CN117578744B - 一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能发电技术领域，尤其涉及一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法。储能发电系统包括压缩子系统、储能子系统、膨胀释能子系统和冷量回收子系统；压缩子系统由两级以上的压缩机组串联构成；储能子系统包括储罐、第一阀门、第二阀门、储罐工质泵、一级以上的蓄热换热器、循环进液管和循环出液管；储罐底部设置有与膨胀释能子系统相连通的出液口；压缩子系统利用盈余电量压缩空气，储能子系统中将压缩空气的内能转化成高温高压液相工质的内能，在用电高峰时，膨胀释能子系统通过高温高压液相工质膨胀做功发电，冷量回收子系统收集膨胀释能子系统膨胀做功时产生的冷量，本发明能够高效地对电网不同用电时段的电能供应进行调控。

Description

一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法

技术领域

本发明属于储能发电技术领域，尤其涉及一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法。

背景技术

由于不同时段发出电能和用户使用电能存在不匹配的问题，造成用电高峰时段用电紧张、电压跟不上，而用电低谷时段电能过度盈余。

将太阳能、风能、生物质能等可再生能源的利用比率提高，并将这些可再生能源所转换成的电能并入电网中，已成为缓解用电紧张的主要措施。但是可再生能源发电，特别是风力发电和光伏发电，受环境的影响而处于不断变化之中，具有明显的波动性、周期性和不确定性的缺点，随着风力发电和光伏发电装机容量的不断增加，这些缺点被成倍放大，其大规模并网会给电网系统带来了前所未有的安全挑战，所以有些地区的电网拒绝风力发电和光伏发电的接入或是限制风力发电和光伏发电的发电量，这就造成了“弃光”、“弃风”现象的产生。

现有技术中通过压缩空气储能和膨胀空气释能来实现对电网系统的削峰填谷，但这样不仅需要配备储存压缩空气的储气罐，而且需要配备存放高温介质的高温储热罐、存放低温介质的低温蓄热罐，系统较为复杂和庞大，同时复杂的系统结构也使得对储能和释能的响应速度变慢、储能和释能效率低。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，能够高效地对电网不同用电时段的电能供应进行调控。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，包括压缩子系统、储能子系统、膨胀释能子系统和冷量回收子系统；压缩子系统由超过两级的压缩机组串联构成；储能子系统包括储罐、第一阀门、第二阀门、储罐工质泵PUMP1、超过一级的蓄热换热器、循环进液管和循环出液管；每级压缩机组包括一个压缩机，各压缩机受电动机驱动压缩空气，第一级压缩机组内的压缩机的进气口吸入常温常压的空气，最后一级压缩机组内的压缩机的出气口与第一阀门的进气口相连通，第一阀门的出气口与储罐的进气口相连通；储罐内设置有液相工质，储罐下部设置有循环进液管和循环出液管，循环出液管靠近储罐的一端上串联设置有储罐工质泵和第二阀门，循环出液管远离储罐的一端与第一级蓄热换热器低温侧的进液管相连通；蓄热换热器的总级数比压缩机组总级数少1，各蓄热换热器高温侧进气管与上一级压缩机组内的压缩机的出气口相连通，各蓄热换热器高温侧出气管与下一级压缩机组内的压缩机的进气口相连通；上一级蓄热换热器低温侧的出液管与下一级蓄热换热器低温侧的进液管相连通，最后一级蓄热换热器低温侧的出液管与循环进液管相连通；储罐的底部设置有与膨胀释能子系统相连通的出液口；冷量回收子系统收集膨胀释能子系统膨胀做功过程中产生的冷量。

优选的，储罐内还包括换热盘管，换热盘管为弯延盘绕且内部空心的金属管，换热盘管的上端与储罐进气口相连通，换热盘管的下端浸没在储罐中的液相工质内。

优选的，储罐上还包括设置在储罐顶部的第三阀门，第三阀门阀门打开时，储罐内部与外界大气环境相连通。

优选的，膨胀释能子系统包括第五阀门、喷射器、闪发器、第六阀门、膨胀发电机组；储罐底部的出液口与第五阀门的进液端相连通，第五阀门的出液端与喷射器的进液口相连通，喷射器的出液口与闪发器的入口相连通，闪发器顶部的第一出口与第六阀门的流入端相连通，第六阀门的流出端与膨胀发电机组连通。

优选的，膨胀释能子系统包括超过一级的膨胀发电机组，膨胀发电机组包括膨胀机和发电机，膨胀机内的工质膨胀做功驱动发电机发电。

优选的，冷量回收子系统包括超过一级的蓄冷换热器、蓄冷泵和蓄冷罐；蓄冷换热器的总级数与膨胀发电机组总级数相同，第六阀门的流出端与第一级膨胀发电机组的膨胀机入口相连通，各蓄冷换热器的低温侧进气管与上一级膨胀发电机组的膨胀机的出气口相连通，各蓄冷换热器的低温侧出气管与下一级膨胀发电机组的膨胀机的进气口相连通，最后一级蓄冷换热器的低温侧出气管与乏汽回收管路的一端相连通，乏汽回收管路的另一端与喷射器上的乏汽回收口相连通；蓄冷罐的出液管与蓄冷泵的进液端相连通，蓄冷泵的出液端与第一级蓄冷换热器高温侧进液管相连通，上一级蓄冷换热器高温侧出液管与下一级蓄冷换热器高温侧进液管相连通，最后一级蓄冷换热器高温侧出液管与蓄冷罐的进液管相连通。

