CN115693971A - 一种蓄热式压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蓄热式压缩空气储能系统，包括空气压缩机、空气膨胀机、第一换热器、第二换热器、热罐和储气罐；第一换热器包括第一空气管道和第一蓄热流体管道，第二换热器包括第二空气管道和第二蓄热流体管道；储气罐的下部设有用于储存蓄热流体的下部空间；空气压缩机的出气口通过第一空气管道与储气罐的空气进口连通；储气罐的流体出口通过第一蓄热流体管道与热罐的进口连通；储气罐的空气出口通过第二空气管道与空气膨胀机的进口连通；热罐的出口通过第二蓄热流体管道与储气罐的流体进口连通；本发明利用储气罐的下部空间存储低温蓄热流体，以达到省略冷罐的目的，从而减小蓄热式压缩空气储能系统的体积，进而减小其布置空间。

Description

一种蓄热式压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种蓄热式压缩空气储能系统。

背景技术

蓄热式压缩空气储能系统能够支撑电网移峰填谷、平抑风光电力波动，是构建新型电力系统的关键技术之一；其工作原理为：当电力系统处于用电低峰期时，蓄热式压缩空气储能系统可通过空气压缩机压缩空气，并通过蓄热流体存储压缩过程中产生的压缩热能；当电力系统处于用电高峰期时，蓄热式压缩空气储能系统可将蓄热流体存储的压缩热能释放出来用来加热进入空气膨胀机的空气，使发电机发电。因此，现有的蓄热式压缩空气储能系统中会单独设置热罐、冷罐，以分别用于储存高温蓄热流体(即吸收压缩热能的蓄热流体)和低温蓄热流体(即未吸收压缩热能的蓄热流体)，影响了蓄热式压缩空气储能系统的布置空间大小。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提一种蓄热式压缩空气储能系统，其利用储气罐的下部空间存储低温蓄热流体，以达到省略冷罐的目的，从而减小蓄热式压缩空气储能系统的体积，进而减小其布置空间。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种蓄热式压缩空气储能系统，包括空气压缩机、空气膨胀机、第一换热器、第二换热器、热罐和储气罐；所述第一换热器包括第一空气管道和第一蓄热流体管道，所述第二换热器包括第二空气管道和第二蓄热流体管道；所述储气罐的下部设有用于储存蓄热流体的下部空间；所述储气罐上设有空气进口、空气出口、流体进口和流体出口；所述流体出口位于储气罐的底端，且空气进口、空气出口、流体进口均位于下部空间的上方；所述空气压缩机的出气口通过第一空气管道与储气罐的空气进口连通；所述储气罐的流体出口通过第一蓄热流体管道与热罐的进口连通；所述储气罐的空气出口通过第二空气管道与空气膨胀机的进口连通；所述热罐的出口通过第二蓄热流体管道与储气罐的流体进口连通。

优选地，所述空气压缩机有多个，且多个空气压缩机并联设置；每个空气压缩机的出气口均连接有一个第一换热器；各第一换热器通过第一空气管道将对应空气压缩机的出气口与储气罐的空气进口连通。

优选地，所述空气压缩机有多个，且多个空气压缩机串联设置；每个空气压缩机的出气口均连接有一个第一换热器；前一级的空气压缩机的出气口通过对应第一换热器的第一空气管道与后一级的空气压缩机的进气口连通。

优选地，所述空气膨胀机有多个，且多个空气膨胀机并联设置；每个空气膨胀机的进气口均连接有一个第二换热器；各第二换热器通过第二空气管道将对应空气膨胀机的进气口与储气罐的空气出口连通。

优选地，所述空气膨胀机有多个，且多个空气膨胀机串联设置；每个空气膨胀机的进气口均连接有一个第二换热器；后一级的空气膨胀机的进气口通过对应第二换热器的第二空气管道与前一级的空气膨胀机的出气口连通。

