CN115839267B - 一种能量深度梯级利用的空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理储能领域，公开了一种能量深度梯级利用的空气储能系统及方法，本发明在各级压缩机的压缩空气出口的管路上沿压缩空气的流动方向依次设置熔盐换热器和水源换热器，在储能过程，高温压缩热存储于熔盐中，低温压缩热存储于水中，解决了压缩热高效存储问题。利用高温熔盐罐中高品位热量以及中温熔盐罐中的中品位热量能够分别提升一级透平和二级透平入口温度，进而提升透平发电效率；低品位热量储存于高温水源罐，一方面能够用于预热高温熔盐加热器冷端的空气温度，另一方面能够耦合有机朗肯循环进行发电，通过二级低温水源加热器对膨胀机入口的循环工质进行加热，因此本发明能够充分利用低品位热量，实现高效发电。

Description

一种能量深度梯级利用的空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于物理储能领域，涉及一种能量深度梯级利用的空气储能系统及方法。

背景技术

随着新能源大规模利用，储能已成为全球能源转型进程中不可或缺的环节。尤其在大规模新能源基地等场景下，更需要大规模、长时、高效、低成本储能技术支撑。在众多储能技术中，普遍认为压缩空气储能系统显然是最具竞争力的大规模电力储能技术路线之一。而目前压缩空气储能技术发展受限于电-电转化效率偏低及储气室容积投资成本高两大因素。为了在此方面实现突破，采用了补燃式压缩空气储能技术。一方面提升单位空气物质量的储能密度，实现了降低单位千瓦时的储气室容积。另一方面透平入口空气温度提升，发电效率增大，电-电转化效率也得到进一步提升。

目前该技术有两种技术路线，一种采用化石燃料进行补燃，该方式一方面产生碳排放及污染物排放，另一方面补热热量未能很好匹配透平入口温度，造成补热热量未能有效的转化成透平有效发电功率。另一种采用高温熔盐进行补燃，提高透平入口温度，该方式虽然不会产生碳排放及污染物排放，但热量利用及匹配不合理，造成补燃余热浪费大、系统效率偏低，以至于未起到提高压缩空气储能系统效率作用，后期很难进行大规模推广应用。以上两种技术路线，都存在系统补热热量与系统匹配不合理，造成热量未能充分实现热电转化，电-电效率未能实现最大化，储气室容积成本未能最大程度降低。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能量深度梯级利用的空气储能系统及方法，本发明利用系统压缩热热量品质特点及高温熔盐、中温熔盐、低温熔盐参数特点，采用熔盐与水耦合的模式进行压缩热储热及系统循环利用，能够较为充分实现热电转化，提高电-电转化效率，同时降低储气室容积。

本发明采用的技术方案如下：

一种能量深度梯级利用的空气储能系统，包括压缩机组、熔盐换热器、高温熔盐罐、储气室、中温熔盐罐、中温熔盐加热器、高温熔盐加热器、低温熔盐罐、一级透平、二级透平、一级低温水源加热器、低温水源罐、水源换热器、高温水源罐、二级低温水源加热器、膨胀机、冷凝器和循环泵；

压缩机组中各级压缩机串联，最后一级压缩机的压缩空气出口与储气室的进气口连接，压缩机组中各级压缩机的压缩空气出口的管路上沿压缩空气的流动方向依次设有熔盐换热器和水源换热器，熔盐换热器的热端和水源换热器的热端接入压缩机的压缩空气出口的管路上；

熔盐换热器的冷进口与低温熔盐罐的出口连接，熔盐换热器的冷出口分为两路并分别与熔盐加热器的进口和中温熔盐罐的进口连接，熔盐加热器的出口与高温熔盐罐的进口连接；

高温熔盐罐的出口与高温熔盐加热器的热进口连接，高温熔盐加热器的热出口与低温熔盐罐的熔盐入口连接；

中温熔盐罐的出口与中温熔盐加热器的热进口连接，中温熔盐加热器的热出口与低温熔盐罐的熔盐入口连接；

储气室的出气口与一级低温水源加热器的冷进口连接，一级低温水源加热器的冷出口与高温熔盐加热器的冷进口连接，高温熔盐加热器的冷出口与一级透平的空气入口连接，一级透平的空气出口与中温熔盐加热器的冷进口连接，中温熔盐加热器的冷出口与二级透平的空气入口连接，二级透平的空气出口与冷凝器的冷进口连接，膨胀机的循环工质出口与冷凝器的热进口连接，冷凝器的热出口与循环泵的入口连接，循环泵的出口与二级低温水源加热器的冷进口连接，二级低温水源加热器的冷出口与膨胀机的循环工质入口连接；

