CN207879412U - 一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,包括空气压缩机组、储能装置、膨胀机组、压力控制阀组、喷射器，储能装置包括多个储能罐，储能罐的进口端与空气压缩机组的出口端连接，每个储能罐的出口端与膨胀机组的进口端之间设有压力控制阀组和喷射器，喷射器包括依次连接的接收管、混合管以及扩压管，接收管的进口的中心处设有拉伐尔喷管，拉伐尔喷管的进口端形成第一进气口，在接收管上还设有第二进气口，扩压管的出口端与膨胀机组的进口端连接，压力控制阀组包括第一送气管组、第二送气管组、第三送气管组、第一控制阀组、第二控制阀组以及第三控制阀组。本实用新型具有高效利用高压空气、环保的特点。

Description

一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统。

背景技术

储能技术能够改善电能品质，维持电力系统稳定；克服可再生能源(风能、太阳能等)的间歇性特点，形成稳定的电力供应向用户按需、持续供电；储能单元可以形成可调度的机组，根据电价的谷峰值来储释能，提高电力的经济效益。压缩空气储能CAES是新型存储技术，以存储高度压缩空气的形式来进行电力储能：在用电低谷时段，来自电网的多余电能或风电、太阳能等不易储藏的电力用于驱动电动机，带动压缩机，压缩空气并储存在储气室内，以备高峰负荷时用于发电。气体释放时，经一定环节升温后推动膨胀机做功发电。

储能罐内能量能否有效利用将是储能系统发展的制约因素之一，如何降低释能时减压过程中的能量损失是关注的焦点。传统的CAES在释能时，随压缩空气量的减少，压缩空气的压力不断减小，为保证膨胀机的稳定运行，需要通过稳压装置将高压空气节流降压后使用，而节流减压是目前普遍采用的调节压力的方法，是使高压气体在流动过程中产生摩擦功耗来实现降低蒸汽压力的方法。节流过程浪费了大量的压缩能，造成了能量损失。

鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种更加高效利用储能罐内压缩空气压力的绝热压缩空气储能系统。

为了达到上述目的，本实用新型采用这样的技术方案：

一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,包括空气压缩机组、储能装置、膨胀机组、压力控制阀组以及喷射器，空气压缩机组包括传动连接的电动机和若干台空气压缩机，膨胀机组包括发电机、高压膨胀机、低压膨胀机以及换热器，所述储能装置包括多个储能罐，储能罐的进口端与空气压缩机组的出口端连接，压力控制阀组和喷射器设置在每个储能罐的出口端与膨胀机组的进口端之间，喷射器包括依次连接的接收管、混合管以及扩压管，接收管的进口的中心处设有拉伐尔喷管，拉伐尔喷管的进口端形成第一进气口，在接收管上还设有第二进气口，扩压管的出口端与膨胀机组的进口端连接，压力控制阀组包括第一送气管组、第二送气管组以及第三送气管组，第一送气管组配设有第一控制阀组，第二送气管组上配设有第二控制阀组，第三送气管组上配设有第三控制阀组，第一送气管组、第二送气管组以及第三送气管组的进口端均与储能罐的出口端连通，第一送气管组的出口端与膨胀机组的进口端连通，第二送气管组的出口端与第二进气口连通，第三送气管组的出口端与第一进气口连通。

作为本实用新型的一种优选方式，所述若干台空气压缩机包括低压压缩机和高压压缩机，所述空气压缩机组还包括级间冷却器和级后冷却器，低压压缩机的出气端与级间冷却器的进气端连接，级间冷却器的出气端与高压压缩机的进气端连接，高压压缩机的出气端与级后冷却器的进气端连接，级后冷却器的出气端通过控制阀门与所述储能装置连接。

作为本实用新型的一种优选方式，所述换热器包括一级换热器和二级换热器，一级换热器的进气端与所述喷射器的出口端连接，一级换热器的出口端与所述高压膨胀机的进气端连接，高压膨胀机的出气端与二级换热器的进气端连接，二级换热器的出气端与低压膨胀机的进气端连接。

