CN115370428A - 一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，所述系统包括压缩单元、发电单元、储气装置、储换热系统与蓄热单元；所述压缩单元用于产生压缩空气；所述储气装置用于储存压缩单元产生的压缩空气；所述储换热系统用于回收压缩单元压缩空气时产生的热量并蓄热。本发明通过蓄热单元利用无法上网销售的弃电，与储换热系统相配合，共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，为发电单元提供高温高压的压缩空气。通过蓄热单元实现压缩单元与发电单元热电解耦，使得发电单元进口温度大幅提高，解决了发电单元进口温度受压缩机出口温度限制的问题。同时，蓄热单元吸收弃风、弃光电量再利用，提高新能源侧的系统灵活性和经济效益。

Description

一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法
技术领域
本发明涉及一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，属于压缩空气储能系统技术领域。
背景技术
“3060”双碳背景下，大幅度增加可再生能源装机容量是构建以可再生能源为主体的新型电力系统的必然选择，由于可再生能源存在不稳定的特点，决定了直接将风光电量全部并网会对整体电网的稳定性带来许多不确定因素，增加供电安全性隐患。出于安全考虑，并网的风电和光伏均被控制在一定比例内，这导致了已经产生的风电和光伏电量必定有一部分无法上网，从而产生了弃风和弃光电量。如何合理利用弃风弃光电量，已经成为亟待解决的问题。
压缩空气储能是一种间接性、大型储能技术，它在电网负荷低谷期间，通过压缩机压缩空气存储电能，并将压缩空气运输至岩石洞穴、废弃盐洞、废弃矿井或者其他压力容器中；在电网高负荷期间，放出储气库内高压气体，经过燃烧室或换热器加热，升高至一定温度送至涡轮膨胀机，将压缩空气的热力势能转变为膨胀机的机械功输出，驱动发电机发电。在3060双碳目标背景下，压缩空气储因其本身大容量、效率高、启动快、相应灵活等特点颇具应用前景。
非补燃式压缩空气储能发电系统本身具有无污染排放、环境友好、运行灵活的特点，是目前压缩空气储能发电技术发展的主流方向。非补燃式压缩空气储能发电系统通过回收压缩过程产生的热量进行储存，在膨胀阶段对高压空气进行加热膨胀做功。空气透平的入口温度是影响系统效率最重要的因素，由压缩机出口空气温度决定。考虑到压缩机材质、储换热介质的耐温性等因素，目前压缩机出口空气温度实现进一步的突破具有一定的难度。
可见，为解决压缩机出口温度的限制问题，以提高系统的发电效率，亟需一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，通过蓄热单元利用无法上网销售的弃电，与储换热系统相配合，共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，为发电单元提供高温高压的压缩空气，以实现发电单元进口参数突破，解决了受压缩机出口温度限制的问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种多能耦合压缩空气储能发电系统，包括压缩单元、发电单元、储气装置、储换热系统与蓄热单元；
所述压缩单元用于产生压缩空气；
所述储气装置用于储存压缩单元产生的压缩空气；
所述储换热系统用于回收压缩单元压缩空气时产生的热量并蓄热；
所述蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气；
所述发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
进一步的，所述压缩单元包括压缩机与冷却机组，所述压缩机的入口与大气连通，所述压缩机的出口与冷却机组连通；
所述冷却机组用于对压缩机产生的压缩空气进行冷却。
进一步的，所述冷却机组包括冷却器、循环水泵与机力塔，所述机力塔与循环水泵相连接，所述冷却器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道；
所述冷却器的第一通道的入口与循环水泵相连接，所述冷却器的第一通道的出口与机力塔相连接，所述冷却器的第二通道的入口与压缩机相连接，所述冷却器的第二通道的出口与储气装置相连接。
进一步的，所述发电单元包括空气透平，所述空气透平的入口与蓄热单元相连接，所述空气透平的出口与大气连通。
进一步的，所述储换热系统包括低温储热单元、高温储热单元、压缩侧换热器与发电侧换热器；
所述压缩侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述压缩侧换热器的第一通道的两端与压缩单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的入口与低温储热单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的出口与高温储热单元相连接；
