CN113062849A - 组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法，它包括填充蓄热装置、共用回路、储气罐、辅助回路和做功回路，通过填充蓄热装置与共用回路串联，辅助回路与共用回路并联，储气罐和做功回路与共用回路中的换热器连接，做功回路中连接有压缩机和膨胀机，储能和释能皆采用共用回路，通过释能过程中辅助回路对共用回路进行加温。本发明克服了原系统中蓄热和释热回路各自独立，占用空间大，释能过程做功温度达不到要求降低转化效率和影响系统稳定的问题。具有结构简单，系统中各设备和回路整合紧凑，占用空间小，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路对共用回路进行加温，提高系统转化效率和提高系统稳定性的特点。

Description

组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法。
背景技术
压缩空气储能技术目前可以分为补燃式和非补燃式两类，专利CN105370408A虽然提出了紧凑型蓄热系统，但蓄热子系统的蓄热范围较低，采用水作为传热介质和蓄热介质，虽然可以降低出投资成本，但是因为考虑的蓄热温度和释热温度不高，在释能过程中传递给进入透平的空气的热量较低，热电转化的整体效率有待提高。专利CN105370408采用高温蓄热子系统，能够在释能过程中使进入透平的空气提高到更高的温度，从而提高系统的热电转化效率。但是上述技术方案中，蓄热和释热采用两套设备和两套管路，使得整个系统占用空间大；其次，在储能过程中，如果储能温度达不到设定值造成做功转化效率低，系统不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法，结构简单，采用填充蓄热装置与共用回路串联，辅助回路与共用回路并联，储气罐和做功回路与共用回路中的换热器连接，做功回路中连接有压缩机和膨胀机，储能和释能皆采用共用回路，释能过程中辅助回路对共用回路进行加温，系统中各设备和回路整合紧凑，占用空间小，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路对共用回路进行加温，提高系统转化效率和提高系统稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，它包括填充蓄热装置、共用回路、储气罐、辅助回路和做功回路；所述填充蓄热装置与共用回路串联，辅助回路与共用回路并联，储气罐和做功回路与共用回路中的换热器连接，做功回路中连接有压缩机和膨胀机；储能和释能皆采用共用回路，释能过程中辅助回路对共用回路进行加温。
所述填充蓄热装置包括与填充床连接的储液罐，填充床的进液端和储液罐的排液端与共用回路连接。
所述共用回路的共用管路上串联有换热器和屏蔽泵。
所述储气罐连接的气管与换热器连接，进气和排气时共用气管。
所述辅助回路包括与加热管路串联的加热器，以及与加热管路连接的分支管路，加热管路两端分别与储液罐和共用回路连接，分支管路与共用回路连接。
所述做功回路的做功管路上连接有三通换向阀，做功管路两端分别与压缩机和换热器连接，膨胀机与三通换向阀连接。
所述填充蓄热装置的填充床的进液端设置稳压系统与其连接。
所述共用回路的共用管路中连接有膨胀槽。
所述填充蓄热装置的填充床及换热器、储气罐、压缩机和膨胀机的数量为多个。
如上所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统的储能和释能方法，它包括如下步骤：
S1，储能，压缩机和屏蔽泵启动，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐中；
S1-1，压缩机排出的高温高压空气进入换热器，换热器吸收热量后与共用回路中的低温液态传热介质进行热量转换；
S1-2，储液罐内的液态传热介质进入共用回路中，屏蔽泵驱动共用回路中的液态传热介质不断循环，液态传热介质不断吸收换热器的热量；与此同时，高温高压空气降温后形成低温高压空气进入储气罐内储存；
S1-3，当储液罐内的液态传热介质达到设定温度值或储气罐内的低温高压空气达到设定值时，储能过程结束，屏蔽泵关闭；
S2，释能，屏蔽泵再次启动，将储气罐内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机做功；
S2-1，储气罐内的低温高压空气进入换热器，换热器吸收热量后与共用回路中的低温高压空气进行热量转换；
