CN116557091A - 具有热存储介质再平衡的双动力系统泵送热能存储 - Google Patents
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Abstract
本公开提供可用于储存和提取电能的泵送热能储存系统。本发明的泵送热能储存系统可以通过作为热泵或冷冻机操作来储存能量，由此可利用净工输入将热量从冷侧传递到热侧。该系统的工作流体能够与所述系统的热侧和冷侧上的热储存流体进行有效的热交换。系统可以通过作为热机操作来将热量从热侧传递到冷侧以提取能量，这可能导致净工输出。
Description
本申请是申请人马耳他股份有限公司于2020年11月16日提交的国际申请PCT/US2020/060700进入中国国家阶段的中国发明专利申请(申请号：202080093529.6、发明名称：泵送热电储存系统)的分案申请。
背景技术
在热机或热泵中，可采用热交换器来在热储存材料与涡轮机械一起使用的工作流体之间传递热量。热机可以是可逆的，例如，它也可以是热泵，并且工作流体和热交换器可用于将热量或低温传递到热储存介质。
发明内容
泵送热电储存(“PHES”)系统可包括至少通过闭合循环流体路径循环的工作流体，闭合循环流体路径包括至少两个热交换器、至少一个涡轮机和至少一个压缩机。在一些系统中，也可包括一个或多个回流换热器。至少两个热贮存器可容纳可通过热交换器送出的热流体，从而向工作流体提供热能和/或从工作流体提取热能。一个或多个电机/发电机可用于从系统中的热能获得功，优选地通过从接收到的来自涡轮机的机械能发电。
附图说明
图1示意性地示出泵送热电储存系统的操作原理。
图2是根据示例实施例的PHES系统的顶层示意图。
图3是根据示例实施例的PHES系统中的工作流体回路子系统的示意性流体路径图。
图3A-3D是根据示例性实施例的发电动力系统和相关联阀的示意性流体路径图。
图3E-3H是根据示例性实施例的充电动力系统和相关联阀的示意性流体路径图。
图3I-3J是根据示例性实施例的环境冷却器系统和相关联阀的示意性流体路径图。
图3K-3L是根据示例性实施例的环境冷却器系统和相关联阀的示意性流体路径图。
图3M是根据示例性实施例的库存控制系统的示意性流体路径图。
图3N是充电模式期间循环流动路径的示意性流体路径图。
图3O是发电模式期间循环流动路径的示意性流体路径图。
图4是根据示例性实施例的热侧热储存系统的示意性流体路径图。
图5是根据示例性实施例的冷侧热储存系统的示意性流体路径图。
图6A是根据示例性实施例的主热交换器系统的示意性流体路径图。
图6B是根据示例性实施例的主热交换器系统的示意性流体路径图。
图7是根据示例性实施例的发电动力(“GPT”)系统的示意图。
图8是根据示例性实施例的充电动力(“CPT”)系统的示意图。
图9是根据示例性实施例的电源接口的示意性电气图。
图10示出根据示例性实施例的PHES系统的主要操作模式。
图11是示出根据示例性实施例的PHES系统的操作状态的状态图。
图12是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图13是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图14是示出根据示例性实施例的PHES系统的发电动力状态的状态图。
图15是示出根据示例性实施例的PHES系统的充电动力状态的状态图。
图16是示出根据示例性实施例的PHES系统的发电动力阀状态的状态图。
图17是示出根据示例性实施例的PHES系统的充电动力阀状态的状态图。
图18是示出根据示例性实施例的PHES系统的环境冷却器状态的状态图。
图19是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图20是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图21是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图22是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图23是示出根据示例性实施例的PHES系统的选择操作状态和转换状态的状态图。
图24示出根据示例性实施例的可在PHES系统中实施的选择控制器。
图25是示出根据示例性实施例的PHES系统的热侧回路状态的状态图。
图26是示出根据示例性实施例的PHES系统的冷侧回路状态的状态图。
具体实施方式
如通过多个实施例所示，本文公开的泵送热电储存(“PHES”)系统、操作模式和状态是提供可调度发电和电力吸收的电网规模能量储存系统。有利地，PHES系统可以提供增加的电网稳定性和弹性。另外地或可替代地，本文所公开的实施例可实现非常快速的调度响应时间，其具有相当于天然气峰化器和循环单元的旋转储备能力，但不消耗化石燃料。本文公开的PHES系统(利用本文同样公开的热储存介质)可有利地提供安全、无毒和与地理无关的能量(例如，电能)储存替代方案。
PHES系统用作热力循环发电和/或能量储存系统。PHES系统的实施例可以用作布雷顿循环系统。可替代地或另外地，PHES系统的实施例可以用作可逆布雷顿循环系统。优选地，PHES系统可以作为闭合的工作流体回路系统运行。PHES系统可以使用一个或多个发电机和/或电机系统，发电机和/或电机系统连接到作用于系统中循环的工作流体(例如，空气)的一个或多个涡轮机和/或压缩机。
PHES系统可具有热侧和冷侧。每一侧可包括耦接到一个或多个热贮存器的一个或多个热交换器系统。PHES系统可在热侧和/或冷侧二者都或二者任一个上采用液体热储存介质。液体热储存介质优选包括在高温下稳定的液体，如熔融硝酸盐或太阳能盐，和/或在低温下稳定的液体，如甲醇/水冷却剂混合物、二醇和/或烷烃，如己烷。在一个实施例中，冷侧和热侧热储存器可分别包括例如但不限于甲醇/水冷却剂和熔融盐的液体热储存介质罐。
在充电循环(即，充电模式)期间，PHES系统充当热泵，将来自电网或其他来源的电能转换成储存在热贮存器中的热能。热泵作用可在使用工作流体(例如，空气)的闭环布雷顿循环中通过电机驱动的涡轮机械(例如，压缩机系统和涡轮机系统)来完成。
在发电循环(即，发电模式)期间，PHES系统充当热机，将来自热贮存器的所储存的热能转换成可被分配回到电网或其他负载的电能。发电期间的工作流体回路可以是闭环布雷顿循环，可以使用与充电循环相同的工作流体，可以使用与充电循环相同或不同的热交换器，并且可以使用与充电循环相同的涡轮机械，或者可以使用与充电循环不同的涡轮机械。发电涡轮机系统可驱动一个或多个电网同步的发电机。
所公开的PHES系统的实施例实现从充满电到完全放电的快速循环。
PHES系统的实施例还实现快速模式切换，使得PHES系统可以在非常短的持续时间内将模式从全负载(即，充电)切换到全发电。这对于提供旋转储备型能力以解决与太阳能(例如，光伏)发电在电网或电网区段上的高渗透相关的能量转移需求特别有用。在太阳能发电即将上线或离线的突变期间，PHES系统快速从满负载变为全力发电的能力对于帮助解决太阳能“鸭曲线”的斜率至关重要，该“鸭曲线”反映了峰值需求和可再生能源生产之间的时间不平衡。
PHES系统的实施例还实现部分调节。各种发电应用(例如，风力发电场、天然气峰值器发电厂)受益于发电和负载资产(例如PHES系统)的能力，得以基于调度信号将功率升高和从全功率降低。
图1示意性地说明PHES系统的操作原理。可通过使用一个或多个热泵和热机系统以在不同温度下的两个热储存介质的热能的形式储存电力(例如，包括热储存介质(例如热储存流体)的热能贮存器)。在充电(热泵)模式下，PHES系统可消耗功以用于将热量从冷的热介质传递到热的热介质，从而降低冷的热介质的温度并且增加热的热介质的温度。在发电(热机或放电)模式中，PHES系统可通过将热量从热的热介质传递到冷的热介质来做功，从而降低热的热介质的温度(即，显能)并且增加冷的热介质的温度。PHES系统可被配置来确保系统在发电期间做的功是充电期间消耗的能量的有利部分。低效率产生的过量热量可被输出到周围环境或外部散热器。PHES系统被配置来实现高往返效率，其在本文中定义为在发电期间由系统做的功除以充电期间由系统消耗的功。此外，PHES系统的设计允许使用期望(例如，可接受的低)成本的部件得到高往返效率。
PHES系统可以包括工作流体，在经历热力循环时将热量传入和传出该工作流体。在闭合循环中操作的PHES系统允许：例如，广泛选择工作流体、在升高的冷侧压力下操作、在较低的冷侧温度下操作、提高效率以及降低压缩机和涡轮机损坏的风险。所述的本公开的关于具有经历闭合热力循环的工作流体的PHES系统的一个或多个方面也可应用于具有经历开放或半开放热力循环的工作流体的PHES系统。
工作流体可经历在一个、两个或更多个压力水平下操作的热力循环。例如，工作流体可在系统的冷侧上的低压限值与系统的热侧上的高压限值之间的闭合循环中操作。在一些实现方式中，可使用约10个大气压(atm)或更大的低压极限。在一些情况下，低压限值可以是至少约1atm、至少约2atm、至少约5atm、至少约10atm、至少约15atm、至少约20atm、至少约30atm、至少约40atm、至少约60atm、至少约80atm、至少约100atm、至少约120atm、至少约160atm或至少约200atm、500atm、1000atm或更多。在一些情况下，可使用亚大气低压极限。例如，低压极限可以小于约0.1atm、小于约0.2atm、小于约0.5atm或小于约1atm。在一些情况下，低压限值可以是约1个大气压(atm)。在工作流体在开放循环中操作的情况下，低压限值可以是约1atm或等于环境压力。
在PHES系统的实施例中使用的工作流体可包括空气、氩气、其他惰性气体、二氧化碳、氢气、氧气或其任何组合和/或在整个工作流体回路中处于气态的其他流体。在一些实施方式中，具有高比热比的气体可用于实现比具有低比热比的气体更高的循环效率。例如，可使用氩(例如，约1.66的比热比)而不是空气(例如，约1.4的比热比)。在一些情况下，工作流体可以是一种、两种、三种或更多种流体的混合物。在一个实例中，可向工作流体(例如，氩气)中添加(具有高导热性和高比热)氦以改进热交换器中的传热速率。
PHES系统可利用热储存介质，例如一个或多个热储存流体。可替代地或另外地，热储存介质可以是固体或气体，或液体、固体和/或气体的组合。PHES系统可利用PHES系统的热侧上的热储存介质(“HTS介质”)和系统的冷侧上的热储存介质(“CTS介质”)。优选地，热储存介质每单位体积具有高热容量(例如，高于约1400焦耳(千克开尔文)-1的热容量)且具有高导热率(例如，高于约0.7瓦(米开尔文)-1的导热率)。在一些实现方式中，可以使用热侧上或冷侧上或热侧和冷侧两者上的几种不同的热储存介质。
HTS介质的操作温度和压力可完全在HTS介质的液体范围内，并且CTS介质的操作温度和压力可完全在CTS介质的液体范围内。在一些实例中，液体可实现比固体或气体更快速地交换大量热量。因此，在一些情况下，可有利地使用液体HTS和CTS介质。
在一些实现方式中，HTS介质可以是熔融盐或熔融盐的混合物。可采用在HTS介质的整个操作温度范围内为液体的盐或盐混合物。熔融盐可作为热储存介质提供许多优点，例如低蒸气压、缺乏毒性、化学稳定性、与典型钢的低反应性(例如，低于钢的蠕变温度的熔点、低腐蚀性、溶解铁和镍的能力低)和低成本。在一个实例中，HTS介质是硝酸钠和硝酸钾的混合物。在另一个实例中，HTS介质是硝酸钠和硝酸钾的共熔混合物。在另一个实例中，HTS介质是硝酸钠和硝酸钾的混合物，其具有比单个组分低的熔点、比单个组分增加的沸点或其组合。HTS介质的其他实例包括硝酸钾、硝酸钙、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸锂、矿物油或其任何组合。另外的实例包括任何气态(包括压缩气体)、液体或固体介质(例如，粉末状固体)，其具有合适(例如，高)的热储存能力和/或与工作流体一起实现合适(例如，高)的热传递速率的能力。例如，60％硝酸钠和40％硝酸钾(也称为太阳能盐)的混合物可在感兴趣的温度范围内具有约1500焦耳(开尔文摩尔)-1的热容量和约0.75瓦特(米开尔文)-1的热导率。有利地，HTS介质可在与PHES系统的单元部件中使用的结构钢兼容的温度范围内操作。
在一些情况下，在约0℃至100℃(约273K-373K)的温度和约1atm的压力下的液体水可用作CTS介质。由于在水的沸点或附近存在蒸汽可能有爆炸危险，因此可以将工作温度保持在100℃以下，同时保持1个大气压的操作压力(即不加压)。在一些情况下，CTS介质的温度操作范围可以通过使用水与一种或多种防冻化合物(例如，乙二醇、丙二醇或甘油)的混合物或水/醇混合物(例如水和甲醇)来扩展(例如，至-30℃至100℃)。
可通过增加PHES系统操作时的温热差来提高效率，例如通过使用能够在较低温度下操作的CTS介质。在一些实例中，CTS介质可包含烃，诸如例如烷烃(例如，己烷或庚烷)、烯烃、炔、醛、酮、羧酸(例如，HCOOH)、醚、环烷基、芳族烃、醇(例如，丁醇)、其他类型的烃分子或其任何组合。在一些实例中，具有低于约-150℃或约-180℃的沸点的低温液体可用作CTS介质(例如，丙烷、丁烷、戊烷、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、空气、氢气、甲烷或液化天然气，或其组合)。在一些实现方式中，CTS介质的选择可被工作流体的选择限制。例如，当使用气态工作流体时，可能需要具有至少部分或基本上高于工作流体的沸点的液体温度范围的液体CTS介质。
在一些情况下，CTS和/或HTS介质的操作温度范围可通过对热介质流体路径和储存罐加压(即，升高压力)或排出(即，降低压力)来改变，并且因此改变储存介质经历相变的温度。
HTS介质和/或CTS介质可在PHES系统的相应侧的操作温度范围的全部或至少一部分内处于液态。HTS介质和/或CTS介质可在PHES系统的各种操作模式之前、期间或之后被加热、冷却或维持以实现合适的操作温度。
PHES系统的热贮存器可结合或独立于整个PHES系统实施例的充电和发电循环，在充电模式与放电模式之间循环。在一些实例中，PHES系统的热贮存器可充满电、部分充电或部分放电或完全放电。在一些情况下，冷侧热贮存器可独立于热侧热贮器而进行充电(在本文中还是“再充电”)。此外，在一些实现方式中，热贮存器的充电(或其部分)和热贮存器的排放(或其部分)可同时发生。例如，热侧热贮存器的第一部分可在热侧热贮存器的第二部分与冷侧热贮存器一起放电时再充电。
PHES系统的实施例可以能够储存能量以持续给定量的时间。在一些情况下，给定量的能量可储存至少约1秒、至少约30秒、至少约1分钟、至少约5分钟、至少约30分钟、至少约1小时、至少约2小时、至少约3小时、至少约4小时、至少约5小时、至少约6小时、至少约7小时、至少约8小时、至少约9小时、至少约10小时、至少约12小时、至少约14小时、至少约16小时、至少约18小时、至少约20小时、至少约22小时、至少约24小时(1天)、至少约2天、至少约4天、至少约6天、至少约8天、至少约10天、20天、30天、60天、100天、1年或更长时间。
PHES系统的实施例能够储存/接收输入(并/或提取/提供输出)大量能量，以结合发电系统(例如，间歇发电系统，例如风能或太阳能)、配电系统(例如电网)和/或电网规模或独立设置中的其他负载或用途一起使用。在PHES系统的充电模式期间，从外部电源(例如，风力发电系统、太阳能光伏发电系统、电网等)接收的电力可用于在热泵模式下操作PHES系统(即，将热量从低温贮存器传递到高温贮存器，从而储存能量)。在PHES系统的发电模式期间，系统可通过在热机模式下操作(即，将热量从高温贮存器传递到低温贮存器，从而提取能量)来将电力供应到外部电力系统或负载(例如，连接到一个或多个负载、负载(例如工厂或电力密集型工艺等)的一个或多个电网)。如本文其他地方所描述，在充电和/或发电期间，系统可接收或拒绝热能，包括但不限于电磁能(例如，太阳辐射)和热能(例如，来自通过太阳辐射加热的介质的显能、燃烧热等)。
在一些实现方式中，PHES系统是电网同步的。同步可通过将系统的电机和/或发电机和/或涡轮机械的速度和频率与一个或多个与PHES系统交换能量的电网的频率匹配来实现。例如，压缩机和涡轮机可以以给定的固定速度(例如，3600转/分钟(rpm))旋转，该速度是北美电网频率的倍数(例如，60赫兹(Hz))。在一些情况下，这种配置可消除对另外的功率电子设备的需要。在一些实现方式中，涡轮机械和/或电机和/或发电机不是电网同步的。在这种情况下，可以通过使用功率电子设备来实现频率匹配。在一些实现方式中，涡轮机械和/或电机和/或发电机不是直接电网同步的，而是可以通过使用齿轮和/或机械齿轮箱来匹配。如本文其他地方更详细描述的，PHES系统还可以是功率和/或负载突变的。此类能力可使得这些电网规模的储能系统能够作为峰值发电厂和/或负荷跟随发电厂运行。在一些情况下，本公开的PHES系统可能能够作为基本负荷发电厂操作。
PHES系统的实施例可具有给定功率容量。在一些情况下，充电期间的功率容量可能不同于放电期间的功率容量。例如，PHES系统的实施例可具有小于约1兆瓦(MW)、至少约1兆瓦、至少约2MW、至少约3MW、至少约4MW、至少约5MW、至少约6MW、至少约7MW、至少约8MW、至少约9MW、至少约10MW、至少约20MW、至少约30MW、至少约40MW、至少约50MW、至少约75MW、至少约100MW、至少约200MW、至少约500MW、至少约1吉瓦(GW)、至少约2GW、至少约5GW、至少约10GW、至少约20GW、至少约30GW、至少约40GW、至少约50GW、至少约75GW、至少约100GW或更多的充电和/或放电功率容量。
PHES系统的实施例可具有给定的能量储存容量。在一个实例中，PHES系统实施例可被配置为10小时循环操作的100MW单元。在另一个实例中，PHES系统实施例可被配置为12小时循环操作的1GW工厂。在一些情况下，能量储存容量可以小于约1兆瓦时(MWh)、至少约1兆瓦时、至少约10MWh、至少约100MWh、至少约1吉瓦时(GWh)、至少约5GWh、至少约10GWh、至少约20GWh、至少50GWh、至少约100GWh、至少约200GWh、至少约500GWh、至少约700GWh或更多。
在一些情况下，给定功率容量可通过热机/热泵循环的给定尺寸、配置和/或操作条件来实现。例如，涡轮机械和/或热交换器的尺寸、涡轮机械和/或热交换器的数量或其他系统部件可对应于给定功率容量。
在一些实现方式中，给定能量储存容量可通过给定尺寸和/或数量的热侧热贮存器和/或冷侧热贮存器来实现。例如，热发动机/热泵循环可以在给定功率容量下操作由热贮存器的热储存容量设置的给定量时间。热侧热贮存器的数量和/或热储存容量可不同于冷侧热贮存器的数量和/或热储存容量。热贮存器的数量可取决于个别热贮存器的尺寸。
PHES系统的实施例可包括任何合适数量的冷侧和/或热侧热储存单元(例如，分别为CTS介质和/或HTS介质储存罐)，例如但不限于至少约1(分成两个部分)、至少约2、至少约4、至少约10、至少约50、至少约100等。在一些实例中，PHES系统的实施例包括2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100或更多个热储存单元(例如，CTS介质和/或HTS介质储存罐)。
虽然本文示出并描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，此类实施例仅作为示例提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可产生许多变体、变化和置换。应理解，可采用本文所述的本发明的实施例的各种替代方案。应理解，本发明的不同方面可单独地、集体地或彼此组合来理解。
还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的范围。应当注意，如本文所用，除非上下文另有明确规定，单数形式“一”，和“该”包括复数指示物。此外，除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
虽然本文示出并描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，此类实施例仅作为示例提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现将产生许多变体、变化和置换。应理解，可在实施本发明时采用本文所述的本发明的实施例的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并且这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物由此被覆盖。
如本文所用，术语“可逆”通常是指可逆的过程或操作。在一些实例中，在可逆过程中，能量流动的方向是可逆的。作为替代或补充，可逆过程的一般操作方向(例如，流体流动的方向)可以反转，例如从顺时针到逆时针，反之亦然。
