时间慢，但是可满足能量型储能系统的需求。

本发明所述系统若仅作为功率型储能系统，可仅采用方式1运行，若仅作为能量型储能系统，可仅采用方式2进行释能。同时，也可将两种方式结合，作为大容量、快响应的储能系统运行，说明如下：

在系统接到释能指令时，打开阀门34，高压储气空间21内部的压缩空气进入低压储气空间22膨胀，低压储气空间22中的空气向水施压推动水轮机29做功，以达到目标功率；同时，打开第二二阀门35、第二三阀门36及第二四阀门37，启动回热器26、再热器24、透平膨胀机25及蓄热器23，使压缩气体经过管路四做功；在透平膨胀机25启动的过程中，其输出功不断增加，不断调整第二一阀门34，使系统的总输出满足功率输出需求，系统处于最高效运行时，第二一阀门34全部关闭。

为了更进一步提高功率型运行方式的响应速度，如图3，将地埋管道分为多组，分别在高压储气空间21和低压储气空间22的总管道上设置第二六阀门39与第二七阀门40。

在功率型储能系统启动的时候，关闭第二六阀门39和第二七阀门40，参与工作的储气空间仅为其中的两列管道，小的储气空间可以提高低压储气空间22内部进气膨胀的影响，从而提高低压储气空间22内部水进入水轮机的速度，进一步缩短响应时间。随着透平膨胀机25逐渐启动，打开第二六阀门39和第二七阀门40，使其余储气管道参与释能过程。

Claims (6)

1.一种绝热的近等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括高压储气空间（21）、低压储气空间（22）、蓄热器及电加热装置（23）、再热器（24）、透平膨胀机（25）、多罐抽水压缩空气储能装置（27）、第二水泵（28）、水轮机（29）以及蓄水池（30）；低压储气空间（22）和高压储气空间（21）通过两条管路相互连通，介质从低压储气空间（22）到高压储气空间（21）的管路上设置多罐抽水压缩空气储能装置（27），高压储气空间（21）依次连通再热器（24）和透平膨胀机（25），透平膨胀机（25）的出口连通低压储气空间（22）；再热器（24）的加热介质进出口连通蓄热器及电加热装置（23）的出入口；低压储气空间（22）为水气共容空间，低压储气空间（22）、水轮机（29）、蓄水池（30）以及第二水泵（28）依次连通；水轮机（29）连接有水轮机发电机，透平膨胀机（25）连接有膨胀机发电机；蓄热器及电加热装置（23）的电能输入端连接风电系统或太阳能发电系统电能输出端；高压储气空间（21）出口至再热器（24）空气入口之间设置回热器（26），回热器（26）的加热介质入口连通透平膨胀机（25）的工质出口，回热器（26）的加热介质出口连通低压储气空间（22）；高压储气空间（21）的空气经回热器（26）加热进入再热器（24）；设置多条回热器（26）、再热器（24）以及透平膨胀机（25）连通的管路并联，设置多套多罐抽水压缩空气储能装置（27）；多罐抽水压缩空气储能装置（27）包括至少三个水气共容罐、一台第一水泵（20）及若干阀门和管道；每个水气共容罐底部设有两个水路通道，所述两个水路通道中的一个水路连通第一水泵（20）进口，另一个水路连通第一水泵（20）的出口，水气共容罐底部出水口均设置阀门，第一水泵（20）的进出口均设置阀门；水气共容罐顶部设有两个气体通道，所述两个气体通道中一个与高压储气空间连通，另一个与低压储气空间连通，并且水气共容罐顶部出气口处均设置阀门，通往高压储气空间（21）和低压储气空间（22）管路上均设置阀门；所述高压储气空间和低压储气空间的总管道上均设置阀门，将高压储气管道和低压储气管道分为多组。

2.根据权利要求1所述的绝热的近等温压缩空气储能系统，其特征在于，采用导叶和静叶可调的透平膨胀机。

3.根据权利要求1所述的绝热的近等温压缩空气储能系统，其特征在于，高压储气空间和低压储气空间均采用地埋管道，同一储气空间的多个地埋管道之间通过总管道连通，总管道连接高压储气空间和低压储气空间外部设备接口；每根地埋管道接总管道头部高于尾部，尾部设有排水管道，排水管道通向其安装基础面；地埋管道包括若干高压储气管道和若干低压储气管道，高压储气管道和低压储气管道间隔布置，高压储气空间（21）的体积小于低压储气空间（22）的体积。

4.根据权利要求1所述的绝热的近等温压缩空气储能系统，其特征在于，蓄热器及电加热装置（23）储存热量对空气进行再热，蓄热系统温度为150℃至350℃。

5.基于权利要求1-4任一项所述近等温压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，向高压储气空间和低压储气空间充入空气完成储能，在需要补气时再次向高压储气空间和低压储气空间充入空气，采用闭式循环运行方式；

释能过程分为功率型储能系统运行模式、能量型储能系统运行模式以及综合储能系统运行模式；

功率型储能系统运行模式：高压储气空间（21）内部的气体直接进入低压储气空间（22）膨胀，推动其内部的水进入水轮机做功，

能量型储能系统运行模式：高压储气空间（21）的气体首先进入回热器（26）中被初步加热，之后进入再热器（24）中被加热，接着进入透平膨胀机做功，做功后的空气经过回热器（26）后回收富余热量，储存进入低压储气空间（22）；

结合功率型储能系统运行模式与能量型储能系统运行模式实现综合储能系统运行模式；第一水气共容罐（17）压缩排气：第一水气共容罐（17）压缩空气至目标压力后进行排气，第一水泵（20）向第一水气共容罐（17）内部充水，罐内气体逐渐被压缩，当气体压力达到设定值时，第一水气共容罐（17）顶部通向高压储气空间（21）的阀门打开，第一水气共容罐内气体储存进高压储气空间（21）；

第二水气共容罐（18）膨胀：在前一个循环结束后，第二水气共容罐（18）中留有未排尽的残余气体，残余气体先膨胀降压至低压储气空间（22），随后静置待下一个循环开始后进气使用，膨胀过程中，第二水气共容罐（18）内部的水通过第一水泵（20）排进第一水气共容罐（17），直至膨胀结束后第一水气共容罐（17）和第二水气共容罐（18）内部压力相等，排水停止；

第三水气共容罐（19）排水吸气：低压储气空间（22）中气体进入第三水气共容罐（19），第三水气共容罐（19）中的水通过第一水泵（20）压入第一水气共容罐（17）中；

三个水气共容罐循环进行压缩排气、膨胀以及排水吸气。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，结合功率型储能系统运行模式具体为：高压储气空间（21）内部的压缩空气进入低压储气空间（22）膨胀，低压储气空间（22）中的空气向水施压推动水轮机（29）做功，启动再热器（24）、透平膨胀机（25）和蓄热器及电加热装置（23），使压缩气体进入透平膨胀机（25）做功，在透平膨胀机（25）启动的过程中，其输出功不断增加，不断调整进入低压储气空间（22）的流量，系统处于最高效运行时，停止向低压储气空间（22）进气。

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