水源换热器的冷进口与低温水源罐的出水口连接，水源换热器的冷出口与高温水源罐的进水口连接。

优选的，冷凝器的冷出口与大气连通。

本发明还提供了一种能量深度梯级利用的方法，该方法采用本发明如上所述的能量深度梯级利用的空气储能系统进行，包括储能过程和释能过程：

所述储能过程包括：启动压缩机组，每一级压缩机的压缩空气出口的管路上的熔盐换热器和水源换热器对该级压缩空气进行吸热储能，其中，熔盐换热器中一部分被加热的熔盐储存于中温熔盐罐，熔盐换热器中另一部分被加热的熔盐经熔盐加热器加热至预设温度并储存于高温熔盐罐，水源换热器中被加热的水储存于高温水源罐；压缩机组压缩后的压缩空气储存于储气室；

所述释能过程包括：将储气室内的压缩空气送入一级低温水源加热器，高温水源罐中的水进入一级低温水源加热器并对一级低温水源加热器内的空气预热，经一级低温水源加热器预热后的空气进入高温熔盐加热器；

高温熔盐罐中的熔盐进入高温熔盐加热器并对高温熔盐加热器内的空气加热，经高温熔盐加热器加热后的空气进入一级透平进行做功，一级透平的空气出口排出的空气进入中温熔盐加热器；

中温熔盐罐中的熔盐进入中温熔盐加热器并对中温熔盐加热器内的空气加热，经中温熔盐加热器加热后的空气进入二级透平进行做功，二级透平的空气出口排出的空气进入冷凝器并对膨胀机排出的循环工质进行降温，经冷凝器降温后的循环工质通过循环泵泵入二级低温水源加热器，二级低温水源加热器利用高温水源罐对进入二级低温水源加热器内的循环工质进行加热，经二级低温水源加热器加热后的循环工质进入膨胀机进行做功。

优选的，每一级压缩机的压缩空气出口的压缩空气温度为250~270℃，经熔盐换热器换热后，熔盐的温度为300~350℃，压缩空气的温度为160~170℃。

优选的，经熔盐加热器加热后，熔盐的温度为530~540℃。

优选的，经水源换热器换热后，水加热到150~160℃，压缩空气的温度为35~40℃。

优选的，储气室中压缩空气的温度为35~40℃、压强为9~10MPa。

优选的，经一级低温水源加热器预热后的空气温度为150~160℃，经高温熔盐加热器加热后的空气温度为530~535℃，一级透平的排气温度为200~220℃。

优选的，经中温熔盐加热器加热后的空气温度为350~360℃，二级透平的排气温度为20~25℃。

优选的，经冷凝器降温后的循环工质的温度为30~40℃，经二级低温水源加热器加热后的循环工质温度为160~165℃。

本发明具有如下有益效果：

本发明利用压缩机组的压缩热热量品质特点及高温熔盐、中温熔盐、低温熔盐参数特点，提出采用熔盐与水耦合的模式进行压缩热储热及系统循环利用，即在压缩机组中各级压缩机的压缩空气出口的管路上沿压缩空气的流动方向依次设置熔盐换热器和水源换热器，在储能过程，高温压缩热存储于熔盐中，低温压缩热存储于水中，解决了压缩热高效存储问题，提升了压缩阶段的压缩效率，进而提升了整套系统的储能效率。利用高温熔盐罐中高品位热量以及中温熔盐罐中的中品位热量能够分别提升一级透平和二级透平入口温度，进而提升一级透平和二级透平的发电效率；低品位热量储存于高温水源罐，高温水源罐中的水一方面能够用于预热高温熔盐加热器冷端的空气温度，另一方面能够耦合有机朗肯循环进行发电，通过二级低温水源加热器对膨胀机入口的循环工质进行加热，因此本发明能够充分利用低品位热量，实现高效发电。本发明通过对压缩空气时高中低品位热量的梯级利用，能够有效提高电-电转化效率，经仿真计算，本发明的电-电转化效率达到68%，比2022年投产的60MW金坛压缩空气储能示范项目（其电-电转化效率为61%~63%）提升了5%~7%，再考虑到单位物质的量的空气储能密度提升，本发明能够实现缩小压缩空气储气室建设规模的15%~20%。此外，本发明利用压缩空气储能耦合熔盐进行补热，能够大大提高整个系统的调节特性及效应速率。