如本文所用，术语“序列”通常是指按顺序的元件(例如，单元操作)。这样的顺序可以指工艺顺序，例如流体从一个元件流动到另一个元件的顺序。在一个实例中，按序列的压缩机、热交换单元和涡轮机包括热交换单元上游的压缩机和涡轮机上游的热交换单元。在这种情况下，流体可以从压缩机流到热交换单元并且从热交换单元流到涡轮机。流过按序列的单元操作的流体可顺序地流过单元操作。元件序列可包括一个或多个中间元件。例如，包括按序列的压缩机、热储存单元和涡轮机的系统可包括在压缩机与热储存单元之间的辅助罐。元件序列可以是循环的。
II.说明性PHES系统
图2是根据示例性实施例的PHES系统1000的顶层示意图，其中可实现本文中的PHES系统实施例。作为顶层示意图，图2中的示例性实施例PHES系统1000示出主要子系统和选定部件，但不是所有部件。进一步关于详细说明各种子系统的附加附图示出另外的部件。另外地或可替代地，在其他实施例中，可包括额外部件和/或子系统，和/或可不包括部件和/或子系统。图2进一步示出在PHES系统1000中共同工作的选定部件和子系统。图2示意性地显示选择组件和子系统如何连接，它们如何分组到主要子系统中，以及它们之间的选择互连。
在图2和图3、3A-3O、4-9中,子系统之间的连接被示出为互连，例如流体互连3、4和电气互连15、21。在流体互连、电气互连和/或部件之间示出的连接酌情反映了流体路径或电力/信号路径。例如，流体路径901连接流体互连2和流体互连3，从而允许CHX系统600与AHX系统700之间的流体流动，如下文进一步详细描述。作为另一个实例，功率/信号路径902连接电气互连15和电气互连15A，这可在功率接口2002与电机系统110之间传送功率/信号。所示路径之间的交叉点被示出为实心点。例如，在流体互连7处离开主热交换器系统300A的流体路径903在交叉点905处接合到流体互连17与流体互连23之间的流体路径904。流体路径可包括部件、连接件、阀和部件之间的管道，并且在实践中，每个流体路径可包括部件之间的单个流动路径(例如，单个管道)或多个(例如，平行)流动路径(例如，多个管道)。阀可在各种流体路径之间中断或建立流体连接，如图3所示。阀可响应于控制信号而通过致动器或其他已知装置主动地控制，或者可响应于阀处的物理条件(例如泄压装置处的超压条件)而改变状态(例如，打开至关闭)。此外，阀可以包括可变位置阀(例如，能够部分流动，例如比例阀或伺服阀)或切换阀(例如，打开或关闭)。如果示出的阀位于在实践中包括多个流动路径(例如，多个管道)的流体路径上，那么每个流动路径可连接到单个阀或可存在连接多个流动路径的多个阀。对于电力/信号路径，开关、断路器或其他装置可在各种电力/信号路径之间中断或建立电力/信号连接，例如在图9中。
PHES系统1000的主要子系统包括充电动力系统(“CPT系统”)100、发电动力系统(“GPT系统”)200、工作流体回路300、主热交换器系统300A、热侧热储存系统(“HTS系统”)501、冷侧热储存系统(“CTS系统”)601和站点集成系统2000。
在图2中，CPT系统100中所示的部件包括充电电机系统110、充电齿轮箱系统120、充电压缩机系统130和充电涡轮机系统140。取决于操作模式、状态和实施例配置，CPT系统100可通过各种互连(包括电气互连15和流体互连17、18、19和20)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统。另外，CPT系统100可包括比图2所示更多或更少的互连。CPT系统100在电气互连15处接收电力并且通过其流体互连中的一个或多个将电能转换成工作流体流。
在图2中，GPT系统200中所示的部件包括发电电机系统210、发电齿轮箱系统220、发电压缩机系统230和发电涡轮机系统240。取决于操作模式、状态和实施例配置，GPT系统200可通过各种互连(包括电气互连21和流体互连22、23、25和26)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统。另外，GPT系统200可包括比图2所示更多或更少的互连。GPT系统200通过从流经一个或多个流体互连的工作流体流中获取能量，在电气互连21处输出电能。在一些操作条件或状态中，GPT系统200还可以通过一个或多个电气互连(例如电气互连21)接收电力。
在图2中，工作流体回路300包括主热交换器系统300A，主热交换器系统300A包括回流换热器(“RHX”)系统400、热侧热交换器(“HHX”)系统500、冷侧热交换器(“CHX”)系统600和环境冷却器(热交换器)(“AHX”)系统700。取决于操作模式、状态和实施例配置，主热交换器系统300A中的部件可通过各种互连(包括流体互连1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、28和29)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统，和/或主热交换器系统300A或工作流体回路300内的其他部件。
在图2中，工作流体回路300还包括CPT系统100的充电压缩机系统130和充电涡轮机系统140，以及GPT系统200的发电压缩机系统230和发电涡轮机系统240。取决于操作模式、状态和实施例配置，工作流体回路300中的部件可通过各种互连(包括流体互连17、18、19、20、22、23、25和26)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统，和/或工作流体回路300内的其他部件。
在PHES系统1000中，工作流体回路300可充当闭合流体路径，工作流体通过该闭合流体路径循环并且在其中可维持工作流体的期望系统压力。工作流体回路300为涡轮机械(例如，充电压缩机系统130和充电涡轮机系统140，和/或发电压缩机系统230和发电涡轮机系统240)与主热交换器系统300A中的热交换器之间的工作流体提供接口。在优选实施例中，工作流体是空气。工作流体回路300的示例性实施例及其部分在图3和3A-O中示出。
工作流体回路300包括流体路径，流体路径在PHES系统1000的一些操作模式和/或状态中在充电压缩机系统130与HHX系统500之间输送高温且高压的工作流体。在其他操作模式和/或状态中，流体路径在HHX系统500与发电涡轮机系统240之间输送高温且高压的工作流体。其他配置也是可能的。这些配置会关于本文和图3和图3A-O中的操作模式和状态描述进一步详细描述。
工作流体回路300包括流体路径，流体路径在PHES系统1000的一些操作模式和/或状态中在RHX系统400与充电涡轮机系统140之间输送中温且高压的工作流体。在其他操作模式和/或状态中，流体路径在发电压缩机系统230与RHX系统400之间输送中温且高压的工作流体。其他配置也是可能的。这些配置会关于本文和图3和图3A-O中的操作模式和状态描述进一步详细描述。
工作流体回路300包括流体路径，流体路径在PHES系统1000的一些操作模式和/或状态中在充电涡轮机系统140与CHX系统600之间输送低温且低压的工作流体。在其他操作模式和/或状态中，流体路径在CHX系统600与发电压缩机系统230之间输送低温且低压工作流体。其他配置也是可能的。这些配置会关于本文和图3和图3A-O中的操作模式和状态描述进一步详细描述。
工作流体回路300包括流体路径，流体路径在PHES系统1000的一些操作模式和/或状态中在RHX系统400与充电压缩机系统130之间输送中温且低压的工作流体。在其他操作模式和/或状态中，流体路径在发电涡轮机系统240与RHX系统400之间输送中温且低压的工作流体。其他配置也是可能的。这些配置会关于本文和图3和图3A-O中的操作模式和状态描述进一步详细描述。
主热交换器系统300A通过AHX系统700促进工作流体，CTS介质，HTX介质，以及周围环境或其它散热器之间的热传递，其中工作流体循环穿过工作流体回路300，CTS介质从CTS系统601循环/循环到CTS系统601，HTX介质从HTS系统501循环/循环到HTS系统501。CTS介质通过CHX系统600在温热的CTS系统691与冷的CTS系统692之间循环，并且该循环可被称为“CTS回路”或“冷侧回路”，如进一步描述的，例如，关于图5所示的CTS系统601实施例。在优选的实施例中，CTS介质是冷却剂流体，例如甲醇和水混合物。HTS介质通过HHX系统500在温热的HTS系统591与热的HTS系统592之间循环，并且该循环可被称为“HTS回路”或“热侧回路”，如进一步描述的，例如，关于图4所示的HTS系统601实施例。在一个优选的实施例中，HTX介质是熔融盐。
在图2中，所示的CTS系统601中的部件包括冷侧热贮存器的表示，包括温热的CTS系统691和冷的CTS系统692。取决于操作模式、状态和实施例配置，CTS系统601可通过各种互连(包括流体互连1和31)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统。在图5中示出CTS系统601的示例性实施例，其包括泵和支撑流体路径、阀和其他部件。
在图2中，所示的HTS系统501中的部件包括热侧热贮存器的表示，包括温热的HTS系统591和热HTS系统592。取决于操作模式、状态和实施例配置，HTS系统501可通过各种互连(包括流体互连6和8)连接到PHES系统1000的其他部件和子系统。在图4中示出HTS系统501的示例性实施例，其包括泵和支撑流体路径、阀和其他部件。
PHES系统1000中的部件(包括但不限于阀、风扇、传感器、泵、加热器、伴热(heattrace)、断路器、VFD、工作流体压缩机等)可各自连接到电源并且可通过一个或多个控制器和/或控制系统独立地(既按比例地又可切换地，或按比例地，或可切换地)控制。另外，每个此类部件可包括通过例如有线、光学或无线连接与另一此类部件的信号连接或通过该信号连接进行通信连接。例如，传感器可传输关于工作流体在工作流体回路中的某位置处的温度的数据；并且，控制系统可接收数据并且作为响应地将信号发送到阀以关闭流体路径。通过信令进行的数据传输和部件控制在本领域中是已知的，并且在本文中未示出，除非其中特定布置是新的和/或与所公开的PHES系统特别相关，例如与图9一样。
A充电动力子系统
图8是根据示例实施例的充电动力系统100的示意图。图8提供关于CPT系统100的超出图2的顶层示意图所示细节的额外细节。CPT系统100可在本文公开的PHES系统中实施，包括图2示出的PHES系统1000实施例可在本文公开的PHES系统中操作的充电动力系统的其他实施例也是可能的。
在图8中，CPT系统100包括电机110-1，其作为图2的充电电机系统110的一部分；齿轮箱120-1，其作为图2的充电齿轮箱系统120的一部分；压缩机130-1，其作为充电压缩机系统130的一部分；以及涡轮机140-1，其作为充电涡轮机系统140的一部分。这些部件通过动力系统150连接，使得电机110-1能够驱动齿轮箱120-1、压缩机130-1和涡轮机140-1。动力系统150可包括在压缩机130-1与涡轮机140-1之间的固定连接，和/或可包括在压缩机130-1与涡轮机140-1之间的一个或多个轴、柔性联轴器、离合器和/或齿轮箱。CPT系统100还包括转动电机121-1，转动电机121-1另外能够驱动压缩机130-1和/或涡轮机140-1。在CPT系统100内，齿轮箱120-1提供电机110-1与转动电机121-1与涡轮机械之间的速度转换。在充电动力系统的其他实施例中，齿轮箱120-1可仅作用于电机110-1和121-1中的一个。可替代地或另外地，齿轮箱120-1可仅作用于电机110-1，并且另一齿轮箱(或不齿轮箱)可作用于转动电机121-1。在另一个实施例中，可省略齿轮箱120-1，因此导致无速度转换。
转动电机121-1可用于在低速(例如，“慢转”)下旋转CPT系统100涡轮机械，例如以在停机之后并且在使旋转设备休止之前冷却压缩机130-1。转动电机121-1可安装到齿轮箱120-1或动力系统150或电机110-1或其他地方，并且优选地与电机110-1相比以非常低的RPM旋转涡轮机械。转动电机121-1配备有超越离合器121-2，超越离合器121-2在离合器的动力系统150侧以比转动电机121-1更高的速度操作时松开。这导致当减速动力系统150达到转动电机121-1的速度时，转动电机121-2与动力系统150接合。转动电机121-1然后将维持慢转速度。
CPT系统100可(例如，通过电气互连15)将电力接收到子系统中，并且将电力供应到电机系统110(例如，电机110-1)和/或转动电机121-1。取决于操作模式、状态和实施例配置，并且如图2进一步所示，CPT系统100可通过电力接口2002接收电力，并且通过互连27从发电系统210和/或外源如电网或本地外部发电源(例如，发电厂、可再生能源等)接收电力。
取决于操作模式和状态，压缩机130-1可通过使用由动力系统150传输的旋转能量来提高流过压缩机130-1的工作流体的压力。例如，在充电模式期间(例如，图10中充电1002)，压缩机130-1将压缩流过它的工作流体。作为另一个实例，在慢转模式期间(例如，图15中的CPT慢转1062)，压缩机130-1尽管旋转(例如，通过来自转动电机121-1的扭矩)，但可能不会引起工作流体的压力的操作上显著增加。
压缩机130-1具有至少一个流体入口，该流体入口连接到流体互连20并且允许工作流体进入压缩机130-1的低压侧。压缩机130-1还具有至少一个流体出口，该流体出口连接到流体互连17并且允许工作流体离开压缩机130-1的高压侧。图8中所示的示意图并不意味着将CPT系统100限制到特定布置。例如，转动电机121-1可以不同的方向定向或位于其仍然能够转动动力系统150的不同位置处。作为另一个实例，涡轮机械的入口和出口可位于描绘的顶部、侧面和端部以外的侧面处。
变频驱动器(“VFD”)(例如，图9中的VFD 214)可以在CPT系统100和GPT系统200之间共享。在一个实施例中，VFD可仅用于系统的启动和慢转，并且被配置来仅在动力系统150上施加正负载。例如，VFD 214可在CPT系统100旋转期间向电机110-1提供变频功率。
取决于操作模式和状态，涡轮机140-1可减小流过涡轮机140-1的工作流体的压力(例如，通过膨胀)，并且从该减压产生的能量可转换成动力系统150中的旋转能量。涡轮机140-1具有流体入口，该流体入口连接到流体互连18并且允许工作流体进入涡轮机140-1的高压侧。涡轮机140-1还具有流体出口，该流体出口连接到流体互连19并且允许工作流体离开涡轮机140-1的低压侧。
B.发电动力子系统
图7是根据示例实施例的发电动力系统200的示意图。图7提供了关于GPT系统200的额外细节，而非图2的顶层示意图所示。GPT系统200可在本文公开的PHES系统中实施，包括图2示出的PHES系统1000实施例可在本文公开的PHES系统中操作的发电动力系统的其他实施例也是可能的。
在图7中，GPT系统200包括发电机210-1，其作为图2的发电系统210的一部分：齿轮箱220-1，其作为图2的发电齿轮箱系统220的一部分。压缩机230-1，其作为发电压缩机系统230的一部分；以及涡轮机240-1，其作为充电涡轮机系统240的一部分。这些部件通过动力系统250连接，使得发电机210-1能够由齿轮箱220-1和涡轮机240-1驱动，并且反之亦然。取决于操作模式和系统状态，发电系统210和发电机210-1可产生净正电力，该净正电力是发送到PHES系统1000外部和/或其他地方。另外，根据操作条件和状态，发电机210-1可充当电机。例如，在GPT系统200的旋转期间，发电机210-1可接收电力并驱动齿轮箱220-1和涡轮机械。动力系统250可包括在压缩机230-1与涡轮机240-1之间的固定连接，和/或可包括在压缩机230-1与涡轮机240-1之间的一个或多个轴、柔性联轴器、离合器和/或齿轮箱。
GPT系统200还包括能够驱动压缩机230-1和涡轮机240-1的转动电机221-1。在GPT系统200内，齿轮箱220-1提供发电机210-1与转动电机221-1与涡轮机械之间的速度转换。在发电动力系统的其他实施例中，齿轮箱220-1可仅作用于发电机210-1和221-1中的一个。可替代地或另外地，齿轮箱220-1可仅作用于发电机210-1，并且另一齿轮箱(或不齿轮箱)可作用于转动电机221-1。在另一个实施例中，可省略齿轮箱220-1，因此导致无速度转换。
转动电机221-1可用于在慢转下旋转GPT系统200涡轮机械，例如以在停机之后并且在使旋转设备休息之前冷却涡轮机240-1。转动电机221-1可安装到齿轮箱220-1或动力系统250或发电机210-1或其他地方，并且优选地与涡轮机械的正常操作速度相比以非常低的RPM旋转涡轮机械。转动电机221-1配备有超越离合器221-2，超越离合器221-2在离合器的动力系统250侧以更高的速度操作时松开。这导致当减速动力系统250达到转动电机221-1的速度时，转动电机221-2与动力系统250接合。转动电机221-1然后将维持慢转速度。
GPT系统200可通过电气互连21和通过电力接口2002将电力发送出子系统并且将电力接收到子系统中。取决于操作模式、状态和实施例配置，电力接口2002可通过电气互连21A从发电机210-1接收电力，并且通过电气互连27将电力发送到外源，例如电网或其他负载。电力接口2002还可将电力从电网或其他源发送到GPT系统200。电力接口2002可替代地或另外地将从GPT系统200接收的电力传送到CPT系统100。
取决于操作模式和状态，压缩机230-1可通过使用从例如涡轮机240-1由动力系统250传输的旋转能量来提高流过压缩机230-1的工作流体的压力。例如，在发电模式期间(例如，图10中的发电1004)，压缩机230-1将压缩流过它的工作流体。作为另一个实例，在慢转模式期间(例如，图14中的GPT慢转1054)，压缩机230-1尽管旋转(例如，通过来自转动电机221-1的扭矩)，但可能不会引起工作流体的压力的操作上显著增加。压缩机230-1具有流体入口，该流体入口连接到流体互连26并且允许工作流体进入压缩机230-1的低压侧。压缩机230-1还具有流体出口，该流体出口连接到流体互连22并且允许工作流体离开压缩机230-1的高压侧。图7中所示的示意图不意图将GPT系统200限制到特定布置。例如，转动电机221-1可以不同的方向定向或位于其仍然能够转动动力系统250的不同位置处。作为另一个实例，涡轮机械的入口和出口可位于描绘的顶部、侧面和端部以外的侧面处。
如先前所公开的，VFD(例如，图9中的VFD 214)，可以在CPT系统100和GPT系统200之间共享。在一个实施例中，VFD可仅用于系统的启动和慢转，并且被配置来仅在动力系统250上施加正负载。例如，VFD 214可在GPT系统200启动期间向发电机210-1提供变频功率。
取决于操作模式和状态，涡轮机240-1可减小流过涡轮机240-1的工作流体的压力(例如，通过膨胀)，并且从该减压产生的能量可转换成动力系统250中的旋转能量。在一些模式和状态中，旋转能量可用于旋转压缩机230-1和/或在发电机210-1处产生电力。涡轮机240-1具有一个或多个流体入口，该流体入口连接到流体互连23并且允许工作流体进入涡轮机240-1的高压侧。涡轮机240-1还具有流体出口，该流体出口连接到流体互连25并且允许工作流体离开涡轮机240-1的低压侧。
C.现场集成子系统
图9是根据示例性实施例的电力接口的示意性电气图，其可在现场集成子系统2000中的电力接口2002中实施。电力接口2000包括VFD 214、VFD至发电机断路器211、发电机至电网断路器212、VFD至充电电机断路器111和充电电机至电网断路器112，其中电力接口2002中的每个部件如图所示地电连接。断路器可以设置为闭合或打开模式，并且可以被远程控制。电源接口的其他实施例可包括额外的或更少的断路器、额外的或更少的VFD、不同的电连接和/或额外的部件。
为了使GPT系统200旋转，VFD至发电机断路器211可被闭合以将VFD 214连接到发电系统210(例如，发电机210-1和/或转动电机221-1)，因此从外源经由电气互连27、通过VFD 214、通过断路器211并到发电系统210传送电力。对于发电模式，发电机到电网断路器212可被闭合以通过电气互连21A和27将发电系统210(例如，发电机210-1)连接到外部电网或其他外部负载。为了使CPT系统100旋转，VFD至充电电机断路器111可被闭合以通过电气互连15A和27将VFD 214连接到CPT系统100中的电机系统110(例如，电机110-1和/或转动电机121-1)。对于充电模式，充电电机到电网断路器112可被闭合以通过电气互连15A和27将CPT系统100中的电机系统110(例如，电机110-1)连接到外部电网或其他电源。
D.主热交换器子系统
图6A和6B是主热交换器系统的示例实施例的示意性流体路径图，其可以被实施为PHES系统(例如，PHES系统1000)中的主热交换器系统。在单独的实施例中，图6A和6B提供关于主热交换器系统300A的额外细节，而不是图2的顶层示意图中所示。
图6A中的主热交换器系统390的实施例和/或图6B中的主热交换器系统391的实施例可以在PHES系统1000或其他公开的PHES系统中实施为主热交换器系统300A。其他主热交换器系统实施例也是可能的。本文中对主热交换器系统300A的引用可参考实施例390和/或391来理解。
一般来说，主热交换器系统300A由四个不同的热交换器系统组成，但所有热交换器系统在PHES系统(例如PHES系统1000)内一起操作，以为操作模式提供期望操作条件。每个热交换器系统由一个或多个热交换器单元组成，这些热交换器单元可通过歧管和/或其他流体路由系统连接。
