CN217652793U - 一种压缩空气储能电站组合式储换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，基于电站压缩侧和膨胀侧分时运行的特性，通过将储能阶段与释能阶段的换热器进行组合。本实用新型提供的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，采用压缩储能过程和膨胀发电过程换热器合用的技术方案，实现压缩空气储能电站的储换热系统集成优化。通过换热器合用方案，减少了系统换热器数量，降低了电站的投资建设成本，提高了机组的经济性，缩短了电站的投资回收期。同时，换热器数量减少利于厂房内设备和管道的布置，优化了储换热系统集成的复杂程度，减少空间占用。

Description

一种压缩空气储能电站组合式储换热系统

技术领域

本实用新型涉及一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，属于压缩空气储能发电技术领域。

背景技术

压缩空气储能是一种间接性、大型储能技术，它在电网负荷低谷期间，通过压缩机压缩空气存储电能，并将压缩空气运输至岩石洞穴、废弃盐洞、废弃矿井或者其他压力容器中；在电网高负荷期间，放出储气库内高压气体，经过燃烧室或换热器加热，升高至一定温度送至涡轮膨胀机，将压缩空气的热力势能转变为膨胀机的机械功输出，驱动发电机发电。在3060双碳目标背景下，压缩空气储能因其本身大容量、效率高、启动快、相应灵活等特点颇具应用前景。

目前，非补燃式压缩空气储能电站在压缩阶段产生的热能由带压水、导热油或熔融盐等储热介质吸收并存储，在膨胀做工阶段加热空气拓宽其膨胀做功能力。但是，储能与释能阶段的热交换设备相互独立，气水换热器数量较多，工艺系统管道布置较为复杂，电站系统集成复杂程度较高，空间占用较大。同时，复杂的换热系统增加了电站的建设成本，不利于压缩空气储能电站在未来新型储能市场的竞争力。

因此，非补燃式压缩空气储能电站热交换系统复杂程度较高成为本领域技术人员急需要解决的技术问题。

实用新型内容

目的：为了克服现有技术中存在非补燃式压缩空气储能电站热交换系统复杂的不足，本实用新型提供一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，基于电站压缩侧和膨胀侧分时运行的特性，通过将储能阶段与释能阶段的换热器进行组合，实现换热系统进行深度耦合，优化了系统换热设备的数量，减少了换热器和管道投资成本，实现系统集成优化，降低电站的空间占用。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，包括：N段压缩机、N段冷却器、N-1段热交换器、N-1段空气透平、储气库、高温储热罐、低温储热罐和机力塔。

第一段压缩机的出口经隔断阀与第一段热交换器的第一管侧接口相连接，第一段热交换器的第二管侧接口经隔断阀与第一段冷却器管侧入口相连接，第一段冷却器管侧出口与第二段压缩机的入口相连接，第二段压缩机的出口经隔断阀与第二段热交换器第一管侧接口相连接，第二段热交换器第二管侧接口经隔断阀与第二段冷却器管侧入口相连接，第二段冷却器管侧出口与第三段压缩机的入口相连接，以此类推，第N-1段压缩机的出口经隔断阀与第N-1段热交换器第一管侧接口相连接，第N-1段热交换器第二管侧接口经隔断阀与第N-1段冷却器管侧入口相连接，第N-1段冷却器管侧出口与第N段压缩机的入口相连接，第N段压缩机的出口与第N段冷却器管侧入口相连接，第N段冷却器管侧出口经隔断阀与储气库接口相连接。

储气库接口还通过隔断阀与第N-1段热交换器的第二管侧接口相连接，第N-1段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第一段空气透平的入口相连接，第一段空气透平的出口还通过隔断阀与第N-2段热交换器的第二管侧接口相连接，第N-2段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第二段空气透平的入口相连接，以此类推，第二段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第N-2段空气透平的入口相连接，第N-2段空气透平的出口还通过隔断阀与第一段热交换器的第二管侧接口相连接，第一段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第N-1段空气透平的入口相连接。

