CN115163459A - 一种冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括由电动机、一级空气压缩机、二级空气压缩机、一级气体/液体回热器、二级气体/液体回热器构成的空气压缩模块，由高压空气储罐构成的压缩空气存储模块，由发电机、一级再热器、二级再热器、一级膨胀机二级膨胀机构成的空气膨胀模块，由恒热罐、交替罐、恒冷罐、复热装置、冷却器构成的混合式储热模块组合而成。交替罐为二级或多级交替罐，复热装置为二级或多级复热装置。本发明在保持储能效率和储能容量基础上，大幅降低储热系统中冷热罐总体积，减小占地面积和建设成本。

Description

一种冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及压缩空气储能技术和热能存储技术领域，具体涉及一种冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统。

背景技术

在当前的能源结构中，为实现碳达峰、碳中和的目标，可再生能源正在逐步成为重要的电力来源。随着可再生能源的广泛应用，其不稳定性、间歇性等缺点日益凸显，而储能技术不仅能将不稳定性、间歇性的可再生能源转化为可持续的高品质的能量提供电力，还能提高传统电力系统的经济可靠性。

压缩空气储能具有规模大、建设成本低、寿命长等优点，是最具发展前景的100MW以上大规模储能技术之一，已进入商业应用阶段。压缩空气储能系统对传统电力系统的“削峰填谷”及平衡负荷发挥重要作用，同时也应用于可再生能源稳定输出等领域，绝热式压缩空气储能系统由于热能回收增大效率和避免化石能源使用等优势，是当前发展的主流。水和导热油等液体工质既可作储热介质也可作为传热介质，具有换热系数高、换热温差小、储能效率高和工况稳定等优点，是目前常用的蓄热式压缩空气储能材料。蓄热式压缩空气储能系统设计多为冷热双罐式，储能时将冷罐内液体泵送到压缩机组换热器内回收压缩热后进入热罐储存，释能时将热罐内液体泵送到膨胀机组换热器内加热压缩空气做功，冷罐和热罐为独立结构，其体积一致且均不小于储热容量大小，即储热系统总体积为储能容量的两倍。

由于可再生能源储能场站之间功率差别很大，储能场站自身也随着建设发展规模容量不断扩大，再加上储能场站非工况运行阶段功率波动范围很大，需要有多模块化的储热设备来实现快速部署和适应大范围调节策略。然而由于储热容量随着储热功率、储热时间的增大而线性增大，冷热罐独立式双罐储热系统需要两倍增大储热体积，从而大幅增加了占地面积和建设维护成本，需要在现有技术上进一步减小冷热罐总体积。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种在保持储能效率和储能容量基础上，大幅降低储热系统中冷热罐总体积，减小占地面积和建设成本的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括电动机、一级空气压缩机、二级空气压缩机、一级气体/液体回热器、二级气体/液体回热器、恒热罐、交替罐、恒冷罐、复热装置、冷却器、高压空气储罐、发电机、一级再热器、二级再热器、一级膨胀机、二级膨胀机，其中：一级空气压缩机进口与大气相连，在一级空气压缩机与二级空气压缩机之间设置一级气体/液体回热器，在二级空气压缩机和高压空气储罐之间设置二级气体/液体回热器；一级气体/液体回热器、二级气体/液体回热器液体侧出口管道上设置阀门A与恒热罐、交替罐、复热装置、恒冷罐进口连接的高温液体总管相连，二级再热器出口与高温液体总管连接的管道上设置阀门B，一级再热器进口与常温液体总管连接的管道上设置阀门D，在常温液体总管与回热器进口连接的管道上设置阀门C，恒热罐、交替罐、恒冷罐进口和出口的管道分别设置阀门301a和阀门301b、阀门302a和阀门302b、阀门303a和阀门303b，复热装置为焊接固定在交替罐上的管道，复热装置进口与高温液体总管相连的管道上设置阀门304a、出口与冷却器进口连接，冷却器出口与常温液体总管连接；

一级空气膨胀机与高压空气储罐306出口之间设置一级再热器，一级空气膨胀机与二级空气膨胀机之间设置二级再热器，一级再热器、二级再热器进口与常温液体总管连接，二级空气膨胀机出口与大气相连。

上述的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，其中：复热装置进口连接外部系统的预热装置或者电能加热装置。

