CN114704456A - 一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，包括压缩机，压缩机的出口经冷却器的热侧通道接储气罐的进口，储气罐的出口经节流阀、第一换热器的冷侧通道、第二换热器的冷侧通道接透平的进口，透平接发电机驱动其发电；冷却器的冷侧通道与第一热罐、第一换热器的热侧通道以及第一冷罐依次连接组成低温蓄热回路；第二换热器的热侧通道与第二冷罐、电加热装置以及第二热罐依次连接组成高温蓄热回路。本发明设置有两个蓄热回路，能够更好地分别匹配高温和低温换热过程中温度的变化，可减少换热过程中的换热温差，同时充分利用电加热装置提高储能过程消纳多余电能的能力，并提高透平进口处空气的温度，可提高系统做功能力。

Description

一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于储能技术领域，涉及压缩空气储能技术领域，特别涉及一种耦 合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统。

背景技术

风能和光能等可再生能源具有间歇性和波动性的特点，造成了大量的“弃 风、弃光”现象，储能系统能在电力过剩时将电能转化成其它能量进行存储， 在电力不足时将储存的能量释放转化成电能，能够解决可再生能源发电的波动 性带来的并网问题；此外，储能系统还能改善电网电能的质量和提高机组运行 的安全性。

抽水蓄能和压缩气体储能是两种最有前途的大规模物理储能方式。其中， 抽水蓄能由于其循环效率高，技术成熟已经得到了广泛的应用，但是由于抽水 储能需要建在有地理高度落差的水源丰富的地方，其建址受到了限制，不能随 意扩展。压缩空气储能技术由于其建设周期短、启动快等特点，可用作给新能 源电站配备的储能系统，也可用作电网的调频，近年来发展迅速。在现有压缩 空气储能系统中，常见的有非绝热和绝热压缩空气储能系统。非绝热的压缩空 气储能系统需要化石燃料在释能阶段给空气加热，对环境不友好，并且循环效 率较低。非绝热压缩空气储能系统存储了压缩气体过程中的热量，在释能阶段 给空气加热，推动透平做功，通过回收利用压缩热提高了循环效率，同时摒弃 了化石燃料，但是由于压缩热量的温度有限，导致透平做工能力差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耦合电储热的 多源蓄热压缩空气储能系统及其工作方法，以解决上述存在的一个或多个技术 问题；本系统设置有两个蓄热回路，能够更好地分别匹配高温和低温换热过程 中温度的变化，可减少换热过程中的换热温差，并且充分利用电加热装置的能 量提高透平进口处的空气温度，从而提高系统的发电能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，包括压缩机，所述压缩机 的出口经冷却器的热侧通道接储气罐的进口，储气罐的出口经节流阀、第一换 热器的冷侧通道、第二换热器的冷侧通道接透平的进口，所述透平接发电机驱 动其发电；

所述冷却器的冷侧通道与第一热罐、第一换热器的热侧通道以及第一冷罐 依次连接组成低温蓄热回路；

所述第二换热器的热侧通道与第二冷罐、电加热装置以及第二热罐依次连 接组成高温蓄热回路。

在一个实施例中，所述压缩机和冷却器均有N个，N≥1，每一级压缩机的 出口通过一级冷却器的热侧通道接下一级压缩机的进口，最后一级压缩机的出 口通过最后一级冷却器的热侧通道接储气罐的进口，各冷却器的冷侧通道串联 接入所述低温蓄热回路。

在一个实施例中，各压缩机同轴布置，并以电动机驱动。

在一个实施例中，经压缩机和冷却器进入所述储气罐(8)中的气体的压力 为10MPa，温度为20℃。

在一个实施例中，所述透平有M个，M≥1，每一级透平的出口通过一级换 热器的冷侧通道接下一级透平的进口，换热器的热侧通道与第二换热器的热侧 通道连接形成回路，第二换热器的冷侧通道接第一级透平的进口，各级透平接 发电机驱动其发电。当M＝2时，第一透平和第二透平的膨胀比分别为4和15。

在一个实施例中，所述第一热罐、第一冷罐存储的介质为导热油。

在一个实施例中，所述第二热罐、第二冷罐存储的介质为熔融盐。

在一个实施例中，所述第二冷罐的出口处设置有第一循环泵，所述第二热 罐的出口处设置有第二循环泵。

在一个实施例中，所述电加热装置为电加热炉。

本发明还提供了所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统的工作方 法，包括释能过程和储能过程；