优选地，所述热罐的出口与第二蓄热流体管道之间设有输送泵，所述储气罐上空气进口与第一空气管道之间设有第一控制阀，所述储气罐上流体出口与第一蓄热流体管道之间设有第二控制阀；所述储气罐上空气出口与第二空气管道之间设有第三控制阀，所述储气罐上流体进口与第二蓄热流体之间设有第四控制阀。

优选地，所述热罐的出口与第二蓄热流体管道之间设有减压阀。

如上，本发明的一种蓄热式压缩空气储能系统，具有以下有益效果：

本发明利用储气罐的下部空间存储低温蓄热流体，以达到省略冷罐的目的，从而减小蓄热式压缩空气储能系统的布置空间和成本；此外，储气罐进气过程中，储气罐下部的低温蓄热流体不断排出，有效缓解了储气罐在进气过程中的压力上升；储气罐出气过程中，经第二换热器换热后的蓄热流体也不断进入储气罐中，有效缓解了储气罐在出气过程中的压力下降，从而减小储气罐的压力波动，提高空气压缩机与空气膨胀机的工作效率。

附图说明

图1为蓄热式压缩空气储能系统的示意图。

附图标记说明

空气压缩机1，驱动电机11，第一换热器2，储气罐3，第二换热器4，空气膨胀机5，发电机51，热罐6，输送泵7，第一控制阀81，第二控制阀82，第三控制阀83，第四控制阀84。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本实施例公开了一种蓄热式压缩空气储能系统，包括空气压缩机1、空气膨胀机5、第一换热器2、第二换热器4、热罐6和储气罐3；

空气压缩机1由驱动电机11驱动，以将从空气压缩机1进气口吸入的外界空气转换成高温高压空气后从空气压缩机1的出气口排出；

第一换热器2位于空气压缩机1附近，且第一换热器2包括第一空气管道和第一蓄热流体管道，第一空气管道的空气与第一蓄热流体管道中的蓄热流体可以发生热交换；

储气罐3的下部设有用于储存蓄热流体的下部空间，储气罐3上设有空气进口、空气出口、流体进口和流体出口；流体出口位于储气罐3的底端，且空气进口、空气出口、流体进口的位置均高于下部空间；其中，流体进口的位置优选设置在储气罐3的顶部；储气罐3的空气进口通过第一空气管道与空气压缩机1的出气口连通，储气罐3的流体出口通过第一蓄热流体管道与热罐6的进口连通；这样，当空气压缩机1在驱动电机11的作用下运转时，空气压缩机1出气口排出的高温高压空气进入第一空气管道，与从储气罐3的流体出口排出并通入第一蓄热流体管道中的低温蓄热流体进行换热，低温蓄热流体吸收热量转变为高温蓄热流体后送入热罐6中存储，高温高压空气放热后转变为低温高压空气进入储气罐1中存储，以缓解因低温蓄热流体排出引起的压力波动，实现充气蓄能过程；

空气膨胀机5上连接发电机51，以使发电机51发电；

第二换热器4位于空气膨胀机5附近，且第二换热器4包括第二空气管道和第二蓄热流体管道，且第二空气管道的空气与第二蓄热流体管道中的蓄热流体可以发生热交换；储气罐3的空气出口通过第二空气管道与空气膨胀机5的进气口连通，储气罐3的流体进口通过第二蓄热流体管道与热罐6的出口连通；这样，当高温蓄热流体从热罐6出口通入第二蓄热流体管道内，与从储气罐3的空气出口排出并通入第二空气管道中的低温高压空气进行换热，高温蓄热流体释放热量转变为低温蓄热流体后进入储气罐3，并在重力作用下进入储气罐3的下部空间内，以缓解因低温高压空气排出引起的储气罐压力波动；低温高压空气吸收热量转变为高温高压空气后通入空气膨胀机5做功，以带动发电机51发电，实现放气释能过程。