机力塔接口经循环水泵分别与N段冷却器的壳体通过管路形成冷却回路。

高温储热罐的主回路串联有循环泵、隔断阀，副回路串联有隔断阀，高温储热罐的主回路与副回路汇总后分别与N-1段热交换器的第一壳侧接口相连接。

低温储热罐的主回路串联有循环泵、隔断阀，副回路串联有隔断阀，低温储热罐的主回路与副回路汇总后分别与N-1段热交换器的第二壳侧接口相连接。

N为大于2的自然数。

作为优选方案，N等于3。

作为优选方案，N等于4。

作为优选方案，压缩机压缩对象采用空气。

作为优选方案，高温储热罐、低温储热罐的介质采用除盐水或者熔融盐。

作为优选方案，高温储热罐、低温储热罐的介质采用导热油。

有益效果：本实用新型提供的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，采用压缩储能过程和膨胀发电过程换热器合用的技术方案，实现压缩空气储能电站的储换热系统集成优化。通过换热器合用方案，减少了系统换热器数量，降低了电站的投资建设成本，提高了机组的经济性，缩短了电站的投资回收期。同时，换热器数量减少利于厂房内设备和管道的布置，优化了储换热系统集成的复杂程度，减少空间占用。

附图说明

图1为一种采用组合式储换热系统的压缩空气储能电站热力系统图。

图2为一种采用组合式储换热系统的压缩空气储能电站压缩侧运行系统图。

图3为一种采用组合式储换热系统的压缩空气储能电站膨胀侧运行系统图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，包括：第一段压缩机100、第二段压缩机110、第三段压缩机120、第一段空气透平130、第二段空气透平140、第一段热交换器210、第二段热交换器220、第一段冷却器230、第二段冷却器240、第三段冷却器250、储气库310、高温储热罐320、低温储热罐330、机力塔400。

空气压缩子系统，第一段压缩机100与第一段热交换器210管侧接口相连，中间设有第一隔断阀601，第一段热交换器210管侧接口与第一段冷却器230相连，中间设有第二隔断阀602，第一段冷却器230与第二段压缩机110相连，第二段压缩机110与第二段热交换器220管侧接口相连，中间设有第三隔断阀603，第二段热交换器220管侧接口与第二段冷却器240相连，中间设有第四隔断阀604，第二段冷却器240与第三段压缩机120一端相连，第三段压缩机120另一端与第三段冷却器250管侧接口相连，第三段冷却器250管侧接口与储气库310相连，中间设有第五隔断阀600。

膨胀发电子系统，储气库310还与第二段热交换器220管侧接口相连，中间设有第六隔断阀610、第七隔断阀614，第二段热交换器220管侧接口还与第一段空气透平130一端相连，中间设有第八隔断阀613，第一段空气透平130另一端还与第一段热交换器210管侧接口相连，中间设有第九隔断阀612，第一段热交换器210管侧接口还与第二段空气透平140相连，中间设有第十隔断阀611。

储换热循环子系统，低温储热罐330管道主回路设有第三循环泵520和第十一隔断阀634，副回路设有第十二隔断阀633，主回路与副回路汇总后分别与第一段热交换器210、第二段热交换器220壳侧接口相连，第一段热交换器210、第二段热交换器220壳侧接口与高温储热罐320的主回路和副回路相连，高温储热罐320主回路设有第十三隔断阀632和第二循环泵510，副回路设有第十四隔断阀631。

循环冷却子系统，机力塔400一端与循环水泵500相连，循环水泵500分别与第一段冷却器230、第二段冷却器240和第三段冷却器250壳侧入口相连，第一段冷却器230、第二段冷却器240和第三段冷却器250壳侧出口与机力塔400另一端相连。

