CN115854762A - 基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法，包括空气压缩子系统、膨胀发电子系统、循环冷却子系统，所述空气压缩子系统包括第一段压缩机、第一段高温固体蓄热装置、第一段冷却器、第二段压缩机、第二段高温固体蓄热装置、第二段冷却器、第三段压缩机、第三段冷却器以及储气库；所述膨胀发电子系统包括储气库、第二段高温固体蓄热装置、第一段空气透平、第一段高温固体蓄热装置以及第二段空气透平；所述循环冷却子系统包括机力塔、循环水泵、第一段冷却器、第二段冷却器以及第三段冷却器，本发明采用高效的高温固体蓄热装置作为储热装置以及热交换设备，实现压缩空气储能电站的储换热系统集成优化。

Description

基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法

技术领域

本发明涉及基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法，属于压缩空气储能发电技术领域。

背景技术

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。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。

1978年，世界上第一座压缩空气储能电站在德国投运，1991年，美国麦金托什电站投运，上述两座储能电站均采用基于燃气轮机发电技术衍生而来的补燃式压缩空气储能技术路线，高压空气需要与燃气燃烧后膨胀做功。非补燃式压缩空气储能发电技术的研究国外起步较早，但工程应用项目由于各方面原因一直处于搁置状态，国内关于非补燃式压缩空气储能发电技术的研究起步较晚，但是工程应用方面，江苏金坛、贵州毕节、河北张家口等多个项目已投产，同时还有多个项目在规划和建设中，非补燃式压缩空气储能由于其环保、灵活等特点，在构建以新能源为主体的新型电力系统中扮演重要的角色。

目前，非补燃式压缩空气储能电站在压缩阶段产生的压缩热由水、导热油或熔融盐等储热介质吸收，在膨胀做工阶段加热空气拓宽其膨胀做功能力。储能与释能阶段的热交换设备相互独立，气水换热器数量较多，且需要布置大容积的储热装置，工艺系统管道布置较为复杂，电站建设成本及系统集成复杂程度较高，同时空间占用较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法，采用高效的高温固体蓄热装置作为储热装置以及热交换设备，实现压缩空气储能电站的储换热系统集成优化。

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，本发明提供了一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，包括空气压缩子系统、膨胀发电子系统、循环冷却子系统，其中：

所述空气压缩子系统包括按先后顺序依次连接的第一段压缩机、第一段高温固体蓄热装置、第一段冷却器、第二段压缩机、第二段高温固体蓄热装置、第二段冷却器、第三段压缩机、第三段冷却器以及储气库；

所述膨胀发电子系统包括按先后顺序依次连接的储气库、第二段高温固体蓄热装置、第一段空气透平、第一段高温固体蓄热装置以及第二段空气透平；

所述循环冷却子系统包括机力塔、循环水泵、第一段冷却器、第二段冷却器以及第三段冷却器，所述机力塔与循环水泵相连，所述循环水泵分别与第一段冷却器、第二段冷却器和第三段冷却器壳侧入口相连，所述第一段冷却器、第二段冷却器和第三段冷却器壳侧出口与机力塔相连。

进一步的，所述空气压缩子系统中，第一段压缩机与第一段高温固体蓄热装置之间，第一段高温固体蓄热装置与第一段冷却器之间，第二段压缩机与第二段高温固体蓄热装置之间，第三段冷却器与储气库之间，均设有隔断阀。

进一步的，所述膨胀发电子系统中，第二段高温固体蓄热装置与第一段空气透平之间，第一段空气透平与第一段高温固体蓄热装置之间，第一段高温固体蓄热装置与第二段空气透平之间，均设有隔断阀；所述储气库与第二段高温固体蓄热装置之间设有两级隔断阀。

进一步的，所述的第一段高温固体蓄热装置为第一段压缩机和第二段空气透平共用，第一段压缩机出口管道与第二段空气透平入口管道汇总后与第一段高温固体蓄热装置相连，第一段高温固体蓄热装置出口管道分别与第一段冷却器和第一段空气透平出口相连接。

进一步的，所述的第二段高温固体蓄热装置为第二段压缩机和第一段空气透平共用，第二段压缩机出口管道与第一段空气透平入口管道汇总后与第二段高温固体蓄热装置相连，第二段高温固体蓄热装置出口管道分别与第二段冷却器和储气库出口相连接。