上述的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系系统，其中：交替罐为二级或多级交替罐，复热装置为二级或多级复热装置。

本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明主要包括由电动机、一级空气压缩机、二级空气压缩机、一级气体/液体回热器、二级气体/液体回热器构成的空气压缩模块，由高压空气储罐构成的压缩空气存储模块，由发电机、一级再热器、二级再热器、一级膨胀机二级膨胀机构成的空气膨胀模块，由恒热罐、交替罐、恒冷罐、复热装置、冷却器构成的混合式储热模块组合而成，可以方便实现模块化灵活部署，适应不同功率、容量和工况条件；可根据实际协同其他储能系统，改变混合式储热模块中交替罐的预热方式，利用多余热能、外部余热或电能预热交替罐，确保储热温度；采用两级（或多级）交替罐交替储存热能和冷能，较多交替罐下，储罐体积和占地面积减半。

附图说明

图1为实施例1的具有单个交替罐的蓄热水预热的冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统结构示意图；

图2为实施例2的具有单个交替罐的外部能源预热的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统结构示意图；

图3为实施例3的具有两级交替罐的蓄热水预热的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统结构示意图。

图中标记：

1.阀门A、2.阀门B、3.阀门C、4.阀门D、5.高温液体总管、6.常温液体总管、100.电动机、101.一级空气压缩机、102.二级空气压缩机、201.一级气体/液体回热器、202.二级气体/液体回热器、301.恒热罐、302.交替罐、3021.初级交替罐、3022.二级交替罐、303.恒冷罐、304.复热装置、3041.初级复热装置、3042.二级复热装置、305.冷却器、306.高压空气储罐、500.发电机、401.一级再热器、402.二级再热器、501.一级膨胀机、502.二级膨胀机。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1：

如图1所示，一种具有单个交替罐的蓄热水预热的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括电动机100、一级空气压缩机101、二级空气压缩机102、一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202、恒热罐301、交替罐302、恒冷罐303、复热装置304、冷却器305、高压空气储罐306、发电机500、一级再热器401、二级再热器402、一级膨胀机501、二级膨胀机502，其中：一级空气压缩机101进口与大气相连（前置空气干燥净化装置），在一级空气压缩机101与二级空气压缩机102之间设置一级气体/液体回热器201，在二级空气压缩机102和高压空气储罐306之间设置二级气体/液体回热器202；一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202液体侧出口管道上设置阀门A1与恒热罐301、交替罐302、复热装置304、恒冷罐303进口连接的高温液体总管5相连，二级再热器402出口与高温液体总管5连接的管道上设置阀门B2，一级再热器401进口与常温液体总管6连接的管道上设置阀门D4，在常温液体总管6与回热器202进口连接的管道上设置阀门C3，恒热罐301、交替罐302、恒冷罐303进口和出口的管道分别设置阀门301a和阀门301b、阀门302a和阀门302b、阀门303a和阀门303b，复热装置304为焊接固定在交替罐302上的管道，复热装置304进口与高温液体总管5相连的管道上设置阀门304a、出口与冷却器305进口连接，冷却器305出口与常温液体总管6连接。

一级空气膨胀机501与高压空气储罐306出口之间设置一级再热器401，一级空气膨胀机501与二级空气膨胀机502之间设置二级再热器402，一级再热器401、二级再热器402进口与常温液体总管6连接，二级空气膨胀机502出口与大气相连。

工作流程为：

储能阶段：电动机100驱动一级空气压缩机101、二级空气压缩机102压缩空气，空气经一级空气压缩机101压缩后进入气体/液体回热器201中与软化水进行热交换，一级气体/液体回热器201出口的压缩空气进入二级压缩机102进行二次压缩后升温升压，然后进入二级回热器202内与软化水进行热交换，换热降温后的高压空气从二级气体/液体回热器202出口流出进入高压空气储罐306内储存。

储热开始时，打开阀门302b、阀门3、阀门1、阀门301a，关闭其他阀门，交替罐302内的常温软化水进入一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202内与压缩空气进行换热，升温后的高温软化水流入恒热罐301。