主热交换器系统300A具有两种主要操作模式，反映了PHES系统的主要操作模式。在PHES系统发电期间(例如，图10中的发电1004)，热交换器在最大功率(操作最大值)质量流量与最大调小(操作最小值)质量流量之间的流量下在向前流动方向上操作。在这种发电模式中，热量在HHX系统500处从HTS介质传递到工作流体，在CHX系统600处从工作流体传递到CTS介质，在RHX系统400处从低压工作流体流传递到高压工作流体流，并且在AHX系统700处从工作流体传递到周围环境或其它散热器。在PHES系统充电期间(例如，图10中的充电1002)，热交换器在最大功率质量流量与最大调小质量流量之间的流量下在逆流方向上操作。在这个过程中，热量在HHX系统500处从工作流体传递到HTS介质，在CHX系统600处从CTS介质传递到工作流体，并且在RHX系统400处从高压工作流体流传递到低压工作流体流。
在一些PHES系统模式下，例如长期冷干待机1010(参见图10)，将主热交换器系统300A中的HTS介质和CTS介质排出到热贮存器(例如，CTS系统691和/或692，和/或HTS系统591和/或592)。在这种情况下，可使用伴热来确保HTS介质不冻结。
主热交换器系统300A包括CHX系统600。CHX系统600的功能是在CTS介质与工作流体之间传递热量。如图6A和图6B所示，CHX系统600的实施例可包括不同量的冷侧热交换器(“CHX”)，这取决于设计要求。CHX系统600被示出为包括冷侧热交换器600-1、600-2至600-n，其在这些示例性实施例390、391中反映至少三个CHX并且可包括多于三个CHX，尽管其他PHES系统实施例可具有小于三个CHX。在一些实施例中，如图6A和6B所示，CHX 600-1至600-n中的每一个是交叉流式热交换器。具体地，CTS介质在流体互连1与流体互连13之间流过CHX 600-1至600-n中的每一个。从外，工作流体在流体互连2与流体互连14之间流过CHX600-1至600-n中的每一个。在另一个实施例中，一个或多个CHX可以不是交叉流的，并且可以具有另一个内部流体路由布置；然而，维持互连1、13之间的CTS流和互连2、14之间的工作流体流。
如图6A和6B所示，CHX 600-1至600-n中的每一个分别相对于彼此CHX并联地连接到CTS介质和工作流体流。在另一个实施例中，一个或多个CHX可与一个或多个CHX串联连接。在另一个实施例中，CHX的一个或多个组可并联连接，并且CHX的一个或多个组可串联连接。在另一个实施例中，单个CHX和/或CHX的组可以组合成串联和并联配置的各种组合。
主热交换器系统300A包括HHX系统500。HHX系统500的功能是在HTS介质与工作流体之间传递热量。HHX系统500的实施例可包括不同量的热侧热交换器(“HHX”)，这取决于设计要求。HHX系统500被示出为包括热侧热交换器500-1、500-2至500-n，其在这些示例性实施例390、391中反映至少三个HHX并且可包括多于三个HHX，尽管其他PHES系统实施例可具有小于三个HHX。在一些实施例中，如图6A和6B所示，HHX 500-1至500-n中的每一个是交叉流式热交换器。具体地，HTS介质在流体互连6与流体互连8之间流过HHX 500-1至500-n中的每一个。另外，工作流体在流体互连7与流体互连9之间流过HHX 500-1至500-n中的每一个。在另一个实施例中，一个或多个HHX可以不是交叉流的，并且可以具有另一个内部流体路由布置；然而，维持互连6、8之间的HTS流和互连7、9之间的工作流体流。
如图6A和图6B所示，HHX 500-1至500-n中的每一个分别相对于彼此HHX并联地连接到HTS介质和工作流体流。在另一个实施例中，一个或多个HHX可与一个或多个HHX串联连接。在另一个实施例中，HHX的一个或多个组可并联连接，并且HHX的一个或多个组可串联连接。在另一个实施例中，单个HHX和/或HHX的组可以组合成串联和并联配置的各种组合。
主热交换器系统300A包括RHX系统400。RHX系统400的功能是在高压工作流体流与低压工作流体流之间传递热量。RHX系统400的实施例可包括不同量的回流换热器(“RHX”)，这取决于设计要求。在图6A和6B中，RHX系统400被示出为包括回流换热器400-1、400-2至400-n，其在这些示例性实施例390、391中反映至少三个RHX并且可包括多于三个RHX，尽管其他PHES系统实施例可具有小于三个RHX。在一些实施例中，如图6A和6B所示，RHX400-1至400-n中的每一个是交叉流式热交换器。具体地，工作流体在流体互连5与流体互连11之间流过RHX 400-1至400-n中的每一个。另外，工作流体回路的不同部分中的工作流体在流体互连10与流体互连12之间流过RHX400-1至400-n中的每一个。在另一个实施例中，一个或多个RHX可以不是交叉流的，并且可以具有另一个内部流体路由布置；然而，维持互连5、11之间的工作流体流和互连10、12之间的工作流体流。
如图6A和图6B所示，RHX 400-1至400-n中的每一个相对于彼此RHX并联地连接到工作流体流。在另一个实施例中，一个或多个RHX可与一个或多个RHX串联连接。在另一个实施例中，RHX的一个或多个组可并联连接，并且RHX的一个或多个组可串联连接。在另一个实施例中，单个RHX和/或RHX的组可以组合成串联和并联配置的各种组合。
主热交换器系统300A包括AHX系统700。AHX系统700的功能是在发电模式期间将热量从工作流体传递到周围环境或其他外部散热器。在一个实施例中，AHX系统700将仅在PHES系统发电期间(例如，图10中的发电1004)可操作。例如，在PHES系统充电期间(例如，图10中的充电1002),如本文进一步讨论的，将绕过AHX系统700。
AHX系统700的实施例可包括不同的配置和环境热交换器(“AHX”)(也称为环境冷却器)的量，这取决于设计要求。在图6A的实施例390中，AHX系统700被示出为包括环境热交换器700-1、700-2至700-n，其在这个示例性实施例中反映至少三个AHX并且可包括多于三个AHX，尽管其他PHES系统实施例可具有小于三个AHX。在优选实施例中，AHX系统700仅包括一个AHX，例如，AHX700-1。在实施例390中，如图6A所示，AHX700-1至700-n中的每一个是环境冷却器，环境冷却器将热量从在流体互连4与3之间流过AHX的工作流体排出到环境。在图6A的实施例中，不使用流体互连28、29。在图6A的实施例中，个别AHX可包括一个或多个变速风扇，一个或多个变速风扇可被控制来调节穿过AHX的环境空气流，以便达到AHX系统700的所需工作流体出口温度。如图6A所示，AHX 700-1至700-n中的每一个相对于彼此AHX并联地连接到工作流体流。在另一个实施例中，一个或多个AHX可与一个或多个AHX串联连接。在另一个实施例中，AHX的一个或多个组可并联连接，并且AHX的一个或多个组可串联连接。在另一个实施例中，单个AHX和/或AHX的组可以组合成串联和并联配置的各种组合。
在图6B的实施例391中，AHX系统700被示出为包括环境热交换器701-1、701-2至701-n，其在这个示例性实施例中反映至少三个AHX并且可包括多于三个AHX，尽管其他PHES系统实施例可具有小于三个AHX。在优选实施例中，AHX系统700仅包括一个AHX，例如，AHX701-1。在实施例391中，如图6B所示，AHX701-1至701-n中的每一个是交叉流式热交换器。具体地，散热器流体在流体互连28与流体互连29之间流过AHX701-1至701-n中的每一个。另外，工作流体在流体互连4与流体互连3之间流动通过AHX701-1至701-n中的每一个。在图4的实施例中，如图6B所示，散热器流体可以是从环境抽取和/或排到环境的环境空气，或者散热器流体可以是从散热器流体贮存器(未示出)抽取和/或被送到散热器流体贮存器(未示出)或其他散热器(未示出)(例如热废物热捕获/传递系统)的流体。在图6B的实施例391中，可调整通过AHX的散热器流体质量流量，以便达到AHX系统700的所需工作流体出口温度。如图6B所示，AHX701-1至701-n中的每一个相对于彼此AHX并联地连接到工作流体流。在另一个实施例中，一个或多个AHX可与一个或多个AHX串联连接。在另一个实施例中，AHX的一个或多个组可并联连接，并且AHX的一个或多个组可串联连接。在另一个实施例中，单个AHX和/或AHX的组可以组合成串联和并联配置的各种组合。
主热交换器系统300A，如图6A和6B的实施例所示，可分别包括作为RHX系统400和HHX系统500的一部分的伴热460和560。伴热460的功能是在各种模式和/或状态期间将流体歧管和/或其它金属质量维持在所需设定点温度下，例如以便减少敏感部件上的热梯度。伴热560的功能是在各种模式和/或状态期间将流体歧管和/或其它金属质量维持在期望设定点温度下，例如以便避免HHX系统500中的HTX介质冻结(即，相变)和/或减少敏感部件上的热梯度。伴热460和560中的每一个都可起到降低热斜率的作用，这有利于热交换器的寿命，并且允许更快的PHES系统1000启动时间。伴热460和560分别示出为附近流体互连12和9。然而，伴热460和560可位于RHX系统400和HHX系统500内的其他位置处，以便实现它们的功能。另外地或可替代地，伴热460和560可包括在RHX系统400和HHX系统500内的多个位置处的伴热，以便实现它们的功能。
E.工作流体回路子系统
图3是根据示例性实施例的可在PHES系统(例如PHES系统1000)中实现的工作流体回路300的示意性流体路径图。图3提供关于工作流体回路300的额外细节，而非图2的顶层示意图所示。一般而言，工作流体回路300包括例如由涡轮机械分隔的高压流体路径和低压流体路径、涡轮机械旁路和再循环回路、热交换器(例如，过量散热器)、阀、泄压装置、工作流体供应部件(例如，工作流体压缩机)、包括工作流体罐系统(例如，高压罐系统和低压罐系统)的库存控制系统以及用于压力、温度、流量、露点、速度和/或流体浓度的传感器。可在本文公开的PHES系统中操作的工作流体回路的其他实施例也是可能的。
图3N和图3O分别示出用于充电模式1002和发电模式1004的工作流体回路300中的工作流体的循环流动路径。粗体流体路径示出循环流动路径，并且粗体流体路径上的箭头指示循环流动方向。工作流体可驻留在其他流体路径中，但是不主动循环，因为此类其他流体路径不形成具有入口和出口(即，它们是死端)的循环回路。阀位置用表示关闭阀的填充阀图标、表示打开阀的未填充阀图标和表示可改变位置状态而不影响所示循环流动路径的阀的交叉阴影阀来指示。例如，在图3N，阀231关闭，阀131打开，并且阀242可在不影响流动路径的情况下改变位置状态。
图3所示的工作流体回路300的实施例可以在PHES系统1000内发挥许多作用。工作流体回路300可在涡轮机械与热交换器之间传送工作流体。工作流体回路300可向主热交换器系统300A提供工作流体，以用于在例如充电或发电循环期间在HTS介质与CTS介质之间传递热量。工作流体回路300可以在紧急跳闸事件期间保护涡轮机械，并且帮助压缩机防止喘振和防止过压。工作流体回路300可将其压力(例如，低压流体路径和高压流体路径中的压力)维持在用于PHES系统操作的每种模式的指定设定点以下。工作流体回路300可帮助顺利地启动和关闭PHES系统1000，包括例如在发电周期启动期间的工作流体旁流以防止VFD上的双向负载/需求。工作流体回路300可快速地降低工作流体压力，以允许在短时间间隔内进行模式切换操作。工作流体回路300可将工作流体回路压力维持处与或高于最低工作流体回路基压，例如当CHX系统600或HHX系统500被其各自的CTS或HTS介质充满时，例如以防止CTS或HTS介质泄漏到工作流体回路300中。作为控制PHES系统功率的手段，工作流体回路300可以在最小压力与工作压力(即，在充电和发电期间的压力)之间调节工作流体回路中的低侧压力。工作流体回路300可调节循环工作流体质量，例如以控制PHES系统压力、PHES系统功率，和/或补偿来自工作流体回路随时间推移的工作流体损失。
以下段落描述工作流体回路300的部件：
泄压装置101是工作流体回路300的低压低温(“LPLT”)部分上的泄压装置。它保护附近(例如高压工作流体可引入通过涡轮机械、再循环阀或旁通阀的地方)的工作流体回路的LPLT部分免受过压。
泄压装置102是工作流体回路300的低压中温(“LPMT”)部分上的泄压装置。它保护附近(例如高压工作流体可引入通过涡轮机械、再循环阀和/或旁通阀的地方)的工作流体回路300的LPMT部分免受过压。
阀119调节围绕压缩机系统130的高流量再循环流体路径，高流量再循环流体路径可被打开以例如减少和/或防止充电压缩机系统130中的喘振。例如，在充电模式操作期间或当阀131关闭时，阀119可在跳闸事件之后打开。在阀132足够大的实施例中，可以省略阀119。
阀131是充电压缩机系统130截止阀，该截止阀在关闭时，将充电压缩机系统130与工作流体回路300的高压侧隔离，例如在发电模式期间或在跳闸事件之后。阀131优选地故障关闭。阀131的益处在于其可被关闭以将压缩机系统130与大的高压工作流体体积隔离，该大的高压工作流体体积存在于阀131侧上与压缩机系统130相对的流体路径中。如果压缩机系统130(例如，压缩机130-1)在PHES系统1000中的功率损失或意外跳闸情境之后旋转减慢，那么大体积可致使压缩机系统130(例如，压缩机130-1)喘振。
阀132调节压缩机系统130周围的再循环流体路径，再循环流体路径可以被打开，在例如冷却期间(例如，在慢转期间)或模式切换之后，例如以再循环由充电压缩机系统130驱动的工作流体。阀132可表现出缓慢的响应时间并且优选地故障打开。故障打开的好处是阀故障不阻止压缩机系统130冷却，这有利于防止对压缩机系统130的损坏。
热交换器132H是由阀132调节的再循环流体路径中的散热器，并且例如在充电模式操作结束后从再循环通过充电压缩机系统130的工作流体中移除热量(例如，移除至周围环境)。
阀133是位于充电压缩机系统130和隔离阀131的下游的工作流体倾泻阀。阀133可以例如用于在某些事件(例如，充电模式1002期间的跳闸事件)期间减小压缩机130的出口附近的工作流体压力。打开阀133将工作流体倾泻到周围环境或工作流体贮存器(未示出)，并且减小压缩机130的出口附近的工作流体压力，这有利地减小压缩机系统130喘振的风险。
阀141是充电涡轮机系统140截止阀，该截止阀在关闭时，将充电涡轮机系统140与工作流体回路300的高压侧隔离，例如在发电模式期间或在跳闸事件之后。阀141优选地故障关闭。阀141的益处是，其可结合关闭阀131关闭，以防止工作流体质量从主工作流体回路300的高压侧移动到工作流体回路300的低压侧，这可导致工作流体回路300在压力上平衡到大于回路的低压侧中的部件的压力额定值的稳定压力。
阀142调节围绕充电涡轮机系统140的再循环流体路径，再循环流体路径可以被打开，在例如转动(例如，慢转)期间或模式切换之后，例如以再循环通过涡轮机系统140的工作流体。阀142可表现出缓慢的响应时间并且优选地故障打开。阀142的益处在于，其可以被打开以防止在关闭阀141时，进料涡轮机系统140的入口压力大幅下降到低于涡轮机系统140的出口压力，这是有益的，因为它防止涡轮机系统140在压力差的典型设计规范之外操作。
当阀142打开时，风扇142F可被操作来通过由阀142控制的再循环回路提供工作流体通过涡轮机140的再循环流。例如，当旋转涡轮机系统140不产生通过涡轮机系统140的可感知的工作流体流并且因此经历风阻时，这是有益的。风扇142可被打开以通过再循环回路产生通过涡轮机系统140的工作流体流以减轻风阻。
阀222调节例如在发电模式期间可以打开的旁通流体路径，以提供围绕RHX系统400和HHX系统500的高压侧的工作流体旁通路径，从而允许一定量的工作流体流动通过旁通流体路径，而不是通过RHX系统400和HHX系统500。打开阀222(优选地结合关闭阀231和241)移除供应至涡轮机系统240的能量(呈热压缩工作流体的形式)，从而使涡轮机系统240匮乏。有利地，例如当GPT系统200经历负载损失事件(例如，来自电网)或跳闸事件时，阀222可以打开。关闭阀231和241以及222的打开可共同防止由于涡轮机系统240超速而导致GPT系统200的超速。
阀229调节旁通流体路径，旁通流体路径可被打开以提供围绕RHX系统400、HHX系统500和涡轮机系统240的高压侧的高流量工作流体旁通路径，从而允许一定量的工作流体流动通过旁通流体路径而不是通过RHX系统400、HHX系统500和涡轮机系统240。有利地，阀229可以被打开以在发电模式的启动期间减少负载并且防止发电涡轮机系统240在发电模式的启动期间产生大量功率。打开阀229减少发电机系统210(例如，充当电机的发电机210-1)在发电模式启动期间所需的净负载。打开阀229通过减少压缩机系统230处的出口压力来减少压缩机系统230的功率需求。开启阀229还使涡轮机系统240的大部分流体流匮乏，使得涡轮机系统240不产生比压缩机系统230大得多的功率。通过保持来自发电机系统210(例如，充当电机的发电机210-1)的低但净正的电力需求，意味着向发电机系统210供应电力的VFD(例如，VFD214)可以在启动/旋转加速期间维持速度控制。打开阀229还提供高流量流体路径以防止压缩机系统230中的喘振，例如，在脱离发电模式操作的跳闸事件之后及当阀231关闭时。
阀231是发电压缩机系统230截止阀，该截止阀在关闭时，在充电模式操作期间或在跳闸事件之后，将发电压缩机系统230与工作流体回路的高压侧隔离。阀231优选地故障关闭。阀231的益处在于其可被关闭以将压缩机系统230与大的高压工作流体体积隔离，该大的高压工作流体体积存在于阀231侧上与压缩机系统230相对的流体路径中。如果压缩机系统230(例如，压缩机230-1)在PHES系统1000中的功率损失或意外跳闸情境之后旋转减慢，那么大体积可致使压缩机系统230(例如，压缩机230-1)喘振。
阀232调节发电压缩机系统230周围的再循环流体路径，再循环流体路径可以被打开，在例如转向或模式切换之后，例如以再循环由发电压缩机系统230驱动的工作流体。阀232可表现出缓慢的响应时间并且优选地故障打开。阀232故障打开的益处是，其允许涡轮机械温度在故障时平衡；例如，在停机后旋转模式期间的故障允许冷却压缩机系统230的热部分和加热压缩机系统230的入口侧。
阀241是发电涡轮机系统240截止阀，该截止阀在关闭时，在例如充电模式操作期间或在跳闸事件之后，将发电涡轮机系统240与工作流体回路300的高压侧隔离。在实际效果中，关闭阀241可使涡轮机系统240匮乏并且防止GPT系统200超速。阀241优选地故障关闭。阀241的益处是可以被关闭以隔离高压工作流体源(高压工作流体源可以在例如电网负载损失事件期间继续驱动涡轮机系统240)，否则可能导致GPT系统200的超速事件。
阀242调节围绕发电涡轮机系统240的再循环流体路径，再循环流体路径可以被打开，在例如冷却(例如，慢转期间)期间或模式切换之后，例如以再循环通过涡轮机系统240的工作流体。阀242可表现出缓慢的响应时间并且优选地故障打开。阀242故障打开的好处是，如果阀242故障，那么通过故障打开，其允许GPT系统200在GPT系统200关闭之后冷却旋转。冷却旋转可以防止涡轮机械中的旋转部件弯曲。阀242故障打开的另一个益处是，当故障打开时，GPT系统200可在发电(例如，模式1004)或慢转(例如，模式1006)期间继续工作，尽管由于打开阀242创建工作流体的排出路径而在发电期间效率降低。
热交换器242H是由阀242调节的再循环流体路径中的散热器，并且从再循环通过涡轮机系统240的工作流体去移除量(例如，至周围环境)。
当阀142打开时，风扇242F可被操作来通过由阀242控制的再循环回路提供工作流体通过涡轮机240的再循环流。例如，当旋转涡轮机系统240不产生通过涡轮机系统240的可感知的工作流体流并且因此经历风阻时，这是有益的。风扇242可被打开以通过再循环回路产生通过涡轮机系统240的工作流体流，以减轻风阻和/或用于在例如慢转期间冷却涡轮机系统240。
阀323调节旁通流体路径，旁通流体路径可例如在充电模式期间打开，以提供围绕AHX系统700的工作流体旁通路径，从而允许一定量的工作流体流过旁通流体路径而不是通过AHX系统700。有利地，开口阀323(优选地结合闭合阀324(如果存在，以及阀325))使AHX系统700周围的工作流体转向，从而在不希望从工作流体倾泻热量时(例如在充电模式操作期间)减少工作流体回路300压力下降。阀323可表现出缓慢致动时间并且优选地故障打开。有利地，阀323优选地故障打开，使得如果工作流体阀324(如果存在，以及阀325)关闭或将故障关闭，工作流体回路300可维持流动。如果阀323和阀324(如果存在，或阀325)两者都关闭，那么工作流体回路300中的工作流体循环将停止并且工作流体流的损失可损坏试图循环工作流体的涡轮机械。另外，如果阀323故障打开，那么它允许PHES系统1000继续操作，尽管在一些模式下效率损失。在工作流体回路的替代实施例中，阀323可在发电模式中在离开互连5的流体路径与进入互连4的流体路径的接合处与阀324组合，作为两位三通阀以实现与两个阀323，324相同的效果.
