CN214403693U - 具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置内的固体蓄热材料共同完成蓄热。具有结构简单，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单的特点。

Description

具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型属于储能技术领域，涉及一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能是一种大规模物理储能技术——采用空气作为储能介质，在用电低谷时可将富裕的电通过电能-机械能-分子内能的转化路径实现电能以高压空气的形式大规模物理存储，在用电高峰时通过分子内能-机械能-电能的转化路径，把储存起来的高压空气转化为电能对外输出。压缩空气储能技术具有环境友好、使用寿命长、容量大及操作安全等优点。

压缩空气储能技术目前可以分为补燃式和非补燃式两类。补燃式是始于20世纪70年代，是以燃气发电为基础展开的。该技术路线脱胎于传统的内燃机增压理论，将传统燃气轮机增压膨胀的连续过程进行解耦变为空气增压和透平膨胀两个过程。补燃式储能系统装机功率大，经济性好，以当时的燃气轮机技术水平其循环效率可达42-55%，除去补燃其循环效率只有20%左右。而非补燃式是以独立的高性能压缩空气储能为出发点，以提高针对空气动力循环热效率为基础展开的。该技术路线摒弃与燃气轮机技术的结合，采用专用的空气透平技术体系；并且不依赖化石燃料的补热，通过充分回收压缩热并进行储存，在发电过程中为气体补热升温所用，减少额外热量需求，从而提高系统整体的运行效率。非补燃式压缩空气储能技术装机功率适中，经济性适中，循环效率可达50-65%。

专利CN 105370408及专利CN 107299891 B 都是采用非补燃方式的压缩空气储能方式，其中蓄热子系统的蓄热范围较低，采用水作为传热介质和蓄热介质，虽然可以降低出投资成本，但是因为考虑的蓄热温度和释热温度不高，在释能过程中传递给进入透平的空气的热量较低，热电转化的整体效率有待提高。而专利CN 107299891 B 中是采用高温蓄热系统，能够在释能过程中使进入透平的空气提高到更高的温度，从而提高系统的热电转化效率，但是该专利中是采用导热油作为传热介质和蓄热介质，初投资成本高昂。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，结构简单，采用在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置内的固体蓄热材料共同完成蓄热，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；所述蓄热系统的低温换热器和高温换热器位于压缩系统的排气管路中，排气管路的两端分别与压缩机和透平系统连接；储气系统的储气罐位于低温换热器和高温换热器之间的排气管路中与排气管路连通；蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置连接；位于填充床蓄热装置两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀和释热阀；稳压系统与填充床蓄热装置连接；储热阶段释热阀关闭，释热阶段储热阀关闭。

所述压缩系统包括与压缩机排气侧连接的排气管路。

所述储气系统包储气罐、进气阀和排气阀，进气阀和排气阀分别位于储气罐的进气侧和排气侧与排气管路连接。

所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置的填充床管路两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路串联的储液罐，稳压系统与填充床蓄热装置进液端的填充床管路连接。

所述储热回路包括位于两个储热阀之间的低温屏蔽泵和低温换热器。

所述释热回路包括位于两个释热阀之间的高温屏蔽泵和高温换热器。

所述稳压系统包括与稳压管路中依次连接的稳压装置和气体流量调节阀。

所述透平系统为膨胀机。

所述释热回路的释热阀与高温换热器之间连接有膨胀槽，膨胀槽的管路中设置膨胀阀。

一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；蓄热系统的低温换热器和高温换热器位于压缩系统的排气管路中，排气管路的两端分别与压缩机和透平系统连接；储气系统的储气罐位于低温换热器和高温换热器之间的排气管路中与排气管路连通；蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置连接；位于填充床蓄热装置两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀和释热阀；稳压系统与填充床蓄热装置连接；储热阶段释热阀关闭，释热阶段储热阀关闭。结构简单，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置内的固体蓄热材料共同完成蓄热，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单。

在优选的方案中，压缩系统包括与压缩机排气侧连接的排气管路。结构简单，使用时，压缩机的排气管路与透平系统的膨胀机连通；压缩机排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机。