所述发电侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述发电侧换热器的第一通道的入口与储气装置相连接，所述发电侧换热器的第一通道的出口与蓄热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的入口与高温储热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的出口与低温储热单元相连接。
进一步的，所述蓄热单元包括蓄热式电锅炉。
进一步的，所述储气装置包括储气库、第一隔断阀与第二隔断阀；
所述储气装置通过第一隔断阀与压缩单元相连接，所述储气库通过第二隔断阀与储换热系统相连接。
进一步的，所述压缩机和冷却器均设有多个，多个压缩机和冷却器交替排布、顺次连接，以对空气进行多次压缩、冷却从而生成所述压缩空气。
进一步的，所述空气透平的数量为一个或多个，且所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉的数量与所述空气透平的数量相等；
当所述空气透平数量为多个时，多个所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉与多个所述空气透平依次连接。
第二方面，本发明提供了一种多能耦合压缩空气储能发电系统的运行方法，所述方法包括：
利用压缩单元对空气进行压缩形成压缩空气，并将压缩空气存储至储气装置，将压缩空气时产生的热量存储至蓄热单元；
发电时，蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气，以使发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，通过蓄热单元利用无法上网销售的弃电，与储换热系统相配合，共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，为发电单元提供高温高压的压缩空气，通过蓄热单元实现压缩单元与发电单元热电解耦，使得发电单元进口温度大幅提高，解决了发电单元进口温度受压缩机出口温度限制的问题；
本发明提供的一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，通过采用蓄热式电锅炉，将无法上网销售的“弃风电”、“弃光电”、“弃水电”等利用效率低的、间隙性的、廉价的清洁能源转换成热能储存，既实现弃电再利用，又提高了可再生能源的消纳能力；
本发明提供的一种多能耦合压缩空气储能发电系统及运行方法，通过采用蓄热式电锅炉，由于其本身蓄热的工作原理，可实现多时间段、非连续性的弃电高效转换成热能进行存储，并与压缩空气储能进行深度耦合利用。相较于现有的压缩空气储能电站，增强了地区电网电源支撑能力。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种多能耦合压缩空气储能发电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种多能耦合压缩空气储能发电系统的运行方法的流程图。
图中：100、第一压缩机；110、第二压缩机；120、第三压缩机；130、第一空气透平；140、第二空气透平；210、第一压缩侧换热器；220、第一冷却器；230、第二压缩侧换热器；240、第二冷却器；250、第三冷却器；260、第一发电侧换热器；270、第二发电侧换热器；300、储气库；400、机力塔；410、高温储热罐；420、低温储热罐；500、循环水泵；510、高温侧循环泵；520、低温侧循环泵；600、第一隔断阀；610、第二隔断阀；700、第一蓄热式电锅炉；710、第二蓄热式电锅炉。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例一：
如图1所示，本发明提供了一种多能耦合压缩空气储能发电系统，包括压缩单元、发电单元、储气装置、储换热系统与蓄热单元；
所述压缩单元用于产生压缩空气；
所述储气装置用于储存压缩单元产生的压缩空气；
所述储换热系统用于回收压缩单元压缩空气时产生的热量并蓄热；
所述蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气；其中，无法上网销售的弃电具体为“弃风电”、“弃光电”、“弃水电”等清洁能源。
所述发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
在一些实施例中，为实现压缩单元对空气的压缩，以为发电单元提供高压的工作介质；所述压缩单元包括压缩机与冷却机组，所述压缩机的入口与大气连通，所述压缩机的出口与冷却机组连通；
所述冷却机组用于对压缩机产生的压缩空气进行冷却。
在一些实施例中，为实现对压缩机产生的压缩空气的冷却；所述冷却机组包括冷却器、循环水泵500与机力塔400，所述机力塔400与循环水泵500相连接，所述冷却器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道；
所述冷却器的第一通道的入口与循环水泵500相连接，所述冷却器的第一通道的出口与机力塔400相连接，所述冷却器的第二通道的入口与压缩机相连接，所述冷却器的第二通道的出口与储气装置相连接。