阀324是隔离阀，隔离阀在关闭时，例如在充电模式期间，使AHX系统700与通过AHX系统700的工作流体循环隔离。如果存在阀325，那么阀324和325两者都可关闭，以例如在充电模式和/或服务期间将AHX系统700与工作流体完全隔离。阀324可以表现出缓慢的致动时间，并且优选地故障到当前位置或者可替代地故障打开。有利地，如果阀324故障到当前位置，那么PHES系统1000可继续其当前操作。可替代地，阀324可被指定为出于关于阀323的上述原因而故障打开。
阀325是隔离阀，隔离阀在关闭时，例如在充电模式期间，使AHX系统700与通过AHX系统700的工作流体循环隔离。阀325可表现出缓慢致动时间，并且优选地故障到当前位置。有利地，如果阀325故障到当前位置，那么PHES系统1000可继续其当前操作。在替代实施例中，阀325可从工作流体回路300中省略。图3K、3L及其对应的公开说明了那个实施例。在省略阀325的这个替代实施例中，关闭阀324和打开阀323将导致工作流体不循环通过AHX系统700，并且代之通过阀323绕过AHX系统700。然而，省略阀325意味着AHX系统700不能与工作流体回路300完全隔离，因为其将遇到驻留的工作流体。
过滤器301是用于工作流体压缩机303工作流体过滤器(或预过滤器)，该过滤器301提供对从外源进入工作流体回路300的工作流体的过滤，例如当空气是工作流体时对环境空气，或用于储存在外部工作流体补给贮存器(未示出)中的工作流体。如果工作流体压缩机303也含有过滤器，则过滤器301可充当预过滤器。
阀302是工作流体压缩机303进料阀，进料阀在打开时为工作流体压缩机303提供从周围环境或外部工作流体补给贮存器(未示出)抽取工作流体的能力。当关闭时，阀302为工作流体压缩机303提供从工作流体回路300(例如，从排出管线通过穿过阀304或阀305的流体路径)抽取工作流体的能力。
工作流体压缩机303是补给工作流体压缩机。当激活时，工作流体压缩机303可根据阀状态为库存控制系统(“ICS”)300B储存罐系统310和/或320提供工作流体。另外地或可替代地，当激活时，工作流体压缩机303可以根据阀状态，在工作流体通过泄漏或排气而失去的情况下补充工作流体回路300。另外地或可替代地，当激活时，工作流体压缩机303可根据阀状态排空工作流体回路300以将压力降低到当将工作流体回路300压力降低到用于启动的稳定压力下时ICS300B阀布置可实现的压力以下。这是有益的，因为当一个动力系统(例如，CPT系统100或GPT系统200)已经旋转减慢并且另一个动力系统正在旋转加速时，优选部分地排空工作流体回路300以便降低工作流体回路300压力。例如，如果PHES系统1000即将退出充电模式1002并且CPT系统100刚刚旋转减速，那么希望降低工作流体回路300压力，使得GPT系统200可开始旋转加速。则“稳定”压力可被解释为，如果允许工作流体质量从工作流体回路300的高压侧移动到工作流体回路300的低压侧，工作流体回路300中的所得压力直到两侧上的压力平衡点。另外地或可替代地，当激活时，工作流体压缩机303可根据阀状态通过将工作流体质量从工作流体回路300的低压侧泵送到高压罐系统320，以抵消ICS 300B的功能中的滞后。
阀304是在工作流体回路300的低压侧排出流体路径上的用于工作流体压缩机303的进料阀。阀304在打开时，将工作流体回路300的低压侧连接到工作流体压缩机303，以用于将工作流体从工作流体回路300抽取进入ICS 300B高压罐系统320中。
阀305是用于工作流体压缩机303的在工作流体回路300的高压侧排出流体路径上的进料阀。阀305在打开时，将工作流体回路300的高压侧连接到工作流体压缩机303，以用于将工作流体从工作流体回路300抽取进入ICS 300B高压罐系统320中。
阀308是工作流体回路300的低压侧上的排出阀。当阀308打开时，允许工作流体回路300中的工作流体被排空到环境或外部工作流体补给储存器(未示出)。阀308主要用于工作流体回路300的维修，但也可用于与发电模式1004、充电模式1002或其他操作相关的库存控制目的(例如，减少工作流体回路300中的工作流体质量)。
泄压装置309是ICS 300B低压侧泄压装置，其保护工作流体回路300中的低压流体路径免受过压，例如靠近高压工作流体由ICS 300B(例如，通过阀322)引入低压流体路径的地方。
低压罐系统310是ICS 300B罐系统，ICS 300B罐系统包括一个或多个将工作流体储存在低压(例如，小于高压罐系统320中的压力，和/或小于工作流体回路300的高压侧中的压力)下的罐。工作流体可从例如工作流体回路300移动到低压罐系统310中。工作流体可从低压罐系统310释放到例如工作流体回路300中。优选地，罐系统310包括内置泄压装置。
阀311是ICS 300B HP-LP阀，ICS300B HP-LP阀例如在打开时允许高压工作流体从工作流体回路300的高压侧释放到低压罐系统310中。阀311可以是例如用于控制PHES系统1000功率斜率的受控比例阀。
阀312是ICS 300B LP-LP阀，ICS 300B LP-LP阀例如在打开时允许低压工作流体在低压罐系统310与工作流体回路300的低压侧之间移动。
阀314是工作流体回路300的高压侧上的排出阀。当阀314打开时，允许工作流体回路300中的工作流体被排空到环境或外部工作流体补给储存器(未示出)。阀314主要用于工作流体回路300的维修，但也可用于与发电模式1004、充电模式1002或其他操作相关的库存控制目的(例如，减少工作流体回路300中的工作流体质量)。
阀318是工作流体回路300的高压侧上的倾泻阀。阀318在打开时允许工作流体回路300的高压侧中的工作流体倾泻到ICS 300B低压罐系统310，从而降低工作流体回路300中的压力。有利的是，这与通过阀308或314排空工作流体相反，保留了过滤的工作流体。虽然类似地布置在ICS 300B中，但是阀318可不同于阀311。阀318可以是快速切换(即，“砰砰”)阀且/或可以大于阀318。这有利于以比阀311可实现的快得多的速率将高压工作流体从工作流体回路300移动到低压罐系统310中，这对于某些模式转换或跳闸事件可能是优选的。
泄压装置319是ICS 300B高压侧泄压装置，其保护工作流体回路300中的高压流体路径免受过压。
高压罐系统320是ICS 300B罐系统，ICS 300B罐系统包括一个或多个将工作流体储存在高压(例如，高于低压罐系统310中的压力，和/或高于工作流体回路300的低压侧中的压力)下的罐。工作流体可从例如工作流体回路300的高压侧通过ICS 300B阀(例如，阀321)和/或工作流体压缩机303移动到高压罐系统320中。工作流体可通过ICS 300B阀(例如，阀322)从高压罐系统320释放到例如工作流体回路300的低压侧中。优选地，高压罐系统320包括内置泄压装置。
阀321是ICS 300B HP-HP阀，ICS 300B HP-HP阀例如在打开时允许高压工作流体在工作流体回路300的高压侧与高压罐系统320之间移动。
阀322是ICS300B LP-HP阀，ICS300B LP-HP阀例如在打开时允许高压工作流体从高压罐系统320释放到工作流体回路300的低压侧中。
传感器119S、130S、131S、132S、140S、141S、142S、229S、230S、231S、232S、240S、241S、242S、324S、325S、361S、362S、363S、364S、365S、366S和367S是可向控制和/或监测PHES系统1000条件的一个或多个控制系统提供压力、温度、流量、露点和/或流体浓度数据中的一个或多个的监测和报告装置。
传感器303S是可以向控制和/或监测PHES系统1000条件的一个或多个控制系统提供压缩机速度、压力、温度和/或流量数据中的一个或多个的监测和报告装置。
传感器310S和320S是可向控制和/或监测PHES系统1000条件的一个或多个控制系统提供压力、温度、露点和/或流体浓度数据中的一个或多个的监测和报告装置。
阀401调节例如在发电模式期间可以打开的旁通流体路径，以提供围绕RHX系统400和AHX系统700的低压侧的工作流体旁通路径，从而允许一定量的工作流体流动通过旁通流体路径，而不是通过RHX系统400和AHX系统700。有利地，阀401可结合阀222、323、324(和325，如果存在的话)使用以减轻打开阀222的负面影响。在例如发电模式1004期间，打开阀222(且阀231、241关闭)将导致涡轮机系统240的出口温度快速下降。这导致涡轮机系统240下游的较冷的工作流体的循环，如果较冷的工作流体被允许进入那些热交换器中，那么循环可能冲击(并且可能损坏)下游的RHX系统400和AHX系统700。因此，作为实例，当阀222打开时，阀401也可以被打开，并且优选地阀323、324(和325，如果存在的话)可以被关闭，使得来自涡轮机系统240的较冷的工作流体流围绕RHX系统400和AHX系统700而绕过并且改为流向期待较冷的工作流体CHX系统600的入口。
HP/LP工作流体路径
在工作流体回路300中，高压流体路径在充电和发电压缩机系统130、230的下游以及充电和发电涡轮机系统140、240的上游(即，分别在充电和发电压缩机系统130、230的出口与充电和发电涡轮机系统140、240的入口之间)。低压流体路径在充电和发电涡轮机系统140、240的下游以及充电和发电压缩机系统130、230的上游(即，分别在充电和发电涡轮机系统140、240的出口与充电和发电压缩机系统130、230的入口之间)。
例如，高压流体路径在CPT系统100压缩机系统130出口与CPT涡轮机系统140入口之间。在图3和3N中，该高压流体路径涵盖流体互连17、7、9、10、12和18。参考图3N中粗体示出的循环流动路径，压缩机系统130下游的该高压流体路径的涵盖流体互连17、7、9、10并结束于RHX系统400的部分可另外被认为是高压高温(例如，HP-HT)流体路径。类似地，RHX系统400下游该高压流体路径的涵盖流体互连12、18并且结束于涡轮机系统140的入口处的部分可另外被认为是高压中温(例如，HP-MT)流体路径。
另一个高压流体路径在GPT系统200压缩机系统230出口与GPT涡轮机系统240入口之间。在图3和3O中，该高压流体路径涵盖流体互连22、12、10、9、7和23。参考图3O中粗体示出的循环流动路径，压缩机系统230下游的该高压流体路径的涵盖流体互连22、12并结束于RHX系统400的部分可另外被认为是高压中温(例如，HP-MT)流体路径。类似地，RHX系统400下游该高压流体路径的涵盖流体互连10、9、7、23并且结束于涡轮机系统240的入口处的部分可另外被认为是高压高温(例如，HP-HT)流体路径。
作为另一个实例，低压流体路径在CPT系统100涡轮机系统140出口与CPT压缩机系统130入口之间。在图3和3N中，该低压流体路径涵盖流体互连19、14、2、5、11和20。参考图3N中粗体示出的循环流动路径，涡轮机系统140下游的该低压流体路径的涵盖流体互连19、14、2、5并结束于RHX系统400的部分可另外被认为是低压低温(例如，LP-LT)流体路径。类似地，RHX系统400下游该低压流体路径的涵盖流体互连11、20并且结束于压缩机系统130的入口处的部分可另外被认为是低压低温(例如，LP-LT)流体路径。
另一低压流体路径在GPT系统200涡轮机系统240出口与压缩机系统230入口之间。在图3和3O中，低压流体路径涵盖流体互连25、11、5、4和3(取决于AHX系统700旁通状态)、2、14和26。参考图3O中粗体示出的循环流动路径，涡轮机系统240下游的该低压流体路径的涵盖流体互连25、11并结束于RHX系统400的部分可另外被认为是低压中温(例如，LP-MT)流体路径。类似地，RHX系统400下游该低压流体路径的涵盖流体互连5、4和3(取决于AHX系统700旁通状态)2、14、26并且结束于压缩机系统230的入口处的部分可另外被认为是低压中温(例如，LP-MT)流体路径。
动力系统隔离
阀131和阀141可在发电模式1004期间关闭以隔离CPT系统100涡轮机械。阀231和阀241可在充电模式1002期间关闭以隔离GPT系统200涡轮机械。如上所述，这些隔离阀131、141、231、241优选是故障关闭阀，并且优选它们可以快速关闭以在跳闸事件期间帮助保护涡轮机械。
AHX系统隔离
AHX系统700可以将工作流体中的过量热量排出到环境中。在一些实施例中，可仅在发电期间(例如，模式1004)通过工作流体回路300从PHES系统1000排出过量热量。由于涡轮机械的低效率，在充电(例如，模式1002)和发电(例如，模式1004)期间都会产生因低效率而产生的过量热量。在充电模式(例如，模式1002)期间不排出过量热量的实施例中，过量热量累积并且导致例如更高的CTS介质690温度。在发电模式(例如，模式1004)期间排出过量热量的实施例中，充电模式低效率和发电模式低效率导致的过量热量可通过AHX系统700从工作流体回路300去除。
因此，在优选实施例中，希望提供模式可切换的工作流体散热系统，该系统可以在发电模式1004期间激活并且在充电模式1002期间被绕过，或者在另一个实施例中反之亦然。在工作流体回路300中，如图3、3N、3O所示，阀布置允许激活或绕过AHX系统700，这取决于模式(例如，模式1002、1004或如关于例如图11进一步所述的其他模式，转换，或状态)在发电模式期间，一组三个阀323、324、325引导工作流体流过AHX系统700，如图3O所示，并且在充电模式期间引导工作流体绕过AHX系统700，如图3N所示。为了在发电模式期间引导工作流体流穿过AHX系统700，阀323可以关闭并且阀324和325打开。相反，为了绕过AHX系统700，阀323可以打开并且阀324和325可以关闭。图3I和3J及其对应的公开进一步示出AHX系统700的旁通状态和活动状态。可替代地，在另一个实施例中，可省略阀325，并且阀323和324用于提供模式可切换的散热系统，如本文进一步示出和描述并且关于图3K和3L。
库存控制系统
库存控制是指对工作流体回路300的高压侧和低压侧中的工作流体的质量和相应压力的控制，其可被控制以影响例如PHES系统1000的发电和充电特性。工作流体循环300内的工作流体库存的控制可以利用图3所示的部件实现，并且该部件另外在图3M中示出为ICS300B。一个或多个控制器，例如图24所示，可参与和/或指导控制。使用库存控制，PHES系统1000的功率优选地通过调整工作流体回路300的低压侧中的工作流体压力来调节。
在库存控制的一个实例中，使用高压罐系统和低压罐系统以及相关联的阀来控制工作流体回路300中循环的工作流体的量。高压罐系统320可包括用于保持工作流体的一个或多个流体罐，该高压罐系统320可通过阀321连接到高压工作流体路径并且通过阀322连接到低压工作流体路径。低压罐系统310可包括一个或多个流体罐，该低压罐系统320可通过阀311连接到高压工作流体路径并且通过阀312连接到低压工作流体路径。四个阀311、312、321和322可用于控制罐系统310、320与工作流体回路300中的低压或高压流体路径之间的工作流体流动的方向，从而有效地允许添加或移除循环通过工作流体回路300的工作流体。
ICS 300B还包括可将工作流体添加到系统的补给工作流体压缩机303。工作流体回路300作为闭合回路操作；然而，工作流体可能随着时间的推移而失去或由于操作决定或硬件保护相关的操作(例如在超压条件下的工作流体的排出)而故意失去。通过经由工作流体过滤器301添加外部工作流体，可以将工作流体添加到工作流体回路300。为了使外部工作流体进入高压罐系统320中，工作流体压缩机303用于将外部工作流体加压至大于高压罐系统320(或大于高压罐系统320中的至少一个罐)的压力。在工作流体是空气的实施例中，可通过过滤器301引入环境空气并且用压缩机303加压。在其他实施例中，外部工作流体补给贮存器(未示出)可向过滤器301或压缩机303供应工作流体。
在库存控制的另一个实例中，在PHES系统1000中的正常关闭或跳闸事件之后，在CPT动力系统100或GPT动力系统200启动之前，优选地将工作流体回路300中的压力带到较低压力。这是有益的，因为如果在某些模式转换之前不降低工作流体回路300的高压流体路径中的高压，那么遍及工作流体回路300的所得稳定压力将需要工作流体回路300中的低压流体路径被设计成在充电或发电模式期间以比低压流体路径中的典型操作压力更高的压力工作。因此，如果工作流体可在旋转减速(例如，转换到热转模式1006和/或慢转状态)期间从工作流体回路300移除，那么低压管道和部件可用于工作流体回路300的低压流体路径中，从而允许在PHES系统设计中减少资本投资。因此，期望使循环工作流体质量降低，使得工作流体回路300中的稳定压力不超过工作流体回路300中的典型低侧压力。
在一个实例中，工作流体回路300压力减小可通过使用工作流体压缩机303来实现，以通过阀305从高压流体路径获取工作流体，或通过阀304从低压流体路径获取工作流体，优选地一次一个，并且将工作流体推入高压罐系统320中。另外地或可替代地，阀311或318可用于从高压流体路径缓慢或快速地将压力排出到较低压力罐系统310中。
在另一个实例中，ICS 300B包括至少一个排出阀308，至少一个排出阀308可被控制来从工作流体回路300的低压侧排出工作流体，以及遍及工作流体回路300中的泄压装置，以提供免受过压的保护。
在另一个实例中，ICS 300B包括至少一个排出阀314，至少一个排出阀308可被控制来从工作流体回路300的高压侧排出工作流体，以及遍及工作流体回路300中的泄压装置，以提供免受过压的保护。
动力系统旁路/再循环回路
对于每个涡轮机械动力系统(例如，CPT动力系统100和GPT动力系统200)，存在工作流体再循环和旁通回路。再循环回路特征为允许工作流体从部件的出口再循环回到部件的入口的可切换闭环工作流体路径。例如，再循环回路可在热转期间围绕压缩机系统使用。在这个实例中，工作流体从压缩机系统出口返回到压缩机入口而不是通过主热交换器，从而允许压缩机系统在压缩机系统从高流量操作(例如，充电模式1002或发电模式1004)转换到低流量操作(例如，热转模式1006)之后逐渐冷却。
旁通回路可被表征为可切换闭环工作流体路径，可切换闭环工作流体路径将工作流体传送到环绕主工作流体回路300中的一个或多个部件。例如，在从发电模式1004转换到跳闸模式1012期间，可在高流量期间激活旁通回路。旁通回路可将高流量工作流体从发电压缩机系统出口远离热交换器并且传送到发电涡轮机系统入口。在跳闸事件(例如，模式1012)期间当涡轮机械的喘振是风险时，以及在涡轮机械启动期间当期望降低启动功率时，旁通回路是有益的。
对于CPT系统100，通常关闭的阀119可打开围绕充电压缩机系统130的优选高流量旁通回路。这有利于例如防止在来自充电模式的跳闸事件期间在充电压缩机系统130中出现喘振。
对于CPT系统100，通常关闭的阀132可打开围绕充电压缩机系统130的再循环回路。阀132再循环回路可被激活以允许循环并且还有通过热交换器132的工作流体的冷却。阀132再循环回路可具有比阀119再循环回路更低的流量能力。阀132再循环回路可是有益的，例如在CPT系统100的热转模式期间。
对于CPT系统100，通常关闭的阀142可打开围绕充电涡轮机系统140的再循环回路，以允许例如在CPT系统100的热转模式期间的再循环。如前所述，风扇142F可辅助该再循环回路中的工作流体流动。
对于GPT系统200，通常关闭的阀229可打开优选的高流量旁通流体路径，高流量旁通流体路径从发电压缩机系统230的出口到发电涡轮机系统240的出口流体路径，以降低GPT系统200处的启动功率。将工作流体传送通过阀229旁通回路减小压缩机系统230和涡轮机系统240中的每一个的功率值，并且因此减小GPT系统200的净功率值。实际上，阀229旁通回路在GPT系统200中产生有限的匮乏效应。对涡轮系统240的影响大于对压缩机系统230的影响。因此，打开阀229旁通回路可使涡轮机系统240的动力生产保持小于压缩机系统230的动力消耗。因为这确保了净电力输入需求，所以发电机系统110在旋转加速持续期间仍然必须充当电机。有益的是，这维持了VFD对旋转加速过程的控制。作为另一个益处，打开阀229旁通回路可在跳闸事件期间提供喘振保护。
对于GPT系统200，通常关闭的阀232可在例如用于GPT系统200的热转模式1006期间打开围绕发电压缩机系统230的再循环回路，以提供工作流体循环通过发电压缩机系统230。
对于GPT系统200，通常关闭的阀242可打开围绕发电涡轮机系统240的再循环回路。此再循环回路可被激活以允许循环并且还有再循环通过热交换器242H的工作流体的冷却，从而冷却发电涡轮机系统240。这在例如GPT系统200的热转模式1006期间是有益的。
对于GPT系统200，通常关闭的阀222可被打开以提供围绕RHX系统400和HHX系统500的高压侧的工作流体旁路路径。关于阀222和阀401在上文进一步描述了这一点。
其它再循环和旁通阀可在PHES系统(例如PHES系统1000)中实施，以提供部件的防喘振、预防超速、预防超压、起动负载减少和低热斜率的功能。
F.热侧热储存子系统
图4是根据示例性实施例的可在PHES系统(例如PHES系统1000)中实现的热侧热储存系统的示意性流体路径图。可在本文公开的PHES系统中操作的HTS系统的其他实施例也是可能的。图4提供了图2的顶层示意图所示的之外的关于HTS系统501的额外细节。一般而言，HTS系统501包括HTS介质罐、HTS介质流体路径、泵、阀和加热器。HTS系统501能够在两个(或更多个)储存罐之间来回运输HTS介质590，以允许温热的HTS介质590的充电(即，添加热能)或HTS介质590的放电(即，提取热能)。加热器可用于确保HTS介质590为PHES系统1000的预期操作条件而保持处于液相。
