CN114370391A - 一种超临界压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种超临界压缩空气储能系统，包括：储能管路，其上设有依次连接的压缩机组、第一蓄冷换热器、气液分离器和低温绝热储罐；释能管路，其上设有依次连接的低温绝热储罐、第一蓄冷换热器和膨胀机组；从气液分离器输出的较高压力气体通过气体支路经第一蓄冷换热器进行一次换热后，进入低温透平机膨胀降温至接近大气压强，然后再经第一蓄冷换热器进行二次换热后返回到压缩机组。在储能系统工作时，保证返回到压缩机组处的补偿空气接近大气压，使得补偿空气始终通入压缩机组中的首级压缩机入口中，在压缩机组每一级压缩机中输入的空气压力和流量均能保持恒定，使得压缩机组能够长时间稳定运行。

Description

一种超临界压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种超临界压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能是成熟的大规模电网储电的物理储能技术，可用于电网削峰填谷以及保证太阳能和风能等可再生能源稳定输出。压缩空气储能系统连接在电网中，当电网处于用电高峰期时，压缩空气储能系统用于释放能量发电，以以降低电网负荷高峰；当电网处于用电低谷期时，压缩空气储能系统用于将电网中的电能转化为压缩空气的内能，对电能进行临时储存，以填补电网负荷低谷。

现有技术中的超临界压缩空气储能系统中，包括多级压缩机，用于将输入的气态空气转化为液态空气的超临界液化子系统和用于将液态空气转化为气态空气的蒸发膨胀子系统分为两个半区与电网连接以组成整个储能释能系统。当超临界液化子系统工作时，被压缩后的超临界空气需要通过气液分离器对超临界空气中的部分超临界空气膨胀为气态后通过冷能补偿管路返回到压缩机组，根据返回的补偿空气的压力确定补充空气被通入不同级的压缩机入口。但是由于随着储能过程的进行，在储能后期，填充床内输出冷能温度升高，导致超临界空气液化温度上升，汽化气产量不断增加，压力增大，而前几级压缩机出口气体流量恒定，导致返回的补偿空气与压缩机中的原有气体混合后进入末级压缩机的流量不断增大，最终使得末级压缩机稳定性较差，故障率较高，超临界压缩空气储能系统无法长期持续稳定运行。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中超临界压缩空气储能系统中的压缩机组的末级压缩机运行状态不稳定导致其故障率高的缺陷，从而提供一种超临界压缩空气储能系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种超临界压缩空气储能系统，包括：

储能管路，其上设有依次连接的压缩机组、第一蓄冷换热器、气液分离器和低温绝热储罐；

释能管路，其上设有依次连接的低温绝热储罐、第一蓄冷换热器和膨胀机组；

从气液分离器输出的气体通过气体支路经第一蓄冷换热器进行一次换热后，进入低温透平机进行降压，然后再经第一蓄冷换热器进行二次换热后返回到压缩机组。

可选地，第一蓄冷换热器内至少并联设置有四条管路，储能管路和释能管路均经过第一蓄冷换热器的第三流道，第一蓄冷换热器的第一流道上设置有第一蓄冷装置；

气体支路上还连接第一蓄冷换热器的第二流道和第一蓄冷换热器的第四流道。

可选地，第一流道和第二流道均与第一蓄冷装置连通，第一流道与第二流道之间设置有第五阀门。

可选地，第一蓄冷换热器内并联设置有五条管路，第一蓄冷换热器内的第五流道和第四流道上均与第二蓄冷装置连接，第四流道与第五流道之间设置有第十阀门。

可选地，压缩机组与第一蓄冷换热器之间还连接有第二蓄冷换热器，第一蓄冷换热器与膨胀机组之间也连接有同一第二蓄冷换热器。

可选地，第二蓄冷换热器内并联设置有第六流道、第七流道和第八流道，储能管路和释能管路均经过第六流道，第七流道和第八流道均与第二蓄冷装置并联设置，第七流道与第八流道之间设置有第三阀门。

可选地，第一蓄冷换热器与膨胀机组的入口侧之间连接有预热器，膨胀机组的出口侧与预热器之间设置有预热支路。

可选地，压缩机组的出口侧设置有蓄热换热子系统，膨胀机组的入口侧也设置有同一蓄热换热子系统。

可选地，低温绝热储罐的出口侧与第一蓄冷换热器之间设置有低温泵。

可选地，第一蓄冷换热器与气液分离器之间设有低温膨胀机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的超临界压缩空气储能系统，包括：储能管路，其上设有依次连接的压缩机组、第一蓄冷换热器、气液分离器和低温绝热储罐；释能管路，其上设有依次连接的低温绝热储罐、第一蓄冷换热器和膨胀机组；低温绝热储罐内储存较高压力低温液体以提高系统整体循环效率。从气液分离器输出的较高压力气体通过气体支路经第一蓄冷换热器进行一次换热后，进入低温透平机膨胀降温至接近大气压强，然后再经第一蓄冷换热器进行二次换热后返回到压缩机组。