在储热系统稳定运行一段时间后，当交替罐302内的低温软化水排空后，打开阀门303b、阀门304a，常温软化水由恒冷罐303进入一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202内与压缩空气进行换热，高温软化水经复热装置304对交替罐302进行预热，预热后的软化水进入冷却器305后流入常温液体总管，当交替罐302内温度达到设定值后，关闭阀门304a。当恒热罐301内的高温软化水液位上升至设定值时，打开阀门302a，关闭阀门301a，高温软化水流入预热后的交替罐302。

释热阶段：高压空气由高压空气储罐306出口进入一级再热器401与高温软化水换热后，进入一级空气膨胀机501做功结束后高压空气进入二级再热器402二次加热后进入二级空气膨胀机502做功后由二级空气膨胀机502出口排到大气，一级空气膨胀机501、二级空气膨胀机502与发电机500由输出轴连接驱动发电机500产生电力供电。

释热开始时，打开阀门2、阀门302b、阀门303a和阀门4，关闭其他阀门，高温软化水由交替罐302出口流入一级再热器401、二级再热器402加热高压空气，降温后的软化水回流到恒冷罐303内。

在释热系统稳定运行一段时间后，当交替罐302内的高温软化水排空时，打开阀门301b，高温软化水由恒热罐303进入一级再热器401、二级再热器402内加热高压空气，当恒冷罐303内的低温软化水液位上升至设定值时，打开阀门302a，关闭阀门303a，降温后的软化水流入预冷后的交替罐302。

实施例2：

如图2所示，一种具有单个交替罐的外部能源预热的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括电动机100、一级空气压缩机101、二级空气压缩机102、一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202、恒热罐301、交替罐302、恒冷罐303、复热装置304、冷却器305、高压空气储罐306、发电机500、一级再热器401、二级再热器402、一级膨胀机501、二级膨胀机502，其中：复热装置304进口连接外部系统的预热装置或者电能加热装置（以确保系统的储热温度），其余同实施例1，本结构可根据实际协同其他储能系统，有效利用多余热能、外部余热或电能对交替罐302预热，确保交替罐302储热温度。

工作流程：

储能阶段：同实施例1

在储热系统稳定运行一段时间后，当交替罐302内的低温软化水排空后，打开阀门303b，常温软化水由恒冷罐303进入一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202内与压缩空气进行换热。启动与复热装置304进口连接的外部系统的预热装置或者电能加热装置对交替罐302预热。其余同实施例1。

释热阶段：同实施例1。

在释热系统稳定运行一段时间后，当交替罐302内的高温软化水排空时，打开与复热装置304进口连接的外部系统的预热装置或者电能加热装置的循环水，对交替罐302预冷。其余同实施例1。

实施例3：

如图3所示，一种具有两级交替罐的蓄热水预热的冷热罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括电动机100、一级空气压缩机101、二级空气压缩机102、一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202、初级交替罐3021、二级交替罐3022、恒冷罐303、初级复热装置3041、二级复热装置3042、冷却器305、高压空气储罐306、发电机500、一级再热器401、二级再热器402、一级膨胀机501、二级膨胀机502，其中：一级空气压缩机101进口与大气相连（前置空气干燥净化装置），在一级空气压缩机101与二级空气压缩机102之间设置一级气体/液体回热器201，在二级空气压缩机102和高压空气储罐306之间设置二级气体/液体回热器202；一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202液体侧出口管道上设置阀门A1与恒热罐301、初级交替罐3021、二级交替罐3022、初级复热装置3041、二级复热装置3042、恒冷罐303进口连接的高温液体总管5相连，二级再热器402出口与高温液体总管5连接的管道上设置阀门B2，一级再热器401进口与常温液体总管6连接的管道上设置阀门D4，在常温液体总管6与回热器202进口连接的管道上设置阀门C3，恒热罐301、初级交替罐3021、二级交替罐3022、恒冷罐303进口和出口的管道分别设置阀门301a和阀门301b、阀门302a和阀门302b、阀门303a和阀门303b，初级复热装置3041、二级复热装置3042为焊接固定在初级交替罐3021、二级交替罐3022上的管道，初级复热装置3041、二级复热装置3042进口设置阀门304、出口与冷却器305进口连接，冷却器305出口与常温液体总管6连接。其余同实施例1。

工作流程为：

在储能阶段，同实施例1。

储热开始时，打开阀门302b、阀门3、阀门1、阀门301a，关闭其他阀门，初级交替罐3021、二级交替罐3022内的常温软化水进入一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202内与压缩空气进行换热，升温后的高温软化水流入恒热罐301。