所述释能过程中，储气罐中的空气降压后流至所述第一换热器中，吸收来 自所述第一热罐输出的介质流体的热量；吸热后的空气送至所述第二加热器中 吸收来自所述第二热罐输出的介质流体的热量；两次吸热后的空气转变为高温 气体并输送至所述透平进行膨胀做功，驱动所述发电机产生电能；

所述储能过程中，空气进入压缩机加压，经冷却器的热侧通道被换走热量， 加压降温后的空气存储于所述储气罐中，所述第一冷罐中流出的介质流体从冷 却器的冷侧通道换走并存储压缩过程中产生的热量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统中，利用高温 蓄热回路(可选的，介质流体为熔融盐)，可增加透平进口的温度，提升储能 系统储能阶段消纳多余电能的能力和释能阶段的做功能力；利用低温蓄热回路 (可选的，介质流体为导热油)，储能阶段的压缩机出口的热能可用来加热释 能阶段的低温空气，有利于回收利用释能阶段压缩过程中产生的热量，能够减 少能源的浪费，提高系统的循环效率；通过两个蓄热回路，能够更好地分别匹 配高温和低温换热过程中温度的变化，减少换热过程中的换热温差，充分利用 了电加热装置的能量。

进一步地，本发明通过多级压缩机将空气压缩至10MPa，提高了系统能量 存储密度，从而采用人造储气罐代替地下储气洞穴，有利于摆脱传统压缩空气 储能对地理位置的限制。

进一步地，由于采用了中间再加热，可以显著提高系统的做功能力。

进一步地，本发明采取了多级透平，例如采用两级透平时，第一透平和第 二透平的膨胀比分别为4和15，加大第二透平的膨胀比可充分利用热量，提高 系统循环效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中 的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统的示意图；

图1中，1、电动机；2、第一压缩机；3、第一冷却器；4、第二压缩机；5、 第二冷却器；6、第三压缩机；7、第三冷却器；8、储气罐；9、节流阀；10、 第一换热器；11、第二换热器；12、第一透平；12、第三换热器；13、第二透 平；15、发电机；16、第一热罐；17、第一冷罐；18、第二冷罐；29、第一循 环泵；20、电加热炉；21、第二热罐；22、第二循环泵。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施 例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该 理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例 能够在本图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任 何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、 方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括 没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，包括：压 缩机、冷却器、储气罐8、节流阀9、第一换热器10、第二换热器11、透平、 发电机15、第一热罐16、第一冷罐17、第二冷罐18、电加热装置20以及第二 热罐21等。

本发明中，压缩机和冷却器均可有N个，N≥1，示例地，参考图1，可取 N＝3，第一压缩机2的出口经过第一冷却器3的热侧通道与第二压缩机4的进口 相连通；第二压缩机4的出口经过第二冷却器5的热侧通道与第三压缩机6的 进口相连通；第三压缩机6的出口经过第三冷却器7的热侧通道与储气罐8的 进口相连通。各压缩机同轴布置，并以电动机1驱动。

本发明中，透平有M个，M≥1，示例地，参考图1，可取M＝2，储气罐8 的出口经节流阀9、第一换热器10的冷侧通道、第二换热器11的冷侧通道与第 一透平12的进口相连通，第一透平12的出口经第二换热器13的冷侧通道与第 二透平14进口相连通；其中，第一透平12、第二透平14均用于驱动预设的发 电动机15发电。示例地，第一透平和第二透平的膨胀比分别为4和15，末级透 平的膨胀比较大，可以充分利用热能。第三加热器13则可为第二透平14进口 的空气加热，通过中间再热提高系统做功能力。

本发明中，各冷却器的冷侧通道与第一热罐16、第一换热器10的热侧通道 以及第一冷罐17依次连接为回路，即形成低温蓄热回路。即：第一热罐16的 出口经第一换热器10的热侧通道与第一冷罐17的进口相连通，第一冷罐17的 出口依次经第一冷却器3的冷侧通道、第二冷却器5的冷侧通道、第三冷却器7 的冷侧通道与第一热罐16的进口相连通。

本发明中，第二换热器11的热侧通道与第二冷罐18、电加热装置20以及 第二热罐21依次连接为回路，即形成高温蓄热回路。即：第二热罐21的出口 经第二换热器11的热侧通道与第二冷罐18的进口相连通，第二冷罐18的出口 经电加热装置与第二热罐21的进口相连通。