第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统的运行方法，包括：

储能阶段，将所述膨胀发电子系统中的隔断阀均关闭，来自大气环境中的空气经压缩机多段压缩后，经第一高温固体蓄热装置、第一冷却器、第二高温固体蓄热装置、第二冷却器、第三冷却器冷却，冷却后的高压空气经隔断阀送入储气库储存，输入的压缩空气用于建立储气库压缩空气压力，为膨胀侧提供高压的工作介质；

释能阶段，将所述空气压缩子系统中的隔断阀均关闭，来自储气库中的低温空气经第一高温固体蓄热装置、第二高温固体蓄热装置加热后，分别进入第一段空气透平、第二段空气透平膨胀做功，做功后的冷空气排入大气环境中。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明提供基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统及运行方法，基于储能阶段与释能阶段的运行特性，通过高温固体蓄热装置实现释能侧与储能侧的热量传递深度耦合，实现储换热系统集成优化，降低了储换热系统复杂程度，大幅减少了换热系统的土地占用。

2、采用高温固体蓄热装置省去了储换热系统的换热器数量和储罐，节约了储换热系统的建设成本，提高了机组的经济性，缩短了电站的投资回收期。

3、采用基于高温固体蓄热装置的储换热系统降低了建设成本，实现系统集成优化，提升压缩空气储能技术在新型储能市场中的竞争力，为其大规模应用和商业化推广创造了有利条件。

附图说明

图1一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统热力系统图；

图2一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统储能过程运行系统图；

图3一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统释能过程运行系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例介绍一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，包括：电站部分包括：压缩机100/110/120、空气透平130/140、高温固体蓄热装置710/720、冷却器230/240/250、储气库310、储热罐320/330、循环泵500/510/520等部分。

空气压缩子系统，第一段压缩机100与第一段高温固体蓄热装置710相连，中间设有隔断阀601，第一段高温固体蓄热装置710与第一段冷却器230相连，中间设有隔断阀602，第一段冷却器230与第二段压缩机110相连，第二段压缩机110与第二段高温固体蓄热装置720相连，中间设有隔断阀603，第二段高温固体蓄热装置720与第二段冷却器240相连，中间设有隔断阀604，第二段冷却器240与第三段压缩机120相连，第三段压缩机120与第三段冷却器250相连，第三段冷却器250与储气库310相连，中间设有隔断阀600。

膨胀发电子系统，储气库310与第二段高温固体蓄热装置720相连，中间设有两级隔断阀610/614，第二段高温固体蓄热装置720与第一段空气透平130相连，中间设有隔断阀613，第一段空气透平130与第二段高温固体蓄热装置710相连，中间设有隔断阀612，第一段高温固体蓄热装置710与第二段空气透平140相连，中间设有隔断阀611。

循环冷却子系统，机力塔400与循环水泵500相连，循环水泵500分别与第一段冷却器230、第二段冷却器240和第三段冷却器250壳侧入口相连，第一段冷却器230、第二段冷却器240和第三段冷却器250壳侧出口与机力塔相连。

所述的第一段高温固体蓄热装置710为第一段压缩机100和第二段空气透平140共用，第一段压缩机100出口管道与第二段空气透平140入口管道汇总后与第一段高温固体蓄热装置710相连，第一段高温固体蓄热装置710出口管道分别与第一段冷却器230和第一段空气透平130出口相连接，需要指明的是，所有管道均需要布置有隔断阀，在压缩子系统和膨胀子系统运行时，起到相互隔断的作用，规避高压空气进入未启动设备造成安全事故。

所述的第二段高温固体蓄热装置720为第二段压缩机110和第一段空气透平130共用，第二段压缩机110出口管道与第一段空气透平130入口管道汇总后与第二段高温固体蓄热装置720相连，第二段高温固体蓄热装置720出口管道分别与第二段冷却器240和储气库310出口相连接，需要指明的是，所有管道均需要布置有隔断阀，在压缩子系统和膨胀子系统运行时，起到相互隔断的作用，规避高压空气进入未启动设备造成安全事故。

需要指明的是，本发明所公开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边界参数进行选择，采用合理的段数，不局限于图中的三段压缩、两段膨胀的形式，对不同压缩和膨胀段数配置方案，均可采用本发明所公开的基于高温固体蓄热装置的储换热系统进行系统集成优化。

需要指明的是，本发明所公开的高温固体蓄热装置内的固体储热介质应优选优质、传热能力强、可耐受350℃高温的固体蓄热材料。

一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其运行方法如下：

储能阶段

储能阶段，高温固体蓄热装置与空气透平及储气库之间管道的隔断阀610、611、612、613和614均需要关闭，高温固体蓄热装置与透平部分处于隔离状态。来自大气环境中的空气经压缩机多段压缩后，经高温固体蓄热装置710/720和冷却器230/240/250冷却，冷却后的高压空气经隔断阀600送入储气库310储存，输入的压缩空气用于建立储气库压缩空气压力，为膨胀侧提供高压的工作介质。