附图说明

图1为本发明能量深度梯级利用的空气储能系统的示意图。

其中：1为一级压缩机、2为一级熔盐换热器、3为一级水源换热器、4为二级压缩机、5为二级熔盐换热器、6为二级水源换热器、7为三级压缩机、8为三级熔盐换热器、9为三级水源换热器、10为低温水源罐、11为高温水源罐、12为低温熔盐罐、13为中温熔盐罐、14为熔盐加热器、15为高温熔盐罐、16为储气室、17为调节阀、18为一级低温水源加热器、19为高温熔盐加热器、20为一级透平、21为中温熔盐加热器、22为二级透平、23为二级低温水源加热器、24为膨胀机、25为冷凝器、26为循环泵。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步的说明。

参见图1，本发明能量深度梯级利用的空气储能系统，包括压缩机组、熔盐换热器、高温熔盐罐15、储气室16、中温熔盐罐13、中温熔盐加热器21、高温熔盐加热器19、低温熔盐罐12、一级透平20、二级透平22、一级低温水源加热器18、低温水源罐10、水源换热器、高温水源罐11、二级低温水源加热器23、膨胀机24、冷凝器25和循环泵26；压缩机组中各级压缩机串联，第一级压缩机的空气入口与大气连通，最后一级压缩机的压缩空气出口与储气室16的进气口连接，压缩机组中各级压缩机的压缩空气出口的管路上沿压缩空气的流动方向依次设有熔盐换热器和水源换热器，熔盐换热器的热端和水源换热器的热端接入压缩机的压缩空气出口的管路上；熔盐换热器的冷进口与低温熔盐罐12的出口连接，熔盐换热器的冷出口分为两路并分别与熔盐加热器14的进口和中温熔盐罐13的进口连接，熔盐加热器14的出口与高温熔盐罐15的进口连接；高温熔盐罐15的出口与高温熔盐加热器19的热进口连接，高温熔盐加热器19的热出口与低温熔盐罐12的熔盐入口连接；中温熔盐罐13的出口与中温熔盐加热器21的热进口连接，中温熔盐加热器21的热出口与低温熔盐罐12的熔盐入口连接；储气室16的出气口与一级低温水源加热器18的冷进口连接，一级低温水源加热器18的冷出口与高温熔盐加热器19的冷进口连接，高温熔盐加热器19的冷出口与一级透平20的空气入口连接，一级透平20的空气出口与中温熔盐加热器21的冷进口连接，中温熔盐加热器21的冷出口与二级透平22的空气入口连接，二级透平22的空气出口与冷凝器25的冷进口连接，冷凝器25的冷出口与大气连通，膨胀机24的循环工质出口与冷凝器25的热进口连接，冷凝器25的热出口与循环泵26的入口连接，循环泵26的出口与二级低温水源加热器23的冷进口连接，二级低温水源加热器23的冷出口与膨胀机24的循环工质入口连接；水源换热器的冷进口与低温水源罐10的出水口连接，水源换热器的冷出口与高温水源罐11的进水口连接。

基于本发明上述能量深度梯级利用的空气储能系统的能量深度梯级利用的方法，包括储能过程和释能过程：

所述储能过程包括：启动压缩机组，通过压缩机组逐级对空气进行压缩，每一级压缩机的压缩空气出口的压缩空气温度为250~270℃，每一级压缩机的压缩空气出口的管路上的熔盐换热器和水源换热器对该级压缩空气进行吸热储能，其中，经熔盐换热器换热后，熔盐的温度升高至300~350℃，压缩空气的温度降为160~170℃，熔盐换热器中一部分被加热的熔盐储存于中温熔盐罐13，熔盐换热器中另一部分被加热的熔盐经熔盐加热器14加热至530~540℃并储存于高温熔盐罐15，水源换热器中的水被加热至150~160℃并储存于高温水源罐11，经水源换热器换热后，压缩空气的温度进一步降至35~40℃；压缩机组压缩后的压缩空气储存于储气室16，储气室16中压缩空气的温度为35~40℃、压强为9~10MPa；

所述释能过程包括：将储气室16内的压缩空气送入一级低温水源加热器18，高温水源罐11中的水进入一级低温水源加热器18并将一级低温水源加热器18内的空气预热至150~160℃，经一级低温水源加热器18预热后的空气进入高温熔盐加热器19；

高温熔盐罐15中的熔盐进入高温熔盐加热器19并将高温熔盐加热器19内的空气加热至530~535℃，经高温熔盐加热器19加热后的空气进入一级透平20进行做功，一级透平20的排气温度为200~220℃，一级透平20的空气出口排出的空气进入中温熔盐加热器21；