优选的，或者，当工质为纯水时，最后一级蓄冷换热器低温侧出气管与外界大气环境相连通。

优选的，闪发器底部的第二出口与储罐上设置的工质回收口之间通过工质回收管路相连通，且工质回收管路上还串联设置有闪发器工质泵和第七阀门。

优选的，各电动机的电力来源于盈余电量，盈余电量包括电网系统用电低谷时的电量、风力发电量、光伏发电量、生物能发电量中的一个或多个。

本发明还提供一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电方法，该储能发电方法应用于如上述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统中：

当有盈余电量时，进行储能：打开第一阀门、第二阀门，关闭第三阀门、第五阀门，经上一级压缩机组内的压缩机所压缩后的空气，流经对应的蓄热换热器高温侧后进入下一级压缩机组内的压缩机内，最后一级压缩机组内的压缩机压缩形成的高温高压空气进入储罐内，储罐内的高温高压空气与液相工质进行热量交换，同时储罐内的压力增大使得储罐内液相工质的压力也获得了提升；同时储罐内液相工质由储罐工质泵提供动力，循环流经各级蓄热换热器低温侧吸收热量后回到储罐内，储罐内的液相工质压力和温度升高，盈余电量最终转化成储罐内液相工质的内能，存储待用；

在用电高峰时，释能发电，同时进行冷量回收以制冷：打开第五阀门、第六阀门、第七阀门，关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门，储罐内的高温高压液相工质从储罐底部出液口流出，流入喷射器内，经喷射器引射后，进入闪发器内变为高温高压的气相工质，闪发器内的气相工质从闪发器顶部的第一出口处流出，进入各级膨胀发电机组内，气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机膨胀做功，带动对应的发电机发电；同时，经上一级膨胀发电机组内的膨胀机膨胀做功后的气相工质，流经对应的蓄冷换热器低温侧后进入下一级膨胀发电机组内的膨胀机内，从最后一级蓄冷换热器低温侧出气管流出的乏汽通过乏汽回收管路回到喷射器内，闪发器内的液相工质由闪发器工质泵提供动力，重新送回储罐内；同时，而蓄冷罐内的液态蓄冷介质由蓄冷泵提供动力，流经各级蓄冷换热器高温侧，将蓄冷换热器低温侧传递来的冷量带回蓄冷罐内；

释能发电结束后，关闭第五阀门，打开第三阀门，使储罐内部与外界大气环境相连通。

本发明的有益效果在于：

（1）储能发电系统中，压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，储能子系统中将高温高压空气中的能量转化成高温高压液相工质的内能以存储备用，在用电高峰时，膨胀释能子系统通过高温高压液相工质经闪发为气相工质后膨胀做功发电，缓解用电紧张，本发明的储能发电系统对电网不同用电时段的电能供应进行调控。本发明的储能发电系统可以将风力发电、光伏发电作为盈余电量统一转化成高温高压液相工质的内能，在用电高峰时，再通过高温高压液相工质膨胀做功发电并统一送入电网，解决了直接使用风力发电、光伏发电缓解用电高峰所存在的电源波动性、周期性和不确定性的问题；本发明还通过冷量回收子系统收集释能发电过程中产生的冷量以供冷，充分地利用储能子系统中液相工质的内能。

（2）本发明的压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，并将高温高压空气与液相工质一并存储在储罐内，通过将盈余电量转化为压缩空气内能，并且从开始压缩空气、到压缩空气存储于储罐内的过程中，通过多种途径并行将高温高压空气的内能转化成储罐中液相工质的内能，即实现将盈余电量最终转化成储罐中高温高压液相工质的内能来进行存储，相较于通过压缩空气储能和膨胀空气释能的现有技术而言，本发明的储能发电系统，无需单独设置配备存放高温液相介质的高温储热罐、存放高压空气的高压储罐、存放低温介质的低温蓄热罐。同时本发明在释能过程，直接将储罐中高温高压的液相工质作为膨胀做功的工作介质，无需借助多级换热装置进行热量的回收和再利用来提高进入膨胀机前的空气温度，避免了空气与换热装置中液相蓄热工质的再次换热过程，省去了多个间壁式换热设备，大大简化了整个储能发电系统的结构，降低了系统成本和系统㶲损，提升了整个系统的储能和释能响应速度，提高了储能和释能效率。

（3）本发明储罐内液相工质的升温升压过程从开始逐级压缩空气、到压缩空气存储于储罐内的过程中，通过多个途径同步进行的，所以储罐内液相工质升温升压十分迅速，即本发明的储能发电系统进一步提高了储能过程响应速度和效率。

（4）本发明将最后一级压缩机组所排出的高温高压空气通过换热盘管直接鼓入储罐中的液相工质内，实现直接接触换热的同时，储罐中液相工质内的压缩空气气泡浮动上升至储罐上部的气体空间内，增强了储罐中液相工质扰动，强化了换热效果。

（5）本发明在膨胀释能子系统中配备了喷射器和闪发器，在释能发电过程中，从最后一级膨胀发电机组内的膨胀机出口流出的乏汽，进入喷射器内，与从储罐底部出液口流如喷射器内的液相工质混合后，在调节喷射器出液口压力的同时，补给了进入后续闪发器中的总工质流量，以及调节经闪发器闪发气化后的气相工质进入各级膨胀发电机组的压力。进一步提高工质在膨胀机的做功能力，使膨胀机输出更多的机械功，带动发电机发出更多的电能，即本发明实现了乏汽的回收再利用。

