CN113565589A - 喷射补燃压缩空气储能系统 - Google Patents

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袁智勇
谈竹奎
雷金勇
徐敏
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Abstract

本申请公开了一种喷射补燃压缩空气储能系统，包括：储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置；储能系统和电能释放系统均与压缩热储存装置连接；电能释放系统包括第一换热器、第二换热器、多台膨胀机、发电机、燃烧器和喷射器；第一换热器与第二换热器或首台膨胀机连接；燃烧器的进气口与任意一台膨胀机连接；燃烧器的出气口与第二换热器连接；任意两台相邻的膨胀机之间通过喷射器连接；第二换热器的带压力烟气出口端与喷射器连接。本发明充分吸取了国内无补燃型压缩空气储能技术在压缩热上的利用优势，在利用压缩热的基础上，再适当的进行天然气燃烧，提升高压力空气在膨胀机内的做功能力，有效提升了储能系统的效率以及电能输出能力。

Description

喷射补燃压缩空气储能系统
技术领域
本申请涉及电力储能技术领域，尤其涉及一种喷射补燃压缩空气储能系统。
背景技术
随着时代的发展，风力发电以及光伏发电等新能源发电将成为电力系统内重要的电能来源，由于风力发电与光伏发电等新能源发电具有波动性与间歇性，给电力系统的安全稳定运行带来了挑战，因此储能技术必不可少。
电化学储能以及压缩空气储能技术是两类最为典型的储能技术，在未来的新型电力系统中都将有广泛的应用场景。电化学储能系统的使用年限较短，通常小于10年，并且电化学储能在使用过程中存在发生自燃引起火灾的风险。压缩空气储能技术属于物理机械储能技术，不存在发生自燃引起火灾的风险，同时压缩空气储能系统的电能储存容量可以达到百兆瓦时，甚至数百兆瓦时，储能容量大，适合于电网的调峰与调频需求。
压缩空气储能技术按照是否消耗天然气，可以区分为无补燃型压缩空气储能技术与补燃型压缩空气储能技术。无补燃型压缩空气储能技术使用储能阶段压缩机产生的压缩热，由于压缩热的温度较低，热量品位不高，使得储能系统在电能输出阶段的高压力空气的做功能力不能全部释放，对外输出电能的能力有限。而德国、美国等补燃型压缩空气储能系统需要定制高压力、高温度参数的天然气燃烧器，加工难度大，并且储能系统做功阶段膨胀机的入口空气温度高，排烟的温度也高，导致了较大的排烟热量损失，降低了储能系统的效率。为此，本发明提出一种喷射补燃压缩空气储能系统。
发明内容
本申请实施例提供了一种喷射补燃压缩空气储能系统，能有效提升储能系统的效率以及电能输出能力。
有鉴于此，本申请提供了一种喷射补燃压缩空气储能系统，包括：储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置；
所述储能系统和所述电能释放系统均与所述压缩热储存装置连接；
所述电能释放系统包括第一换热器、第二换热器、沿气体流通方向依次串联的多台膨胀机、与所述膨胀机连接的发电机、燃烧器和用于将两股压力不同的气流混合成压力均一的气流的喷射器；
所述第一换热器与所述第二换热器或首台所述膨胀机连接；
所述第二换热器与所述膨胀机连接；
所述燃烧器的进气口与任意一台所述膨胀机连接，用于抽取所述膨胀机的做功乏气进行补燃；
所述燃烧器的出气口与所述第二换热器连接，用于将补燃后的高温带压力烟气输送至所述第二换热器内部，以加热流入所述膨胀机的做功空气；
任意两台相邻的所述膨胀机之间通过所述喷射器连接；
所述第二换热器的带压力烟气出口端与所述喷射器连接，用于将换热后的带压力烟气与所述膨胀机带压力排气在所述喷射器内混合形成压力与温度均匀的做功气流，然后进入后续的所述膨胀机继续膨胀做功。
可选地，所述储能系统包括沿气体流通方向依次串联的多台压缩机、与所述压缩机连接的电动机、多个第三换热器和储气空间；
每相邻两台所述压缩机之间通过所述第三换热器连接；