可以理解的是，蓄热流体为水或导热油等密度和比热容均远大于压缩空气的流体，对此不作限定，本实施例优选将蓄热流体设置为水。

进一步地，热罐6的出口与第二蓄热流体管道之间设有输送泵7，用于驱动高温蓄热流体从热罐6中流入第二蓄热流体管道内放热并进入储气罐3中；储气罐3上空气进口与第一空气管道之间设有第一控制阀81，以控制第一空气管路与储气罐3之间管路的通断；储气罐3上流体出口与第一蓄热流体管道之间设有第二控制阀82，以控制储气罐3与第一蓄热流体管道之间管路的通断；储气罐3上空气出口与第二空气管道之间设有第三控制阀83，以控制储气罐3与第二空气管道之间管路的通断；储气罐3上流体进口与第二蓄热流体之间设有第四控制阀84，以控制第二蓄热流体管道与储气罐3之间管路的通断；在本实施例中，第一控制阀81、第二控制阀82、第三控制阀83和第四控制阀84优选选用单向阀。

为了保证储气罐3中的压力基本稳定，充气蓄能过程中，应关闭第三控制阀83和第四控制阀84，打开第一控制阀81和第二控制阀82，并尽量保证进入储气罐3的低温高压空气与排出储气罐3的低温蓄热流体的体积基本一致；放气释能过程中，应打开第三控制阀83和第四控制阀84，关闭第一控制阀81和第二控制阀82，并尽量保证进入储气罐3的低温蓄热流体与排出储气罐3的低温高压空气体积基本一致。

可以理解的是，蓄热式压缩空气储能系统的各管路上还可根据需求安装泵和/或具备其它功能的阀门(如流量调节阀和/或减压阀等)，对此不作限定。

优选地，空气压缩机1有多个，且多个空气压缩机1串联设置或并联设置，且每个空气压缩机1的出气口均连接有一个第一换热器2；

若多个空气压缩机1串联设置，则前一级的空气压缩机1的出气口通过对应第一换热器2的第一空气管道与后一级的空气压缩机1的进气口连接，且首级的空气压缩机1的进气口与外界大气连通，末级的空气压缩机1的出气口通过对应第一换热器2的第一空气管道与储气罐3的空气进口连接；同时，各个第一换热器2的第一蓄热流体通道相互串联在储气罐3的流体出口与热罐6的进口之间；这样，进入首级空气压缩机1的外界空气将被逐级压缩、换热。

若多个空气压缩机1并联设置，则各个空气压缩机1的出气口通过对应第一换热器2的第一空气通道并联连接于储气罐3的空气进口，且各个第一换热器2的第一蓄热流体通道并联连接于储气罐3的流体出口与热罐6的进口之间，以使各个空气压缩机1与对应第一换热器2配合独立完成空气压缩和换热。

优选地，空气膨胀机5有多个，且多个空气膨胀机5串联设置或并联设置，且每个空气膨胀机5的进气口均连接有一个第二换热器4；

若多个空气膨胀机5串联设置，则后一级的空气膨胀机5的进气口通过对应第二换热器4的第二空气管道与前一级的空气膨胀机5的出气口连接，且首级的空气膨胀机5的进气口通过对应第二换热器4的第二空气管道与储气罐3的空气出口连接，末级的空气膨胀机5的出气口与外界大气连通；同时，各个第二换热器2的第二蓄热流体通道相互串联在储气罐3的流体进口与热罐6的出口之间。

若多个空气膨胀机5并联设置，则各个空气膨胀机5的进气口通过对应第二换热器4的第二空气通道并联连接于储气罐3的空气出口，且各个第二换热器4的第二蓄热流体通道并联连接于储气罐3的流体进口与热罐6的出口之间。

本实施例涉及的蓄热式压缩空气储能系统具有两种工作模式：充气储能模式和放气释能模式；

充气储能模式中，打开第一控制阀81和第二控制阀82，驱动电机11驱动空气压缩机1运转，使空气压缩机1吸取外界空气并压缩产生高温高压空气，压缩产生的高温高压空气首先进入第一换热器2的第一空气管道中，与第一蓄热流体管道中的低温蓄热流体进行热交换，高温高压空气释放热量后转变为低温高压空气，并进入储气罐3内储存，由于压缩空气密度低于蓄热流体，故其位于储气罐3的上部；同时，储气罐3下方的低温蓄热流体在新进入压缩空气的推动下进入第一蓄热流体通道与第一空气管道的高温高压空气换热，低温蓄热流体吸热转变为高温蓄热流体后进入热罐6中储存；由于储气罐3新进压缩空气量与排出的蓄热流体量大致相等，保证储气罐3的压力基本稳定。