在一些实施例中，为实现发电单元的发电，所述发电单元包括空气透平，所述空气透平的入口与蓄热单元相连接，所述空气透平的出口与大气连通；在蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热后，所述空气透平能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
在一些实施例中，为实现储换热系统对储气装置释放的压缩空气的加热，所述储换热系统包括低温储热单元、高温储热单元、压缩侧换热器与发电侧换热器；在本实施例下，储换热系统还包括低温侧循环泵520与高温侧循环泵510，低温储热单元可以采用低温储热罐420，高温储热单元可以采用高温储热罐410。
所述压缩侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述压缩侧换热器的第一通道的两端与压缩单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的入口与低温储热单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的出口与高温储热单元相连接；其中，压缩侧换热器的数量可以选用两个，具体为第一压缩侧换热器210与第二压缩侧换热器230。
所述发电侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述发电侧换热器的第一通道的入口与储气装置相连接，所述发电侧换热器的第一通道的出口与蓄热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的入口与高温储热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的出口与低温储热单元相连接。
储换热系统的热交换是这样进行的：当储换热系统在压缩侧运行时，低温储热罐420中的工质经低温侧循环泵520升压后，送入压缩侧热交换器与高温空气换热，受热后进入高温储热罐410存储；在发电侧运行时，高温储热罐410中的工质经高温侧循环泵510升压后，送入发电侧热交换器与低温空气换热，冷却后进入低温储热罐420存储。
在一些实施例中，为实现蓄热单元对储气装置释放的压缩空气的进一步加热，所述蓄热单元包括蓄热式电锅炉；在原有储换热系统的基础上，蓄热式电锅炉能够释放蓄热对空气进一步加热，空气温度可达600℃，从而为发电单元提供高温高压的压缩空气，以实现发电单元进口参数突破。
在一些实施例中，为实现压缩侧与膨胀侧设备相互隔断，以确保储气库300压力的建立，所述储气装置包括储气库300、第一隔断阀600与第二隔断阀610；
所述储气装置通过第一隔断阀600与压缩单元相连接，所述储气库300通过第二隔断阀610与储换热系统相连接。
在一些实施例中，所述压缩机和冷却器均设有多个，多个压缩机和冷却器交替排布、顺次连接，以对空气进行多次压缩、冷却从而生成所述压缩空气。在本实施例下，压缩机的数量为三个，冷却器的数量与压缩机一致；具体为第一压缩机100、第二压缩机110和第三压缩机120，第一冷却器220、第二冷却器240和第三冷却器250。
在一些实施例中，所述空气透平的数量为一个或多个，且所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉的数量与所述空气透平的数量相等；
当所述空气透平数量为多个时，多个所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉与多个所述空气透平依次连接。在本实施例下，空气透平的数量为两个，发电侧换热器和蓄热式电锅炉的数量和空气透平的数量一致；具体为：第一空气透平130和第二空气透平140，第一蓄热式电锅炉700和第二蓄热式电锅炉710以及第一发电侧换热器260和第二发电侧换热器270。
值得一提的是，本发明所提供的压缩空气储能电站，压缩机、空气透平及对应的换热器段数需要根据储气库300的边界参数进行选择，采用合理的段数，并不局限于图1中所示的三段压缩、两段膨胀的形式，对于不同压缩和膨胀段数配置方案，均可采用本发明所公开的组合式储换热系统进行系统集成优化。
本发明提供的多能耦合压缩空气储能发电系统，所采用的储热介质可为除盐水、导热油或熔融盐等，热交换器需要根据储热介质类型选择换热器的种类。同时，换热器配置方案需要根据工质的换热温差、流量进行设计，可为多台换热器串联或者并联的形式，综合换热性能和设备造价进行综合考量。
综上所述，本实施例提供的多能耦合压缩空气储能发电系统，在进行储能发电时，来自大气环境中的空气经第一压缩机100、第二压缩机110和第三压缩机120的多段压缩后，经第一压缩侧换热器210与第二压缩侧换热器230的冷却，冷却后的高压空气经第一隔断阀送入储气库300储存，输入的压缩空气用于建立储气库300压缩空气压力，为发电侧提供高压的工作介质。此时，低温储热罐420中的工质经低温侧循环泵520升压后，送入压缩侧热交换器与高温空气换热，受热后进入高温储热罐410存储。经压缩侧热交换器冷却后的空气进入冷却器进一步冷却，热量由循环水吸收。同时，第一蓄热式电锅炉700和第二蓄热式电锅炉710将无法上网销售的弃电转换成可连续使用的热能进行存储。来自储气库300中的低温空气经发电侧热交换器和第一蓄热式电锅炉700、第二蓄热式电锅炉710加热后，进入第一空气透平130和第二空气透平140做功发电，做功后的冷空气排入大气。