（6）冷量回收子系统在回收膨胀过程产生冷量的同时维持了进入下一级膨胀发电机组内气相工质温度，使得最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会过低，当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽直接进入大气环境中时，使最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会太低，避免形成冷凝液滴，对膨胀机叶片造成损坏；当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽被乏汽回收管路回收到喷射器内时，避免了部分乏汽因温度过低而形成冷凝水，减少被喷射器所回收的乏汽损失。冷量回收子系统所回收的冷量可给冰库供冷，或在夏日供居民降温解暑等。

（7）本发明的压缩子系统通过将常温常压下的空气经过多级压缩转化成高温高压空气，将盈余电量转化成了空气内能；并且两级及以上的压缩机组串联的结构形式实现增大压缩子系统工质流量，在降低了对各台压缩机的性能要求的同时提升了压缩子系统的整体压比，避免了因单台压缩机压比过大而引起爆震的情况，延长了压缩机的使用寿命。

（8）闪发器在工作过程中可能会因为闪发气化不充分，导致部分液相工质未变为气相工质，而是积存于闪发器的底部，本发明打开闪发器底部工质回收管路上的第七阀门，由闪发器工质泵提供动力，将积存于闪发器底部的液相工质重新送回储罐内，不仅减少了闪发器内被液相工质占用的空间，同时也及时地补充了释能发电过程中，储罐内不断减少的液相工质。

附图说明

图1为本发明的储能发电系统的整体结构示意图；

图2为本发明储能发电系统中储罐的第二种内部结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明的保护范围。

在图1中，受电动机驱动或是驱动发电机都是用加粗黑线表示，其他实线和虚线均表示管路连接。

实施例

一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统包括压缩子系统、储能子系统和膨胀释能子系统、冷量回收子系统。压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，储能子系统中将高温高压空气中的能量转化成高温高压液相工质的内能，存储备用，在用电高峰时，膨胀释能子系统通过高温高压液相工质经闪发为气相工质后膨胀做功发电来缓解用电紧张，冷量回收子系统回收膨胀释能子系统中工质膨胀做功所产生的冷量。

如图1所示，为本发明一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统的整体结构示意图。

1、压缩子系统

压缩子系统由两级及以上的压缩机组串联构成。

每级压缩机组包括一个压缩机AC和一个电动机M；各电动机M单独驱动对应的压缩机AC将上一级压缩机组排出的气体进行压缩后再排出。

可选的，每级压缩机组中的压缩机AC均可由一套电动机M同时驱动。

压缩机AC和电动机M的驱动方式不作为对本发明的限制。

第一级压缩机组内的压缩机AC的进气口吸入常温常压的空气，最后一级压缩机组内的压缩机AC的出气口与储能子系统的进气管相连通。

电动机M的电力来源于盈余电量，盈余电量的来源包括但不限于电网系统用电低谷时的电量、风力发电、光伏发电、生物能发电等其他清洁能源发电。

压缩子系统通过将常温常压下的空气经过多级压缩转化成高温高压空气，将盈余电量转化成了空气内能；并且两级及以上的压缩机组串联的结构形式实现增大压缩子系统工质流量，在降低了对各台压缩机的性能要求的同时提升了压缩子系统的整体压比，避免了因单台压缩机压比过大而引起爆震的情况，延长了压缩机的使用寿命。

可选的，压缩子系统中压缩的气体可以为二氧化碳等其他工作气体。

本实施例中，压缩子系统由三级压缩机组串联构成。

2、储能子系统

储能子系统包括储罐TANK1、第一阀门CV1、第二阀门CV2、储罐工质泵PUMP1、一级及以上的蓄热换热器HEX1、循环进液管和循环出液管。

压缩子系统中最后一级压缩机组内的压缩机AC的出气口与储罐TANK1的进气口相连通并将高温高压空气送入储罐TANK1内，储罐TANK1的进气口上设置有第一阀门CV1。储罐TANK1用于存储高温高压空气和液相工质，其中高温高压空气位于储罐TANK1上部，液相工质位于储罐TANK1的下部；储罐TANK1下部设置有循环进液管和循环出液管，循环出液管靠近储罐TANK1的一端上设置有第二阀门CV2和储罐工质泵PUMP1；储罐TANK1的底部设置有出液口。

蓄热换热器HEX1的总级数比压缩机组总级数少1，各蓄热换热器HEX1高温侧进气管与上一级压缩机组内的压缩机AC的出气口相连通，各蓄热换热器HEX1高温侧出气管与下一级压缩机组内的压缩机AC的进气口相连通；上一级蓄热换热器HEX1低温侧的出液管与下一级蓄热换热器HEX1低温侧的进液管相连通，第一级蓄热换热器HEX1低温侧进液管与循环出液管远离储罐TANK1的一端相连通；最后一级蓄热换热器HEX1低温侧的出液管与循环进液管相连通。