HTS系统，例如图4所示的HTS系统501的实施例可以在PHES系统(如PHES系统1000)内发挥众多作用。HTS系统可确保HTS介质590在PHES系统1000的所有操作模式期间保持处于液相。HTS系统可将HTS介质590流递送到HHX系统500以在PHES系统1000的充电模式操作期间(例如，模式1002)将热量储存在HTS介质590中。HTS系统可将HTS介质590流传送到HHX系统500以在PHES系统1000的发电模式操作期间(例如，模式1004)将热量从HTS介质590提供到工作流体。HTS系统可将HTS介质590从PHES系统1000排出到至少一个储存罐中。HTS系统可以排放HTS介质590流体路径中的残留气体。HTS系统可以保护流体路径和部件免受过度增压。当HHX系统500因服务或HTS系统和/或PHES系统1000的热再平衡而断开时，HTS系统可以将其自身与其他PHES1000子系统隔离。HTS系统可维持HHX系统500中的HTS介质590的压力小于HHX系统500处的工作流体回路300中的工作流体压力，例如以防止HTS介质泄漏到工作流体回路300中。
在图4所示的HTS系统的实施例中，HTS系统501包括两个罐：用于储存温热的HTS介质590(例如，在大约270℃下)的温热的HTS罐510和用于储存热的HTS介质590(例如，在大约560℃下)的热的HTS罐520。在其他实施例中，可以使用不止一个罐来增加温热的HTS储存装置591和/或热的HTS储存装置592的储存容量。每个HTS罐510、520具有泵、浸没加热器和传感器。
在HTS系统501中，温热HTS泵530在PHES充电模式1002期间从温热HTS罐510循环HTS介质590，通过流体互连8，通过HHX系统500，通过流体互连6，并且到达热HTS罐520，其中HTS介质590从HHX系统500的工作流体侧吸收热量。热HTS泵540在PHES系统发电模式1004期间从热HTS罐520循环HTS介质590，通过流体互连6，通过HHX系统500，通过流体互连8，并且到热HTS罐510，其中HTS介质590向HHX系统500的工作流体侧提供热量。
在HTS系统501中，可在必要时致动HTS系统501中的阀以绕过HHX系统500，以便将HTS罐510、520与PHES系统1000的其余部分隔离和/或促进HTS回路和/或PHES系统的热平衡。促进平衡的能力可有利于例如维持PHES系统充电与发电循环之间的热平衡。希望在充电期间(例如，充电模式1002)从温热HTS罐510转移到热HTS罐520的HTS介质590的质量随后在发电期间(例如，发电模式1004)从热HTS罐520转移回到温热HTS罐510，并且反之亦然。然而，在充电和发电循环期间，由于例如整个PHES系统1000的不均匀热损失而对HTS介质流量的扰动可导致在循环之间传递的不均匀质量的HTS介质590。如果发生这种情况，则HTS介质590从温热HTS罐510直接转移到热HTS罐520，或反之亦然，可用于在充电或发电循环的开始或结束时重平衡HTS介质590质量。
在HTS系统501中，阀可被致动以在必要时将流体路径(包括HHX系统500)中的HTS介质590排出到一个或多个罐中。
在HTS系统501中，可在整个流体路径中使用伴热以避免在HTS系统501的填充期间和/或在热转模式1006或热待机模式1008期间形成固体HTS介质590，其中可能不存在通过流体路径的HTS介质590的显著流动。
以下段落描述了HTS系统501的部件：
温热HTS罐510是用于储存温热HTS介质590的罐。在其它实施例中，可存在另外的温热HTS罐。
传感器510S、520S是可分别向控制和/或监测PHES系统1000中的条件的一个或多个控制系统提供罐510、520中的HTS介质590的温度和/或液位数据的监测和报告装置。
阀511是旁通阀，旁通阀为HTS介质590提供流动路径以直接进入温热罐510，从而在阀557关闭时绕过泵530。
例如，加热器512向温热HTS罐510中的HTS介质590提供热量，以确保其保持为液体形式。
热HTS罐520是用于储存热HTS介质590的罐。在其它实施例中，可存在另外的热HTS罐。
阀521是旁通阀，旁通阀为HTS介质590提供流动路径以直接进入热罐520，从而在阀558关闭时绕过泵540。
例如，加热器522向热罐520中的HTS介质590提供热量，以确保其保持为液体形式。
通气器装置529允许环境空气在HTS介质590随温度膨胀和收缩时进出罐顶部空间。
温热HTS泵530在充电模式操作期间通过HHX系统500将HTS介质590从温热HTS罐510递送到热HTS罐520。取决于阀状态，泵530可替代地或另外地通过旁通阀551绕过HHX系统500将HTS介质590递送到热HTS罐520，以用于平衡目的。在其它实施例中，可存在另外的温热HTS泵。
热HTS泵540在发电模式操作期间通过HHX系统500将HTS介质590从热HTS罐520递送到温热HTS罐510。取决于阀状态，泵540可替代地或另外地通过阀551绕过HHX系统500将HTS介质590递送到温热HTS罐510，以用于平衡目的。在其它实施例中，可存在另外的热HTS泵。
阀551是HHX系统500旁通阀，其提供允许HTS介质590在绕过HHX系统500的同时在HTS罐510、520之间行进的流体流动路径。
传感器551S、552S是可以向控制和/或监测PHES系统1000中的条件的一个或多个控制系统提供温度、流量和/或压力数据的监测和报告装置。
阀552是排出阀，排水阀提供用于将HTS介质590排入或排出温热罐510的流体流动路径。
阀553是排出阀，排水阀提供用于将HTS介质590排入或排出热罐520的流体流动路径。
阀554是止回阀，其用作气体释放阀，以允许HTS系统501中的累积气体迁移到罐510、520中任一个或两个中的罐盖气体空间。
阀555是HHX系统500隔离阀，其限制HTS介质590通过互连8在HHX系统500与HTS系统501之间流动。
阀556是HHX系统500隔离阀，其限制HTS介质590通过互连6在HHX系统500与HTS系统501之间流动。
阀552、553、555和556可全部关闭以将HHX系统500与HTS系统501中的HTS介质590隔离。
阀557是温热的CTS泵530出口阀，其可被打开以允许CTS介质590从温热的CTS泵530流动或被关闭以防止流入热的CTS泵530的出口。
阀558是热CTS泵540出口阀，其可被打开以允许CTS介质590从热CTS泵540流动或被关闭以防止流入热CTS泵540的出口。
伴热560可被激活以在PHES系统1000的各种模式和/或状态期间维持流体路径和/或其他金属质量在足以使HTS介质590保持在液相的温度和/或期望设定点温度，以便减少敏感部件上的热梯度和/或减少PHES系统1000模式与状态之间的转换时间。有利地，伴热560可降低热斜率，这有利于部件的寿命，并且允许更快的启动时间。伴热560被示出为接近流体互连8并且在HTS系统501的温热罐510侧上。然而，伴热560可位于HTS系统501内的其他位置处，以便实现其功能。另外地或可替代地，伴热560可包括在HTS系统501内的多个位置处的伴热，以便实现其功能。
HTS系统的操作
在PHES系统1000发电模式1004期间，HTS系统501被配置成使得用泵540以固定和/或可控速率将热HTS介质590从热HTS罐520通过HHX系统500递送到温热HTS罐510。在发电期间，来自热HTS介质590的热量通过HHX系统500传递到工作流体。在给定PHES系统1000功率下的HTS介质590的额定发电流可以是的CTS介质690的发电流的函数，以维持库存平衡。
在PHES系统1000充电模式1002期间，HTS系统501被配置成使得用泵530以固定或可控速率将温热HTS介质590从温热HTS罐510递送到热HTS罐520。在充电期间，温热的HTS介质590通过HHX系统500从热的工作流体吸收热量。在给定PHES系统1000功率下的HTS介质590的额定充电流可以是CTS介质690的充电流的函数，以维持库存平衡。
在一些PHES系统1000模式(例如长期冷干待机)下，热侧回路(例如，HTS系统501、HHX系统500和中间流体路径)中的HTS介质590需要排出到HTS罐510和/或520。在这种情况下，优选地，使用热罐510中的加热器512来确保HTS介质590保持为液体形式。优选地，例如，热HTS泵540可用于通过HHX系统500旁路管线(例如，通过阀551)和阀511将热HTS介质590从热HTS罐520转移到温热HTS罐510。可替代地，温热HTS泵530可用于通过HHX系统500旁路管线(例如，通过阀551)和阀521将温热HTS介质590从温热HTS罐510转移到热HTS罐520。热HTS罐520中剩余的HTS590介质也可以使用加热器522保持在液体状态。
在某些操作模式下，可以通过关闭阀552、553、555和556、打开阀551以及使用泵530或540来绕过HHX系统500，以致使HTS介质590在HTS罐510与520之间流动。例如，可以绕过HHX系统500以单独地平衡HTS罐510、520之间的热能含量和/或平衡HTS系统501与CTS系统601之间的总热能。
G.冷侧热储存子系统
图5是根据示例性实施例的可在PHES系统(例如PHES系统1000)中实现的冷侧热储存系统的示意性流体路径图。可在本文公开的PHES系统中操作的CTS系统的其他实施例也是可能的。图5提供了图2的顶层示意图所示之外的关于CTS系统601的额外细节。一般而言，CTS系统601包括CTS介质罐、CTS介质流体路径、泵、阀和惰性气体供应。CTS系统601能够在两个(或更多个)储存罐之间来回运输CTS介质690，以允许CTS介质690的充电(即，移出热能)或CTS介质690的放电(即，添加热能)。在PHES系统1000充电模式操作期间，CTS介质690将热量存放至CHX系统600内的工作流体。在PHES系统1000发电模式操作期间，CTS介质690从CHX系统600内的工作流体吸收热量。
CTS系统，例如图5所示的CTS系统601可以在PHES系统(如PHES系统1000)内发挥众多作用。CTS系统可将CTS介质690流递送到CHX系统600以在PHES系统1000的充电模式(例如，模式1002)操作期间提供热量。CTS系统可将CTS介质流690递送到CHX系统600以在PHES系统1000的发电模式(例如，模式1004)操作期间吸收热量。CTS系统可将CTS介质690排出到至少一个储存罐中。CTS系统可以排放CTS介质690流体路径中的残留气体。CTS系统可以保护流体路径和部件免受过度增压。当CHX系统600因服务或热再平衡断开时，CTS系统601可将其自身与其他PHES1000子系统隔离。CTS系统可通过惰性气体覆盖层将CTS介质690与周围环境隔离。CTS系统可维持CHX系统600中的CTS介质690的压力小于CHX系统600处的工作流体回路300中的工作流体压力，例如以防止CTS介质泄漏到工作流体回路300中。CTS系统601可在操作期间监测CTS介质690的健康。
在图5所示的实施例中，CTS系统601包括两个罐：用于储存温热CTS介质690(例如，在大约30℃下)的温热CTS罐610和用于储存冷CTS介质690(例如，在大约-60℃下)的冷CTS罐620。在其他实施例中，可以使用不止一个罐来增加温热的CTS储存装置691和/或冷的CTS储存装置692的储存容量。在CTS系统601中，每个CTS储存装置691、692分别具有泵系统639、649。
在CTS系统601中，温热泵630在PHES1000充电模式1002期间从温热CTS罐610循环CTS介质690，通过流体互连1，通过CHX系统600，通过流体互连13，并且循环到冷CTS罐620，其中CTS介质690向CHX系统600的工作流体侧提供热量。冷泵640在PHES系统1000发电模式1004期间从冷CTS罐620循环CTS介质690，通过流体互连13，通过CHX系统600，通过流体互连1，并且循环到温热的CTS罐610，其中CTS介质690从CHX系统600的工作流体侧吸收热量。
CTS系统601中的阀可在必要时致动以绕过CHX系统600，以便将CTS储存装置691、692与PHES系统1000的其余部分隔离和/或促进CTS回路的平衡。促进平衡的能力可有利于例如维持PHES系统充电与发电循环之间的热平衡。希望在充电期间(例如，充电模式1002)从温热CTS罐610转移到冷CTS罐620的CTS介质的质量随后在发电期间(例如，发电模式1004)从冷CTS罐620转移回到温热CTS罐610。然而，在充电和发电循环期间，由于例如整个PHES系统1000的不均匀热损失而对CTS流量的扰动可导致在循环之间传递的不均匀质量的CTS介质690。如果发生这种情况，则CTS介质690从温热CTS罐610直接转移到冷CTS罐620，或反之亦然，可用于在充电或发电循环的开始或结束时重平衡CTS介质690质量。
在CTS系统601中，阀可被致动以在必要时将流体路径(包括CHX系统600)中的CTS介质690排出到一个或多个罐中。
在CTS系统601的实施例中，CTS泵630、640中的一个或两个能够双向流动。有利地，反向泵送可用于在CTS回路中提供主动减压，这可用于将CHX系统600中的CTS介质690压力保持在CHX系统600中的工作流体压力之下。此工作流体正压力条件(相对于CTS介质690)有益地防止任何CTS介质泄漏到工作流体回路300中(例如，通过破裂的热交换器芯)。
以下段落描述CTS系统601的部件：
阀602是CHX系统600隔离阀，其限制CTS介质690通过互连13在CHX系统600与CTS系统601之间流动。
阀603是CHX系统600隔离阀，其限制CTS介质690通过互连1在CHX系统600与CTS系统601之间流动。
阀602、603都可以关闭以将CHX系统600与CTS系统601中的CTS介质690隔离。
阀605是CHX系统600旁通阀，其提供允许CTS介质690在绕过CHX系统600的同时在CTS罐610、620之间行进的流体流动路径。
温热CTS罐610是用于储存温热CTS介质690的罐。
传感器610S、620S是可分别向控制和/或监测PHES系统1000中的条件的一个或多个控制系统提供罐610、620中的HTS介质690的温度和/或液位数据的监测和报告装置。
阀611是将温热CTS罐610与CTS回路隔离的隔离阀。
泄压装置619通过CTS罐610、620的顶部空间之间的气体流体路径来保护CTS罐610、620免受过度增压。
冷CTS罐620是用于储存冷CTS介质690的罐。
阀621是将冷CTS罐620与CTS回路隔离的隔离阀。
惰性气体贮存器622是惰性气体(例如氮气)的贮存器，可作为覆盖气体以覆盖罐610、620中的CTS介质690。
阀623是惰性气体流体路径阀，惰性气体流体路径阀可控制惰性气体从惰性气体贮存器622到CTS罐620、621的顶部空间的流动，CTS罐620、621的顶部空间通过气体流体路径连接。阀623可用于调节CTS罐610、620内的惰性气体覆盖层的压力。
阀624是惰性气体吹扫阀，其可控制加压惰性气体流入冷侧回路CTS介质690流体路径中以吹扫CTS介质690的那些流体路径。
在PHES系统1000的充电模式操作期间(例如，模式1002)，温热CTS泵630将CTS介质690通过CHX系统600从温热CTS罐610递送到冷CTS罐620。取决于阀状态，出于平衡目的，泵630可替代地或另外经由阀605绕过CHX系统600将CTS介质690递送到冷CTS罐620。在其它实施例中，可存在另外的温热CTS泵。
阀631是当关闭时可隔离泵630的温热泵630隔离阀，例如在PHES系统1000发电模式期间,当CTS介质690从冷CTS罐620流动到温热泵CTS罐610时。在泵630是双向的并且反向操作的实施例中，阀631可在发电模式期间打开以允许CTS回路中的主动减压。
阀632是温热的CTS泵630旁通阀，其在例如PHES系统1000的发电模式操作(例如，模式1004)期间或CTS系统601中的CTS介质690的平衡期间围绕泵630提供流动路径。
阀633是温热泵630隔离阀，当与温热泵出口阀631一起关闭时，其允许在不使用泵时，对温热泵630进行维修,例如在PHES系统1000发电模式期间,在CTS介质690通过泵630旁通阀632流向温热罐610时。
温热CTS泵系统639和冷CTS泵系统649分别示出用于温热CTS储存装置691和冷CTS储存装置692的各自的CTS介质690泵送系统。
在PHES系统1000的发电模式操作期间(例如，模式1004)，冷泵640将CTS介质690通过CHX系统600从冷CTS罐620递送到温热CTS罐610。取决于阀状态，泵640可替代地或另外地通过阀605绕过CHX系统600将CTS介质690递送到温热CTS罐620，以用于平衡目的。在其它实施例中，可存在另外的冷CTS泵。
阀641是当关闭时可隔离泵640的冷泵640隔离阀，例如在PHES系统1000充电模式期间，当CTS介质690从温热CTS罐610流动到冷泵CTS罐620时。在泵640是双向的并且反向操作的实施例中，阀641可在发电模式期间打开以允许CTS回路中的主动减压。
阀642是冷CTS泵640旁通阀，其在例如PHES系统1000的充电模式操作(例如，模式1002)期间或CTS系统601中的CTS介质690的平衡期间围绕泵640提供流动路径。
阀643是冷泵640隔离阀，当与冷泵出口阀641一起关闭时，其允许在不使用泵时，对冷泵640进行维修,例如在PHES系统1000充电模式期间,在CTS介质690可通过泵640旁通阀642流向冷罐620时。
传感器661S、662S、663S、664S、665S、666S、667S、668S是可以向控制和/或监测PHES系统1000中的条件的一个或多个控制系统提供温度、流量和/或压力数据的监测和报告装置。
阀682是止回式排气阀，其允许残留在CTS回路流体路径(例如，CTS系统601和CHX系统600)中的CTS介质690气体排出到CTS罐610、620的覆盖气体区域，但是防止气体或流体从CTS罐流回CHX系统600。
CTS系统的操作
在PHES系统1000充电模式1002期间，温热泵630以固定或可控速率从温热CTS罐610通过CHX系统600递送冷CTS介质690至冷CTS罐620。在充电期间，来自温热的CTS介质690的热量通过CHX系统600传递到工作流体。在给定PHES系统1000功率下的CTS介质690的额定充电流可以是HTS介质590的充电流的函数，以维持库存平衡。冷CTS泵640可用于通过将CTS介质690从CHX系统600抽取以降低CHX系统600处的压力。
在PHES系统1000发电模式1004期间，冷泵640以固定或可控速率从冷CTS罐620通过CHX系统600递送冷CTS介质690至温热CTS罐610。在给定PHES系统1000功率下的CTS介质690的额定发电流可以是HTS介质590的发电流的函数，以维持库存平衡。温热冷却液泵630可用于通过将CTS介质690从CHX系统600抽取以降低CHX系统600处的压力。
在一些PHES系统100模式(例如长期冷干待机)下，冷侧回路(例如，CTS系统601、CHX系统600和中间流体路径)中的CTS介质690需要排出到CTS罐610和/或620。例如，冷泵640可用于经由通过旁通阀605的流体路径将冷罐620中的冷CTS介质690传递到温热罐610。
在某些操作模式下，可以通过关闭阀602、603和打开阀605，并且使用泵630和/或640来致使CTS介质690在CTS罐610与620之间流动，从而绕过CHX系统600。例如，可以绕过CHX系统600以单独地平衡CTS罐610、620之间的热能含量和/或平衡CTS系统601与HTS系统501之间的总热能。
III.PHES系统的操作模式和状态
本文公开PHES系统的各种操作模式和状态，其中的每个都可以在示例性PHES系统1000中实现。
A.主要操作模式
本文中的PHES系统(包括PHES系统1000)可转换通过许多操作模式。每个主要操作模式可关于PHES系统中的部件和子系统的特定状态来描述。另外，每个主要操作模式具有相关联的有源寄生负载和准备时间。所公开的PHES系统的示例性主要操作模式在图10中示出。
图10示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的主要操作模式。主要操作模式包括充电1002、发电1004、热转1006、热待机1008、冷干待机1010和跳闸1012。图10进一步示出模式之间的优选转换，如模式之间的方向箭头所指示。例如，在一个实施例中，PHES系统(诸如PHES系统1000)可从充电1002转换为热转1006转换为热待机1008转换为冷干待机1010。在另一实例中，PHES系统(诸如PHES系统1000)可从充电1002转为热转1006转为发电1004。
冷干式待机模式1010。在这种主要操作模式中，对于给定实施例，热贮存器有效地离线并且相关联的热储存介质处于其最低实际热能状态。在具有液体热储存的实施例中，热储存介质可排出至其各自的罐并且不循环通过PHES系统的其余部分。在具有热侧液体热储存介质(例如，熔融盐)的实施例中，热侧液体热储存介质可保持在最低温度以防止冻结，其可包括有源加热以维持此最小实际热能状态。在具有冷却剂作为冷侧液体热储存介质的实施例中，冷却剂可保持在或接近周围环境温度。在一些实施例中，PHES系统基础结构的其余部分也可以保持在温度或接近周围环境温度。在一些实施例中，工作流体回路中的压力可保持在或接近周围环境压力或处于最小工作流体压力P待机。在一个实施例中，P待机是低于工作压力的工作流体回路(例如，工作流体回路300)中的压力(例如，在充电或发电模式1002、1004期间)，但相对于HTS介质或CTS介质热交换器系统(例如，HHX系统501或CHX系统601)中的任何相反侧压力，仍足以确保正压。维持P待机有利地防止任何HTS介质或CTS介质泄漏到工作流体回路中(例如，通过破裂的热交换器芯)。
在冷干待机模式1010中，PHES系统实现其最低有源寄生负载。在一些实施例中，不存在显著的寄生载荷。在一些实施例中，加热热侧液体热储存介质以防止冻结是有源寄生负载。在一些实施例中，将工作流体压力维持在大于环境压力的P待机是有源寄生负载。
在所公开的PHES系统(包括PHES系统1000)的实施例中，与其他模式转换为充电模式1002或发电模式1004相比，在冷干待机模式1010与充电模式1002或发电模式1004(经由热待机模式1008)之间转换的准备时间是相对较长的时间。