在优选的方案中，储气系统包储气罐、进气阀和排气阀，进气阀和排气阀分别位于储气罐的进气侧和排气侧与排气管路连接。结构简单，与排气管路串联的储气罐两端分别设置进气阀和排气阀，在储气罐储气时，排气阀关闭，在储气罐排气时，进气阀关闭。

在优选的方案中，蓄热系统包括与填充床蓄热装置的填充床管路两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路串联的储液罐，稳压系统与填充床蓄热装置进液端的填充床管路连接。结构简单，使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。

在优选的方案中，储热回路包括位于两个储热阀之间的低温屏蔽泵和低温换热器。结构简单，储热阶段，释热阀关闭，储热阀打开，低温屏蔽泵启动，低温屏蔽泵驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。

在优选的方案中，释热回路包括位于两个释热阀之间的高温屏蔽泵和高温换热器。结构简单，释能阶段，储热阀关闭，释热阀打开，高温屏蔽泵启动，高温屏蔽泵驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路。

在优选的方案中，稳压系统包括与稳压管路中依次连接的稳压装置和气体流量调节阀。结构简单，在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀大小，设定稳压装置的压力值。

在优选的方案中，透平系统为膨胀机。使用时，从储气罐排出的高温低压空气经过高温换热器加热后形成高温高压空气进入膨胀机，驱动膨胀机做功。

在优选的方案中，释热回路的释热阀与高温换热器之间连接有膨胀槽，膨胀槽的管路中设置膨胀阀。结构简单，膨胀槽用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。

一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置内的固体蓄热材料共同完成蓄热。本实用新型克服了原非补燃压缩空气储能系统采用液态传热介质作为传热介质和蓄热介质成本高，工作温度和工作压力范围小的问题，具有结构简单，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型另一种的结构示意图。

图3为本实用新型另一种的结构示意图。

图中：压缩机11，排气管路12，储气罐21，进气阀22，排气阀23，填充床蓄热装置31，储液罐32，储热阀33，低温屏蔽泵34，低温换热器35，释热阀36，高温屏蔽泵37，高温换热器38，填充床管路39，稳压管路41，稳压装置42，气体流量调节阀43，膨胀机5，膨胀槽6，膨胀阀61。

具体实施方式

如图1~图3中，一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；所述蓄热系统的低温换热器35和高温换热器38位于压缩系统的排气管路12中，排气管路12的两端分别与压缩机11和透平系统连接；储气系统的储气罐21位于低温换热器35和高温换热器38之间的排气管路12中与排气管路12连通；蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置31连接；位于填充床蓄热装置31两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀33和释热阀36；稳压系统与填充床蓄热装置31连接；储热阶段释热阀36关闭，释热阶段储热阀33关闭。结构简单，通过在储气系统与压缩机11之间的排气管路12中设置低温换热器35与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路12中设置高温换热器38与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置31内的固体蓄热材料共同完成蓄热，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单。

优选的方案中，所述压缩系统包括与压缩机11排气侧连接的排气管路12。结构简单，使用时，压缩机11的排气管路12与透平系统的膨胀机5连通；压缩机11排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机5。

优选地，所述压缩机11的数量为一个或多个。

优选的方案中，所述储气系统包储气罐21、进气阀22和排气阀23，进气阀22和排气阀23分别位于储气罐21的进气侧和排气侧与排气管路12连接。结构简单，与排气管路12串联的储气罐21两端分别设置进气阀22和排气阀23，在储气罐21储气时，排气阀23关闭，在储气罐21排气时，进气阀22关闭。

优选地，储气罐21为压力容器，或者为盐穴及矿穴容积体，储气罐21的工作压力为常压至15MPa。

优选地，填充床蓄热装置、储液罐、液体膨胀槽在内保温条件下，其内壳的材料为不锈钢、铝或钛的金属材料，或陶瓷耐热耐腐蚀的非金属材料，其外壳材料为不锈钢、碳钢或铝合金，或陶瓷或高温混凝土，位于内壳和外壳之间填充保温材料。

优选地，所述储气罐21的数量为一个或多个。

优选的方案中，所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置31的填充床管路39两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路39串联的储液罐32，稳压系统与填充床蓄热装置31进液端的填充床管路39连接。结构简单，使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置31在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。