在储能系统工作时，将进入到低温绝热储罐内前的压缩空气分为两股，其中一股直接进入低温绝热储罐内进行储存，另一股压缩空气通过气体支路经过第一蓄冷换热器进行一次换热冷能吸收后，经过低温透平机使压缩空气进行绝热膨胀对外做功而消耗空气本身的内能，从而使压缩空气自身强烈地冷却后，降低压缩空气自身压力后，在利用第一蓄冷换热器进行换热对其冷能进行二次换热吸收，使得储能系统工作过程中返回到压缩机组处的补偿空气始终为接近大气压强的低温空气，使得补偿空气始终通入压缩机组中的首级压缩机入口中，在压缩机组每一级压缩机中输入的空气压力和流量均能保持恒定，使得压缩机组能够长时间稳定运行。

2.本发明提供的超临界压缩空气储能系统，第一蓄冷换热器内至少并联设置有四条管路，储能管路和释能管路均经过第一蓄冷换热器的第三流道，第一蓄冷换热器的第一流道上设置有第一蓄冷装置；气体支路上还连接第一蓄冷换热器的第二流道和第一蓄冷换热器的第四流道。储能管路与释能管路共同使用第三流道，能够减少储能系统中的管路布置，降低系统布置时的设备成本。

3.本发明提供的超临界压缩空气储能系统，第一流道和第二流道均与第一蓄冷装置连通，第一流道与第二流道之间设置有第五阀门。通过设置第五阀门控制第一流道和第二流道的通断，当释能子系统工作时，第五阀门关闭，第一蓄冷装置通过第一蓄冷换热器内的一个第一流道吸收冷能；当储能子系统工作时，第五阀门打开，第一蓄冷装置通过第一蓄冷换热器内的第一流道和第二流道共同向压缩空气释放冷能。由于储能管路与释能管路共用一个第一蓄冷换热器，而储能子系统工作对压缩空气释放冷能使其温度降低的降温效率高于释能子系统工作对压缩空气吸收冷能使其温度上升的升温效率，通过第五阀门控制第一流道与第二流道的通断，使得储能子系统工作时一个第一管路对压缩空气进行降温，释能子系统工作时利用第一管路和第二管路共同对压缩空气进行升温，保证储能和释能过程中流体换热比例大致稳定一致，以提高第一蓄冷换热器的换热性能。而且，当储能子系统工作时，气液分离器投入使用，第一蓄冷装置仅使用第一流道管热，第二流道用于与气体支路连通，当释能子系统工作时气液分离器无需工作，第二流道用于与第一蓄冷装置连通用于换热，通过使气体支路与第一蓄冷装置共用第二流道，还能够减少储能系统中的管路布置，降低系统布置时的设备成本。

4.本发明提供的超临界压缩空气储能系统，第一蓄冷换热器与膨胀机组的入口侧之间连接有预热器，膨胀机组的出口侧与预热器之间设置有预热支路。从膨胀机组中输出的气态空气一部分输入到发电机处驱动发电机发电，另一部分通过预热支路返回到预热器，对进入到膨胀机组入口的空气进行预热，提升空气温度，使得空气更容易在膨胀机内增压，降低膨胀机组的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术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发明的一些实施方式，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为本发明的第一种实施方式中提供的超临界压缩空气储能系统的结构示意图。

附图标记说明：101、压缩机组；102、蓄热换热子系统；103、膨胀机组；104、预热器；105、电动机；106、发电机；201、第一蓄冷换热器；202、第二蓄冷换热器；203、第二蓄冷装置；204、第一蓄冷装置；205、第二循环风机；206、第一循环风机；207、低温透平机；208、低温膨胀机组；209、气液分离器；210、低温绝热储罐；211、低温泵；301、第一阀门；302、第二阀门；303、第六阀门；304、第三阀门；305、第四阀门；306、第五阀门；307、第七阀门；308、第八阀门；309、第九阀门；310、第十阀门；311、第十一阀门；312、第十二阀门；401、第一流道；402、第二流道；403、第三流道；404、第四流道；405、第五流道；406、第六流道；407、第七流道；408、第八流道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示为本实施例提供的一种超临界压缩空气储能系统，包括：储能管路和释能管路，为了降低临界压缩空气储能系统布置时的设备成本，储能管路和释能管路共同使用一个第一蓄冷换热器201、一个第二蓄冷换热器202和一组蓄热换热子系统102。图中的箭头方向为空气在管路中的流动方向。