在本实施例中，循环出液管上依次串联第二阀门CV2和储罐工质泵PUMP1后再与第一级蓄热换热器HEX1低温侧进液管相连通；且蓄热换热器HEX1共两级，第一级压缩机组内的压缩机AC的出气口与第一级蓄热换热器HEX1高温侧的进气管相连通，第一级蓄热换热器HEX1高温侧的出气管与第二级压缩机组内的压缩机AC的进气口相连通，第二级压缩机组内的压缩机AC的出气口与第而级蓄热换热器HEX1高温侧的进气管相连通，第二级蓄热换热器HEX1高温侧的出气管与第三级压缩机组内的压缩机AC的进气口相连通。

可选的，储罐TANK1上还包括设置在储罐TANK1顶部且与外界大气环境相连通的第三阀门CV3。

3、膨胀释能子系统

膨胀释能子系统包括第五阀门CV5、喷射器FM、闪发器FT、第六阀门CV6、膨胀发电机组。

储罐TANK1底部的出液口与第五阀门CV5的进液端相连通，第五阀门CV5的出液端与喷射器FM的进液口相连通，喷射器FM的出液口与闪发器FT的入口相连通，闪发器FT顶部的第一出口与第六阀门CV6的流入端相连通，第六阀门CV6的流出端连通至一级及以上的膨胀发电机组。其中，每级膨胀发电机组都包括一个膨胀机TE和一个发电机G，工质在各膨胀机TE内膨胀做功带动对应的发电机G发电，第六阀门CV6的流出端与第一级膨胀发电机组的膨胀机TE入口相连通，各膨胀机TE将上一级膨胀发电机组排出的气相工质膨胀后再排出，最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE排出的低温低压气相工质，即乏汽，被乏汽回收管路回收至喷射器FM内。

可选的，各级膨胀发电机组中的膨胀机TE均可连接至同一套发电机G上，即工质在各膨胀机TE内膨胀做功可驱动同一套发电机G发电，各膨胀机TE驱动发电机G的方式不作为对本发明的限制。

喷射器FM上靠近喷射器FM进液口出设置有乏汽回收口，与乏汽回收管路的一端相连通。

可选的，闪发器FT底部的第二出口与储罐TANK1上设置的工质回收口之间通过工质回收管路相连通，且工质回收管路上还串联设置有闪发器工质泵PUMP3和第七阀门CV7。

在本实施例中，靠近闪发器FT底部的工质回收管路上设置有闪发器工质泵PUMP3，远离闪发器FT底部的工质回收管路上设置有第七阀门CV7。

可选的，当工质为纯水时，最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE的出口不是通过乏汽回收管路与喷射器FM上设置的乏汽回收口相连通，而是直接将乏汽排入外界大气环境中。

4、冷量回收子系统

冷量回收子系统包括一级及以上的蓄冷换热器HEX2、蓄冷泵PUMP4、蓄冷罐TANK2。

蓄冷换热器HEX2的总级数与膨胀发电机组总级数相同，各蓄冷换热器HEX2的低温侧进气管与上一级膨胀发电机组的膨胀机TE的出气口相连通，各蓄冷换热器HEX2的低温侧出气管与下一级膨胀发电机组的膨胀机TE的进气口相连通，最后一级蓄冷换热器HEX2的低温侧出气管与乏汽回收管路的一端相连通，乏汽回收管路的另一端与喷射器FM上的乏汽回收口相连通。

蓄冷罐TANK2的出液管与蓄冷泵PUMP4的进液端相连通，蓄冷泵PUMP4的出液端与第一级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，上一级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与下一级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，最后一级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与蓄冷罐TANK2的进液管相连通。蓄冷罐TANK2内盛放有液态蓄冷介质。

在本实施例中，膨胀发电机组和蓄冷换热器HEX2均包括三级，则第一级膨胀发电机组的膨胀机TE的出气口与第一级蓄冷换热器HEX2低温侧进气管相连通，第一级蓄冷换热器HEX2低温侧出气管与第二级膨胀发电机组的膨胀机TE的进气口相连通，第二级膨胀发电机组的膨胀机TE的出气口与第二级蓄冷换热器HEX2低温侧进气管相连通，第二级蓄冷换热器HEX2低温侧进气管与第三级膨胀发电机组的膨胀机TE的进气口相连通，第三级膨胀发电机组的膨胀机TE的出气口与第三级蓄冷换热器HEX2低温侧进气管相连通，第三级蓄冷换热器HEX2低温侧出气管与乏汽回收管路的一端相连通。蓄冷罐TANK2的出液管与蓄冷泵PUMP4的进液端相连通，蓄冷泵PUMP4的出液端与第一级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，第一级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与第二级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，第二级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与第三级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，第三级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与蓄冷罐TANK2的进液管相连通。

可选的，当工质为纯水时，最后一级蓄冷换热器低温侧出气管不是通过乏汽回收管路与喷射器FM上设置的乏汽回收口相连通，而是直接将乏汽排入外界大气环境中。

当有盈余电量时，本发明的储能发电系统进行储能：

第五阀门CV5关闭、第一阀门CV1打开，常温常压的空气进入第一级压缩机组内的压缩机AC内被压缩，空气的压力和温度均升高后进入第一级蓄热换热器HEX1高温侧，流经第一级蓄热换热器HEX1高温侧时，空气与第一级蓄热换热器HEX1低温侧进行热量交换后降温并进入第二级压缩机组内的压缩机AC内被再次压缩，空气的压力和温度均再次升高后进入第二级蓄热换热器HEX1高温侧，流经第二级蓄热换热器HEX1高温侧时，空气与第二级蓄热换热器HEX1低温侧进行热量交换后降温并进入第三级压缩机组内的压缩机AC内被再次压缩，空气的压力和温度均进一步升高后从储罐TANK1的进气口进入储罐TANK1内。