中温熔盐罐13中的熔盐进入中温熔盐加热器21并将中温熔盐加热器21内的空气加热至350~360℃，经中温熔盐加热器21加热后的空气进入二级透平22进行做功，二级透平22的排气温度为20~25℃，二级透平22的空气出口排出的空气进入冷凝器25并将膨胀机24排出的循环工质降温至30~40℃，经冷凝器25降温后的循环工质通过循环泵26泵入二级低温水源加热器23，二级低温水源加热器23利用高温水源罐11将进入二级低温水源加热器23内的循环工质加热至160~165℃，经二级低温水源加热器23加热后的循环工质进入膨胀机24进行做功，实现有机朗肯循环高效发电。

实施例

本实施例中，压缩机组包括依次串联的一级压缩机1、二级压缩机4和三级压缩机7，熔盐换热器包括一级熔盐换热器2、二级熔盐换热器5和三级熔盐换热器8，水源换热器包括一级水源换热器3、二级水源换热器6和三级水源换热器9，其中，一级熔盐换热器2的热端和一级水源换热器3的热端接入一级压缩机1的压缩空气出口的管路上，二级熔盐换热器5的热端和二级水源换热器6的热端接入二级压缩机4的压缩空气出口的管路上，三级熔盐换热器8的热端和三级水源换热器9的热端接入三级压缩机7的压缩空气出口的管路上；一级熔盐换热器2、二级熔盐换热器5和三级熔盐换热器8的冷出口管路汇集为一路后再分为两路，这两路并分别与熔盐加热器14的进口和中温熔盐罐13的进口连接。

本实施例中，各装置的参数如下：一级透平20和二级透平22的总发电功率为100.45MW，有机朗肯循环的发电功率为15.24MW，一级压缩机1、二级压缩机4及三级压缩机7共消耗的电功率为111.40MW，熔盐加热器14的电加热功率为58.72MW；本实施例能量深度梯级利用的空气储能系统的厂用电占总发电量的比例为1%，电-电效率为68.01%，储能时长为10h，一级水源换热器3、二级水源换热器6和三级水源换热器9热出口的空气温度均为40℃；一级压缩机1的进气温度为环境温度，取值为25℃；一级压缩机1、二级压缩机4和三级压缩机7的排气温度均为250℃，一级压缩机1的排气压力为5.8bar，二级压缩机4的排气压力为28.5bar，三级压缩机7的排气压力为140bar；低温熔盐罐12内熔盐的温度为160℃，中温熔盐罐13中熔盐的温度为245℃，高温熔盐罐15中熔盐的温度为540℃，低温水源罐10内的水温为25℃，高温水源罐11内的水温为162℃，经一级低温水源加热器18预热后的空气温度为150℃，一级透平20进气压力为96bar，一级透平20的进气温度为530℃，一级透平20的排气温度为163℃，二级透平22的进气温度为240℃，二级透平22的排气温度为21℃，膨胀机24排气温度为35℃，经冷凝器25降温后的循环工质温度为30℃，所需储气室16的容积为144437.7 m³。而目前储能功率为100MW/1000MWh的压缩空气储能项目，采用非补燃式储气室容积约23~25万m³，采用补燃式压缩空气储能技术路线，储气室容积在16~18万m³。可见本发明能够有效降低气室建设规模和投资成本。

Claims (10)

1.一种能量深度梯级利用的空气储能系统，其特征在于，包括压缩机组、熔盐换热器、高温熔盐罐（15）、储气室（16）、中温熔盐罐（13）、中温熔盐加热器（21）、高温熔盐加热器（19）、低温熔盐罐（12）、一级透平（20）、二级透平（22）、一级低温水源加热器（18）、低温水源罐（10）、水源换热器、高温水源罐（11）、二级低温水源加热器（23）、膨胀机（24）、冷凝器（25）和循环泵（26）；

压缩机组中各级压缩机串联，最后一级压缩机的压缩空气出口与储气室（16）的进气口连接，压缩机组中各级压缩机的压缩空气出口的管路上沿压缩空气的流动方向依次设有熔盐换热器和水源换热器，熔盐换热器的热端和水源换热器的热端接入压缩机的压缩空气出口的管路上；

熔盐换热器的冷进口与低温熔盐罐（12）的出口连接，熔盐换热器的冷出口分为两路并分别与熔盐加热器（14）的进口和中温熔盐罐（13）的进口连接，熔盐加热器（14）的出口与高温熔盐罐（15）的进口连接；