在储热系统稳定运行一段时间后，当初级交替罐3021、二级交替罐3022内的低温软化水排空后，打开阀门303b、阀门304a，常温软化水由恒冷罐303进入一级气体/液体回热器201、二级气体/液体回热器202内与压缩空气进行换热，高温软化水经初级复热装置3041、二级复热装置3042对初级交替罐3021、二级交替罐3022进行预热，预热后的软化水进入冷却器305后流入常温液体总管，当初级交替罐3021、二级交替罐3022内温度达到设定值后，关闭阀门304a。当恒热罐301内的高温软化水液位上升至设定值时，打开阀门302a，关闭阀门301a，高温软化水流入预热后的初级交替罐3021、二级交替罐3022。

在释热阶段，同实施例1。

释热开始时，打开阀门2、阀门302b、阀门303a和阀门4，关闭其他阀门，高温软化水由初级交替罐3021、二级交替罐3022出口流入一级再热器401、二级再热器402加热高压空气，降温后的软化水回流到恒冷罐303内。

在释热系统稳定运行一段时间后，当初级交替罐3021、二级交替罐3022内的高温软化水排空时，打开阀门301b，高温软化水由恒热罐303进入一级再热器401、二级再热器402内加热高压空气，当恒冷罐303内的低温软化水液位上升至设定值时，打开阀门302a，关闭阀门303a，降温后的软化水流入预冷后的初级交替罐3021、二级交替罐3022。

在该实施例中具有两级交替罐分别为初级交替罐3021和二级交替罐3022，在两级交替罐体分别设置对应的初级复热装置3041和二级复热装置3042在储热过程中对相应的交替罐进行预热，采用两级交替罐的蓄热水预热的方式，能有效提高储罐的利用率，较现有技术的多混合储罐结构，可实现储罐体积和占地面积减半，使储罐体积和占地面积得到有效利用，提高系统储热效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，包括电动机（100）、一级空气压缩机（101）、二级空气压缩机（102）、一级气体/液体回热器（201）、二级气体/液体回热器（202）、恒热罐（301）、交替罐（302）、恒冷罐（303）、复热装置（304）、冷却器（305）、高压空气储罐（306）、发电机（500）、一级再热器（401）、二级再热器（402）、一级膨胀机（501）、二级膨胀机（502），其中：一级空气压缩机（101）进口与大气相连，在一级空气压缩机（101）与二级空气压缩机（102）之间设置一级气体/液体回热器（201），在二级空气压缩机（102）和高压空气储罐（306）之间设置二级气体/液体回热器（202）；一级气体/液体回热器（201）、二级气体/液体回热器（202）液体侧出口管道上设置阀门A（1）与恒热罐（301）、交替罐（02）3、复热装置（304）、恒冷罐（303）进口连接的高温液体总管（5）相连，二级再热器（402）出口与高温液体总管（5）连接的管道上设置阀门B（2），一级再热器（401）进口与常温液体总管（6）连接的管道上设置阀门D（4），在常温液体总管（6）与回热器（202）进口连接的管道上设置阀门C（3），恒热罐（301）、交替罐（302）、恒冷罐（303）进口和出口的管道分别设置阀门（301a）和阀门（301b）、阀门（302a）和阀门（302b）、阀门（303a）和阀门（303b），复热装置（304）为焊接固定在交替罐（302）上的管道，复热装置（304）进口与高温液体总管（5）相连的管道上设置阀门（304a）、出口与冷却器（305）进口连接，冷却器（305）出口与常温液体总管（6）连接；

一级空气膨胀机（501）与高压空气储罐（306）出口之间设置一级再热器（401），一级空气膨胀机（501）与二级空气膨胀机（502）之间设置二级再热器（402），一级再热器（401）、二级再热器（402）进口与常温液体总管（6）连接，二级空气膨胀机（502）出口与大气相连。

2.如权利要求1所述的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，其特征在于：复热装置（304）进口连接外部系统的预热装置或者电能加热装置。

3.如权利要求1所述的一种冷热储罐混合式绝热压缩空气储能系统，其特征在于：交替罐（302）为二级或多级交替罐，复热装置（304）为二级或多级复热装置。

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