当储罐TANK1顶部设置有第三阀门CV3时，在本发明的储能发电系统进行储能的过程中，第三阀门CV3关闭，即第三阀门CV3不与外界大气环境相连通。

在各级压缩机压缩空气的过程中，同时进行的还有过程Ⅰ：第二阀门CV2打开，由储罐工质泵PUMP1提供动力，储罐TANK1内的液相工质从循环出液管流出，流经各级蓄热换热器HEX1低温侧吸收热量后，再通过循环进液管流入储罐TANK1内，提升了储罐TANK1内液相工质的整体温度。

如图1所示，随着从储罐TANK进气口进入的压缩空气越来越多，储罐TANK1内的整体压力也越来越大，储罐TANK1内的液相工质的压力也随之增大；同时，储罐TANK1内的液相工质温度也逐渐升高。储罐TANK1内的液相工质温度升高主要有两方面的原因：一是过程Ⅰ；二是储罐TANK1内上部的高温压缩空气通过与液相工质的表面接触从而进行热量传递。即两个途径同步进行导致储罐TANK1内液相工质迅速升温升压。

不同于图1中储罐TANK1的内部结构，如图2所示，为本发明储能发电系统中储罐TANK1的第二种内部结构示意图，储罐TANK1内还包括换热盘管HCP，换热盘管HCP为弯延盘绕且内部空心的金属管，换热盘管HCP的上端与储罐TANK进气口相连通，换热盘管HCP的下端浸没在储罐TANK中的液相工质内。在本实施例里，换热盘管HCP的下部浸没在储罐TANK1内的液相工质内。

本发明中的换热盘管HCP不限于螺旋结构。

越来越多新的压缩空气从储罐TANK进气口进入，从换热盘管HCP的上端流入换热盘管HCP，从换热盘管HCP的下端流出，此过程中，储罐TANK1内的液相工质的压力随着储罐TANK随之增大；同时，储罐TANK1内的液相工质温度也逐渐升高。即当储罐TANK1的内部结构如图2所示时，储罐TANK1内的液相工质温度升高主要有四方面的原因：一是过程Ⅰ；二是压缩空气从换热盘管HCP的下端流出的过程中，压缩空气中的一部分热量通过浸没在液相工质中的那部分换热盘管HCP传递至液相工质里；三是压缩空气从换热盘管HCP的下端流出后，以气泡的形式在液相工质里上升，直至浮出并进入储罐TANK上部的气体空间内，高温气泡与周围的液相工质充分接触换热；四是储罐TANK1内上部的高温压缩空气通过与液相工质的表面接触从而进行热量传递。即四个途径同步进行导致储罐TANK1内液相工质迅速升温升压。

本发明的中盈余电量最终转化成储罐TANK1内高温高压液相工质的内能，且由上述分析可知，本发明储罐TANK1内液相工质的升温升压过程是在压缩空气子系统在逐级压缩空气的过程中，通过多个途径同步进行的，所以储罐TANK1内液相工质升温升压十分迅速，即本发明的储能发电系统的储能过程响应迅速且高效。

在用电高峰时，本发明的储能发电系统释能发电，同时进行冷量回收以制冷：

第一阀门CV1、第二阀门CV2均关闭，第五阀门CV5、第六阀门CV6打开；当储罐TANK1顶部设置有第三阀门CV3时，在本发明的储能发电系统释能发电的过程中，第三阀门CV3关闭，即第三阀门CV3不与外界大气环境相连通。

储罐TANK1内的高温高压液相工质从储罐TANK1底部出液口流出，流入喷射器FM内，经喷射器FM引射后，液相工质进入闪发器FT内闪发气化，变为高温高压的气相工质，闪发器FT内的气相工质从闪发器FT顶部的第一出口处流出，进入各级膨胀发电机组内，气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功，带动对应的发电机G发电。气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功的过程中，气相工质逐级膨胀降温降压，充分地利用了气相工质的内能，最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE出口所排出的气相工质为低温低压气相工质。每级膨胀发电机组内的膨胀机TE所排出的气相工质在进入下一级膨胀发电机组内的膨胀机TE前，都会先流经对应的蓄冷换热器HEX2低温侧，这个过程中各蓄冷换热器HEX2的低温侧和高温侧进行热量交换，则流经各蓄冷换热器HEX2低温侧的气相工质升温，而蓄冷罐TANK2内的液态蓄冷介质由蓄冷泵PUMP4提供动力，流经各蓄冷换热器HEX2高温侧，将气相工质逐级膨胀所产生的冷量带回蓄冷罐TANK2内。同时，冷量回收子系统在回收膨胀过程产生冷量的同时维持了进入下一级膨胀发电机组内气相工质温度，使得最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会过低，当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽直接进入大气环境中时，使最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会太低，避免形成冷凝液滴，对膨胀机TE叶片造成损坏；当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽被乏汽回收管路回收到喷射器FM内时，避免了部分乏汽因温度过低而形成冷凝水，减少被喷射器FM所回收的乏汽损失。