S2-2，储液罐内的液态传热介质进入共用回路中，屏蔽泵驱动共用回路中的液态传热介质不断循环，换热器不断吸收液态传热介质的热量；与此同时，低温高压空气吸热后形成高温高压空气驱动膨胀机做功；
S2-3，当储气罐内低温高压空气释放达到设定值或者储液罐内的液态传热介质温度达到设定值时，释能过程结束；
S3，辅助加热，在S2中，当共用回路中的液态传热介质释放的温度不能满足膨胀机额定做功温度要求时，加热器启动，对共用回路中的液态传热介质进行加温；
在S1中，膨胀机处于关闭状态，储能结束后，储气罐的气管关闭；
在S2中，压缩机处于关闭状态，储气罐的气管再次打开；
在S3中，液态传热介质不经过填充床。
一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统及方法，它包括填充蓄热装置、共用回路、储气罐、辅助回路和做功回路，通过填充蓄热装置与共用回路串联，辅助回路与共用回路并联，储气罐和做功回路与共用回路中的换热器连接，做功回路中连接有压缩机和膨胀机，储能和释能皆采用共用回路，通过释能过程中辅助回路对共用回路进行加温。本发明克服了原系统中蓄热和释热回路各自独立，占用空间大，释能过程做功温度达不到要求降低转化效率和影响系统稳定的问题。具有结构简单，系统中各设备和回路整合紧凑，占用空间小，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路对共用回路进行加温，提高系统转化效率和提高系统稳定性的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明填充蓄热装置的结构示意图。
图3为本发明共用回路与填充蓄热装置和储气罐连接的结构示意图。
图4为本发明辅助回路的结构示意图。
图5为本发明做功回路和储气罐与换热器连接的结构示意图。
图6为本发明的另一种结构示意图。
图7为本发明的另一种结构示意图。
图中：填充蓄热装置1，填充床11，储液罐12，稳压系统13，共用回路2，换热器21，屏蔽泵22，膨胀槽23，储气罐3，辅助回路4，加热器41，分支管路42，做功回路5，三通换向阀51，压缩机52，膨胀机53。
具体实施方式
如图1~图7中，一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，它包括填充蓄热装置1、共用回路2、储气罐3、辅助回路4和做功回路5；所述填充蓄热装置1与共用回路2串联，辅助回路4与共用回路2并联，储气罐3和做功回路5与共用回路2中的换热器21连接，做功回路5中连接有压缩机52和膨胀机53；储能和释能皆采用共用回路2，释能过程中辅助回路4对共用回路2进行加温。系统中各设备和回路整合紧凑，占用空间小，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路4对共用回路2进行加温，提高系统转化效率和提高系统稳定性。
优选地，在储能和释能过程中，液态传热介质皆通过共用回路2循环，不仅减少了所需管道的长度，驱动液态传热介质循环的设备采用一个屏蔽泵22，节省设备降低成本，占用空间小，使得整体结构紧凑。
优选的方案中，所述填充蓄热装置1包括与填充床11连接的储液罐12，填充床11的进液端和储液罐12的排液端与共用回路2连接。结构简单，使用时，填充床11用于吸收液态传热介质的热量，储液罐12用于储存从填充床11内排出的液态传热介质。
优选地，填充床11内的填充物为固体蓄热材料。
优选地，液态传热介质为导热油。
优选地，填充床11为分流式填充床或喷淋式填充床。
优选的方案中，所述共用回路2的共用管路上串联有换热器21和屏蔽泵22。结构简单，使用时，储液罐12内的液态传热介质进入共用回路2，屏蔽泵22驱动液态传热介质在共用回路2中循环流动。
优选地，储能时，屏蔽泵22驱动共用管路中的液态传热介质循环流动，流经换热器21时带走其热量，液态传热介质的温度逐渐升高，同时换热器21将高温高压空气转换成低温高压空气。
优选地，释能时，屏蔽泵22驱动共用管路中的液态传热介质循环流动，流经换热器21时，液态传热介质将热量传导给换热器21，换热器21的温度逐渐升高，同时换热器21将低温高压空气转换成高温高压空气。
优选的方案中，所述储气罐3连接的气管与换热器21连接，进气和排气时共用气管。结构简单，使用时，储气罐3进气和排气皆共用同一根气管，在储能阶段，气管处于连通状态，储能结束后，气管上的阀门关闭，在释能阶段，再次开启阀门，减少了储气罐3与换热器21之间的连通管道，有利于节省空间。
