CN214697959U - 应用于压缩空气储能系统的释能子系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及应用于压缩空气储能系统的释能子系统。该应用于压缩空气储能系统的释能子系统包括：储气室；控制阀，连接于所述储气室；燃气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室；空气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室。上述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统在储气室内的气压高于预设值的初始阶段采用燃气透平做功发电，由于初始阶段的压缩空气气压较高，并且在燃烧室作用下使压缩空气处于较高的压力下推动燃气透平做功发电，这样燃气透平可以工作于设计工况附近，能够在较低能耗的条件下维持较高的运行效率。

Description

应用于压缩空气储能系统的释能子系统

技术领域

本公开涉及压缩空气储能设备领域，尤其是一种应用于压缩空气储能系统的释能子系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

压缩空气储能技术是机械储能技术的一种，由燃气轮机发电技术演变而来，最早是在1949年由德国人Sral Laval所提出，利用地下洞穴存储高压空气。起初压缩空气储能系统的开发是用于存储用电低谷时电网的过剩电量，并将其用之于每天的用电高峰时刻。随着世界可再生能源的高速发展，目前，调节以风电、光电为主的不稳定电源发电量对电网的冲击，提高其并网率，成为了当今压缩空气储能系统一个更为重要的目标与应用场景。

现有的压缩空气储能系统的释能子系统大多为补燃式的，即投入燃料燃烧加热空气后再进入透平做功发电。这种释能系统的优点在于当系统处于设计工况左右时，系统的效率非常高，发电收益可观。但是，在压缩空气储能的释能系统中，储气室的空气量是不断减少的，除去释能过程的起始时刻，系统始终处于变工况状态，且偏离设计工况点越来越远，系统效率会不断降低、收益会不断减少。

实用新型内容

鉴于以上内容，有必要提供一种应用于压缩空气储能系统的释能子系统，以提高释能子系统的发电效率。

一种应用于压缩空气储能系统的释能子系统，包括：

储气室，用于存储压缩空气；

控制阀，连接于所述储气室；

燃气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室，用于在所述储气室的气压大于预设值时，通过所述控制阀接收压缩空气以使用燃料做功发电；

空气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室，用于在所述储气室的气压小于预设值时，通过所述控制阀接收所述储气室的压缩空气以做功发电。

优选地，所述控制阀包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述储气室，第一输出端连接于所述燃气透平，第二输出端连接于所述空气透平。

优选地，所述控制阀包括第一开关阀和第二开关阀，所述燃气透平经所述第一开关阀连接于所述储气室，所述空气透平经所述第二开关阀连接于所述储气室。

优选地，还包括第一换热器，所述第一换热器设于所述燃气透平与所述控制阀之间，所述储气室内的压缩空气经所述第一换热器进入所述燃气透平内，所述燃气透平排除的气体经所述第一换热器吸热后排出。

优选地，还包括第二换热器，所述第二换热器设于所述空气透平和所述控制阀之间，所述储气室输出的压缩空气经所述第二换热器进入所述空气透平。

优选地，还包括储热机构，所述储热机构连接于所述第二换热器，用于经所述第二换热器对输入的压缩空气进行加热。

优选地，所述储热机构包括热罐和冷罐，所述热罐和冷罐分别连接于所述第二换热器，所述热罐存储的空气进入所述第二换热器内对压缩空气进行加热后，经所述第二换热器排出至所述冷罐。

优选地，所述燃气透平包括燃烧室、第一膨胀机和第一发电机，所述燃烧室的输入端连接于所述第一换热器，输出端连接于所述第一膨胀机，用于对输入的压缩空气进行加热；所述第一膨胀机连接于所述第一发电机，用于在所述压缩空气的推动下驱动所述第一发电机做功发电；

所述空气透平包括第二膨胀机和第二发电机，所述第二膨胀机分别连接于所述第二换热器和所述第二发电机，用于在压缩空气的推动下驱动所述第二发电机做功发电。

相较于现有技术，上述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统在储气室内的气压高于预设值的初始阶段采用燃气透平做功发电，在储气室的压缩空气气压降低至预设值的低压阶段通过空气透平继续做功发电，这样可以将燃气透平的设计工况设置为满足高压阶段的工况，空气透平的设计工况设置为满足低压阶段的工况。在高压阶段，燃气透平可以工作于设计工况附近，能够维持较高的运行效率；在储气室的压缩空气气压下降至低于预设值后，将压缩空气切换至空气透平继续做功发电，空气透平工作与设计工况附近，持续利用压缩空气做功发电，减少了不必要的燃料投入，降低了发电成本，使释能子系统的整体运行效率和发电收益得到改善。

附图说明

为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是应用于压缩空气储能系统的释能子系统的结构示意图。

图2是应用于压缩空气储能系统的释能方法的流程图。

图3是应用于压缩空气储能系统的释能子系统的运行效率图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。

在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1是应用于压缩空气储能系统的释能子系统的结构示意图。如图1所示，应用于压缩空气储能系统的释能子系统包括储气室10、控制阀20、燃气透平30和空气透平40，以及第一换热器50、第二换热器60和储热机构70。