蓄冷罐TANK2可以将其内所存储的冷量可给冰库供冷，或在夏日供居民降温解暑等。

在储能发电系统释能发电的过程中，若闪发器FT底部的第二出口与储罐TANK1上设置的工质回收口之间通过工质回收管路相连通，且工质回收管路上还串联设置有闪发器工质泵PUMP3和第七阀门CV7时，第七阀门CV7也打开。闪发器FT在工作过程中可能会因为闪发气化不充分，导致部分液相工质未变为气相工质，而是积存于闪发器FT的底部，第七阀门CV7打开，由闪发器工质泵PUMP3提供动力，将积存于闪发器FT底部的液相工质重新送回储罐TANK1内，不仅减少了闪发器FT内被液相工质占用的空间，同时也及时地补充了释能发电过程中，储罐TANK1内不断减少的液相工质。

当最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE的出口不与外界大气环境相连通，而是通过乏汽回收管路与喷射器FM上设置的乏汽回收口相连通时，具有一定温度和压力的乏汽从最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE的出口流出后，从喷射器FM上的乏汽回收口进入喷射器FM内，在喷射器FM的作用下，乏汽被储罐TANK1底部出液口所流入喷射器FM内的液相工质卷吸混合后，在调节喷射器FM出液口压力的同时，也补给了进入后续闪发器FT、各级膨胀发电机组内的总工质流量，进一步提高工质在膨胀机TE的做功能力，使膨胀机TE输出更多的机械功，带动发电机G发出更多的电能。

当本发明的储能发电系统释能发电结束后，当储罐TANK1上还包括设置在储罐TANK1顶部的第三阀门CV3时，打开第三阀门CV3，使储罐TANK1内部与外界大气环境相连通，储罐TANK1内的压力恢复至大气环境压力，储罐TANK1为本发明的储能发电系统进行下一次储能做准备。

当本发明的储能发电系统释能发电结束后，若储罐TANK1上未设置有打开就与外界大气环境相连通的阀门时，可以通过打开第一阀门CV1，使储罐TANK1通过不工作的压缩子系统的管路将多余压力释放至外界大气环境中。

本发明储能发电系统中循环的液相工质可以为水或其他有机工质，以适应不同的工作压力、不同温度的工况条件。同理本发明储能发电系统中的压缩机组级数和/或膨胀机发电机组级数均由工作人员根据实际的压比、目标压力工作需求、膨胀比来确定。

本发明的储能发电系统中，压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，储能子系统中将高温高压空气中的能量转化成高温高压液相工质的内能以存储备用，在用电高峰时，膨胀释能子系统通过高温高压液相工质经闪发为气相工质后膨胀做功发电，缓解用电紧张，本发明的储能发电系统对电网不同用电时段的电能供应进行调控。本发明的储能发电系统可以将风力发电、光伏发电作为盈余电量统一转化成高温高压液相工质的内能，在用电高峰时，再通过高温高压液相工质膨胀做功发电并统一送入电网，解决了直接使用风力发电、光伏发电缓解用电高峰所存在的电源波动性、周期性和不确定性的问题；本发明还通过冷量回收子系统收集释能发电过程中产生的冷量以供冷，充分地利用储能子系统中液相工质的内能。

压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，并将高温高压空气与液相工质一并存储在储罐TANK1内，通过将盈余电量转化为压缩空气内能，并且从开始压缩空气、到压缩空气存储于储罐TANK1内的过程中，通过多种途径并行将高温高压空气的内能转化成储罐TANK1中液相工质的内能，即实现将盈余电量最终转化成储罐TANK1中高温高压液相工质的内能来进行存储，相较于通过压缩空气储能和膨胀空气释能的现有技术而言，本发明的储能发电系统，无需单独设置配备存放高温液相介质的高温储热罐、存放高压空气的高压储罐、存放低温介质的低温蓄热罐。同时本发明在释能过程，与现有技术中常规压缩空气储能系统不同，不采用空气膨胀输出机械功的方式，而是直接将储罐TANK1中高温高压的液相工质作为膨胀做功的工作介质，无需借助多级换热装置进行热量的回收和再利用来提高进入膨胀机前的空气温度，避免了空气与换热装置中液相蓄热工质的再次换热过程，省去了多个间壁式换热设备，大大简化了整个储能发电系统的结构，降低了系统成本和系统㶲损，提升了整个系统的储能和释能响应速度，提高了储能和释能效率。

本发明的储能过程中，随着越来越多的压缩空气进入储罐TANK1内，储罐TANK1内的液相工质压力就在不断上升。同时，当储罐TANK1内不包括换热盘管HCP时，液相工质同步进行的升温途径包括：

①液相工质循环流经各级蓄热换热器HEX1低温侧吸收热量，

②储罐TANK1内上部的高温压缩空气通过与液相工质的表面接触从而进行热量传递。

当储罐TANK1内包括换热盘管HCP时，液相工质同步进行的升温途径包括：

①液相工质循环流经各级蓄热换热器HEX1低温侧吸收热量，

②压缩空气从换热盘管HCP的下端流出的过程中，压缩空气中的一部分热量通过浸没在液相工质中的那部分换热盘管HCP传递至液相工质里，

③压缩空气从换热盘管HCP的下端流出后，以气泡的形式在液相工质里上升，直至浮出并进入储罐TANK上部的气体空间内，高温气泡与周围的液相工质充分接触换热，

④储罐TANK1内上部的高温压缩空气通过与液相工质的表面接触从而进行热量传递。

由上述分析可知，本发明储罐TANK1内液相工质的升温升压过程是从开始逐级压缩空气、到压缩空气存储于储罐TANK1内的过程中，通过多个途径同步进行的，所以储罐TANK1内液相工质升温升压十分迅速，即本发明的储能发电系统进一步提高了储能过程响应速度和效率。