示例中，第二冷罐18的出口处设置有第一循环泵19，第二热罐21的出口 处设置有第二循环泵22。进一步示例地，电加热装置可为电加热炉20。

通过设置两个蓄热回路，本发明能够更好地分别匹配高温和低温换热过程 中温度的变化，可减少换热过程中的换热温差，同时充分利用电加热装置20提 高储能过程消纳多余电能的能力，并提高透平进口处空气的温度，进而提高系 统做功能力。

本发明中，第一热罐16、第一冷罐17存储的介质可为导热油。第二热罐 21、第二冷罐18存储的介质可为熔融盐。

本发明中，当N＞2时，每一级压缩机的出口通过一级冷却器的热侧通道接 下一级压缩机的进口，最后一级压缩机的出口通过最后一级冷却器的热侧通道 接储气罐8的进口，各冷却器的冷侧通道串联接入低温蓄热回路。

当M＞2时，每一级透平的出口通过一级换热器的冷侧通道接下一级透平的 进口，换热器的热侧通道与第二换热器1的热侧通道连接形成回路，第二换热 器11的冷侧通道接第一级透平的进口，各级透平的出口接发电机15驱动其发 电。

本发明实施例的系统工作分为两个过程：储能过程和释能过程。在两个过 程之间热量的传递依靠低温蓄热回路导热油及高温蓄热回路熔融盐储存的热能 交换来完成。

本发明的工作原理包括：

1、储能过程：当新能源发电量过剩或电网负荷低谷时，系统进入储能过程； 剩余的电力驱动多个串联的压缩机将空气压缩至高温高压状态，随后气体在第 一冷却器3、第二冷却器5、第三冷却器7内部与低温蓄热回路的第一冷罐16 中流出的导热油进行换热，升温后的导热油被输送至第一热罐16内。降温后的 空气储存在储气罐8中。同时，另一部分富余电力通过电加热炉20加热第二冷 罐18流出的熔融盐，并存储在第二热罐21中。

2、释能过程：在用电高峰时，系统进入释能过程；储气罐8中的高压空气 进过节流阀9后降压，先后经过第一换热器10、第二换热器11中被加热至最高 温度，再进入第一透平12做功；第一透平12出口排气经过第三加热13再次加 热至高温，进入第二透平14做功。

本发明实施例的压缩空气储能系统中，采用同时存储电能转化而成的热量 和压缩过程产生的热量这种多源蓄热方式，同时提高了储能时期消纳多余电力 的能力和释能时期发电的能力，另外重复利用了压缩热，提高系统循环效率至 51％以上；另一方面，通过多级压缩提高了空气的存储压力，增加了系统能量存 储密度，从而采用人造储气罐代替大型地下储气室，提升了系统布置的灵活性。

本发明实施例提供的系统在独立储能电站和火电机组调峰等应用场景具有 显著优势，具体包括：

1、独立储能电站；耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统是一种不依赖 化石燃料、有发展前景的电力存储技术，具有成本低廉、物理选址要求低、规 模中大的优点，可作为电池储能的替代方案，避免因电化学储能造成的安全问 题，适用于可再生能源存储。

2、火电机组调峰及灵活性改造；随着可再生能源不断并网以及煤电机组的 不断退役，剩余煤电机组的调节深度更深，但受限于锅炉稳燃负荷而难以继续 深调。如在火力发电厂侧增加新型压缩空气储能系统，在机组需要深度调峰时 进行储能，可进一步提高机组灵活性，并得到相应电力辅助服务市场补助，具 有良好的经济效益。

本发明实施例的一种耦合电储热的多源蓄热压缩勇气储能系统的工作方 法，具体包括以下步骤：

储能过程：空气由电动机1驱动的第一压缩机2进行压缩加压，压缩后的 气体在第一冷却器3中被第一蓄热回路低温蓄热回路的流体冷却；随后，空气 在第二压缩机4中被再次压缩，并在第二冷却器5中被第一蓄热回路低温蓄热 回路的流体再次冷却；接着，空气在第三压缩机6中被再次压缩至10MPa，并 在第二冷却器7中被第一蓄热回路低温蓄热回路的流体再次冷却，至20℃；冷 却后的空气送入储气罐8中储存。