储气室10用于存储压缩空气。本实施方式中，储气室10可以是报废矿井、山洞、过期油气井或新建储气井，将压缩后的空气输入储气室10内进行储存。

控制阀20连接于所述储气室10，用于控制压缩空气的导通方向，即流向燃气透平30或者流向空气透平40，从而切换燃气透平30或者空气透平40进行做功发电。在一些实施方式中，所述控制阀20包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述储气室10，第一输出端连接于所述燃气透平30，第二输出端连接于所述空气透平40。通过控制换向阀，储气室10存储的压缩空气可以流向燃气透平30，也可以在控制阀20动作后，流向空气透平40。在另一些实施方式中，所述控制阀20包括第一开关阀21和第二开关阀22，所述燃气透平30经所述第一开关阀21连接于所述储气室10，所述空气透平40经所述第二开关阀22连接于所述储气室10。这样，可以通过第一开关阀21控制燃气透平30与储气室10之间的导通或者关闭，通过第二开关阀22控制空气透平40和储气室10之间的导通或者关闭。通过控制第一开关阀21和第二开关阀22的导通或者关闭，储气室10存储的压缩空气可以流向燃气透平30，也可以在控制阀20动作后，流向空气透平40。

第一换热器50设于所述燃气透平30与所述控制阀20之间，第一换热器50的第一输入端口连接储气室10的输出端口，第一输出端口连接燃气透平30，使得所述储气室10内的压缩空气经所述第一换热器50进入所述燃气透平30内。此外，为了进一步提高压缩空气的热效率，所述燃气透平30的排气端口连接于第一换热器50的第二输入端口，输出端口连接外界环境，使得燃气透平30排出的高温气体经第一输入端进入第一换热器50内，通过燃气透平30排出的气体对储气室10输出的高压气体进行加热，以提高压缩空气的气压，进一步推动燃气透平30做功发电。这样，通过利用燃气透平30的排气余热，在入口工质的高压段，可以提高燃气透平30达到较高的运行效率。

燃气透平30通过所述控制阀20连接于所述储气室10，用于在所述储气室10的气压大于预设值时，通过所述控制阀20接收压缩空气以使用燃料做功发电。本实施方式中，所述燃气透平30的设计工况设置为适用高压阶段(即压缩空气的气压高于预设值)，其包括燃烧室(图中未示出)、第一膨胀机31和第一发电机32，所述燃烧室的输入端连接于所述第一换热器50，输出端连接于所述第一膨胀机31，用于对输入的压缩空气进行加热。所述第一膨胀机31连接于所述第一发电机32，用于在所述压缩空气的推动下驱动所述第一发电机32做功发电。燃气透平30属于补燃式的压缩空气储能系统的释能机构，其效率取决于其中燃气轮机的热效率，由于燃气轮机的排气温度非常高，损失较大，所以补燃式系统效率也不高，约为40％上下，且当燃气轮机的入口压力过低时，其效率还会大幅降低。

空气透平40通过所述控制阀20连接于所述储气室10，用于在所述储气室10的气压小于预设值时，通过所述控制阀20接收所述储气室10的压缩空气以做功发电。本实施方式中，透气透平40可以将设计工况设计适合低压工况。所述空气透平40包括第二膨胀机41和第二发电机42，所述第二膨胀机41分别连接于所述第二换热器60和所述第二发电机42，用于在压缩空气的推动下驱动所述第二发电机42做功发电。本实施方式中，空气透平40属于非补燃式的压缩空气储能系统的释能机构，利用纯空气透平40作为膨胀机，仅仅通过对空气动能的存储与释放来运作系统，去除系统中的各损耗后，其效率较低大约40％以下。

第二换热器60设于所述空气透平40和所述控制阀20之间，即，第二换热器60的输入端口连接储气室10的输出端口，输出端口连接空气透平40，使得所述储气室10内的压缩空气经所述第二换热器60进入所述空气透平40内。

为了提高空气透平40的工作效率，第二换热器60与储热机构70连接，储热机构70通过第二换热器60对输入的压缩空气进行加热。具体的，所述储热机构70包括热罐72和冷罐71，所述热罐72和冷罐71分别连接于所述第二换热器60，所述热罐72存储的空气进入所述第二换热器60内对压缩空气进行加热后，经所述第二换热器60排出至所述冷罐71。在一些实施方式中，储热机构70的热罐72中存储的热空气可以来自于储能子系统存储的自回热产生的热空气，即，利用出口余热来预热入口的气温，有效降低燃料的消耗量，提高系统的能源利用率。

以下结合图2详细描述利用应用于压缩空气储能系统的释能子系统实施的释能方法。如图2所示，该释能方法包括步骤S201～203。

步骤S201：储气室10存储的压缩空气经燃烧室加热后，输出至燃气透平30的第一膨胀机31，使得所述第一膨胀机31驱动第一发电机32做功发电，向外输出电能。本步骤中，储气室10存储的压缩空气经第一换热器50至所述燃烧室时，所述第一膨胀机31排出的气体经所述第一换热器50对所述压缩空气进行加热，即通过第一换热器50，将热罐72输出的气体的热量转移至从储气室10输入的压缩空气。