热待机模式1008。在这种主要操作模式中，热交换器用热储存介质填充。在一些实施例中，热侧和/或冷侧热交换器分别用HTS和/或CTS介质部分地或完全地填充。在液体热储存介质的情况下，热储存介质可以或可以不连续地流过热交换器，优选以非常低的流量。一个或多个热侧热交换器(例如，HHX系统500)升温至高于周围环境温度。在一些实施例中，伴热或其他加热器(例如，加热器512、522)用于加热HTS介质，这进而使热侧热交换器升温。升温的热侧热交换器可以处于或接近其充电或产生模式的稳态温度，或者可以处于其稳态温度和周围环境温度之间的中间温度。CPT系统(例如，CPT系统100)和GPT系统(例如，GPT系统200)处于零RPM或基本上零RPM(例如，不转，从先前状态暂时旋转降低至最终零RPM，仅由对流电流引起无实质转动，和/或没有来自电机的扭矩输入)。在一些实施例中，工作流体回路中的最小压力保持在P待机，尽管工作流体回路(例如，工作流体回路300)中的压力在进入热待机模式1008时最初可能更高，这取决于PHES系统所从中转换的先前模式。
在热待机模式中，所公开的PHES系统的实施例可经历来自在热储存介质上工作的加热器的有源寄生负载。在一些实施例中，伴热是有源的，以将热储存介质保持在或接近稳态温度。在一些实施例中，将工作流体压力维持在P待机是有源寄生负载。
在所公开的PHES系统(包括PHES系统1000)的实施例内并且有利地，在热待机模式1008与充电模式1002或发电模式1004之间转换的准备时间相对较短。例如，该准备时间可小于从冷干待机模式1010转换到充电模式1002或发电模式1004的准备时间的10％。
热转模式1006。在这种主要操作模式中，CPT系统和/或GPT系统中的一个或都是慢转的(即，CPT和/或GPT涡轮机械以最小速度旋转)。在一个优选实施例中，慢转涡轮机械使用再循环和/或旁通流体回路(诸如本文公开的实例)来使工作流体循环通过慢转涡轮机械。
在所公开的PHES系统(包括PHES系统1000)的实施例内并且有利地，在热转模式1006与充电模式1002或发电模式1004之间转换的准备时间比在热待机模式1008与充电模式1002或发电模式1004之间转换的准备时间短。
充电模式1002。在这种主要操作模式中，CPT系统涡轮机械连接到电网，并且优选地以电网速度操作，即，CPT系统以某个RPM操作，该RPM使电机系统与所连接的电网的操作频率同步。在一些实施例中，GPT系统处于处于零RPM或基本上零RPM(例如，不转，从先前状态暂时旋转降低至最终零RPM，仅由对流电流引起无实质转动，和/或没有来自电机的扭矩输入)。在一些实施例中，GPT系统处于转动速度。在充电模式中，热储存介质基本上处于稳态温度，并且一个或多个控制系统控制可通过例如控制工作流体的压力来调节所公开的PHES系统的功率消耗。在另一个实施例中，一个或多个控制系统可以控制穿过主热交换器系统的CTS介质和/或HTS介质流量和/或压力以调节所公开PHES系统的功率消耗。在另一个实施例中，一个或多个控制系统控制工作流体和/或CTS介质的压力和/或HTS介质流量和/或压力以调节所公开PHES系统的功率消耗。
在充电模式中，有源寄生负载包括用于热交换器系统和任何相关联的流体回路的支撑系统、用于CPT系统的支撑系统以及在一些实施例中，如果发电动力系统正在转动，用于GPT系统的支撑系统。
有利的是，所公开的PHES系统的实施例可在满功率与显著减少的功率消耗水平之间非常快速地使充电模式1002的功率消耗上升(反之亦然)。另外，在所公开的PHES系统(包括PHES系统1000)的实施例内并且有利地，在充电模式1002与发电模式1004之间(或反之亦然)经由热转模式1006转换的准备时间比在热待机模式1008与充电模式1002或发电模式1004之间转换的准备时间短。
发电模式1004。在这种主要操作模式中，GPT系统连接到电网，并且优选地以电网速度操作，即，GPT系统以某个RPM操作，该RPM使发电机系统与所连接的电网的操作频率同步。在一些实施例中，充电动力系统处于处于零RPM或基本上零RPM(例如，不转，从先前状态暂时旋转降低至最终零RPM，仅由对流电流引起无实质转动，和/或没有来自电机的扭矩输入)。在一些实施例中，CPT系统处于转动速度。在发电模式中，热储存介质基本上处于稳态温度下。在发电模式中，热储存介质基本上处于稳态温度，并且一个或多个控制系统控制可通过例如控制工作流体的压力来调节所公开的PHES系统的发电。在另一个实施例中，一个或多个控制系统可以控制通过主热交换器系统的CTS介质和/或HTS介质流量和/或压力，以调节所公开PHES系统的发电。在另一个实施例中，一个或多个控制系统控制工作流体和/或CTS介质的压力和/或HTS介质流量和/或压力以调节所公开PHES系统的发电。
在发电模式中，有源寄生负载包括用于热交换器系统和任何相关联的流体回路的支撑系统、用于GPT系统的支撑系统以及在一些实施例中，如果充电动力系统正在转动，用于CPT系统的支撑系统。
有利的是，所公开的PHES系统的实施例可在低功率和全功率之间非常快速地提升发电模式1004的发电(反之亦然)。
跳闸模式1012。此主要操作模式是从跳闸事件恢复的状态。此模式可包括动力系统(例如，CPT系统100、GPT系统200)中的一个或多个从其先前控制的(例如，热转和/或稳态)速度旋转降低至更慢或基本上零转速。在一些实施例中，这种模式还可包括排出工作流体以管理工作流体压力和/或在设计和/或安全工作限制内维持工作流体压力。
在跳闸模式中，有源寄生负载将与跳闸模式之前的任何模式一致，除非有源寄生负载也跳闸到具有有源寄生负载的较低(或较高)负载的故障安全条件下。从跳闸模式1012退出到另一模式的PHES系统准备状态将根据启动跳闸事件而变化。
B.PHES系统操作状态和转换状态
操作状态
图11是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的操作状态的状态图。图11反映了图10所示的主要操作模式，其包括模式之间的优选转换，如模式之间的方向箭头所指示。图11进一步添加关于状态条件的额外细节。操作状态被示出为图11中的方框中的标题。这些状态中的一些代表三种常见操作模式的不同版本(即，热转1006、充电1002和发电1004)，并且解释非主要动力系统可在其中操作(例如，慢转或非慢转)的替代配置。图11所示的PHES系统操作状态是PHES系统花费大量时间的“保持状态”。
充电(GPT基准)1014是充电模式1002操作状态，其中GPT系统(例如，GPT系统200)处于具有低活动或无活动的基准水平。与GPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于GPT系统不旋转)。CPT系统(例如，CPT系统100)处于充电模式，其中CPT涡轮机以稳态(即，操作)速度旋转。与CPT系统相关联的阀门被配置用于CPT涡轮机械的稳态旋转，包括连接到高压工作流体路径。热侧回路被配置为使HTS介质通过HHX系统(例如，HHX系统500)从温热HTS系统(例如，温热HTS系统591)流到热HTS系统(例如，热HTS系统592)。冷侧回路被配置为使CTS介质通过CHX系统(例如，CHX系统600)从温热CTS系统(例如，温热CTS系统691)流到冷CTS系统(例如，冷CTS系统692)。绕过工作流体的环境冷却(例如，AHX系统700)。
发电(CPT基准)1016是发电模式1004的操作状态，其中CPT系统(例如，CPT系统100)处于具有低活动的基准水平。与CPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于CPT系统不旋转)。GPT系统(例如，GPT系统200)处于发电模式，其中GPT涡轮机械以稳态(即，操作)速度旋转。与GPT系统相关联的阀被配置用于GPT涡轮机械的稳态旋转，包括连接到高压工作流体路径。热侧回路被配置为使HTS介质从热HTS系统(例如，热HTS系统592)流到温热HTS系统(例如，温热HTS系统591)。冷侧回路被配置为使CTS介质从冷CTS系统(例如，冷CTS系统692)流到温热CTS系统(例如，温热CTS系统691)。工作流体的环境冷却(例如，AHX系统700)在工作流体循环通过AHX系统700时起作用。
充电(GPT慢转)1026是充电模式1002操作状态，其中GPT系统(例如，GPT系统200)是慢转的(即，GPT涡轮机械以最小速度旋转)。与GPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过GPT系统。CPT系统(例如，CPT系统100)处于充电模式，其中CPT涡轮机械以操作速度旋转。与CPT系统相关联的阀门被配置用于CPT涡轮机械的稳态旋转，包括连接到高压工作流体路径。热侧回路被配置为使HTS介质从温热的HTS系统(例如，温热的HTS系统591)流到热的HTS系统(例如，热的HTS系统592)。冷侧回路被配置为使CTS介质从温热的CTS系统(例如，温热的CTS系统691)流动到冷的CTS系统(例如，冷的CTS系统692)。绕过工作流体的环境冷却(例如，AHX系统700)。
发电(CPT慢转)1028是发电模式1004操作状态，其中CPT系统(例如，CPT系统100)是慢转的(即，CPT涡轮机械以最小速度旋转)。与CPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过CPT系统。GPT系统(例如，GPT系统200)处于发电模式，其中GPT涡轮机械以操作速度旋转。与GPT系统相关联的阀被配置用于GPT涡轮机械的稳态旋转，包括连接到高压工作流体路径。热侧回路被配置为使HTS介质从热HTS系统(例如，热HTS系统592)流到温热HTS系统(例如，温热HTS系统591)。冷侧回路被配置为使CTS介质从冷CTS系统(例如，冷CTS系统692)流到温热CTS系统(例如，温热CTS系统691)。工作流体的环境冷却(例如，AHX系统700)在工作流体循环通过AHX系统700时起作用。
热转(CPT慢转)1018是热转模式1008操作状态，其中CPT系统(例如，CPT系统100)是慢转的(即，CPT涡轮机械以最小速度旋转)。与CPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过CPT系统。GPT系统(例如，GPT系统200)处于低活动的基准水平。与GPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于GPT系统不旋转)。热侧循环和冷侧循环处于待机状态，其中HTS介质和CTS介质驻留在相关联的热交换器和热介质循环流体路径中(例如，分别为HHX系统500和CHX系统600)。根据需要打开热侧回路上的伴热，以保持HTS介质处于液相。将环境热交换器系统(例如，AHX系统700)设置为活动状态。AHX阀被设置来允许工作流体循环通过AHX系统，但是由于动力系统处的工作流体的再循环和/或基准状态，实际上可能没有工作流体循环通过AHX系统。在AHX系统没有工作流体循环的情况下，AHX系统的风扇关闭。
热转(GPT慢转)1022是热转模式1008操作状态，其中GPT系统(例如，GPT系统200)是慢转的(即，GPT涡轮机械以最小速度旋转)。与GPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过GPT系统。CPT系统(例如，CPT系统100)处于低活动的基准水平。与CPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于CPT系统不旋转)。热侧循环和冷侧循环处于待机状态，其中HTS介质和CTS介质驻留在相关联的热交换器和热介质循环流体路径中(例如，分别为HHX系统500和CHX系统600)。根据需要打开热侧回路上的伴热，以保持HTS介质处于液相。将环境热交换器系统(例如，AHX系统700)设置为活动状态。AHX阀被设置来允许工作流体循环通过AHX系统，但是由于动力系统处的工作流体的再循环和/或基准状态，实际上可能没有工作流体循环通过AHX系统。在AHX系统没有工作流体循环的情况下，AHX系统的风扇关闭。
热转(CPT+GPT慢转)1020是热转模式1008操作状态，其中GPT系统(例如，GPT系统200)是慢转的(即，GPT涡轮机械以最小速度旋转)并且CPT系统(例如，CPT系统100)是慢转的(即，CPT涡轮机械以最小速度旋转)。与GPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过GPT系统。与CPT系统操作相关联的阀被配置用于工作流体再循环通过CPT系统。热侧循环和冷侧循环处于待机状态，其中HTS介质和CTS介质驻留在相关联的热交换器和热介质循环流体路径中(例如，分别为HHX系统500和CHX系统600)。根据需要打开热侧回路上的伴热，以保持HTS介质处于液相。将环境热交换器系统(例如，AHX系统700)设置为活动状态。AHX阀被设置来允许工作流体循环通过AHX系统，但是由于动力系统处的工作流体的再循环和/或基准状态，实际上可能没有工作流体循环通过AHX系统。在AHX系统没有工作流体循环的情况下，AHX系统的风扇关闭。
热待机1024是热待机模式1008操作状态。GPT系统(例如，GPT系统200)处于低活动的基准水平。与GPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于GPT系统不旋转)。CPT系统(例如，CPT系统100)处于低活动的基准水平。与CPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于CPT系统不旋转)。热侧循环和冷侧循环处于待机状态，其中HTS介质和CTS介质驻留在相关联的热交换器和热介质循环流体路径中(例如，分别为HHX系统500和CHX系统600)。根据需要打开热侧回路上的伴热，以保持HTS介质处于液相。将环境热交换器系统(例如，AHX系统700)设置为活动状态。AHX阀被设置来允许工作流体循环通过AHX系统，但由于动力系统处的工作流体的基准状态，实际上可能没有工作流体循环通过AHX系统。在AHX系统没有工作流体循环的情况下，AHX系统的风扇关闭。
冷干待机1030是冷干待机模式1010的操作状态。GPT系统(例如，GPT系统200)关闭，无明显活动。与GPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于GPT系统不旋转)。CPT系统(例如，CPT系统100)关闭，无显著活动。与CPT系统操作相关联的阀被配置在基准水平上(例如，对于CPT系统不旋转)。将热侧回路和冷侧回路中的HTS和CTS介质分别排出到相应的HTS罐和CTS罐(例如，罐510和/或520；罐610和/或620)。在一个实施例中，HHX500和相关联的流体路径中的HTS介质590被排出至热HTS罐520，并且温热HTS罐510中的HTS介质590保持在温热HTS罐510中。在另一个实施例中，将CHX600和相关联的流体路径中的CTS介质690排出到温热的CTS罐610，并且冷CTS罐620中的CTS介质690保持在冷CTS罐620中。另外地或可替代地，HTS介质590和CTS介质690可以与热介质再平衡操作相同的方式在其各自的罐之间泵送。热侧和冷侧热交换器以及相关联的热介质回路流体路径(例如，分别为HHX系统500和CHX系统600)没有热储存介质并且HTS和CTS介质不是主动循环的。一个或多个HTS系统501加热器(例如，加热器512、522)是活动的以维持驻留在罐(例如，HTS罐510、520)中的HTS介质处于液态。
转换状态
除了图11所示的操作状态(即，长期保持状态)之外，还有许多其他的转换状态。这些转换状态将在由图11中的箭头所示的路径内。在操作状态之间，可能存在转换状态，其中一个或多个子系统需要切换到其各自的状态。子系统可在特定优选顺序中改变其状态(例如，阀致动、泵速度变化)。以下更详细地描述这些转换以及构成转换的中间转换状态。
C.发电动力系统和相关阀的状态
图12和图13是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统100)的选择操作状态和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图12和图13主要用于说明发电动力系统状态转换。本文提供反映PHES系统中的其他子系统的其他状态转换的其他实例，例如，图19、20、21、22和23以及它们的相关描述。
图12示出从热待机状态1024到发电(CPT基准)状态1016的转换，该转换具有中间转换状态1034、1036、1038。在从热待机状态1024到发电(CPT基准)状态1016的转换期间，发电动力系从1024和1034处的基准状态移动，以旋转加速到1036处的变频驱动状态，到1038和1016处的发电。GPT阀系统从其1024处的基准状态移动到1034和1036以及1038处的旁通状态，并且随后最终移动到1016处的连接状态。有益的是，这个整体转换过程使得发电动力系统能够在最小负载下移动通过旋转状态。
图13示出从发电(CPT基准)状态1016到热转(GPT慢转)状态1022的转换，该转换具有中间转换状态1042和1044。在从发电(CPT基准)状态1016到热转(GPT慢转)状态1022的转换期间(例如，由于操作员开始关闭发电模式1004)，发电动力系统移动通过1016和1042处的发电状态，到1044处的基准状态，然后到1022处的转动状态。GPT阀系统从1016处的连接状态有利地移动到1042和1044处的旁通状态，以允许涡轮机械速度下降，并且最终有利地移动到1022处的再循环状态，以允许转子冷却。
图14进一步描述图12和13中所示的发电动力系统(例如，GPT系统200)状态(即，GPT状态)。图14是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的发电动力系统状态的状态图。
图14中的状态大部分情况下顺序发生，并且对应于发电动力系的启动和电网同步。这些状态的优选顺序关系，具有预期允许的转换，由状态之间的方向箭头指示。
在GPT基准状态1048处，不驱动发电动力系统。它通常不旋转(即，以零转速)，但当它从其旋转的另一个状态进入此状态时，它仍可能旋转。发电断路器(例如，211、212)都打开。发电动力系统已准备好旋转。
在GPT旋转状态1050处，发电动力系统连接到VFD并且由VFD驱动，旋转加速至额定速度。对于电网连接，一旦在电网速度下，发电机(例如，发电系统230)可能尚未同步到外部电网。
GPT发电状态1052是发电模式1004的典型操作状态。在这种状态下，发电动力系统以额定速度(即，稳态)旋转，并且到电网的断路器关闭。发电动力系统连接到电网。
GPT慢转状态1054是当PHES系统处于充电模式1002时发电动力系统的典型状态，除非GPT系统已经冷却到可以处于基准状态的程度。在这种状态下，发电动力系统以低速(即，慢转)旋转。发电机转动电机(例如，221-1)开启以维持发电动力系统的缓慢旋转速度。
图12、13、14中所示的发电动力系统状态可相对于电力接口2002的电气状态进一步描述。表I列出图12、图13和图14中示出的GPT状态的电力接口2002部件状态。
发电动力系统状态之间的转换在以下段落中描述，以优选顺序列举的步骤。部件引用参考示例性实施例GPT系统200，但是步骤可应用于其他配置以实现相同的状态转换。
GPT基准1048至GPT旋转加速1050。对于这种状态转换，工作流体回路阀配置和压力必须在可发生这种转换之前处于适当状态，如下文相对于GPTV状态所述。首先将电力施加到电机以旋转发电动力系统。在GPT系统200中，VFD至发电机断路器211关闭并且VFD214打开，导致发电动力系统旋转。发电机210-1充当电机并且接受来自VFD214的电流。压缩机230-1和涡轮机240-1正在旋转。然后经由VFD214增加电机速度，从而使发电动力系统达到电网同步速度。
GPT旋转加速1050至GPT发电1052。此转换是电网同步转换。电机(例如，用作电机的发电机210-1)速度通过电流控制(例如，在VFD214处)来调节以确保电网同步速度并且防止速度过冲。电机相位被调整(例如，在VFD214处)直到电机相位是电网同步的。从电网到电机的电源被关闭(例如，电网连接断路器212关闭)，并且电机随后充当发电机以向电网供应电力(例如，VFD到发电机断路器211打开)。然后，VFD将开始断电至零。
GPT发电1052至GPT基准1048。例如，这种转换可在发电动力系统的正常关闭期间和在跳闸事件期间发生。从电网到电机的电源被打开(例如，电网连接断路器212被打开)。一旦发电动力系统已经转换到GPT基准1048(在断路器打开之后)，发电动力系统仍将旋转，并且将开始向下降到零速度，除非在旋转到零之前将动力系统进一步转换到GPT慢转1054状态。
GPT旋转加速1050至GPT基准1048。例如，这种转换可能由于跳闸信号而发生。VFD(例如，VFD 214)被关闭并且不再连接到发电机(例如，VFD到发电机断路器211被打开)。一旦发电动力系统已经转换到GPT基准1048(在断路器打开之后)，发电动力系统仍将旋转，并且将开始向下降到零速度，除非在旋转到零之前将发电动力系统进一步转换到GPT慢转1054状态。
GPT基准1048至GPT慢转1054。这种转换通过打开转动电机(例如，转动电机221-1)来进行，该电机以非常低的“慢转速度”(例如，稳态发电RPM的0.1％至1％、1％至5％或5％至10％)转动传动系(例如，发电涡轮机230-1、240-1)。在正常操作中，当动力系统转速下降时，转动电机会在转速下降过程中开启，以确保涡轮机械动力系统的转速不低于慢转速度，或者如果转速低于慢转速度，则将转动电机恢复到慢转速度。这可以通过连接在转动电机与动力系统之间的超越离合器(例如，超越离合器221-2)来实现，该超越离合器在离合器的驱动器侧(例如，动力系统)以高于慢转速度的速度操作时脱离，并且在离合器的驱动器侧以低于或等于慢转速度的速度操作时接合。这导致当涡轮机达到转动电机的速度时，转动电机与涡轮机接合。然后，电机将维持慢转速度。
GPT慢转1054至GPT基准1048。转动电机(例如，转动电机221-1)被关闭。发电动力系统随后将下降到基本上零转速。
