CN114893382A - 基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统，涉及压缩空气储能技术领域，解决了现有压缩空气储能系统较为复杂且成本较高的技术问题，其技术方案要点是采用一台单级多气缸随转式压缩膨胀两用机组替代压缩机组和膨胀机组两套设备，具有压比大且可调、等熵效率高、制造成本低和适合大中型机组等优点；以喷水调节压缩空气出口温度，并可强化换热器的传热；设置气水分离器和小水罐以及气水混合器，实现将压缩充气过程喷入的水经换热器冷却后在高压下保存，并在膨胀作功过程中复用，可以增大压缩空气在膨胀机中的作功能力，同时也可以强化换热器的传热。
Description
技术领域
本申请涉及压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统。
背景技术
太阳能、风能等可再生能源发电的间断性要求其必须配套发展储能装置系统方能被电网所接受。抽水蓄能电站受上下库地质条件稀缺的限制，而压缩空气储能系统所需要的地下洞穴的资源相对比较多，是一种应用前景广阔的方案。
压缩空气储能系统在可再生能源等发电丰沛多余时段消耗电能驱动压缩机将空气压缩后储存于储气容器中，待到电能需求高峰时段再将压缩空气从储气容器中释放，以驱动膨胀机带动发电机进行发电。
储能技术是实现碳中和目标，提高太阳能、风能等可再生能源利用率，改善“弃光”、“弃风”现状及稳定电网运行的重要手段。但目前的压缩空气储能系统主要采用多级压缩机中间冷却和多级膨胀机中间加热的方案，其流程较复杂，设备比较多且昂贵，存在系统设备投资较大的问题，难以利用峰谷电价差值来盈利。
发明内容
本申请提供了一种基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统，其技术目的是简化压缩空气储能系统的设置，以实现高效、低成本的蓄能。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统，包括空气滤清器、单向风阀、喷水调节系统、压缩膨胀两用机组、换热器、风冷油冷却器、气水分离器、小水罐、气水混合器、螺旋通道储罐、油泵、四通阀、油膨胀箱、阀门组和地下洞穴；所述阀门组包括3个三通阀和2个二通阀；
空气滤清器和单向风阀通过三通接管与压缩膨胀两用机组低压端的空气接口相连接；喷水调节系统和排水管通过三通阀A与压缩膨胀两用机组低压端的水接口相连接；压缩膨胀两用机组的高压端接口与换热器的气侧高温端接口相连接；换热器的气侧低温端接口与三通阀B相连接；三通阀B的另外2个接口分别与气水分离器的进口和气水混合器的出口相连接；气水分离器的水侧出口与小水罐进口相连接，小水罐的出口通过二通阀D与气水混合器水侧进口相连接；气水分离器的气侧出口和气水混合器的气侧进口都通过三通管和二通阀E与地下洞穴的进出口管线相连接；
换热器的蓄能流体导热油侧的高温端接口与所述螺旋通道储罐的顶部接口相连接；换热器的蓄能流体导热油侧的低温端接口通过三通管分别与风冷油冷却器的进口及三通阀C的上接口相连接，风冷油冷却器的出口与三通阀C的左接口相连接，三通阀C的下接口与四通阀的左侧接口相连接，四通阀的右侧接口与所述螺旋通道储罐的底部接口相连接，四通阀的上侧接口与所述油泵的出口相连接，四通阀的下侧接口通过三通管与所述油泵的进口和所述油膨胀箱的接口管线相连接。
进一步地，所述地下洞穴为恒压压缩空气储能系统或变压压缩空气储能系统。
地下洞穴根据是否能够地下作业的特点采取恒压或变压压缩空气储能系统。在废弃煤矿等具有较大竖井的地下洞穴可在地下巷道放置尼龙布管，与地面水池配合在尼龙布管内形成气进水出、气退水进的恒压储气体系，既可提高洞穴的容积利用率，又可实现压缩膨胀两用机在设计工况点运行。
本申请的有益效果在于：
(1)所述压缩膨胀两用机采用单级多气缸随转式压缩膨胀两用机方案，用一台压缩膨胀两用机组替代压缩机组和膨胀机组两套设备，并以喷水调节压缩空气出口温度，具有压比大且可调、等熵效率高、制造成本低和适合大中型机组等优点；采用压缩膨胀两用机组可以像抽水蓄能电站的水轮机和水泵两用机组一样，大大简化流程，提高效率，并大大降低设备成本。
(2)压缩空气储能系统运行分为压缩储能阶段与膨胀释能阶段。除了压缩机组和膨胀机组，换热器也是压缩空气储能系统中比较昂贵的设备，导热油的储罐则是占有空间较大的设备。本申请共用一套压缩/膨胀、换热、储能设备，系统设备简单且紧凑，将蓄能和放能过程合用一套换热器和冷、热导热油共用储罐的模式也可以极大地简化流程、提高运行效率，同时极大地使系统设备紧凑化并降低系统设备初投资和运行成本。
(3)对于压缩充气过程喷水不仅可以调节压缩机出口压缩空气的温度，而且可以强化换热器的传热；设置气水分离器、小水罐和气水混合器，可以将压缩充气过程喷入的水在高压下保存，避免使用高压水泵，在膨胀作功过程进入换热器前将小水罐中的高压水返回压缩空气中，可以增大压缩空气在膨胀机中的作功能力，同时也可以强化换热器的传热，减少换热面积。