末级所述压缩机通过所述第三换热器与所述储气空间的进气端连接；
所述储气空间的出气端与所述第一换热器连接。
可选地，所述压缩热储存装置包括压缩热储热罐；
所述压缩热储热罐分别与所述第三换热器和所述第一换热器连接，用于与所述第一换热器和所述第三换热器进行冷热介质交换。
可选地，所述压缩热储存装置还包括中温热储罐；
所述第三换热器的储热介质流出管通过三通阀门分别与所述压缩热储热罐和所述中温热储罐连接。
可选地，所述储气空间的出气端设置有开关阀。
可选地，所述第一换热器的储热介质流出管通过第四换热器与生活热水储罐连接。
可选地，所述压缩热储存装置的储热介质为水；
所述第一换热器的储热介质流出管连接有生活热水储罐，用于供应生活热水。
可选地，任意两台相邻的所述膨胀机通过第五换热器连接；
所述燃烧器的出气口与所述第五换热器连接；
所述第五换热器的带压力烟气出口端与所述喷射器连接。
可选地，所述燃烧器为带压力燃烧器。
可选地，所述带压力燃烧器与天然气管道连接。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本喷射补燃压缩空气储能系统包括储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置，其中电能释放系统包括第一换热器、第二换热器、多台膨胀机、与膨胀机连接的发电机、燃烧器和喷射器。在电能储存阶段，储能系统产生的热量被传递至压缩热储存装置进行储存；在电能释放阶段，第一换热器利用压缩热储存装置的热量对储能系统流出的高压力空气进行加热，初步提升做功温度，然后通过第二换热器进一步加热，高压力做功空气经过第二换热器加热后进入膨胀机内膨胀做功，驱动发电机输出电能，燃烧器可以从任意一台膨胀机中抽取做功乏气，这部分经过部分膨胀的做功乏气在回收高压部分的压力能之后，经燃烧器补燃后输送至第二换热器内部，以加热流入膨胀机的做功空气，将自身的热量传递给进入膨胀机的做功空气，提升空气的做功能力，任意两台相邻的膨胀机之间通过喷射器连接，第二换热器的带压力烟气出口端与喷射器连接，燃烧器流出的高温度带压力烟气经过第二换热器之后，再通过喷射器与膨胀机其余排气进行混合，返回至膨胀机进行做功，实现燃烧器产生的高温烟气的闭环，使烟气携带的压力能与余热全部返回至膨胀机进行做功。本喷射补燃压缩空气储能系统充分吸取了国内无补燃型压缩空气储能技术在压缩热上的利用优势，在利用压缩热的基础上，再适当的进行天然气燃烧，提升高压力空气在膨胀机内的做功能力，有效提升了储能系统的效率以及电能输出能力。
附图说明
图1为本申请实施例中喷射补燃压缩空气储能系统的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例中喷射补燃压缩空气储能系统的第二种结构示意图；
图3为本申请实施例中喷射补燃压缩空气储能系统的第三种结构示意图；
图4为本申请实施例中喷射补燃压缩空气储能系统的第四种结构示意图；
其中，附图标记为：
1-压缩机，2-电动机，3-第三换热器，4-储气空间，5-压缩热储热罐，6-第一换热器，7-第二换热器，8-膨胀机，9-发电机，10-带压力燃烧器，11-喷射器，12-中温热储罐，13-生活热水储罐，14-三通阀门，15-开关阀，16-第五换热器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
发明人发现：现有的无补燃型压缩空气储能系统存在以下缺点：1、储能阶段空气压缩机产生的压缩热储存在压缩热储热罐当中，在电能释放阶段通过换热器加热进入膨胀机的高压力做功空气，做功空气的温度较低，膨胀机对外输出电能的能力较弱；2、压缩热储热罐内储存的压缩热的总热量存在不足的风险，储存的热量存在不能满足膨胀机做功的长时间加热需求的风险。
现有的德国、美国等补燃型压缩空气储能系统存在以下缺点：1、定制燃烧器的加工难度大，国内设备厂家不具备生产高温、高压天然气燃烧器的能力，现有补燃型压缩空气储能系统在国内不可行；2、现有德国、美国等补燃型压缩空气储能技术的加热高压力空气的热量全部来自天然气燃烧，没有考虑储能阶段压缩热的使用，天然气使用量大，影响了储能系统的经济性。