优选地，填充床蓄热装置31内填充固体蓄热材料，固体蓄热材料为颗粒状或多孔状的岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球或金属，具有导热性能高、单位体积蓄热密度大、成本低的特点。

优选地，填充床蓄热装置31内的固体蓄热材料之间形成空隙，当液态传热介质通过时将热量传导给固体蓄热材料，使得填充床蓄热装置31内所需液态传热介质量大大减少。

优选地，蓄热温度为室温至400℃，工作压力为常压至10Mpa。

优选地，稳压系统中的稳压气体为空气、氮气、氦气或氩气。

优选地，所述填充床蓄热装置31的数量为一个或多个。

优选的方案中，所述储热回路包括位于两个储热阀33之间的低温屏蔽泵34和低温换热器35。结构简单，储热阶段，释热阀36关闭，储热阀33打开，低温屏蔽泵34启动，低温屏蔽泵34驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器35吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。

优选地，所述低温换热器35的数量为一个或多个。

优选的方案中，所述释热回路包括位于两个释热阀36之间的高温屏蔽泵37和高温换热器38。结构简单，释能阶段，储热阀33关闭，释热阀36打开，高温屏蔽泵37启动，高温屏蔽泵37驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器38吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路12。

优选地，所述高温换热器38的数量为一个或多个。

优选的方案中，所述稳压系统包括与稳压管路41中依次连接的稳压装置42和气体流量调节阀43。结构简单，在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀43，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀43大小，设定稳压装置42的压力值。

优选的方案中，所述透平系统为膨胀机5。使用时，从储气罐21排出的高温低压空气经过高温换热器38加热后形成高温高压空气进入膨胀机5，驱动膨胀机5做功。

优选的方案中，所述释热回路的释热阀36与高温换热器38之间连接有膨胀槽6，膨胀槽6的管路中设置膨胀阀61。结构简单，膨胀槽6用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。

优选地，膨胀槽6的数量为多个，分别设置于储热回路或释热回路中。

如上所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，安装使用时，在储气系统与压缩机11之间的排气管路12中设置低温换热器35与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路12中设置高温换热器38与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，与填充床蓄热装置31内的固体蓄热材料共同完成蓄热，热转换效率高，有利于降低成本，安全可靠，操作简单。

使用时，压缩机11的排气管路12与透平系统的膨胀机5连通；压缩机11排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机5。

与排气管路12串联的储气罐21两端分别设置进气阀22和排气阀23，在储气罐21储气时，排气阀23关闭，在储气罐21排气时，进气阀22关闭。

使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置31在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。

储热阶段，释热阀36关闭，储热阀33打开，低温屏蔽泵34启动，低温屏蔽泵34驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器35吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。

释能阶段，储热阀33关闭，释热阀36打开，高温屏蔽泵37启动，高温屏蔽泵37驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器38吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路12。

在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀43，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀43大小，设定稳压装置42的压力值。

从储气罐21排出的高温低压空气经过高温换热器38加热后形成高温高压空气进入膨胀机5，驱动膨胀机5做功。

膨胀槽6用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：它包括压缩系统、储气系统和蓄热系统；所述蓄热系统的低温换热器（35）和高温换热器（38）位于压缩系统的排气管路（12）中，排气管路（12）与压缩机（11）连接；储气系统的储气罐（21）位于低温换热器（35）和高温换热器（38）之间的排气管路（12）中与排气管路（12）连通；蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置（31）连接。

2.根据权利要求1所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：所述压缩系统包括与压缩机（11）排气侧连接的排气管路（12）。

3.根据权利要求1所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：所述储气系统包储气罐（21）、进气阀（22）和排气阀（23），进气阀（22）和排气阀（23）分别位于储气罐（21）的进气侧和排气侧与排气管路（12）连接。

4.根据权利要求1所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置（31）的填充床管路（39）两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路（39）串联的储液罐（32），稳压系统与填充床蓄热装置（31）进液端的填充床管路（39）连接。

5.根据权利要求1所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：所述储热回路包括位于两个储热阀（33）之间的低温屏蔽泵（34）和低温换热器（35）。

6.根据权利要求1所述的具有高效储热性能的非补燃压缩空气储能系统，其特征是：所述释热回路包括位于两个释热阀（36）之间的高温屏蔽泵（37）和高温换热器（38）。

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