放气释能模式中，打开第三控制阀83和第四控制阀84，储气罐3内的低温高压空气在压差驱动下进入第二空气管道，与第二蓄热流体管道中的高温蓄热流体进行换热，低温高压空气吸热转变为高温高压空气后进入空气膨胀机5中做功，使发电机51发电；同时，热罐6内的高温蓄热流体被泵入第二蓄热流体管道中，与第二空气管道中的低温高压空气换热，高温蓄热流体放热后转变为低温蓄热流体进入储气罐3中储存，因蓄热流体密度大于压缩空气密度，蓄热流体会在自重作用下汇聚在储气罐3的下部空间内；由于储气罐3新进蓄热流体量与排出的压缩空气量大致相等，保证储气罐3的压力基本稳定。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种蓄热式压缩空气储能系统，包括空气压缩机(1)、空气膨胀机(5)、第一换热器(2)、第二换热器(4)、热罐(6)和储气罐(3)；所述第一换热器(2)包括第一空气管道和第一蓄热流体管道，所述第二换热器(4)包括第二空气管道和第二蓄热流体管道；其特征在于，所述储气罐(3)的下部设有用于储存蓄热流体的下部空间；所述储气罐(3)上设有空气进口、空气出口、流体进口和流体出口；所述流体出口位于储气罐(3)的底端，且空气进口、空气出口、流体进口均位于下部空间的上方；所述空气压缩机(1)的出气口通过第一空气管道与储气罐(3)的空气进口连通；所述储气罐(3)的流体出口通过第一蓄热流体管道与热罐(6)的进口连通；所述储气罐(3)的空气出口通过第二空气管道与空气膨胀机(5)的进口连通；所述热罐(6)的出口通过第二蓄热流体管道与储气罐(3)的流体进口连通。

2.根据权利要求1所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机(1)有多个，且多个空气压缩机(1)并联设置；每个空气压缩机(1)的出气口均连接有一个第一换热器(2)；各第一换热器(2)的第一空气管道将对应空气压缩机(1)的出气口与储气罐(3)的空气进口连通。

3.根据权利要求1所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机(1)有多个，且多个空气压缩机(1)串联设置；每个空气压缩机(1)的出气口均连接有一个第一换热器；前一级的空气压缩机(1)的出气口通过对应第一换热器(2)的第一空气管道与后一级的空气压缩机(1)的进气口连通。

4.根据权利要求1所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀机(5)有多个，且多个空气膨胀机(5)并联设置；每个空气膨胀机(5)的进气口均连接有一个第二换热器(4)；各第二换热器(4)的第二空气管道将对应空气膨胀机(5)的进气口与储气罐(3)的空气出口连通。

5.根据权利要求1所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀机(5)有多个，且多个空气膨胀机(5)串联设置；每个空气膨胀机(5)的进气口均连接有一个第二换热器(4)；后一级的空气膨胀机(5)的进气口通过对应第二换热器(4)的第二空气管道与前一级的空气膨胀机(5)的出气口连通。

6.根据权利要求1所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述热罐(6)的出口与第二蓄热流体管道之间设有输送泵(7)，所述储气罐(3)上空气进口与第一空气管道之间设有第一控制阀(81)，所述储气罐(3)上流体出口与第一蓄热流体管道之间设有第二控制阀(82)；所述储气罐(3)上空气出口与第二空气管道之间设有第三控制阀(83)，所述储气罐(3)上流体进口与第二蓄热流体之间设有第四控制阀(84)。

7.根据权利要求6所述的一种蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述热罐(6)的出口与第二蓄热流体管道之间设有减压阀。

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