本申请提供了一种喷射补燃压缩空气储能系统的一个实施例，具体请参阅图1、图3和图4。
本实施例中的喷射补燃压缩空气储能系统包括：储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置，储能系统和电能释放系统均与压缩热储存装置连接，电能释放系统包括第一换热器6、第二换热器7、沿气体流通方向依次串联的多台膨胀机8、与膨胀机8连接的发电机9、燃烧器和喷射器11(喷射器11是一种包含喷嘴的气体混合装置，用于将两股压力不同的气流混合成压力均一的气流)，第一换热器6与第二换热器7或首台膨胀机8连接(当第一换热器6与第二换热器7连接时，如图1所示；当第一换热器6与首台膨胀机8连接时，如图3所示)，第二换热器7与膨胀机8连接(可以理解的是，第二换热器7可以与一台膨胀机8连接，也可以与多台膨胀机8连接，当第二换热器7与一台膨胀机8连接时，如图1所示；当第二换热器7与多台膨胀机8连接时，如图4所示)，燃烧器的进气口与任意一台膨胀机8连接，用于抽取膨胀机8的做功乏气进行补燃；燃烧器的出气口与第二换热器7连接，用于将补燃后的高温带压力烟气输送至第二换热器7内部，以加热流入膨胀机8的做功空气；任意两台相邻的膨胀机8之间通过喷射器11连接，第二换热器7的带压力烟气出口端与喷射器11连接，用于将换热后的带压力烟气与膨胀机8带压力排气在喷射器11内混合形成压力与温度均匀的做功气流，然后进入后续的膨胀机8继续膨胀做功。
需要说明的是：本喷射补燃压缩空气储能系统包括储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置，其中电能释放系统包括第一换热器6、第二换热器7、多台膨胀机8、与膨胀机8连接的发电机9、燃烧器和喷射器11。在电能储存阶段，储能系统产生的热量被传递至压缩热储存装置进行储存；在电能释放阶段，第一换热器6利用压缩热储存装置的热量对储能系统流出的高压力空气进行加热，初步提升做功温度，然后通过第二换热器7进一步加热，高压力做功空气经过第二换热器7加热后进入膨胀机8内膨胀做功，驱动发电机9输出电能，燃烧器可以从任意一台膨胀机8中抽取做功乏气，这部分经过部分膨胀的做功乏气在回收高压部分的压力能之后，经燃烧器补燃后输送至第二换热器7内部，以加热流入膨胀机8的做功空气，将自身的热量传递给进入膨胀机8的做功空气，提升空气的做功能力，任意两台相邻的膨胀机8之间通过喷射器11连接，第二换热器7的带压力烟气出口端与喷射器11连接，燃烧器流出的高温度带压力烟气经过第二换热器7换热降温之后，再通过喷射器11与膨胀机8其余排气进行混合，返回至膨胀机8进行做功，实现燃烧器产生的高温烟气的闭环，使烟气携带的压力能与燃烧余热全部返回至膨胀机8进行做功。本喷射补燃压缩空气储能系统充分吸取了国内无补燃型压缩空气储能技术在压缩热上的利用优势，在利用压缩热的基础上，再适当的进行天然气燃烧，提升高压力空气在膨胀机8内的做功能力，有效提升了储能系统的效率以及电能输出能力。
以上为本申请实施例提供的一种喷射补燃压缩空气储能系统的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种喷射补燃压缩空气储能系统的实施例二，具体请参阅图1至图4。
本实施例中的喷射补燃压缩空气储能系统包括：储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置，储能系统和电能释放系统均与压缩热储存装置连接，电能释放系统包括第一换热器6、第二换热器7、沿气体流通方向依次串联的多台膨胀机8、与膨胀机8连接的发电机9、燃烧器和喷射器11，第一换热器6与第二换热器7或首台膨胀机8连接(当第一换热器6与第二换热器7连接时，如图1所示；当第一换热器6与首台膨胀机8连接时，如图3所示)，第二换热器7与膨胀机8连接(可以理解的是，第二换热器7可以与一台膨胀机8连接，也可以与多台膨胀机8连接，当第二换热器7与一台膨胀机8连接时，如图1所