本发明将最后一级压缩机组所排出的高温高压空气通过换热盘管HCP直接鼓入储罐TANK1中的液相工质内，实现直接接触换热的同时，储罐TANK1中液相工质内的压缩空气气泡浮动上升至储罐TANK1上部的气体空间内，增强了储罐TANK1中液相工质扰动，强化了换热效果。

本发明在膨胀释能子系统中配备了喷射器FM和闪发器FT，在释能发电过程中，从最后一级膨胀发电机组内的膨胀机TE出口流出的乏汽，进入喷射器FM内，与从储罐TANK1底部出液口流如喷射器FM内的液相工质混合后，在调节喷射器FM出液口压力的同时，补给了进入后续闪发器FT中的总工质流量，以及调节经闪发器FT闪发气化后的气相工质进入各级膨胀发电机组的压力。进一步提高工质在膨胀机TE的做功能力，使膨胀机TE输出更多的机械功，带动发电机G发出更多的电能，即本发明实现了乏汽的回收再利用。

实施例

本发明还提供一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电方法，应用在如实施例1所描述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统中。

当有盈余电量时，本发明储能发电系统进行储能，包括以下内容：

打开第一阀门CV1、第二阀门CV2，关闭第三阀门CV3、第五阀门CV5，经上一级压缩机组内的压缩机AC所压缩后的空气，流经对应的蓄热换热器HEX1高温侧后进入下一级压缩机组内的压缩机AC内，最后一级压缩机组内的压缩机AC压缩形成的高温高压空气进入储罐TANK1内，储罐TANK1内的高温高压空气与液相工质进行热量交换，同时储罐TANK1内的压力增大使得储罐TANK1内液相工质的压力也获得了提升；同时储罐TANK1内的液相工质由储罐工质泵PUMP1提供动力，循环流经各级蓄热换热器HEX1低温侧吸收热量后回到储罐TANK1内，储罐TANK1内的液相工质压力和温度不断升高，盈余电量最终转化成储罐TANK1内液相工质的内能，存储待用。

在用电高峰时，本发明的储能发电系统释能发电，同时进行冷量回收以制冷，包括以下内容：

打开第五阀门CV5、第六阀门CV6、第七阀门CV7，关闭第一阀门CV1、第二阀门CV2、第三阀门CV3，储罐TANK1内的高温高压液相工质从储罐TANK1底部出液口流出，流入喷射器FM内，经喷射器FM引射后，进入闪发器FT内变为高温高压的气相工质，闪发器FT内的气相工质从闪发器FT顶部的第一出口处流出，进入各级膨胀发电机组内，气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功，带动发电机G发电；同时，经上一级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功后的气相工质，流经对应的蓄冷换热器HEX2低温侧后进入下一级膨胀发电机组内的膨胀机TE内，从最后一级蓄冷换热器HEX2低温侧出气管流出的乏汽通过乏汽回收管路回到喷射器FM内，闪发器FT内的液相工质由闪发器工质泵PUMP3提供动力，重新送回储罐TANK1内；同时，而蓄冷罐TANK2内的液态蓄冷介质由蓄冷泵PUMP4提供动力，流经各级蓄冷换热器HEX2高温侧，将蓄冷换热器HEX2低温侧传递来的冷量带回蓄冷罐TANK2内。

释能发电结束后，关闭第五阀门CV5，打开第三阀门CV3，使储罐TANK1内部与外界大气环境相连通。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。还需要指出的是，以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，本发明实施例中各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的，这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：包括压缩子系统、储能子系统、膨胀释能子系统和冷量回收子系统；

压缩子系统由超过两级的压缩机组串联构成；储能子系统包括储罐TANK1、第一阀门CV1、第二阀门CV2、储罐工质泵PUMP1、超过一级的蓄热换热器HEX1、循环进液管和循环出液管；

每级压缩机组包括一个压缩机AC，各压缩机AC受电动机M驱动压缩空气，第一级压缩机组内的压缩机AC的进气口吸入常温常压的空气，最后一级压缩机组内的压缩机AC的出气口与第一阀门CV1的进气口相连通，第一阀门CV1的出气口与储罐TANK1的进气口相连通；储罐TANK1内设置有液相工质，储罐TANK1下部设置有循环进液管和循环出液管，循环出液管靠近储罐TANK1的一端上串联设置有储罐工质泵PUMP1和第二阀门CV2，循环出液管远离储罐TANK1的一端与第一级蓄热换热器HEX1低温侧的进液管相连通；蓄热换热器HEX1的总级数比压缩机组总级数少1，各蓄热换热器HEX1高温侧进气管与上一级压缩机组内的压缩机AC的出气口相连通，各蓄热换热器HEX1高温侧出气管与下一级压缩机组内的压缩机AC的进气口相连通；上一级蓄热换热器HEX1低温侧的出液管与下一级蓄热换热器HEX1低温侧的进液管相连通，最后一级蓄热换热器HEX1低温侧的出液管与循环进液管相连通；储罐TANK1的底部设置有与膨胀释能子系统相连通的出液口；冷量回收子系统收集膨胀释能子系统膨胀做功过程中产生的冷量。