GPT慢转1054至GPT旋转加速1050。为了启动发电动力系统旋转的发电启动过程，动力系统可以通过将VFD顺序地连接到发电机(充当电机)(例如，关闭VFD到发电机断路器211)并且关闭转动电机(例如，转动电机221-1)来从GPT慢转1054直接转换到到GPT旋转加速1050。
图12和13中示出的发电动力系统转换状态还可以相对于与发电动力系统相关联的阀状态进一步描述，该发电动力系统包括例如旁通和再循环回路。
图16是根据示例性实施例的从发电动力系统(例如，GPT系统200和相关联的GPT系统200旁通/再循环阀)的角度示出PHES系统(包括PHES系统1000)的发电动力系统(例如，GPT系统200)阀状态(即，GPTV状态)的状态图。
图16中的状态大多数情况下依次发生。这些状态的优选顺序关系，具有预期允许的转换，由状态之间的方向箭头指示。
在GPTV基准状态1064处，阀被配置来使再循环阀和旁通阀两者都打开。这被认为是故障安全的状态。
在GPTV再循环状态1070处，发电工作流体阀被配置成，使得它们可以在发电动力系统(例如，GPT系统200)以低速率(例如，慢转速度)旋转时，为发电动力系统(例如，GPT系统200)提供工作流体循环和任何期望的热量去除。发电动力系统还与工作流体回路(例如，工作流体回路300)的高压侧隔离。
在GPTV旁通状态1066处，除了隔离(关闭)阀，旁路阀也打开。这允许工作流体部分绕过发电涡轮机，这允许在达到全速并关闭断路器之前控制涡轮机发电。有利地，这允许使用单向VFD(例如，VFD 214)。
在GPTV HP连接状态1068处，发电工作流体阀被配置成使得工作流体可以经由发电动力系统在高压侧与低压侧之间循环。所有的工作流体旁通回路都关闭，以防止丢失。阀229关闭，但可能处于其准备好在跳闸事件的情况下根据需要快速打开以帮助抗喘振的状态。
表II列出图12和图13中示出的状态转换的阀状态和图16中示出的GPTV状态。
进一步说明GPTV状态，图3A、3B、3C和3D每个都根据示例性实施例，各自示出包括GPT系统200和相关联的旁通/再循环阀的图3的一部分。图3A示出GPTV基准状态1064。图3B示出GPTV旁通状态1066。图3C示出GPTV再循环状态1070。图3D示出GPTVHP连接状态1068。阀位置在图3A、3B、3C和3D中示出，其中填充的阀图标表示关闭的阀，并且未填充的阀图标表示打开的阀。例如，在图3A中，阀231关闭并且阀232打开。
发电动力系统阀(GPTV)状态之间的转换在以下段落中描述，以优选顺序列举的步骤。部件引用参考示例性实施例GPT系统200以及工作流体回路300，但是步骤可应用于其他配置以实现相同的GPTV状态转换。
GPTV基准1064至GPTV再循环1070。涡轮机旁通流体路径关闭(例如，阀229关闭)。
GPTV基准1064至GPTV旁通1066。压缩机再循环流体路径和涡轮机再循环流体路径被关闭(例如，阀232和阀242被关闭)。涡轮机旁通流体路径(例如，阀229)保持打开以便允许工作流体通过旁通回路。打开压缩机出口(截止)阀231。涡轮机入口(截止)阀241打开。
GPTV旁通1066至GPTVHP连接1068。涡轮机旁通流体路径关闭(例如，阀229关闭)。
GPTV旁通1066至GPTV基准1064。打开发电动力系统再循环流体路径(例如，打开再循环阀232、242)。涡轮机入口流体路径关闭(例如，阀241关闭)。压缩机出口流体路径关闭(例如，阀231关闭)。
GPTV HP连接1068至GPTV基准1064。例如，这种转换可能是由于跳闸事件而发生的。涡轮机入口流体路径被快速关闭(例如，阀241被快速关闭)。涡轮机旁通流体路径被快速打开(例如，阀229被快速打开)以帮助抗喘振。压缩机出口流体路径关闭(例如，阀231关闭)。打开发电动力系统再循环流体路径(例如，打开再循环阀232、242)。
GPTVHP连接1068至GPTV旁通1066。这种转换通常发生在正常停机期间。涡轮机旁通流体路径被打开(例如，阀229被打开)以帮助抗喘振。
GPTV再循环1070至GPTV基准1064。涡轮机旁通流体路径被打开(例如，阀229被打开)。
充电动力系统和相关阀的状态
图15是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的充电动力系通(例如，CPT系统100)状态(即，CPT状态)的状态图。
图15中的状态大多数情况下依次发生。这些状态的优选顺序关系，具有预期允许的转换，由状态之间的方向箭头指示。
在CPT基准状态1056处，不驱动充电动力系统。它通常不旋转(即，以零转速)，但当它从其旋转的另一个状态进入此状态时，它仍可能旋转。充电断路器(例如，111、112)都打开。充电动力已准备好旋转。
在CPT旋转状态1058处，充电动力系统连接到VFD并且由VFD驱动，旋转加速至额定速度。对于电网连接，一旦在电网速度下，电机(例如，充电电机系统110)尚未同步到外部电网。
CPT充电状态1060是充电模式1002的典型操作状态。在这种状态下，充电动力系统以额定速度(即，稳态)旋转，并且到电网的断路器关闭。充电动力系统连接到电网。
CPT慢转状态1062是当PHES系统处于发电模式1004时充电动力系统的典型状态，除非CPT系统已经冷却到可以处于基准状态的程度。在这种状态下，充电动力系统以非常低的“慢转速度”(例如，稳态充电RPM的0.1％至1％、1％至5％或5％至10％)旋转。充电转动电机(例如，121-1)开启以维持充电动力系统的慢转速度。
图15所示的充电动力系统状态可参考图9所示的电力接口2002的电力状态进一步描述，该电力接口可以控制CPT系统100中的电力。表III为图15中所示的CPT状态，列出了电源接口2002部件状态和充电转动电机。
充电动力系统状态之间的转换在以下段落中描述，以优选顺序列举的步骤。部件引用参考示例性实施例CPT系统100和电力接口2002，但是步骤可应用于其他配置以实现相同的状态转换。
CPT基准1056至CPT旋转加速1058。对于这种状态转换，工作流体回路阀配置和压力必须在可发生这种转换之前处于适当状态，如下文相对于CPTV状态所述。首先将电力施加到电机(例如，电机110-1)以旋转充电动力系统。对于CPT系统100，VFD至电机断路器111关闭并且VFD214打开，从而导致充电动力系统旋转。压缩机系统1301和涡轮机系统140正在旋转。然后经由VFD214增加电机速度，从而使发电动力系统达到电网同步速度。
CPT旋转1058至CPT充电1060。此转换是电网同步转换。电机(例如，电机110-1)速度通过电流控制(例如，在VFD 214处)来调节以确保电网同步速度并且防止速度过冲。电机相位被调整(例如，在VFD 214处)直到电机相位是电网同步的。从电网到电机的电源被激活(例如，电网连接断路器112被关闭)，并且到电机的VFD电力被停止(例如，VFD到电机断路器111被打开)。然后，VFD将开始断电至零。
CPT充电1060至CPT基准1056。例如，这种转换在充电动力系统的正常关闭期间和在跳闸事件期间发生。从电网到电机的电源被停止(例如，电网连接断路器112被打开)。一旦充电动力系统已经转换到CPT基准1056(当断路器打开)，充电动力系统仍将旋转，并且将开始向下降到零速度，除非在旋转到零之前将动力系统进一步转换到CPT慢转1062状态。
CPT旋转1058至CPT基准1056。例如，这种转换可能由于跳闸信号而发生。VFD(例如，VFD214)被关闭并且不再连接到电机(例如，VFD到电机断路器111被打开)。一旦充电动力系统已经转换到CPT基准1056(当断路器打开)，充电动力系统仍将旋转，并且将开始向下降到零速度，除非在旋转到零之前将动力系统进一步转换到CPT慢转1062状态。
CPT基准1056至CPT慢转1062。这种转换通过打开转动电机(例如，转动电机121-1)来进行，转动电机以低速(例如，慢转速度)转动动力系统(例如，充电涡轮机械130-1、140-1)。在正常操作中，当动力系统转速下降时，转动电机会在转速下降过程中开启，以确保动力系统的转速不低于最小速度，或者如果转速低于最小速度，则将转动电机恢复到最小速度。这可以通过连接在转动电机与动力系统之间的超越离合器(例如，超越离合器121-2)来实现，该超越离合器在离合器的驱动器侧(例如，动力系统)以高于最小速度(例如，慢转速度)的速度操作时脱离，并且在离合器的驱动器侧以低于或等于最小速度(例如，慢转速度)的速度操作时接合。这导致当涡轮机达到转动电机的速度时，转动电机与涡轮机接合。然后，电机将维持低(例如，慢转)速度。
CPT慢转1062至CPT基准1056。转动电机(例如，转动电机121-1)被关闭。充电动力系统随后将下降到零rpm。
CPT慢转1062至CPT旋转加速1058。为了启动充电动力系统旋转的充电启动过程，动力系统可以通过将VFD顺序地连接到电机(例如，关闭VFD到电机断路器111)并且关闭转动电机(例如，转动电机121-1)来从CPT慢转1062直接转换到到CPT旋转加速1058。
还可以相对于与充电动力系统旁通和再循环回路相关联的阀状态，进一步描述充电动力系统转换状态。
图17是根据示例性实施例的从充电动力系统(例如，CPT系统100和相关联的CPT系统100旁通/再循环阀)的角度示出PHES系统(包括PHES系统1000)的充电动力系统(例如，CPT系统100)阀状态(即，CPTV状态)的状态图。
图17中的状态大多数情况下依次发生。这些状态的优选顺序关系，具有预期允许的转换，由状态之间的方向箭头指示。
在CPTV基准状态1072处，阀被配置来使再循环阀和旁通阀两者都打开。这被认为是故障安全的状态。
在CPTV再循环状态1078处，发电工作流体阀被配置成，使得它们可以在发电动力系统(例如，CPT系统100)以慢速率(例如，慢转速度)旋转时，为充电动力系统(例如，CPT系统200)提供工作流体循环和任何期望的热量去除。充电动力系统也与工作流体回路的高压侧隔离。
在CPTV旁通状态1074处，除了隔离阀之外，旁通阀也打开。这允许工作流体循环通过旁通回路以减少充电压缩机(例如，压缩机系统130)上的负载。
在CPTVHP连接状态1076处，充电工作流体阀被配置成使得工作流体可以经由充电动力系统在高压侧与低压侧之间循环。所有的工作流体旁通回路都关闭，以防止丢失。阀119关闭，但处于其准备好在跳闸事件的情况下根据需要快速打开以帮助抗喘振的状态。
表IV列出了图17所示的CPTV状态的阀状态。
进一步说明CPTV状态，图3E、3F、3G和3H每个都根据示例性实施例，各自示出包括CPT系统100和相关联的旁通/再循环阀的图3的一部分。图3E示出CPTV基准状态1072。图3F示出CPTV旁通状态1074。图3G示出CPTV再循环状态1078。图3H示出CPTVHP连接状态1076。阀位置在图3E、3F、3G和3H中示出，其中填充的阀图标表示关闭的阀，并且未填充的阀图标表示打开的阀。例如，在图3E中，阀131关闭并且阀132打开。
充电动力系统阀(CPTV)状态之间的转换在以下段落中描述，以优选顺序列举的步骤。部件引用参考示例性实施例CPT系统100以及工作流体回路300，但是步骤可应用于其他配置以实现相同的CPTV状态转换。
CPTV基准1072至CPTV再循环1078。压缩机高流量再循环流体路径关闭(例如，阀119关闭)。
CPTV基准1072至CPTV旁通1074。压缩机再循环流体路径和涡轮机再循环流体路径被关闭(例如，阀132和阀142被关闭)。压缩机高流量再循环流体路径(例如，阀119)保持打开以便允许工作流体通过再循环回路。压缩机出口阀131打开。涡轮机入口阀141打开。
CPTV旁通1074至CPTVHP连接1076。压缩机高流量再循环流体路径关闭(例如，阀119关闭)。
CPTV旁通1074至CPTV基准1072。打开充电动力系统再循环流体路径(例如，打开再循环阀132、142)。涡轮机入口流体路径关闭(例如，阀141关闭)。压缩机出口流体路径关闭(例如，阀131关闭)。
CPTV HP连接1076至CPTV基准1072。例如，这种转换可能是由于跳闸事件而发生的。涡轮机入口流体路径被快速关闭(例如，阀141被快速关闭)。压缩机高流量再循环流体路径被快速打开(例如，阀119被快速打开)以帮助抗喘振。压缩机出口流体路径关闭(例如，阀131关闭)。充电动力系统再循环流体路径被打开(例如，再循环阀132、142被打开)。
CPTV HP连接1076至CPTV旁通1074。这种转换可以例如在正常停机期间或在电网跳闸事件期间发生。打开压缩机高流量再循环流体路径(例如，打开阀119)以帮助管理横跨压缩机的压力比并且避免压缩机喘振。
CPTV再循环1078至CPTV基准1072。打开压缩机高流量再循环流体路径(例如，打开阀119)。
E.环境热交换器及相关阀的状态
图18是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的环境冷却器(也称为环境热交换器)状态(例如，AHX系统700)的状态图。图18中的两个状态可如由状态之间的方向箭头指示来回转换。
示例性环境冷却器状态包括环境冷却器旁通1080、环境冷却器活动1082以及环境冷却器关闭1084。在环境冷却器关闭1084期间，调节进入或离开环境冷却器(例如，AHX系统700)的工作流体流动路径的工作流体回路阀全部关闭，从而防止工作流体进入或离开环境冷却器。环境冷却器风扇(如果存在)关闭。在环境冷却器旁通1080期间，工作流体回路阀被配置成使得环境冷却器被工作流体回路(例如，工作流体回路300)中循环的工作流体绕过。环境冷却器风扇(如果存在)已关闭。在环境冷却器活动1082期间，工作流体回路阀被配置成使得工作流体回路中的工作流体可以进入环境冷却器。如果工作流体实际上循环通过环境冷却器，那么环境冷却器从工作流体回路中的工作流体中去除热量并将其排出环境；这种状态可以例如在发电模式1004期间使用，并且旁通状态1080可以例如在充电模式1002期间使用。环境冷却器风扇(如果存在)可用于改变从工作流体排热的速率。当工作流体主动循环通过环境冷却器时，可打开环境冷却器风扇并且可调整其速度，并且如果工作流体不主动循环通过环境冷却器，无论阀配置如何，可关闭风扇。
可替代地，在PHES系统和/或工作流体回路的其他实施例中，环境冷却器(例如，AHX系统700)可被配置来连续地连接到工作流体回路(即，无旁通状态可用)。在这些替代实施例中，使用风扇或其他设备(例如，散热器流体流量)来改变环境冷却器的散热能力。例如，在发电模式1004期间，打开环境冷却器风扇以主动地从工作流体中去除热量，以及在发电模式1002期间，当关闭环境冷却器风扇时，环境冷却器不会被动地从工作流体中去除显著的热量。
表V列出图18所示环境冷却器(例如，AHX系统700)状态的冷却器和阀状态
进一步示出环境冷却器状态1080和1082，图3I和3J根据示例性实施例，各自示出包括AHX系统700和相关联的旁通阀的图3的一部分。图3I示出环境冷却器旁通状态1080。图3J示出环境冷却器活动状态1082。阀位置在图3I和3J中示出，其中填充的阀图标表示关闭的阀，并且未填充的阀图标表示打开的阀。例如，在图3I中，阀324关闭并且阀323打开。
在环境冷却器状态1080和1082的替代阀布置中，图3K和3L各自示出图3的一部分，但是在阀325被移除的情况下。图3K示出环境冷却器旁通状态1080。图3L示出环境冷却器活动状态1082。阀位置在图3K和3L中示出，其中填充的阀图标表示关闭的阀，并且未填充的阀图标表示打开的阀。例如，在图3K中，阀324关闭并且阀323打开。表V中的阀状态都适用于图3I、3J和图3K、3L，除了阀325状态不适用于图3K，3L。
环境冷却器状态之间的转换在以下段落中描述，以优选顺序列举的步骤。部件引用参考示例性实施例AHX系统700以及工作流体回路300，但是步骤可应用于其他配置以实现相同的环境冷却器状态转换。
环境冷却器旁通1080至环境冷却器活动1082。例如，对于从充电模式1002切换到发电模式1004或从启动(例如，冷干待机模式1010)到热待机模式1024切换，可发生这种转换。隔离阀324和325(如果存在)被打开。旁通阀323关闭。如果工作流体循环通过环境冷却器(例如，AHX系统700)，则打开风扇(例如，AHX系统700中的风扇)并且可控制风扇速度以用于期望的散热。
环境冷却器活动1082至环境冷却器旁通1080。例如，对于从发电模式1004切换到充电模式1002的模式，可发生这种转换。隔离阀324和325(如果存在)关闭。旁通阀323打开。关闭风扇(例如，AHX系统700中的风扇)。
环境冷却器活动1082至环境冷却器关闭1084。例如，对于从热待机1008和/或1024到冷干待机1010和/或1030的模式切换，可发生这种转换。隔离阀324和325(如果存在)关闭。旁通阀323关闭。关闭风扇(例如，AHX系统700中的风扇)。
F.库存控制系统的状态和控制
工作流体库存控制系统(ICS)是工作流体回路子系统(例如，工作流体回路300)的一部分。库存控制系统可包括压缩机、用于调节工作流体的过滤系统、一个或多个工作流体罐、流体路径和阀，以管理来自该系统的各种要求。
图3M中示出ICS 390实施例的示例性部件，如在工作流体回路300中实施。图3M根据示例实施例，示出包括库存控制系统的图3的一部分。
如图24所示，一个或多个控制系统可用于控制ICS系统390。PHES监督控制器1124可确定和/或引导PHES系统1000模式和/或状态，其可包括ICS系统390模式和/或状态。可替代地或另外地，ICS控制器1125可从PHES监督控制器1124接收指令，响应地在ICS 390中制定改变，并且将条件报告给PHES监督控制器1124。例如，功率需求信号可从PHES监督控制器1124发送到ICS控制器1125。ICS控制器1125然后可基于例如当前PHES系统条件和功率需求信号来确定阀序列和操作。替代地或另外地，PHES监督控制器1124可在ICS390中制定更改。例如，PHES监督控制器1124可确定PHES系统1000中的新功率需求电平，并且例如基于当前PHES系统条件和功率需求响应地引导阀序列和操作以达到功率需求电平。
在正常操作期间，为了增加PHES系统1000中的功率，控制器(例如，控制器1125和/或控制器1124)可增加工作流体压力。为了实现这点，控制器可能导致以下情况：
·打开阀312以将工作流体从低压罐系统310节流到工作流体回路300的低压侧中。这增加了进入CPT系统100或GPT系统200的入口压力，这继而将增加PHES系统1000的功率。
·确定当前PHES系统1000的功率电平，并与功率需求电平进行比较。此步骤可以重复，直到：(i)当前功率电平与需求电平匹配，或(ii)不再有驱动头(低压罐系统310中的压力仅略高于工作流体回路300的低侧压力)。可例如通过比较低压罐系统310压力和工作流体回路300低侧压力，或通过确定当前功率电平已经停止增加来确定后续停止条件。如果满足这些停止条件中的任一个，则关闭阀312。
·确定是否仍然需要进一步的功率增加(即，上述第二停止条件发生在达到需求电平之前)。如果需要进一步的功率增加，那么打开阀322以将工作流体从高压罐系统320添加到工作流体回路300的低压侧中。这可以继续，直到PHES系统1000达到需求功率电平。ICS罐系统310、320的尺寸优选地使得PHES系统1000可以在充电模式1002或发电模式1004中获得满功率。
为了减小PHES系统1000中的功率，控制器(例如，控制器1125和/或控制器1124)可减小工作流体压力。为实现这点，控制器可能导致以下情况：
·打开阀321以遏制工作流体从工作流体回路300的高压侧流到高压罐系统320中。这降低了进入CPT系统100或GPT系统200的入口压力，进而降低PHES系统1000的功率。
·确定当前PHES系统1000的功率电平，并与功率需求电平进行比较。此步骤可以重复，直到：(i)当前功率电平与需求电平匹配，或(ii)不再有驱动头(工作流体回路300的高压侧仅略高于高压罐系统320中的压力)。可例如通过比较高压罐系统320压力和工作流体回路300高侧压力，或通过确定当前功率电平已经停止降低来确定后续停止条件。如果满足这些停止条件中的任一个，则关闭阀321。
·确定是否仍然需要进一步的功率减低(即，上述第二停止条件发生在达到需求电平之前)。如果需要进一步的功率降低，那么打开阀311以将工作流体从工作流体回路300的高压侧添加到低压罐系统310中。这可以继续，直到PHES系统1000达到需求功率电平。ICS罐系统310、320的尺寸优选地使得系统可以在充电模式1002或发电模式1004中获得最小功率。
ICS控制器1125可以执行的其他功能包括在正常停机或跳闸事件之后将工作流体回路300压力变为期望压力(例如，基准、环境、P待机、低于工作流体高侧流体路径和低侧流体路径中的当前压力之一或两者的特定压力范围)，以使得PHES系统可以重新启动。
在跳闸事件之后，控制器(例如，控制器1125和/或控制器1124)可引起以下情况：
·打开阀318以将工作流体从高压工作流体路径排出到低压罐系统310中。通过使用大阀318(代替或除了阀311之外)，可以以足够快的速率减小高压工作流体路径中的压力，以帮助维持低于阈值极限的稳定压力。
·一旦低压罐系统310中的压力基本上等于高压工作流体路径的压力，就关闭阀318。
·打开阀305并且然后打开压缩机303以将工作流体从高压工作流体路径抽取到高压罐系统320中，直到高压工作流体路径在期望的高压范围内。
·关闭压缩机303，然后关闭阀305。
·打开阀304并且然后打开压缩机303以将工作流体从低压工作流体路径抽取到高压罐系统320中，直到低压工作流体路径在期望的低压范围内。
如果PHES系统1000正常关闭，那么可能不需要打开大阀318，因为高压工作流体路径中的压力已在过程中缓慢地减小到基本上基准水平。因此，控制器(例如，控制器1125和/或控制器1124)可引起以下情况：
·打开阀305并且然后打开压缩机303以将工作流体从高压工作流体路径抽取到高压罐系统320中，直到高压工作流体路径中的压力处于基准压力。
·关闭压缩机303，然后关闭阀305。
·打开阀304并且然后打开压缩机303以将工作流体从低压工作流体路径抽取到高压罐系统320中，直到低压工作流体路径处于基准压力。这应该只需要很短的时间，因为低压工作流体路径应该已经非常接近基准压力。