实施例二：
如图2所示，本发明提供了一种多能耦合压缩空气储能发电系统的运行方法，该方法可以基于实施例一所述的多能耦合压缩空气储能发电系统实现，所述方法包括：
利用压缩单元对空气进行压缩形成压缩空气，并将压缩空气存储至储气装置，将压缩空气时产生的热量存储至蓄热单元；
发电时，蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气，以使发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，包括压缩单元、发电单元、储气装置、储换热系统与蓄热单元；
所述压缩单元用于产生压缩空气；
所述储气装置用于储存压缩单元产生的压缩空气；
所述储换热系统用于回收压缩单元压缩空气时产生的热量并蓄热；
所述蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气；
所述发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
2.根据权利要求1所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述压缩单元包括压缩机与冷却机组，所述压缩机的入口与大气连通，所述压缩机的出口与冷却机组连通；
所述冷却机组用于对压缩机产生的压缩空气进行冷却。
3.根据权利要求2所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述冷却机组包括冷却器、循环水泵(500)与机力塔(400)，所述机力塔(400)与循环水泵(500)相连接，所述冷却器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道；
所述冷却器的第一通道的入口与循环水泵(500)相连接，所述冷却器的第一通道的出口与机力塔(400)相连接，所述冷却器的第二通道的入口与压缩机相连接，所述冷却器的第二通道的出口与储气装置相连接。
4.根据权利要求1所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述发电单元包括空气透平，所述空气透平的入口与蓄热单元相连接，所述空气透平的出口与大气连通。
5.根据权利要求4所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述储换热系统包括低温储热单元、高温储热单元、压缩侧换热器与发电侧换热器；
所述压缩侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述压缩侧换热器的第一通道的两端与压缩单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的入口与低温储热单元相连接，所述压缩侧换热器的第二通道的出口与高温储热单元相连接；
所述发电侧换热器内具有相互独立且可进行热交换的第一通道与第二通道，所述发电侧换热器的第一通道的入口与储气装置相连接，所述发电侧换热器的第一通道的出口与蓄热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的入口与高温储热单元相连接，所述发电侧换热器的第二通道的出口与低温储热单元相连接。
6.根据权利要求5所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述蓄热单元包括蓄热式电锅炉。
7.根据权利要求1所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述储气装置包括储气库(300)、第一隔断阀(600)与第二隔断阀(610)；
所述储气装置通过第一隔断阀(600)与压缩单元相连接，所述储气库(300)通过第二隔断阀(610)与储换热系统相连接。
8.根据权利要求2-3中任一项所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述压缩机和冷却器均设有多个，多个压缩机和冷却器交替排布、顺次连接，以对空气进行多次压缩、冷却从而生成所述压缩空气。
9.根据权利要求4-6中任一项所述的一种多能耦合压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述空气透平的数量为一个或多个，且所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉的数量与所述空气透平的数量相等；
当所述空气透平数量为多个时，多个所述发电侧换热器、蓄热式电锅炉与多个所述空气透平依次连接。
10.一种权利要求1至9任一项所述多能耦合压缩空气储能发电系统的运行方法，其特征在于，所述方法包括：
利用压缩单元对空气进行压缩形成压缩空气，并将压缩空气存储至储气装置，将压缩空气时产生的热量存储至蓄热单元；
发电时，蓄热单元利用无法上网销售的弃电、与储换热系统释放的热量共同对储气装置释放的压缩空气进行加热，从而为发电单元提供高温高压压缩空气，以使发电单元能够利用高温高压压缩空气驱动发电机发电。
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