示；当第二换热器7与多台膨胀机8连接时，如图4所示)，优选地，第二换热器7与首台膨胀机8连接；燃烧器的进气口与任意一台膨胀机8连接，用于抽取膨胀机8的做功乏气进行补燃，具体的，可以根据燃烧器所需要的空气压力，选择从膨胀机8的不同位置抽取做功乏气，让抽取的空气压力跟燃烧器的工作压力匹配；燃烧器的出气口与第二换热器7连接，用于将补燃后的高温带压力烟气输送至第二换热器7内部，以加热流入膨胀机8的做功空气；任意两台相邻的膨胀机8之间通过喷射器11连接，第二换热器7的带压力烟气出口端与喷射器11连接，用于将不同压力的两路气流在喷射器11内混合形成压力与温度均匀的做功气流，然后进入后续的膨胀机8继续膨胀做功。
储能系统包括沿气体流通方向依次串联的多台压缩机1、与压缩机1连接的电动机2、多个第三换热器3和储气空间4，每相邻两台压缩机1之间通过第三换热器3连接，末级压缩机1通过第三换热器3与储气空间4的进气端连接，储气空间4的出气端与第一换热器6连接。
在电能储存阶段，电动机2驱动压缩机1做功，将空气中常压的空气吸入压缩机1，通过压缩机1加压，形成了高压力的空气，输送至储气空间4内进行储存，即电能被转变为储气空间4内空气的压力能进行储存。在压缩机1工作过程中，空气的压力提升，空气的温度也提升，这些具有一定温度的空气被压缩机1后面的第三换热器3冷却，压缩空气内携带的热量被输送至压缩热储存装置中进行储存。压缩热储存装置内储存的热量，在对外输出电能的阶段，被输送至第一换热器6进行换热，将压缩热储存装置内存储的热量传递给储气空间4流出的高压力空气，提升高压力空气的温度。
在电能输出阶段，储气空间4释放出高压力的空气，这些高压力空气进入膨胀机8内做功，驱动发电机9输出电能。在高压力空气进入膨胀机8之前，设置了第一换热器6来提升空气的做功温度，以便于提升高压力空气的做功能力。储气空间4流出的高压力空气气流经过了如下加热过程：首先高压力的空气经过第一换热器6，使用压缩热储存装置内的热量进行加热，初步提升做功的温度，然后进一步使用第二换热器7进行加热，高压力做功空气经过第二换热器7加热后进入膨胀机8内膨胀做功，驱动发电机9输出电能。任意两台相邻的膨胀机8之间通过喷射器11连接，利用喷射器11将膨胀机8带压力排气与流出第二换热器7的气流进行混合，混合后进入后续膨胀机8做功。
压缩热储存装置包括压缩热储热罐5，压缩热储热罐5分别与第三换热器3和第一换热器6连接，用于与第一换热器6和第三换热器3进行冷热介质交换。可以理解的是，第一换热器6使用压缩热储热罐5内的热量对从储气空间4流出的空气进行初步加热，可以节省天然气的消耗量。
压缩热储存装置还包括中温热储罐12，第三换热器3的储热介质流出管通过三通阀门14分别与压缩热储热罐5和中温热储罐12连接，当第三换热器3输出的热介质温度低于设定值时，此部分热介质会被输送至中温热储罐12中，当第三换热器3输出的热介质温度达到或超过设定值时，热介质被输送至压缩热储热罐5中储存，其中中温热储罐12可以用于供应生活热水。
需要说明的是：通过设置三通阀门14，将中低温的热介质与高温的热介质进行区分，可以提高压缩热储热罐5内热量的品质。
具体的，储气空间4的出气端设置有开关阀15。
第一换热器6的储热介质流出管可以通过第四换热器与生活热水储罐13连接，可以对外输出高品质的生活热水，实现对外供热。需要说明的是，当压缩热储存装置的储热介质为水时，第一换热器6的储热介质流出管可以直接与生活热水储罐13连接，用于供应生活热水。
如图2所示，任意两台相邻的膨胀机8通过第五换热器16连接，燃烧器的出气口与第五换热器16连接，第五换热器16的带压力烟气出口端与喷射器11连接。可以理解的是，具体实施时可以根据需要在膨胀机8前配置第五换热器16，具体的，经燃烧器补燃后产生的高温带压力烟气可分成多路气流，分别输送至多台膨胀机8前面的第五换热器16内部，以加热流入膨胀机8的做功空气，第二换热器7和第五换热器16流出的烟气汇合后与喷射器11连接。
具体的，燃烧器可以为带压力燃烧器10，带压力燃烧器10与天然气管道连接，利用天然气燃烧进行补燃，补燃后可提升到较高的温度(通常在500度以上)。