采用本实用新型的技术方案后，通过引入喷射器和压力控制阀组，可以在不消耗能量的情况下提高膨胀机入口的空气压力，使得最终的输出功增加，效率增大，且随着工作流体的压力升高，本实用新型的经济性更加明显；如果在获得同样的膨胀机入口压力的情况下，使用本实用新型可以比传统的方式利用更多的压缩空气，能够利用储能罐内比膨胀机入口压力要低的压缩空气；由于喷射器可以提高压力却不直接消耗机械能，结构简单、无运动部件长期运行可靠、与各种设备连接也相对简单，同时制造也不复杂，更体现了实用新型的优越性。该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。充能过程，其内发电机的驱动电源为常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电中的一种或多种，以有效解决目前的高低用电高峰所带来的用电压力变化问题。与现有的技术相比，本实用新型具有高效利用高压空气、环保的特点。

附图说明

图1为本实用新型中储能部分的结构示意图；

图2为本实用新型中释能部分的结构示意图；

图3为本实用新型中喷射器的结构示意图；

图中：

10-空气压缩机组 11-电动机

12-低压压缩机 13-高压压缩机

14-级间冷却器 15-级后冷却器

16-控制阀门

20-储能罐 30-膨胀机组

31-发电机 32-低压膨胀机

33-高压膨胀机 34-一级换热器

35-二级换热器 40-喷射器

41-接收管 42-混合管

43-扩压管 44-拉伐尔喷管

46-第一进气口 45-第二进气口

61-第一控制阀组 62-第一送气管组

63-第二控制阀组 64-第二送气管组

65-第三控制阀组 66-第三送气管组

具体实施方式

为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图3，一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,包括空气压缩机组10、储能装置、膨胀机组30、压力控制阀组以及喷射器40，空气压缩机组10包括传动连接的电动机11和若干台空气压缩机，膨胀机组30包括发电机31、高压膨胀机33、低压膨胀机32以及换热器，所述储能装置包括多个储能罐20，储能罐20的进口端与空气压缩机组10的出口端连接，压力控制阀组和喷射器40设置在每个储能罐20的出口端与膨胀机组30的进口端，喷射器40包括依次连接的接收管41、混合管42以及扩压管43，接收管41的进口的中心处设有拉伐尔喷管44，拉伐尔喷管44的进口端形成第一进气口46，拉伐尔喷管44的出口端设置在接收管41内，在接收管41上还设有第二进气口45，扩压管43的出口端与膨胀机组30的进口端连接，压力控制阀组包括第一送气管组62、第二送气管组64以及第三送气管组66，第一送气管组62配设有第一控制阀组61，第二送气管组64上配设有第二控制阀组63，第三送气管组66上配设有第三控制阀组65，第一送气管组62、第二送气管组64以及第三送气管组66的进口端均与储能罐20的出口端连通，第一送气管组62的出口端与膨胀机组30的进口端连通，第二送气管组64的出口端与第一进气口46连通，第三送气管组66的出口端与第二进气口45连通。

空气压缩机组10的作用是将不同功率的电能转化为压缩空气的压力能。所述若干台空气压缩机包括低压压缩机12和高压压缩机13，所述空气压缩机组10还包括级间冷却器14和级后冷却器15，低压压缩机12的出气端与级间冷却器14的进气端连接，级间冷却器14的出气端与高压压缩机13的进气端连接，高压压缩机13的出气端与级后冷却器15的进气端连接，级后冷却器15的出气端通过控制阀门16与所述储能装置连接。各压缩机按照设计压力从低到高的顺序通过管道串联连接，可以将空气压缩到对应不同功率等级的压力。第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力。最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；根据不同电能输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入储气装置。其间用于冷却压缩空气的热量收集于存储单元中。

作为本实用新型的一种优选方式，所述换热器包括一级换热器34和二级换热器35，一级换热器34的进气端与所述喷射器40的出口端连接，一级换热器34的出口端与所述高压膨胀机33的进气端连接，高压膨胀机33的出气端与二级换热器35的进气端连接，二级换热器35的出气端与低压膨胀机32的进气端连接。储能罐20中的高压空气在压力控制阀组和喷射器40的作用下降到一定压力后进入换热器中，温度升高后进入膨胀机工作，带动发电机31发电。由于换热器中的热量由存储单元提供，存储单元的热量来自压缩空气产生的热能，无需消耗燃料的同时对废热进行回收利用。其中，发电机31与膨胀机连接，用于在膨胀机做功时带动发电机31发电。