释能过程：高压空气自储气罐8流出，经过节流阀9降压后，首先通过第 一蓄热回路低温蓄热回路的第一换热器10吸收热量，随后在第二换热器11吸 收来自高温蓄热回路的热量；经过2次吸热后，高温超临界空气6MPa，550℃ 进入透平12并驱动发电机输出电能；透平12的排气在经过第三加热器再次吸 收来自高温蓄热回路的热量，进入透平14驱动发电机输出电能。

介质为导热油的低温蓄热回路：低温蓄热回路中包括第一冷却器3、第二冷 却器5、第三冷却器7；第一换热器10、第一热罐16和第一冷罐17；其中，储 能阶段中，低温储热流体导热油自第一冷罐17流出，在第一冷却器3、第二冷 却器5、第三冷却器7中吸收热量后被储存在第一热罐16中。释能阶段，低温 储热流体导热油自第一热罐16流出，在第一换热器10中释放储存的热能给空 气流体，并进入第一冷罐17储存。

介质为熔融盐的高温蓄热回路：高温蓄热回路包括第二换热器11、第三换 热器13、第二冷罐18、第一循环泵19、电加热炉20、第二热罐21、第二循环 泵22。储能阶段中，高温储热流体熔融盐自第二冷罐18流出，经第一循环泵 19增压后通过电加热炉20升温至600℃以上，并流入第二热罐21储存起来。 释能阶段中，高温储热流体熔融盐自第二热罐21流出经第二循环泵22增压， 随后在第二换热器11、第三换热器13中释放储存的热能给空气，并进入第二冷 罐18储存。

目前现有技术中，大规模储能系统如抽水蓄能和传统补燃压缩空气储能对 选址的要求较高或者较高依赖化石燃料，而耦合电储热的多源蓄热压缩空气储 能系统能够在实现高储能密度的同时保持高储能效率。基于此，本发明在现有 压缩空气储能系统上增加了熔融盐高温蓄热回路和导热油低温蓄热回路，导热 油低温蓄热回路利用储能阶段压缩机出口的热能加热释能阶段的低温空气流 体，减少了能量的浪费，熔融盐高温蓄热回路通过电加热炉20来实现更高的第 一透平12及第二透平14的进口温度，进一步提高系统做功能力，并通过设计 第一透平12和第二透平14的压比来提供系统循环效率。综上，本发明实施例 具体提供了耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，可提高摆脱化石燃料， 提高系统的能量存储密度和做功能力。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限 制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人 员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未 脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利 要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩机，所述压缩机的出口经冷却器的热侧通道接储气罐(8)的进口，储气罐(8)的出口经节流阀(9)、第一换热器(10)的冷侧通道、第二换热器(11)的冷侧通道接透平的进口，所述透平接发电机(15)驱动其发电；

所述冷却器的冷侧通道与第一热罐(16)、第一换热器(10)的热侧通道以及第一冷罐(17)依次连接组成低温蓄热回路；

所述第二换热器(11)的热侧通道与第二冷罐(18)、电加热装置(20)以及第二热罐(21)依次连接组成高温蓄热回路。

2.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩机和冷却器均有N个，N≥1，每一级压缩机的出口通过一级冷却器的热侧通道接下一级压缩机的进口，最后一级压缩机的出口通过最后一级冷却器的热侧通道接储气罐(8)的进口，各冷却器的冷侧通道串联接入所述低温蓄热回路。

3.根据权利要求2所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，各压缩机同轴布置，并以电动机(1)驱动。

4.根据权利要求1或2或3所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，经压缩机和冷却器进入所述储气罐(8)中的气体的压力为10MPa，温度为20℃。

5.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，所述透平有M个，M≥1，每一级透平的出口通过一级换热器的冷侧通道接下一级透平的进口，换热器的热侧通道与第二换热器(11)的热侧通道连接形成回路，第二换热器(11)的冷侧通道接第一级透平的进口，各级透平接发电机(15)驱动其发电。

6.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，M＝2，第一透平(12)和第二透平(14)的膨胀比分别为4和15。

7.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一热罐(16)、第一冷罐(17)存储的介质为导热油。

8.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，所述第二热罐(21)、第二冷罐(18)存储的介质为熔融盐。

9.根据权利要求1所述耦合电储热的多源蓄热压缩空气储能系统，其特征在于，所述第二冷罐(18)的出口处设置有第一循环泵(19)，所述第二热罐(21)的出口处设置有第二循环泵(22)，所述电加热装置为电加热炉(20)。

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