本喷射补燃压缩空气储能系统有效解决了高温高压天然气燃烧器不具备国产化能力的卡脖子问题，通过中低压的燃气轮机燃烧器10、第二换热器7与喷射器11的组合方案，让具备国产化能力的天然气燃烧器运用至压缩空气储能系统内，提升了储能系统的性能。另外，在考虑储能阶段压缩热利用的基础上，进行天然气的适度补燃，节约了天然气消耗量，显著提升了高压空气的做功能力，提升了压缩空气储能系统的电能输出能力，同时还能够提供高品质的生活热水。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，包括：储能系统、电能释放系统和压缩热储存装置；
所述储能系统和所述电能释放系统均与所述压缩热储存装置连接；
所述电能释放系统包括第一换热器、第二换热器、沿气体流通方向依次串联的多台膨胀机、与所述膨胀机连接的发电机、燃烧器和用于将两股压力不同的气流混合成压力均一的气流的喷射器；
所述第一换热器与所述第二换热器或首台所述膨胀机连接；
所述第二换热器与所述膨胀机连接；
所述燃烧器的进气口与任意一台所述膨胀机连接，用于抽取所述膨胀机的做功乏气进行补燃；
所述燃烧器的出气口与所述第二换热器连接，用于将补燃后的高温带压力烟气输送至所述第二换热器内部，以加热流入所述膨胀机的做功空气；
任意两台相邻的所述膨胀机之间通过所述喷射器连接；
所述第二换热器的带压力烟气出口端与所述喷射器连接，用于将换热后的带压力烟气与所述膨胀机带压力排气在所述喷射器内混合形成压力与温度均匀的做功气流，然后进入后续的所述膨胀机继续膨胀做功。
2.根据权利要求1所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能系统包括沿气体流通方向依次串联的多台压缩机、与所述压缩机连接的电动机、多个第三换热器和储气空间；
每相邻两台所述压缩机之间通过所述第三换热器连接；
末级所述压缩机通过所述第三换热器与所述储气空间的进气端连接；
所述储气空间的出气端与所述第一换热器连接。
3.根据权利要求2所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩热储存装置包括压缩热储热罐；
所述压缩热储热罐分别与所述第三换热器和所述第一换热器连接，用于与所述第一换热器和所述第三换热器进行冷热介质交换。
4.根据权利要求3所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩热储存装置还包括中温热储罐；
所述第三换热器的储热介质流出管通过三通阀门分别与所述压缩热储热罐和所述中温热储罐连接。
5.根据权利要求2所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气空间的出气端设置有开关阀。
6.根据权利要求1所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热器的储热介质流出管通过第四换热器与生活热水储罐连接。
7.根据权利要求1所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩热储存装置的储热介质为水；
所述第一换热器的储热介质流出管连接有生活热水储罐，用于供应生活热水。
8.根据权利要求1所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，任意两台相邻的所述膨胀机通过第五换热器连接；
所述燃烧器的出气口与所述第五换热器连接；
所述第五换热器的带压力烟气出口端与所述喷射器连接。
9.根据权利要求1所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述燃烧器为带压力燃烧器。
10.根据权利要求9所述的喷射补燃压缩空气储能系统，其特征在于，所述带压力燃烧器与天然气管道连接。
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