步骤S202：检测所述储气室10输出的压缩空气的压力，在所述储气室10输出的压缩空气的压力值小于预设值时，启动控制阀20，使得所述储气室10输出的压缩空气切换至空气透平40的第二膨胀机41，此时燃气透平30不再做功发电。本步骤中，所述储气室10输出的压缩空气经第二换热器60输出至所述空气透平40的第二膨胀机41时，储热机构70的热罐72内的气体经所述第二换热器60对所述压缩空气进行加热，提高压缩空气的做功效率。

步骤S203：第二膨胀机41在压缩空气的推动下驱动第二发电机42做功发电。

图3是应用于压缩空气储能系统的释能子系统的运行效率图。如图3所示，虚线左侧部分为高压阶段燃气透平30的运行效率曲线，右侧部分为空气透平40的运行效率曲线。在高压阶段，压缩空气进入燃气透平30，燃气透平30排出的高温余热气体再次进入第一换热器50内，用于预热燃烧室的入口空气，以减小温差和损失。到预设气压的时候，如果没有空气透平40，则系统效率按照虚线右侧的燃气透平30的虚线部分继续运行，效率较为低下。

如图3所示，在储气室10内的压缩空气的气压低于预设值时，进入低压阶段(即虚线的右侧部分曲线)。此时，控制阀20将压缩空气切换导通至空气透平40，压缩空气推动第二膨胀机41做功发电，运行效率曲线显著高于原燃气透平30的运行效率，通过增加空气透平40在低压阶段继续做功发电，有效提高了系统的运行效率。

上述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统在储气室10内的气压高于预设值的初始阶段采用燃气透平30做功发电，在储气室10的压缩空气气压降低至预设值的低压阶段通过空气透平40继续做功发电，这样可以将燃气透平30的设计工况设置为满足高压阶段的工况，空气透平40的设计工况设置为满足低压阶段的工况。在高压阶段，燃气透平30可以工作于设计工况附近，能够维持较高的运行效率；在储气室10的压缩空气气压下降至低于预设值的低压阶段后，将压缩空气切换至空气透平40继续做功发电，空气透平40工作与设计工况附近，持续利用压缩空气做功发电，减少了不必要的燃料投入，降低了发电成本，使释能子系统的整体运行效率和发电收益得到改善。

另外一方面，在高压阶段，压缩空气进入燃气透平30内，燃气透平30排出的气体的高温余热用于预热燃烧室的入口空气，以减小温差和损失。在低压阶段，储气室10出口的压缩空气经过加热进入空气透平40中做功发电，减少燃气轮机的损失和燃料的投入。通过将工质分阶段进行膨胀做功，能够使空气透平40和燃气轮机的优缺点互补，使得释能系统在整体的释能过程中都能够保持较小的损失和较高的释能效率，得到最大的收益。

在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，包括：

储气室，用于存储压缩空气；

控制阀，连接于所述储气室；

燃气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室，用于在所述储气室的气压大于预设值时，通过所述控制阀接收压缩空气以使用燃料做功发电；

空气透平，通过所述控制阀连接于所述储气室，用于在所述储气室的气压小于预设值时，通过所述控制阀接收所述储气室的压缩空气以做功发电。

2.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，所述控制阀包括换向阀，所述换向阀的输入端连接所述储气室，第一输出端连接于所述燃气透平，第二输出端连接于所述空气透平。

3.如权利要求1所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，所述控制阀包括第一开关阀和第二开关阀，所述燃气透平经所述第一开关阀连接于所述储气室，所述空气透平经所述第二开关阀连接于所述储气室。

4.如权利要求2或3所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，还包括第一换热器，所述第一换热器设于所述燃气透平与所述控制阀之间，所述储气室内的压缩空气经所述第一换热器进入所述燃气透平内，所述燃气透平排除的气体经所述第一换热器吸热后排出。

5.如权利要求4所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器设于所述空气透平和所述控制阀之间，所述储气室输出的压缩空气经所述第二换热器进入所述空气透平。

6.如权利要求5所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，还包括储热机构，所述储热机构连接于所述第二换热器，用于经所述第二换热器对输入的压缩空气进行加热。

7.如权利要求6所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，所述储热机构包括热罐和冷罐，所述热罐和冷罐分别连接于所述第二换热器，所述热罐存储的空气进入所述第二换热器内对压缩空气进行加热后，经所述第二换热器排出至所述冷罐。

8.如权利要求7所述的应用于压缩空气储能系统的释能子系统，其特征在于，所述燃气透平包括燃烧室、第一膨胀机和第一发电机，所述燃烧室的输入端连接于所述第一换热器，输出端连接于所述第一膨胀机，用于对输入的压缩空气进行加热；所述第一膨胀机连接于所述第一发电机，用于在所述压缩空气的推动下驱动所述第一发电机做功发电；

所述空气透平包括第二膨胀机和第二发电机，所述第二膨胀机分别连接于所述第二换热器和所述第二发电机，用于在压缩空气的推动下驱动所述第二发电机做功发电。

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