所述的第一段热交换器210管侧接口为第一段压缩机100和第二段空气透平140共用，第一段压缩机100出口管道与第二段空气透平140入口管道汇总后与第一段热交换器210管侧接口相连。第一段热交换器210管侧接口另一端分别与第一段冷却器230入口和第一段空气透平130出口相连接，需要指明的是，所有管道均需要布置有隔断阀，在压缩子系统和膨胀子系统运行时，起到相互隔断的作用，规避高压空气进入未启动设备造成安全事故。

所述的第二段热交换器220为第二段压缩机110和第一段空气透平130共用，第二段压缩机110出口管道与第一段空气透平130入口管道汇总后与第二段热交换器220管侧接口相连，第二段热交换器220管侧接口另一端分别与第二段冷却器240入口和储气库310出口相连接，需要指明的是，所有管道均需要布置有隔断阀，在压缩子系统和膨胀子系统运行时，起到相互隔断的作用，规避高压空气进入未启动设备造成安全事故。

所述的储换热循环子系统中，高温储热罐320接口管道分为主管道和副管道，主管道和副管道汇总后分别与两级热交换器壳侧接口相连接。其中，主管道设有第二循环泵510和第十三隔断阀632，副管道同样设有第十四隔断阀631，第二循环泵510用于释能阶段向第一段热交换器210、第二段热交换器220的壳侧接口输送高温储热介质加热空气，两处隔断阀用于储能和释能工况时的相互隔离作用，对第二循环泵510起到保护作用。

所述的储换热循环子系统中，低温储热罐330接口管道分为主管道和副管道，主管道和副管道汇总分别后与两级热交换器壳侧接口相连接。其中，主管道设有第三循环泵520和第十一隔断阀634，副管道同样设有第十二隔断阀633，第三循环泵520用于储能阶段向第一段热交换器210、第二段热交换器220的壳侧接口输送低温储热介质吸收空气热量并存储，两处隔断阀用于储能和释能工况时的相互隔离作用，对第三循环泵520起到保护作用。

需要指明的是，本实用新型所公开的压缩空气储能电站压缩机、空气透平及对应的换热器段数需要根据储气库边界参数进行选择，采用合理的段数，不局限于图中的三段压缩、两段膨胀的形式，对不同压缩和膨胀段数配置方案，均可采用本实用新型所公开的组合式储换热系统进行系统集成优化。

需要指明的是，本实用新型所公开的压缩空气储能电站储热介质可为除盐水、导热油或熔融盐等，热交换器需要根据储热介质类型选择换热器的种类。同时，换热器配置方案需要根据工质的换热温差、流量进行设计，可为多台换热器串联或者并联的形式，综合换热性能和设备造价进行综合考量。

实施例1：

一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其使用方法如下：

储能阶段：

第一段热交换器、第二段热交换器与第一段空气透平、第二段空气透平及储气库之间管道的第六隔断阀610、第十隔断阀611、第九隔断阀612、第八隔断阀613和第七隔断阀614均需要关闭，热交换系统与透平部分处于隔离状态；高温储热罐320接口的主回路第十三隔断阀632关闭，副回路第十四隔断阀631开启，低温储热罐330接口的主回路第十一隔断阀634开启，副回路第十二隔断阀633关闭。好

来自大气环境中的空气经第一段压缩机压缩后经第一热交换器冷却后，再经第一段冷却器冷却后进入第二段压缩机，第二段压缩机压缩后经第二热交换器冷却后，再经第二段冷却器冷却后进入第三段压缩机，第三段压缩机压缩后经第三段冷却器冷却后的高压空气经第五隔断阀600送入储气库310储存，输入的压缩空气用于建立储气库压缩空气压力，为膨胀侧提供高压的工作介质。储换热子系统在压缩侧运行时，低温储热罐330中的介质经低温侧第三循环泵520升压后，送入第一热交换器、第二交换器的壳侧接口与高温空气换热，受热后进入高温储热罐320存储。

机力塔中的循环水经循环水泵500在第一段冷却器、第二段冷却器和第三段冷却器壳内流动，热量由循环水吸收。

释能阶段：

第一段热交换器、第二段热交换器与压缩机及储气库之间管道的第五隔断阀600、第一隔断阀601、第二隔断阀602、第三隔断阀603和第四隔断阀604均需要关闭，冷却系统与压缩机部分处于隔离状态。