储能装置，用于储能时输入压缩后的空气，或释能时输出所储存的压缩空气。其具体的工作方式是：在储能时，高压空气进入储能罐20，当释能时，在压力控制阀组和喷射器的作用下，储能罐20内的压缩空气流出。

本实用新型中喷射器40控制节流策略是通过压力控制阀组的开闭合状态及喷射器40的作用来实现。将储能罐20内的高压压缩空气节流后从原本只有Ps压力，被提升到Pb压力。将储能罐20释能过程中压力的变化分为4个阶段，设目前普遍采用的膨胀机入口压力为Ps,储能罐20内最大的压力为Pmax，则Pmax>Pp>Pb>Ps。

1)当第i个储能罐20内压缩空气的压力在Pp和Pmax之间，因此可以节流到Pp，Pp作为喷射器40的高压流体，进入第一进气口46卷吸来自第i-1个储能罐20内压力为Ps的流体，最后以Pb的压力喷出，进入一级换热器34(如果i＝1，则储存罐里面的空气直接节流到Pb状态，进入一级换热器34)。

2)当第i个储能罐20内空气压力介于Pp和Pb之间时，将压缩空气节流到Pb，并直接送入一级换热器34中。

3)当第i个储能罐20内压缩空气压力介于Pb和Ps时，直接节流到Ps，并作为被卷吸的流体，被来自i+1的高压气体卷吸，经第二进气口45进入喷射器，于喷射器40内提压到Pb。

喷射器40由4个部分组成，处于入口中心处的拉伐尔喷管44、接收管41、混合管42、扩压管43。喷射器40将两种不同压力的流体进行混合，进而达到一种中间压力流体，可以提高压力却不消耗机械能。本实用新型中，高压流体Pp进入拉伐尔喷管44进行膨胀，压力下降，速度增加，在喷管出口处流体的速度大于喷管的临界截面上流体具体的临界速度。工作流体以高速度进入接收管，再把低压流体Ps从第二进气口45中吸走，在混合管42内进行两股流体的混合，当混合流体达到足够均匀的速度场时，流入扩压管43进行增压减速，最终混合流体以一定的中间压力Pb流出喷管。整个喷射器40无动力部件，与各设备连接简单，运行安全可靠，并且随着工作流体的压力升高，喷射器40的经济性更加明显。

储能过程中，新能源或剩余的电能驱动电动机11带动低压压缩机12和高压压缩机13运转。空气进入低级压缩机12，升温升压，压缩后的空气经管路进入级间冷却器14，冷却后的空气经管路进入高压压缩机13继续压缩并升压，压缩后进入级后冷却器15降至常温存储于一系列的储能罐20内。其中，空气在压缩过程中温度会升高，而较高的温度会使压缩过程电动机11的耗功增加，降低储能效率。因此在储能过程中，级间冷却器14和级后冷却器15主要是对压缩后的空气进行冷却。而为了提高效率，储能期间的级间冷却及级后冷却则是根据具体的温度梯度需求而采用常温空气和冷却系统中的制冷工质提供冷量。且每一级压缩空气产生的热能均在换热器内由循环的流体带走储存在热存储单元。

在释能过程中，此时储能罐20内气体处于高压力，高压空气经压力控制阀组节流降压至恒定压力Pb,经一级换热器34加热后的气体进入高压膨胀机34中膨胀做功，高压膨胀机34的排气经二级换热器35加热后进入低压膨胀机32膨胀继续做功，两膨胀机组与发电机31相连，膨胀机组做功时带动发电机31进行发电。由于空气在膨胀做功过程中进口温度越高，对外输出的轴功就越大。因此在膨胀做功过程中，换热器的主要作用是对进入膨胀机的空气进行升温。而一级换热器34和二级换热器35的热源均由储能时的热存储单元提供。

其中压力控制阀组的具体的操作步骤：

在实施例中，储能罐20为四个，分别设为ASV1、ASV2、ASV3、ASV4，所有阀门保持关闭状态，ASV1上的第一控制阀组61设为A1，第二控制阀组63设为C1，第三控制阀组65设为B1，ASV2的第一控制阀组61设为A2，第二控制阀组63设为C2，第三控制阀组65设为B2，SV3的第一控制阀组61设为A3，第二控制阀组63设为C3，第三控制阀组65设为B3，ASV4的第一控制阀组61设为A4，第二控制阀组63设为C4，第三控制阀组65设为B4。