优选的方案中，所述辅助回路4包括与加热管路串联的加热器41，以及与加热管路连接的分支管路42，加热管路两端分别与储液罐12和共用回路2连接，分支管路42与共用回路2连接。结构简单，使用时，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路4对共用回路2进行加温，提高系统转化效率，有利于提高系统运行时的稳定性。
优选地，加热器41加温过程中，液态传热介质从储液罐12排出沿屏蔽泵22进入加热器41中，加热后再从分支管路42流经换热器21，之后经过共用回路2的共用管路流入到储液罐12形成循环回路。
优选地，加热器41加温过程中，液态传热介质不流经填充床11。
优选的方案中，所述做功回路5的做功管路上连接有三通换向阀51，做功管路两端分别与压缩机52和换热器21连接，膨胀机53与三通换向阀51连接。结构简单，使用时，在储能阶段，做功管路上的三通换向阀51导通压缩机52与换热器21，关闭膨胀机53的进气通道；释能阶段，三通换向阀51导通换热器21与膨胀机53，关闭换热器21的排气通道；减少了压缩机52和膨胀机53与换热器21之间的连接管道，有利节省空间。
优选的方案中，所述填充蓄热装置1的填充床11的进液端设置稳压系统13与其连接。结构简单，使用时，填充床11进液端连接有稳压系统13用于系统启动前，排出回路中的空气。
优选地，稳压系统13包括稳压管路中依次连接的稳压装置和气体流量调节阀，气体流量调节阀一端与填充床11进液端连接。
优选的方案中，所述共用回路2的共用管路中连接有膨胀槽23。结构简单，使用时膨胀槽23用于在释能过程中，抵消液态传热介质陡然温升时对共用回路2的共用管路造成的压力，其工作过程是，当共用管路的压力陡然升高时，部分液态传热介质迅速进入膨胀槽23内，减小共用管路压力，避免发生爆管现象。
优选的方案中，所述填充蓄热装置1的填充床11及换热器21、储气罐3、压缩机52和膨胀机53的数量为多个。结构简单，使用时，系统中采用多个填充床11、换热器21、储气罐3、压缩机52和膨胀机53进行有机结合，进一步提高系统转化效率。
优选地，多个填充床11相互并联后与共用回路2连接。
优选地，多个换热器21分别与共用回路2并联。
优选地，多个储气罐3相互并联后与共用回路2连接。
优选地，多个压缩机52分别与多个膨胀机53连接形成多组做功回路5，多组做功回路5分别与换热器21连接。
优选的方案中，如上所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统的储能和释能方法，它包括如下步骤：
S1，储能，压缩机52和屏蔽泵22启动，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐3中；
S1-1，压缩机52排出的高温高压空气进入换热器21，换热器21吸收热量后与共用回路2中的低温液态传热介质进行热量转换；
S1-2，储液罐12内的液态传热介质进入共用回路2中，屏蔽泵22驱动共用回路2中的液态传热介质不断循环，液态传热介质不断吸收换热器21的热量；与此同时，高温高压空气降温后形成低温高压空气进入储气罐3内储存；
S1-3，当储液罐12内的液态传热介质达到设定温度值或储气罐3内的低温高压空气达到设定值时，储能过程结束，屏蔽泵22关闭；
S2，释能，屏蔽泵22再次启动，将储气罐3内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机53做功；
S2-1，储气罐3内的低温高压空气进入换热器21，换热器21吸收热量后与共用回路2中的低温高压空气进行热量转换；
S2-2，储液罐12内的液态传热介质进入共用回路2中，屏蔽泵22驱动共用回路2中的液态传热介质不断循环，换热器21不断吸收液态传热介质的热量；与此同时，低温高压空气吸热后形成高温高压空气驱动膨胀机53做功；
S2-3，当储气罐3内低温高压空气释放达到设定值或者储液罐12内的液态传热介质温度达到设定值时，释能过程结束；
S3，辅助加热，在S2中，当共用回路2中的液态传热介质释放的温度不能满足膨胀机53额定做功温度要求时，加热器41启动，对共用回路2中的液态传热介质进行加温；
在S1中，膨胀机53处于关闭状态，储能结束后，储气罐3的气管关闭；
在S2中，压缩机52处于关闭状态，储气罐3的气管再次打开；
在S3中，液态传热介质不经过填充床11。该方法采用储能和释能共用同一回路，在释能过程中做功温度达不到要求时，辅助回路4对共用回路2进行加温，提高系统转化效率和提高系统稳定性。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：它包括填充蓄热装置（1）、共用回路（2）、储气罐（3）、辅助回路（4）和做功回路（5）；所述填充蓄热装置（1）与共用回路（2）串联，辅助回路（4）与共用回路（2）并联，储气罐（3）和做功回路（5）与共用回路（2）中的换热器（21）连接，做功回路（5）中连接有压缩机（52）和膨胀机（53）；储能和释能皆采用共用回路（2），释能过程中辅助回路（4）对共用回路（2）进行加温。