储能管路上设有依次连接的电动机105、压缩机组101、蓄热换热子系统102、第一阀门301、第二蓄冷换热器202、第一蓄冷换热器201、第十一阀门311、低温膨胀机208、气液分离器209和低温绝热储罐210。

释能管路上设有依次连接的低温绝热储罐210、低温泵211、第十二阀门312、第一蓄冷换热器201、第二蓄冷换热器202、第二阀门302、预热器104、蓄热换热子系统102、膨胀机组103和发电机106。

第一蓄冷换热器201内并联设置有第一流道401、第二流道402、第三流道403、第四流道404和第五流道405，五条相对独立的管路。储能管路和释能管路均经过第一蓄冷换热器201的第三流道403，第一蓄冷换热器201的第一流道401和第二流道402共同与第一蓄冷装置204并联，第一流道401与第二流道402之间，一端设置有第五阀门306，另一端设置有第九阀门309。第五阀门306与第一蓄冷装置204之间安装有第一循环风机206，以控制第一蓄冷装置204及其换热管道内换热介质的流量和流速。第一蓄冷换热器201内的第五流道405和第四流道404上均并联设置有第二蓄冷装置203，第四流道404与第五流道405之间远离第二蓄冷换热器202的一侧设置有第十阀门310。

第一蓄冷装置204作为中冷蓄冷装置仅与第一蓄冷换热器201并联换热，第二蓄冷装置203作为深冷蓄冷装置，与第一蓄冷换热器201和第二蓄冷换热器202共同连接，与第一蓄冷换热器201和第二蓄冷换热器202进行两级换热。

第二蓄冷换热器202内并联设置有第六流道406、第七流道407和第八流道408，储能管路和释能管路均经过第六流道406。第一蓄冷换热器201的第四流道404与第二蓄冷换热器202内的第七流道407连通，第一蓄冷换热器201内的第五流道405与第二蓄冷换热器202内的第八流道408连通，第七流道407和第八流道408均与第二蓄冷装置203并联设置，第七流道407与第八流道408之间远离第一蓄冷换热器201的一侧设置有第三阀门304。第三阀门304与第二蓄冷装置203之间安装有第二循环风机205，以控制第二蓄冷装置203及其换热管道内换热介质的流量和流速。

在气液分离器209上还连接有气体支路，用于使部分气化后的空气回流到压缩机组101的入口端，对压缩机组101进行冷能补偿，以降低压缩机组101的能耗。在气体支路上设有依次连接的第七阀门307、第一蓄冷换热器201内的第二流道402、第四阀门305、低温透平机207、第九阀门309、第一蓄冷换热器201内的第四流道404、第二蓄冷换热器202的第七流道407、第六阀门303和压缩机组101。低温透平机207通过轴连接和变速装置与第一循环风机206和第二循环风机205连接，利用低温透平机207对压缩空气膨胀释放的能量来驱动第一循环风机206和第二循环风机205，以减小系统对电能的消耗。

当储能子系统工作时，第一蓄冷装置204通过第一流道401换热，第二蓄冷装置203通过第五流道405和第八流道408换热，第二流道402、第四流道404和第七流道407作为气体支路的一部分；当释能子系统工作时，气液分离器209无需工作，第一蓄冷装置204通过第一流道401和第二流道402换热，第二蓄冷装置203通过第四流道404、第五流道405、第七流道407和第八流道408换热。让气体支路与第一蓄冷装置204、第二蓄冷装置203共用第二流道402、第四流道404和第七流道407，能够减少储能系统中的管路布置，降低系统布置时的设备成本。且避免了在释能阶段第二流道402、第四流道404和第七流道407的空置而对换热器换热面积的浪费，同时也避免了第三流道403与第一流道401和第五流道405之间以及第六流道406与第八流道408之间被空置的流道隔离导致的通道内流体冷能传递不足，提升了释能阶段第一蓄冷换热器和第二蓄冷换热器的整体效能。

第二蓄冷换热器202与膨胀机组103的入口侧之间连接有预热器104，膨胀机组103的出口侧与预热器104之间设置有预热支路。使得经过膨胀机组103膨胀升温后的部分空气流入到预热器104内，对即将进入到膨胀机组103内的低温空气进行预热，提升膨胀机组103入口处的空气温度，降低膨胀机组103的能耗。

压缩机组101的出口侧设置有蓄热换热子系统102，膨胀机组103的入口侧也设置有同一蓄热换热子系统102。在储能子系统工作时，蓄热换热子系统102吸收空气被压缩机组101压缩时产生的热量，并对其进行储存，在释能子系统工作室，蓄热换热子系统102将储存的热能传递给空气，使得低温空气温度上升后再进入到膨胀机组103，能够对超临界压缩空气储能系统工作时转换的能量进行充分利用，进而降低超临界压缩空气储能系统整体的能耗。