释能阶段

释能阶段，高温固体蓄热装置与压缩机及储气库之间管道的隔断阀600、601、602、603和604均需要关闭，高温固体蓄热装置与压缩机部分处于隔离状态。来自储气库310中的低温空气经高温固体蓄热装置710/720加热后，进入透平机膨胀做功，做功后的冷空气排入大气。

实施例2

本实施例提供一种根据实施例1中任一项所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统的运行方法，包括：

储能阶段，将所述膨胀发电子系统中的隔断阀均关闭，来自大气环境中的空气经压缩机多段压缩后，经第一高温固体蓄热装置710、第一冷却器230、第二高温固体蓄热装置720、第二冷却器240、第三冷却器250冷却，冷却后的高压空气经隔断阀600送入储气库310储存，输入的压缩空气用于建立储气库压缩空气压力，为膨胀侧提供高压的工作介质；

释能阶段，将所述空气压缩子系统中的隔断阀均关闭，来自储气库310中的低温空气经第一高温固体蓄热装置710、第二高温固体蓄热装置720加热后，分别进入第一段空气透平130、第二段空气透平140膨胀做功，做功后的冷空气排入大气环境中。

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 (6)

1.一种基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其特征在于，包括空气压缩子系统、膨胀发电子系统、循环冷却子系统，其中：

所述空气压缩子系统包括按先后顺序依次连接的第一段压缩机、第一段高温固体蓄热装置、第一段冷却器、第二段压缩机、第二段高温固体蓄热装置、第二段冷却器、第三段压缩机、第三段冷却器以及储气库；

所述膨胀发电子系统包括按先后顺序依次连接的储气库、第二段高温固体蓄热装置、第一段空气透平、第一段高温固体蓄热装置以及第二段空气透平；

所述循环冷却子系统包括机力塔、循环水泵、第一段冷却器、第二段冷却器以及第三段冷却器，所述机力塔与循环水泵相连，所述循环水泵分别与第一段冷却器、第二段冷却器和第三段冷却器壳侧入口相连，所述第一段冷却器、第二段冷却器和第三段冷却器壳侧出口与机力塔相连。

2.根据权利要求1所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩子系统中，第一段压缩机与第一段高温固体蓄热装置之间，第一段高温固体蓄热装置与第一段冷却器之间，第二段压缩机与第二段高温固体蓄热装置之间，第三段冷却器与储气库之间，均设有隔断阀。

3.根据权利要求1所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀发电子系统中，第二段高温固体蓄热装置与第一段空气透平之间，第一段空气透平与第一段高温固体蓄热装置之间，第一段高温固体蓄热装置与第二段空气透平之间，均设有隔断阀；所述储气库与第二段高温固体蓄热装置之间设有两级隔断阀。

4.根据权利要求1所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其特征在于，所述的第一段高温固体蓄热装置为第一段压缩机和第二段空气透平共用，第一段压缩机出口管道与第二段空气透平入口管道汇总后与第一段高温固体蓄热装置相连，第一段高温固体蓄热装置出口管道分别与第一段冷却器和第一段空气透平出口相连接。

5.根据权利要求1所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统，其特征在于，所述的第二段高温固体蓄热装置为第二段压缩机和第一段空气透平共用，第二段压缩机出口管道与第一段空气透平入口管道汇总后与第二段高温固体蓄热装置相连，第二段高温固体蓄热装置出口管道分别与第二段冷却器和储气库出口相连接。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于高温固体蓄热装置的压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，包括：

储能阶段，将所述膨胀发电子系统中的隔断阀均关闭，来自大气环境中的空气经压缩机多段压缩后，经第一高温固体蓄热装置、第一冷却器、第二高温固体蓄热装置、第二冷却器、第三冷却器冷却，冷却后的高压空气经隔断阀送入储气库储存，输入的压缩空气用于建立储气库压缩空气压力，为膨胀侧提供高压的工作介质；

释能阶段，将所述空气压缩子系统中的隔断阀均关闭，来自储气库中的低温空气经第一高温固体蓄热装置、第二高温固体蓄热装置加热后，分别进入第一段空气透平、第二段空气透平膨胀做功，做功后的冷空气排入大气环境中。

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