高温熔盐罐（15）的出口与高温熔盐加热器（19）的热进口连接，高温熔盐加热器（19）的热出口与低温熔盐罐（12）的熔盐入口连接；

中温熔盐罐（13）的出口与中温熔盐加热器（21）的热进口连接，中温熔盐加热器（21）的热出口与低温熔盐罐（12）的熔盐入口连接；

储气室（16）的出气口与一级低温水源加热器（18）的冷进口连接，一级低温水源加热器（18）的冷出口与高温熔盐加热器（19）的冷进口连接，高温熔盐加热器（19）的冷出口与一级透平（20）的空气入口连接，一级透平（20）的空气出口与中温熔盐加热器（21）的冷进口连接，中温熔盐加热器（21）的冷出口与二级透平（22）的空气入口连接，二级透平（22）的空气出口与冷凝器（25）的冷进口连接，膨胀机（24）的循环工质出口与冷凝器（25）的热进口连接，冷凝器（25）的热出口与循环泵（26）的入口连接，循环泵（26）的出口与二级低温水源加热器（23）的冷进口连接，二级低温水源加热器（23）的冷出口与膨胀机（24）的循环工质入口连接；

水源换热器的冷进口与低温水源罐（10）的出水口连接，水源换热器的冷出口与高温水源罐（11）的进水口连接。

2.根据权利要求1所述的一种能量深度梯级利用的空气储能系统，其特征在于，冷凝器（25）的冷出口与大气连通。

3.一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述的能量深度梯级利用的空气储能系统进行，包括储能过程和释能过程：

所述储能过程包括：启动压缩机组，每一级压缩机的压缩空气出口的管路上的熔盐换热器和水源换热器对该级压缩空气进行吸热储能，其中，熔盐换热器中一部分被加热的熔盐储存于中温熔盐罐（13），熔盐换热器中另一部分被加热的熔盐经熔盐加热器（14）加热至预设温度并储存于高温熔盐罐（15），水源换热器中被加热的水储存于高温水源罐（11）；压缩机组压缩后的压缩空气储存于储气室（16）；

所述释能过程包括：将储气室（16）内的压缩空气送入一级低温水源加热器（18），高温水源罐（11）中的水进入一级低温水源加热器（18）并对一级低温水源加热器（18）内的空气预热，经一级低温水源加热器（18）预热后的空气进入高温熔盐加热器（19）；

高温熔盐罐（15）中的熔盐进入高温熔盐加热器（19）并对高温熔盐加热器（19）内的空气加热，经高温熔盐加热器（19）加热后的空气进入一级透平（20）进行做功，一级透平（20）的空气出口排出的空气进入中温熔盐加热器（21）；

中温熔盐罐（13）中的熔盐进入中温熔盐加热器（21）并对中温熔盐加热器（21）内的空气加热，经中温熔盐加热器（21）加热后的空气进入二级透平（22）进行做功，二级透平（22）的空气出口排出的空气进入冷凝器（25）并对膨胀机（24）排出的循环工质进行降温，经冷凝器（25）降温后的循环工质通过循环泵（26）泵入二级低温水源加热器（23），二级低温水源加热器（23）利用高温水源罐（11）对进入二级低温水源加热器（23）内的循环工质进行加热，经二级低温水源加热器（23）加热后的循环工质进入膨胀机（24）进行做功。

4.根据权利要求3所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，每一级压缩机的压缩空气出口的压缩空气温度为250~270℃，经熔盐换热器换热后，熔盐的温度为300~350℃，压缩空气的温度为160~170℃。

5.根据权利要求4所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，经熔盐加热器（14）加热后，熔盐的温度为530~540℃。

6.根据权利要求4所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，经水源换热器换热后，水加热到150~160℃，压缩空气的温度为35~40℃。

7.根据权利要求4所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，储气室（16）中压缩空气的温度为35~40℃、压强为9~10MPa。

8.根据权利要求4所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，经一级低温水源加热器（18）预热后的空气温度为150~160℃，经高温熔盐加热器（19）加热后的空气温度为530~535℃，一级透平（20）的排气温度为200~220℃。

9.根据权利要求8所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，经中温熔盐加热器（21）加热后的空气温度为350~360℃，二级透平（22）的排气温度为20~25℃。

10.根据权利要求9所述的一种能量深度梯级利用的方法，其特征在于，经冷凝器（25）降温后的循环工质的温度为30~40℃，经二级低温水源加热器（23）加热后的循环工质温度为160~165℃。

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