低温绝热储罐210的出口侧与第一蓄冷换热器201之间设置有低温泵211，利用低温泵211对从低温绝热储罐210内输出的液态空气的流量和流速进行控制，能够提升储能系统运行的稳定性。

在第一蓄冷换热器201与气液分离器209之间设有低温膨胀机208，使从第一蓄冷换热器201流出的液态空气被部分膨胀后经过气液分离器209分离，使得有足够的冷能补偿空气回流到压缩机组101处。

当储能子系统工作时，第一阀门301、第六阀门303、第四阀门305、第七阀门307、第九阀门309和第十一阀门311打开，其余阀门关闭，第一蓄冷换热器201和第二蓄冷换热器202均作为冷凝器，吸收第三流道403内空气的热量并储存在第一蓄冷装置204和第二蓄冷装置203内；当释能子系统工作时，第二阀门302、第三阀门304、第五阀门306、第八阀门308、第十阀门310和第十二阀门312打开，其余阀门关闭，第一蓄冷换热器201和第二蓄冷换热器202均作为蒸发器，第一蓄冷装置204和第二蓄冷装置203将自身储存的热量传递给第三流道403内流动的空气。通过阀门切换，实现了多个设备在储能和释能过程的共用，能够大大降低超临界压缩空气储能系统布置时的设备成本，同时减少系统中静置设备的数量和时间，提升系统内设备的使用率。气液分离器209分离的低温低压气体经过第一蓄冷换热器201进行冷能回收后再次经过低温透平机207膨胀降温回收冷能，再次利用第一蓄冷换热器201对气体的压力能进行回收，可以实现系统内冷能的自补偿，实现储释和释能过程的冷能匹配，同时降低补偿到压缩机组101处的补偿气体的压力，使得补偿空气始终从初级压缩机输送到压缩机组101内，保证压缩机组101以及临界压缩空气储能系统的长期稳定运行。

作为替代的实施方式，第一蓄冷换热器内并联设置有四条管路，且不设置第二蓄冷装置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种超临界压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

储能管路，其上设有依次连接的压缩机组(101)、第一蓄冷换热器(201)、气液分离器(209)和低温绝热储罐(210)；

释能管路，其上设有依次连接的低温绝热储罐(210)、所述第一蓄冷换热器(201)和膨胀机组(103)；

从所述气液分离器(209)输出的气体通过气体支路经所述第一蓄冷换热器(201)进行一次换热后，进入低温透平机进行降压，然后再经所述第一蓄冷换热器(201)进行二次换热后返回到所述压缩机组(101)。

2.根据权利要求1所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一蓄冷换热器(201)内至少并联设置有四条管路，所述储能管路和所述释能管路均经过所述第一蓄冷换热器(201)的第三流道(403)，所述第一蓄冷换热器(201)的第一流道(401)上设置有第一蓄冷装置(204)；

所述气体支路上还连接所述第一蓄冷换热器(201)的第二流道(402)和所述第一蓄冷换热器(201)的第四流道(404)。

3.根据权利要求2所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一流道(401)和所述第二流道(402)均与所述第一蓄冷装置(204)连通，所述第一流道(401)与所述第二流道(402)之间设置有第五阀门(306)。

4.根据权利要求2或3所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一蓄冷换热器(201)内并联设置有五条管路，所述第一蓄冷换热器(201)内的第五流道(405)和所述第四流道(404)上均与第二蓄冷装置(203)连接，所述第四流道(404)与所述第五流道(405)之间设置有第十阀门(310)。

5.根据权利要求4所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩机组(101)与所述第一蓄冷换热器(201)之间还连接有第二蓄冷换热器(202)，第一蓄冷换热器(201)与膨胀机组(103)之间也连接有同一所述第二蓄冷换热器(202)。

6.根据权利要求5所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第二蓄冷换热器(202)内并联设置有第六流道(406)、第七流道(407)和第八流道(408)，所述储能管路和所述释能管路均经过所述第六流道(406)，所述第七流道(407)和所述第八流道(408)均与所述第二蓄冷装置(203)并联设置，所述第七流道(407)与所述第八流道(408)之间设置有第三阀门(304)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一蓄冷换热器(201)与所述膨胀机组(103)的入口侧之间连接有预热器(104)，所述膨胀机组(103)的出口侧与所述预热器(104)之间设置有预热支路。

8.根据权利要求1至7任一项所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩机组(101)的出口侧设置有蓄热换热子系统(102)，所述膨胀机组(103)的入口侧也设置有同一所述蓄热换热子系统(102)。

9.根据权利要求1至8任一项所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述低温绝热储罐(210)的出口侧与所述第一蓄冷换热器(201)之间设置有低温泵(211)。

10.根据权利要求1至9任一项所述的超临界压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一蓄冷换热器(201)与所述气液分离器(209)之间设有低温膨胀机(208)。

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