2.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述填充蓄热装置（1）包括与填充床（11）连接的储液罐（12），填充床（11）的进液端和储液罐（12）的排液端与共用回路（2）连接。
3.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述共用回路（2）的共用管路上串联有换热器（21）和屏蔽泵（22）。
4.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述储气罐（3）连接的气管与换热器（21）连接，进气和排气时共用气管。
5.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述辅助回路（4）包括与加热管路串联的加热器（41），以及与加热管路连接的分支管路（42），加热管路两端分别与储液罐（12）和共用回路（2）连接，分支管路（42）与共用回路（2）连接。
6.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述做功回路（5）的做功管路上连接有三通换向阀（51），做功管路两端分别与压缩机（52）和换热器（21）连接，膨胀机（53）与三通换向阀（51）连接。
7.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述填充蓄热装置（1）的填充床（11）的进液端设置稳压系统（13）与其连接。
8.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述共用回路（2）的共用管路中连接有膨胀槽（23）。
9.根据权利要求1所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统，其特征是：所述填充蓄热装置（1）的填充床（11）及换热器（21）、储气罐（3）、压缩机（52）和膨胀机（53）的数量为多个。
10.根据权利要求1~9任一项所述的组合式蓄热的紧凑型压缩空气储能系统的储能和释能方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，储能，压缩机（52）和屏蔽泵（22）启动，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐（3）中；
S1-1，压缩机（52）排出的高温高压空气进入换热器（21），换热器（21）吸收热量后与共用回路（2）中的低温液态传热介质进行热量转换；
S1-2，储液罐（12）内的液态传热介质进入共用回路（2）中，屏蔽泵（22）驱动共用回路（2）中的液态传热介质不断循环，液态传热介质不断吸收换热器（21）的热量；与此同时，高温高压空气降温后形成低温高压空气进入储气罐（3）内储存；
S1-3，当储液罐（12）内的液态传热介质达到设定温度值或储气罐（3）内的低温高压空气达到设定值时，储能过程结束，屏蔽泵（22）关闭；
S2，释能，屏蔽泵（22）再次启动，将储气罐（3）内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机（53）做功；
S2-1，储气罐（3）内的低温高压空气进入换热器（21），换热器（21）吸收热量后与共用回路（2）中的低温高压空气进行热量转换；
S2-2，储液罐（12）内的液态传热介质进入共用回路（2）中，屏蔽泵（22）驱动共用回路（2）中的液态传热介质不断循环，换热器（21）不断吸收液态传热介质的热量；与此同时，低温高压空气吸热后形成高温高压空气驱动膨胀机（53）做功；
S2-3，当储气罐（3）内低温高压空气释放达到设定值或者储液罐（12）内的液态传热介质温度达到设定值时，释能过程结束；
S3，辅助加热，在S2中，当共用回路（2）中的液态传热介质释放的温度不能满足膨胀机（53）额定做功温度要求时，加热器（41）启动，对共用回路（2）中的液态传热介质进行加温；
在S1中，膨胀机（53）处于关闭状态，储能结束后，储气罐（3）的气管关闭；
在S2中，压缩机（52）处于关闭状态，储气罐（3）的气管再次打开；
在S3中，液态传热介质不经过填充床（11）。
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