如果工作流体回路300泄漏工作流体，那么控制器(例如，控制器1125和/或控制器1124)可致使额外的工作流体如下添加到工作流体回路300。描述的步骤仿佛从所有引用的阀门最初都关闭的状态开始的：
·打开阀302。
·打开压缩机303以从环境空气(当空气是工作流体时)或从外部工作流体补给贮存器(未示出)添加工作流体到高压罐系统320中，直到高压罐系统320达到期望压力。
·关闭压缩机303。
·关闭阀302。
·打开阀322以将工作流体从高压罐系统320添加到低压工作流体路径。
·关闭阀322。
·重复上述步骤，直到工作流体回路压力达到所需水平。
G.热侧回路状态
图25是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的热侧循环(也称为HTS循环)状态的状态图。热侧回路是循环HTS介质590的流动路径，例如，通过图4中的HTS系统501以及在一些状态中，图2、3、6A和6B中的HHX系统500。
图25中的状态大多数情况下依次发生。这些状态的优选顺序关系由状态之间的方向箭头指示。
在排出状态1146处，包括热交换器的流体路径中的HTS介质590已经排出或正在排出到HTS罐(例如，510和/或520)中。伴热560关闭。当从排出状态1146出来(例如，到待机状态1138)时，可在将HTS介质590重新引入到流体路径中之前打开伴热560。
在待机状态1138处，热侧回路被填充或填充有HTS介质590并且准备好供HTS介质590流动。如果回路尚未被填充，那么将在适当方向上临时建立小流量，以便用HTS介质590填充流体路径。
在流对热状态1140处，热侧回路被配置来允许HTS介质590通过热侧热交换器(例如，HHX系统500)从温热HTS系统591流动到热HTS系统592(例如，在HTS系统501中从温热HTS罐510流动到热HTS罐520)。温热泵530开启以递送该流动。可关闭伴热560，因为HTS介质590已经是热的。旁通阀551被关闭，使得HTS介质590流动通过HHX系统500。
在流对温热状态1142处，热侧回路被配置来允许HTS介质590通过热侧热交换器(例如，HHX系统500)从热HTS系统592流到温热HTS系统591(例如，在HTS系统501中从热HTS罐520流到温热HTS罐510)。热泵540开启以递送该流动。可关闭伴热560，因为HTS介质590已经是热的。旁通阀551被关闭，使得HTS介质590流动通过HHX系统500。
在旁通状态1144处，HTS介质590在热侧回路中优选地从热HTS系统592流动到温热HTS系统591(例如，在HTS系统501中从热HTS罐520流动到热HTS罐510)，但不通过热侧热交换器(例如，HHX系统500)。热侧热交换器通过打开旁通阀551和关闭隔离阀555、556绕过。可替代地，在另一个实施例中，HTS介质590可在热侧回路中从温热的HTS系统591流动到热的HTS系统592(例如，在HTS系统501中从温热的HTS罐510流动到热的HTS罐520)，但不能通过热侧热交换器(例如，HHX系统500)。
表VI列出了图25中示出的热侧回路状态的设备状态。部件引用是指例如图2、3、4、6A和6B中所示的示例性实施例，并且包括HTS系统501和HHX系统500，但是状态可应用于其他配置以实现相同的热侧回路状态。
*1如果存在HTS介质，则开；如果不存在HTS介质，则关
*2如果旁路流到热，则开或打开；如果旁路流到温热，则关或关闭
*3如果旁路流到温热，则开或打开；如果旁路流到热，则关或关闭
H.冷侧回路的状态
图26是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)的冷侧循环(也称为CTS循环)状态的状态图。冷侧回路是循环CTS介质690的流动路径，例如，通过图5中的CTS系统601，以及在一些状态中，图2、3、6A和6B中的CHX系统600。
图26中的状态大多数情况下依次发生。这些状态的优选顺序关系由状态之间的方向箭头指示。
在排出状态1156处，流体路径中的CTS介质690(包括热交换器)已经排出或正在排出到CTS罐(例如，610和/或620)中，优选地排出到温热的CTS罐(例如，温热的CTS罐610)中。优选地，一旦所有CTS介质690已经排出，没有CTS泵运行。
在待机状态1148处，冷侧回路被填充或填充有CTS介质690并且准备好供CTS介质690流动。优选地，一旦冷侧回路已被填充，就没有CTS泵运行。如果回路尚未被填充，那么将在适当方向上建立来自泵630和/或640的流量，以便用CTS介质690填充流体路径。
在流到冷状态1150下，冷侧回路被配置来允许CTS介质690通过冷侧热交换器(例如，CHX系统600)从温热的CTS系统691流动到冷的CTS系统692(例如，在CTS系统601中从温热的CTS罐610流动到冷的CTS罐620)。温热泵630开启以递送该流动。冷泵640，如果是双向的，也可以打开以辅助压力控制。旁通阀605被关闭，使得CTS介质690流动通过CHX系统600。
在流到温热状态1152处，冷侧回路被配置来允许CTS介质690通过冷侧热交换器(例如，CHX系统600)从冷CTS系统692流动至温热CTS系统691(例如，在CTS系统601中从冷CTS罐620流动至温热CTS罐610)。冷泵640接通以递送该流动。温热泵630，如果是双向的，也可以打开以辅助压力控制。旁通阀605被关闭，使得CTS介质690流动通过CHX系统600。
在旁通状态1154处，CTS介质590优选地在冷侧回路中从冷CTS系统692流动到温热CTS系统(例如，在CTS系统601中从冷CTS罐620流动到温热CTS罐610)，但不通过冷侧热交换器(例如，CHX系统600)。冷侧热交换器通过打开旁通阀605和关闭隔离阀602、603绕过。可替代地，在另一个实施例中，CTS介质590可在冷侧回路中从温热的CTS系统流到冷的CTS系统692(例如，在CTS系统601中从温热的CTS罐610流到冷的CTS罐620)，但不通过冷侧热交换器(例如，CHX系统600)。
表VII列出了在CTS系统601的实施例中的图26所示冷侧回路状态的设备状态，其中泵630、640用于双向泵送。部件引用是指例如图2、3、5、6A和6B中所示的示例性实施例，并且包括CTS系统601和CHX系统600，但是状态可应用于其他配置以实现相同的热侧回路状态。
*1打开，直到吹扫完成
*2如果旁路流到温热，则开到温热；如果旁路流到冷，则开到冷
表VIII列出了在CTS系统601的实施例中的图26所示冷侧回路状态的设备状态，其中泵630、640不用于双向泵送。部件引用是指例如图2、3、5、6A和6B中所示的示例性实施例，并且包括CTS系统601和CHX系统600，但是状态可应用于其他配置以实现相同的热侧回路状态。
*1打开，直到吹扫完成
*2如果旁路流到温热，则开到温热；如果旁路流到冷度，则关
*3如果旁路流到冷，则开到冷；如果旁路流到温度，则闭
*4如果旁路流到冷，则打开；如果旁路流到温度，则关闭
*5如果旁路流到冷，则关闭；如果旁路流到温度，则打开
IV.使用案例
本节描述可在PHES系统中实现的瞬态“使用案例”，包括PHES系统1000和本文描述的子系统。每个瞬态使用案例是PHES系统经历的过程或转换序列，并且可以通过模式和/或状态变化来描述。
A.冷干待机至热待机(PHES系统启动)
该使用案例在图10中示出作为从冷干待机模式1010到热待机模式1008的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1030到操作状态1024的转换。
B.热待机至充电(PHES系统启动)
该使用案例在图10中示出作为从热待机模式1008到充电模式1002的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1024到操作状态1014的转换。
图19进一步说明了这一使用案例。图19是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)中操作和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图19示出从热待机状态1024到充电(GPT基准)状态1014的转换，其中中间转换状态1086、1088、1090在之间依序发生。子系统状态中的每一个在本文的其他地方描述。
C.热待机至发电(PHES系统启动)
该使用案例在图10中示出作为从热待机模式1008到发电模式1004的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1024到操作状态1016的转换。
图20进一步说明了这一使用案例。图20是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)中操作和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图20示出从热待机状态1024到发电(CPT基准)状态1016的转换，其中中间转换状态1094、1096、1098在之间依序发生。子系统状态中的每一个在本文的其他地方描述。
D.充电至热转(PHES系统关闭)
该使用案例在图10中示出作为从充电模式1002到热转模式1006的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1014到操作状态1018的转换。
图21进一步说明了这一使用案例。图21是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)中操作和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图21示出从充电(GPT基准)状态1014到热转(CPT慢转)状态1018的转换，其中中间转换状态1102、1104在之间依序发生。子系统状态中的每一个在本文的其他地方描述。
E.发电至热转(PHES系统关闭)
该使用案例在图10中示出作为从发电模式1004到热转模式1006的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1016到操作状态1022的转换。
图22进一步说明了这一使用案例。图22是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)中操作和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图22示出从发电(CPT基准)状态1016到热转(GPT慢转)状态1022的转换，其中中间转换状态1108、1110在之间依序发生。子系统状态中的每一个在本文的其他地方描述。
F.热待机至冷干待机(PHES系统关闭)
该使用案例在图10中示出作为从热待机模式1008到冷干待机模式1010的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1024到操作状态1030的转换。
G.充电至发电(PHES系统模式切换)
该使用案例在图10中示出作为从充电模式1002到热转模式1006到发电模式1004的转换，并且在图11中示出作为从操作状态1014到操作状态1018到操作状态1028的转换。
图23进一步说明了这一使用案例。图23是示出根据示例性实施例的PHES系统(包括PHES系统1000)中操作和转换状态的状态图。这些是示例性状态转换，并且其他实施例也是可能的。图23示出从充电(GPT基准)状态1014到热转(CPT慢转)状态1018的转换，其中中间转换状态1102、1104在之间依序发生。图23进一步继续示出从热转(CPT慢转)状态1018持续转换到发电(CPT慢转)状态1028，其中中间转换状态1116、1118顺序地在之间发生。子系统状态中的每一个在本文的其他地方描述。
Claims (23)
1.一种操作泵送热能储存系统的方法，所述方法包括：
使工作流体顺序地循环通过第一工作流体路径，所述第一工作流体路径包括：充电压缩机系统(130)、热侧热交换器(“HHX”)系统(500)、回流换热器(“RHX”)系统(400)、充电涡轮机系统(140)、冷侧热交换器(“CHX”)系统(600)、所述RHX系统，并返回到所述充电压缩机系统；
在第一流体路径中，第一量的热侧热储存(“HTS”)介质(590)从温热HTS罐(510)通过所述HHX系统流到热HTS罐(520)，其中所述第一量的所述HTS介质与循环通过所述HHX系统的所述工作流体热接触；以及
在第二流体路径中，第二量的所述HTS介质从所述热HTS罐流到所述温热HTS罐，其中所述第二量的所述HTS介质不流过所述HHX系统。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使所述工作流体依序循环通过第二工作流体路径，所述第二工作流体路径包括：发电压缩机系统(230)、所述RHX系统、所述HHX系统、发电涡轮机系统(240)、所述RHX系统、所述CHX系统，并且返回到所述发电压缩机系统；以及
在第三流体路径中，第三量的所述HTS介质从所述热HTS罐通过所述HHX系统流到所述温热HTS罐，其中所述第三量的所述HTS介质与循环通过所述HHX系统的所述工作流体热接触。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二量的所述HTS介质等于所述第一量的所述HTS介质与所述第三量的所述HTS介质之间的差。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述第二流体路径中，所述第二量的所述HTS介质从所述热HTS罐流到所述温热HTS罐的所述步骤包括：
关闭所述温热HTS罐与所述HHX系统之间的所述第一流体路径中的隔离阀(555)；
关闭所述热HTS罐与所述HHX系统之间的所述第一流体路径中的隔离阀(556)；以及
打开所述热HTS罐与所述温热HTS罐之间的所述第二流体路径中的旁通阀(551)。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
停止所述HTS介质在所述第一流体路径中的流动；以及
将保留在所述第一流体路径中的所述HTS介质排出到所述温热HTS罐(510)和/或所述热HTS罐(520)。
6.一种操作泵送热能储存系统的方法，所述方法包括：
使工作流体顺序地循环通过第一工作流体路径，所述第一工作流体路径包括：充电压缩机系统(130)、热侧热交换器(“HHX”)系统(500)、回流换热器(“RHX”)系统(400)、充电涡轮机系统(140)、冷侧热交换器(“CHX”)系统(600)、所述RHX系统，并返回到所述充电压缩机系统；
在第一流体路径中，第一量的热侧热储存(“HTS”)介质(590)从温热HTS罐(510)通过所述HHX系统流到热HTS罐(520)，其中所述第一量的所述HTS介质与循环通过所述HHX系统的所述工作流体热接触；以及
在第二流体路径中，将第二量的所述HTS介质从所述温热HTS罐流到所述热HTS罐，其中所述第二量的所述HTS介质不流过所述HHX系统。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
使所述工作流体依序循环通过第二工作流体路径，所述第二工作流体路径包括：发电压缩机系统(230)、所述RHX系统、所述HHX系统、发电涡轮机系统(240)、所述RHX系统、所述CHX系统，并且返回到所述发电压缩机系统；以及
在第三流体路径中，第三量的所述HTS介质从所述热HTS罐通过所述HHX系统流到所述温热HTS罐，其中所述第三量的所述HTS介质与循环通过所述HHX系统的所述工作流体热接触。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第二量的所述HTS介质等于所述第三量的所述HTS介质与所述第一量的所述HTS介质之间的差。
9.如权利要求6所述的方法，其中在所述第二流体路径中，将第二量的所述HTS介质从所述温热HTS罐流到所述热HTS罐的所述步骤包括：
使所述第二量的所述HTS介质能够通过旁通阀(551)从所述热HTS罐流到所述热HTS罐，所述旁通阀(551)在所述热HTS罐与所述温热HTS罐之间的所述第二流体路径中。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
通过所述热HTS罐与所述HHX系统之间的隔离阀(555)限制所述第一流体路径中的所述流动；以及
通过所述热HTS罐与所述HHX系统之间的隔离阀(556)来限制所述第一流体路径中的所述流动。
11.根据权利要求6所述的方法，还包括：
停止所述HTS介质在所述第一流体路径中的流动；以及
将保留在所述第一流体路径中的所述HTS介质排出到所述温热HTS罐(510)和/或所述热HTS罐(520)。
12.一种操作泵送热能储存系统的方法，所述方法包括：
使工作流体顺序地循环通过第一工作流体路径，所述第一工作流体路径包括：充电压缩机系统(130)、热侧热交换器(“HHX”)系统(500)、回流换热器(“RHX”)系统(400)、充电涡轮机系统(140)、冷侧热交换器(“CHX”)系统(600)、所述RHX系统，并返回到所述充电压缩机系统；
在第一流体路径中，第一量的冷侧热储存(“CTS”)介质(690)从温热的CTS罐(610)通过所述CHX系统流到冷的CTS罐(620)，其中所述第一量的所述CTS介质与循环通过所述CHX系统的所述工作流体热接触；以及
在第二流体路径中，第二量的所述CTS介质从所述冷CTS罐流到所述温热CTS罐，其中所述第二量的所述CTS介质不流过所述CHX系统。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
使所述工作流体依序循环通过第二工作流体路径，所述第二工作流体路径包括：发电压缩机系统(230)、所述RHX系统、所述HHX系统、发电涡轮机系统(240)、所述RHX系统、所述CHX系统，并且返回到所述发电压缩机系统；以及
在第三流体路径中，所述第三量的所述CTS介质从所述冷CTS罐通过所述CHX系统流到所述温热CTS罐，其中所述第三量的所述CTS介质与循环通过所述CHX系统的所述工作流体热接触。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第二量的所述CTS介质等于所述第一量的所述CTS介质与所述第三量的所述CTS介质之间的差。
15.如权利要求12所述的方法，其中在所述第二流体路径中，将第二量的所述CTS介质从所述冷CTS罐流到所述温热CTS罐的所述步骤包括：
使所述第二量的所述CTS介质能够通过旁通阀(605)从所述冷CTS罐到所述温热CTS罐，所述旁通阀(605)在所述冷CTS罐与所述温热CTS罐之间的所述第二流体路径中。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
关闭所述热CTS罐与所述CHX系统之间的所述第一流体路径中的隔离阀(603)；以及
关闭所述冷CTS罐与所述CHX系统之间的所述第一流体路径中的隔离阀(602)。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：
停止所述CTS介质在所述第一流体路径中的流动；以及
将保留在所述第一流体路径中的所述CTS介质排出到所述温热CTS罐(610)和/或所述热CTS罐(620)。
18.一种操作泵送热能储存系统的方法，所述方法包括：
使工作流体顺序地循环通过第一工作流体路径，所述第一工作流体路径包括：充电压缩机系统(130)、热侧热交换器(“HHX”)系统(500)、回流换热器(“RHX”)系统(400)、充电涡轮机系统(140)、冷侧热交换器(“CHX”)系统(600)、所述RHX系统，并返回到所述充电压缩机系统；
在第一流体路径中，第一量的冷侧热储存(“CTS”)介质(690)从温热的CTS罐(610)通过所述CHX系统流到冷CTS罐(620)，其中所述第一量的所述CTS介质与循环通过所述CHX系统的所述工作流体热接触；以及
在第二流体路径中，第二量的所述CTS介质从所述温热CTS罐流到所述冷CTS罐，其中所述第二量的所述CTS介质不流过所述CHX系统。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使所述工作流体依序循环通过第二工作流体路径，所述第二工作流体路径包括：发电压缩机系统(230)、所述RHX系统、所述HHX系统、发电涡轮机系统(240)、所述RHX系统、所述CHX系统，并且返回到所述发电压缩机系统；以及
在第三流体路径中，所述第三量的所述CTS介质从所述冷CTS罐通过所述CHX系统流到所述热CTS罐，其中所述第三量的所述CTS介质与循环通过所述CHX系统的所述工作流体热接触。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述第二量的所述CTS介质等于所述第三量的所述CTS介质与所述第一量的所述CTS介质之间的差。
21.如权利要求18所述的方法，其中在所述第二路径中，将第二量的所述CTS介质从所述温热CTS罐流至所述冷CTS罐的所述步骤包括：
使所述第二量的所述CTS介质能够通过旁通阀(605)从所述温热CTS罐流到所述冷CTS罐，所述旁通阀(605)在所述温热CTS罐与所述冷CTS罐之间的所述第一流体路径中。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
通过所述冷CTS罐与所述CHX系统之间的隔离阀(602)来限制所述第一流体路径中的所述流动；以及
通过所述CHX系统与所述温热CTS罐之间的隔离阀(603)来限制所述第一流体路径中的所述流动。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括：
停止所述CTS介质在所述第一流体路径中的流动；以及
将保留在所述第一流体路径中的所述CTS介质排出到所述温热CTS罐(610)和/或所述热CTS罐(620)。
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