附图说明
图1为本申请在压缩充气阶段向地下洞穴充气时系统流程示意图；
图2是本申请利用地下洞穴的高压气体驱动压缩膨胀两用机组膨胀发电时系统流程示意图；
图中：1、空气滤清器；2、单向风阀；3、喷水调节系统；4、压缩膨胀两用机组；5、换热器；6、风冷油冷却器；7、气水分离器；8、小水罐；9、气水混合器；10、螺旋通道储罐；11、油泵；12、四通阀；13、油膨胀箱；14、阀门组；14-1、三通阀A；14-2、三通阀B；14-3、三通阀C；14-4、二通阀D；14-5、二通阀E；15、地下洞穴。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
本申请实施例的运行工艺流程如下：
如图1所示，在用电低谷时段，利用丰沛的谷电驱动压缩机组向地下洞穴15充气时，其运行工艺包括以下步骤：
压缩膨胀两用机组4由低压端上方接口通过空气滤清器1从大气吸气，其下方接口由喷水调节系统3经三通阀A14-1提供适当流量的喷水，使得压缩过程放出的热量用于加热喷水使之蒸发并维持合适的出口温度；压缩膨胀两用机组4的出口气体进入换热器5中加热另一侧的导热油，自身被冷却后其中的蒸汽再次凝结为水滴，气水混合物经三通阀B14-2引导至气水分离器7，将水分贮存在小水罐8中，压缩空气则经二通阀E14-5流至地下洞穴15。同时，冷导热油在油泵11的驱动下和四通阀12的引导下，从螺旋通道储罐10的底部接口流出并流至换热器的另一侧，冷却压缩空气，自身被加热升温后从螺旋通道储罐10的顶部接口流回螺旋通道储罐10内。
如图2所示，在用电高峰时段，利用地下洞穴储存的压缩空气驱动膨胀机组发电时，其运行工艺包括以下步骤：
压缩空气从地下洞穴15经二通阀E14-5流至气水混合器9，同时调节二通阀D14-4从小水罐8中以适当的流量将水加入气水混合器9，气水混合物经三通阀B14-2引导至换热器5被另一侧的导热油加热而升温并伴随水分蒸发成为高温高压的湿空气，然后流至压缩膨胀两用机组4中膨胀作功发电，出口混合物中的气体从低压端上方接口经单向风阀2返回大气，液体水从低压端下方接口经三通阀A14-1流出，可以继续经喷水调节系统3回用。同时，热导热油在油泵11的驱动下和四通阀12的引导下，从螺旋通道储罐10的顶部接口流出并流至换热器的另一侧，加热压缩空气，自身被冷却，再经风冷油冷却器6进一步降温后，从螺旋通道储罐10的底部接口流回螺旋通道储罐10内。风冷油冷却器6可以使得导热油在下一轮蓄能循环中具有更强的冷却能力。
以上为本申请示范性实施例，本申请的保护范围由权利要求书及其等效物限定。
Claims (2)
1.一种基于压缩膨胀两用机组的压缩空气储能系统，其特征在于，包括空气滤清器(1)、单向风阀(2)、喷水调节系统(3)、压缩膨胀两用机组(4)、换热器(5)、风冷油冷却器(6)、气水分离器(7)、小水罐(8)、气水混合器(9)、螺旋通道储罐(10)、油泵(11)、四通阀(12)、油膨胀箱(13)、阀门组(14)和地下洞穴(15)；所述阀门组(14)包括3个三通阀和2个二通阀；
空气滤清器(1)和单向风阀(2)通过三通接管与压缩膨胀两用机组(4)低压端的空气接口相连接；喷水调节系统(3)和排水管通过三通阀A(14-1)与压缩膨胀两用机组(4)低压端的水接口相连接；压缩膨胀两用机组(4)的高压端接口与换热器(5)的气侧高温端接口相连接；换热器(5)的气侧低温端接口与三通阀B(14-2)相连接；三通阀B(14-2)的另外2个接口分别与气水分离器(7)的进口和气水混合器(9)的出口相连接；气水分离器(7)的水侧出口与小水罐(8)进口相连接，小水罐(8)的出口通过二通阀D(14-4)与气水混合器(9)水侧进口相连接；气水分离器(7)的气侧出口和气水混合器(9)的气侧进口都通过三通管和二通阀E(14-5)与地下洞穴(15)的进出口管线相连接；
换热器(5)的蓄能流体导热油侧的高温端接口与所述螺旋通道储罐(10)的顶部接口相连接；换热器(5)的蓄能流体导热油侧的低温端接口通过三通管分别与风冷油冷却器(6)的进口及三通阀C(14-3)的上接口相连接，风冷油冷却器(6)的出口与三通阀C(14-3)的左接口相连接，三通阀C(14-3)的下接口与四通阀(12)的左侧接口相连接，四通阀(12)的右侧接口与所述螺旋通道储罐(10)的底部接口相连接，四通阀(12)的上侧接口与所述油泵(11)的出口相连接，四通阀(12)的下侧接口通过三通管与所述油泵(11)的进口和所述油膨胀箱(13)的接口管线相连接。
2.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述地下洞穴(15)为恒压压缩空气储能系统或变压压缩空气储能系统。
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