2.根据权利要求1所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：储罐TANK1内还包括换热盘管HCP，换热盘管HCP为弯延盘绕且内部空心的金属管，换热盘管HCP的上端与储罐TANK进气口相连通，换热盘管HCP的下端浸没在储罐TANK中的液相工质内。

3.根据权利要求2所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：储罐TANK1上还包括设置在储罐TANK1顶部的第三阀门CV3，第三阀门CV3阀门打开时，储罐TANK1内部与外界大气环境相连通。

4.根据权利要求3所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：膨胀释能子系统包括第五阀门CV5、喷射器FM、闪发器FT、第六阀门CV6、膨胀发电机组；储罐TANK1底部的出液口与第五阀门CV5的进液端相连通，第五阀门CV5的出液端与喷射器FM的进液口相连通，喷射器FM的出液口与闪发器FT的入口相连通，闪发器FT顶部的第一出口与第六阀门CV6的流入端相连通，第六阀门CV6的流出端与膨胀发电机组连通。

5.根据权利要求4所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：膨胀释能子系统包括超过一级的膨胀发电机组，膨胀发电机组包括膨胀机TE和发电机G，膨胀机TE内的工质膨胀做功驱动发电机G发电。

6.根据权利要求5所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：冷量回收子系统包括超过一级的蓄冷换热器HEX2、蓄冷泵PUMP4和蓄冷罐TANK2；

蓄冷换热器HEX2的总级数与膨胀发电机组总级数相同，第六阀门CV6的流出端与第一级膨胀发电机组的膨胀机TE入口相连通，各蓄冷换热器HEX2的低温侧进气管与上一级膨胀发电机组的膨胀机TE的出气口相连通，各蓄冷换热器HEX2的低温侧出气管与下一级膨胀发电机组的膨胀机TE的进气口相连通，最后一级蓄冷换热器HEX2的低温侧出气管与乏汽回收管路的一端相连通，乏汽回收管路的另一端与喷射器FM上的乏汽回收口相连通；

蓄冷罐TANK2的出液管与蓄冷泵PUMP4的进液端相连通，蓄冷泵PUMP4的出液端与第一级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，上一级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与下一级蓄冷换热器HEX2高温侧进液管相连通，最后一级蓄冷换热器HEX2高温侧出液管与蓄冷罐TANK2的进液管相连通。

7.根据权利要求6所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：或者，当工质为纯水时，最后一级蓄冷换热器HEX2低温侧出气管与外界大气环境相连通。

8.根据权利要求6所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：闪发器FT底部的第二出口与储罐TANK1上设置的工质回收口之间通过工质回收管路相连通，且工质回收管路上还串联设置有闪发器工质泵PUMP3和第七阀门CV7。

9.根据权利要求8所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，其特征在于：各电动机M的电力来源于盈余电量，盈余电量包括电网系统用电低谷时的电量、风力发电量、光伏发电量、生物能发电量中的一个或多个。

10.一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电方法，该储能发电方法应用于如权利要求9所述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统中，其特征在于：

当有盈余电量时，进行储能：打开第一阀门CV1、第二阀门CV2，关闭第三阀门CV3、第五阀门CV5，经上一级压缩机组内的压缩机AC所压缩后的空气，流经对应的蓄热换热器HEX1高温侧后进入下一级压缩机组内的压缩机AC内，最后一级压缩机组内的压缩机AC压缩形成的高温高压空气进入储罐TANK1内，储罐TANK1内的高温高压空气与液相工质进行热量交换，同时储罐TANK1内的压力增大使得储罐TANK1内液相工质的压力也获得了提升；同时储罐TANK1内的液相工质由储罐工质泵PUMP1提供动力，循环流经各级蓄热换热器HEX1低温侧吸收热量后回到储罐TANK1内，储罐TANK1内的液相工质压力和温度升高，盈余电量最终转化成储罐TANK1内液相工质的内能，存储待用；

在用电高峰时，释能发电，同时进行冷量回收以制冷：打开第五阀门CV5、第六阀门CV6、第七阀门CV7，关闭第一阀门CV1、第二阀门CV2、第三阀门CV3，储罐TANK1内的高温高压液相工质从储罐TANK1底部出液口流出，流入喷射器FM内，经喷射器FM引射后，进入闪发器FT内变为高温高压的气相工质，闪发器FT内的气相工质从闪发器FT顶部的第一出口处流出，进入各级膨胀发电机组内，气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功，带动对应的发电机G发电；同时，经上一级膨胀发电机组内的膨胀机TE膨胀做功后的气相工质，流经对应的蓄冷换热器HEX2低温侧后进入下一级膨胀发电机组内的膨胀机TE内，从最后一级蓄冷换热器HEX2低温侧出气管流出的乏汽通过乏汽回收管路回到喷射器FM内，闪发器FT内的液相工质由闪发器工质泵PUMP3提供动力，重新送回储罐TANK1内；同时，而蓄冷罐TANK2内的液态蓄冷介质由蓄冷泵PUMP4提供动力，流经各级蓄冷换热器HEX2高温侧，将蓄冷换热器HEX2低温侧传递来的冷量带回蓄冷罐TANK2内；

释能发电结束后，关闭第五阀门CV5，打开第三阀门CV3，使储罐TANK1内部与外界大气环境相连通。