打开A1阀门，储罐ASV1内的压缩空气经过阀门A1压力从Pmax降低到Pb。当ASV1内的压力减低到Pb时，关闭A1阀门，同时打开B1和C2阀门，ASV1内的压缩空气经过阀门B1压力从Pb降低到Ps,ASV2内的压缩空气经过阀门C2压力从Pmax降低到Pp。B1的出口与喷射器40的第二进气口45相接，C2的出口与喷射器40的第一进气口46相接，节流后的压缩空气进入喷射器40内混合，最终以压力Pb离开喷射器40进入一级换热器。

当ASV1内的压力减低到Ps时，关闭B1和C2，打开A2，ASV2内的压缩空气经过阀门A2压力从Pp降低到Pb。

当ASV2内的压力减低到Pb时，关闭A2阀门，同时打开B2和C3阀门，ASV2内的压缩空气经过阀门B2压力从Pb降低到Ps,ASV3内的压缩空气经过阀门C3压力从Pmax降低到Pp。B2的出口与喷射器40的第二进气口45相接，C3的出口与喷射器40的第一进气口46相接，节流后的压缩空气进入喷射器40内混合，最终以压力Pb离开喷射器40进入一级换热器。

当ASV2内的压力减低到Ps时，关闭B2和C3，打开A3，ASV3内的压缩空气经过阀门A3压力从Pp降低到Pb。

当ASV3内的压力减低到Pb时，关闭A3阀门，同时打开B3和C4阀门，ASV3内的压缩空气经过阀门B3压力从Pb降低到Ps,ASV4内的压缩空气经过阀门C4压力从Pmax降低到Pp。B3的出口与喷射器40的第二进气口45相接，C4的出口与喷射器40的第一进气口46相接，节流后的压缩空气进入喷射器40内混合，最终以压力Pb离开喷射器40进入一级换热器。

当ASV3内的压力减低到Ps时，关闭B3和C4，打开A4，ASV4内的压缩空气经过阀门A4压力从Pp降低到Pb。

本实用新型中空气压缩机和膨胀机的台数不限，种类不限，可以是活塞式、轴流式、离心式、螺杆式等，也可以是不同种类的组合。

本实用新型中换热器的种类不限，可以是套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、管翅式或板翅式。

本实用新型的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。

Claims (3)

1.一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,包括空气压缩机组、储能装置、膨胀机组、压力控制阀组以及喷射器，空气压缩机组包括传动连接的电动机和若干台空气压缩机，膨胀机组包括发电机、高压膨胀机、低压膨胀机以及换热器，其特征在于：所述储能装置包括多个储能罐，储能罐的进口端与空气压缩机组的出口端连接，压力控制阀组和喷射器设置在每个储能罐的出口端与膨胀机组的进口端之间，喷射器包括依次连接的接收管、混合管以及扩压管，接收管的进口的中心处设有拉伐尔喷管，拉伐尔喷管的进口端形成第一进气口，在接收管上还设有第二进气口，扩压管的出口端与膨胀机组的进口端连接，压力控制阀组包括第一送气管组、第二送气管组以及第三送气管组，第一送气管组配设有第一控制阀组，第二送气管组上配设有第二控制阀组，第三送气管组上配设有第三控制阀组，第一送气管组、第二送气管组以及第三送气管组的进口端均与储能罐的出口端连通，第一送气管组的出口端与膨胀机组的进口端连通，第二送气管组的出口端与第二进气口连通，第三送气管组的出口端与第一进气口连通。

2.如权利要求1所述的一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,其特征在于：所述若干台空气压缩机包括低压压缩机和高压压缩机，所述空气压缩机组还包括级间冷却器和级后冷却器，低压压缩机的出气端与级间冷却器的进气端连接，级间冷却器的出气端与高压压缩机的进气端连接，高压压缩机的出气端与级后冷却器的进气端连接，级后冷却器的出气端通过控制阀门与所述储能装置连接。

3.如权利要求1所述的一种适用于电网调峰带喷射器的绝热压缩空气储能系统,其特征在于：所述换热器包括一级换热器和二级换热器，一级换热器的进气端与所述喷射器的出口端连接，一级换热器的出口端与所述高压膨胀机的进气端连接，高压膨胀机的出气端与二级换热器的进气端连接，二级换热器的出气端与低压膨胀机的进气端连接。