高温储热罐320的主回路第十三隔断阀632开启，副回路第十四隔断阀631关闭，低温储热罐的主回路第十一隔断阀634关闭，副回路第十二隔断阀633开启。来自储气库310中的低温空气经第二段热交换器220进入第一段空气透平130膨胀做功，膨胀后的空气再经第一段热交换器210加热后进入第二段空气透平140做功后，冷空气排入大气。

储换热子系统在膨胀侧运行时，高温储热罐320中的介质经高温侧循环泵510升压后，送入第一段热交换器、第二段热交换器的壳体与低温空气换热，冷却后进入低温储热罐330存储。

本实用新型公开的压缩空气储能电站组合式储换热系统，基于储能阶段与释能阶段的运行特性，通过参数匹配将释能侧的换热器与储能侧的部分换热器深度耦合，采用换热器合用方式，形成组合式储换热系统，减少了储换热系统的换热器数量，优化了系统集成，减少了换热系统的空间占用。采用组合式储换热系统减少了储换热系统的换热器数量和工艺管道，降低了储换热系统的建设成本，提高了机组的经济性，缩短了电站的投资回收期。采用组合式储换热系统降低了建设成本，实现系统集成优化，提升压缩空气储能技术在新型储能市场中的竞争力，为其大规模应用和商业化推广创造了有利条件。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：包括：N段压缩机、N段冷却器、N-1段热交换器、N-1段空气透平、储气库、高温储热罐、低温储热罐和机力塔；

第一段压缩机的出口经隔断阀与第一段热交换器的第一管侧接口相连接，第一段热交换器的第二管侧接口经隔断阀与第一段冷却器管侧入口相连接，第一段冷却器管侧出口与第二段压缩机的入口相连接，第二段压缩机的出口经隔断阀与第二段热交换器第一管侧接口相连接，第二段热交换器第二管侧接口经隔断阀与第二段冷却器管侧入口相连接，第二段冷却器管侧出口与第三段压缩机的入口相连接，以此类推，第N-1段压缩机的出口经隔断阀与第N-1段热交换器第一管侧接口相连接，第N-1段热交换器第二管侧接口经隔断阀与第N-1段冷却器管侧入口相连接，第N-1段冷却器管侧出口与第N段压缩机的入口相连接，第N段压缩机的出口与第N段冷却器管侧入口相连接，第N段冷却器管侧出口经隔断阀与储气库接口相连接；

储气库接口还通过隔断阀与第N-1段热交换器的第二管侧接口相连接，第N-1段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第一段空气透平的入口相连接，第一段空气透平的出口还通过隔断阀与第N-2段热交换器的第二管侧接口相连接，第N-2段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第二段空气透平的入口相连接，以此类推，第二段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第N-2段空气透平的入口相连接，第N-2段空气透平的出口还通过隔断阀与第一段热交换器的第二管侧接口相连接，第一段热交换器的第一管侧接口还通过隔断阀与第N-1段空气透平的入口相连接；

机力塔接口经循环水泵分别与N段冷却器的壳体通过管路形成冷却回路；

高温储热罐的主回路串联有循环泵、隔断阀，副回路串联有隔断阀，高温储热罐的主回路与副回路汇总后分别与N-1段热交换器的第一壳侧接口相连接；

低温储热罐的主回路串联有循环泵、隔断阀，副回路串联有隔断阀，低温储热罐的主回路与副回路汇总后分别与N-1段热交换器的第二壳侧接口相连接；

N为大于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：N等于3。

3.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：N等于4。

4.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：压缩机压缩对象采用空气。

5.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：高温储热罐、低温储热罐的介质采用除盐水或者熔融盐。

6.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站组合式储换热系统，其特征在于：高温储热罐、低温储热罐的介质采用导热油。

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