CN220016532U - 一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，属于压缩储能技术领域，能够利用末段压缩机排气废热对首段压缩机进气进行预热，在冬季低温环境下，实现了压缩机恒温进气，从而稳定了压缩空气储能电站在不同季节的运行稳定性；该系统在首段压缩机和末段压缩机之间设置进气预热调温子系统；通过进气预热调温子系统将末段压缩机排出的高温压缩空气的热量引导至首段压缩机前面并对即将进入首段压缩机的环境空气进行预热，从而实现对进入到压缩机的环境空气进行温度调节，提高压缩机组的工作效率。本实用新型提供的技术方案适用于压缩空气储能的过程中。

Description

一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统

技术领域

本实用新型涉及压缩储能技术领域，尤其涉及一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统。

背景技术

在双碳目标背景下，国内能源转型的任务已经非常明确，即能源结构要进一步调整并向清洁化发展，可再生能源将成为能源主力。新型储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备，对推动能源绿色转型、应对极端事件、保障能源安全、促进能源高质量发展、支撑应对气候变化目标实现具有重要意义，成为能源领域碳达峰碳中和的关键支撑之一。因此，发展大容量储能技术对构建新型电力系统和实现双碳目标具有重要的战略意义。

压缩空气储能系统具有规模大、效率高、成本低、环保等优点，可实现电力调峰、调频、调相、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力系统效率、稳定性、安全性。压缩空气储能电站工艺系统组成主要包括压缩系统、换热系统、储气系统、储热系统、膨胀发电系统。在储能过程中，利用低谷电驱动电动机带动压缩机将环境中的常压空气压缩为高压空气，压缩过程中，随着压力的升高空气的温度随之升高，压缩机排气温度与压比(排气压力与进气压力的比值)直接相关，压比越大，排气温度越高。压缩过程中为了控制排气温度，同时提高压缩过程的效率，通常采用多段压缩机串联的方式实现空气的压缩,通过换热系统进行压缩机段间进行冷却，将高温排气冷却至低温后再进入下一段压缩机，同时将高温排气中的热量采用储热介质进行储存。压缩后的高压、低温空气储存于储气库中。在释能过程中，高压、低温空气从储气库中释放，经储热、换热系统加热后，形成高温、高压空气，进入空气透平，膨胀做功，带动发电机发电。典型的压缩空气储能、释能过程工艺系统如图1所示。

但现有技术存在的一大缺陷是系统随季节变换存在很大的不稳定性，尤其是冬季环境温度大幅降低，会影响系统的储热性能，造成系统的工作效率降低。

以某实际工程为例，储气库储气容积65万m³，储能充气过程中储气库压力逐渐由7MPa逐渐升高为9MPa后停止充气；释能放气过程中储气库压力逐渐由9MPa将至7MPa后停止放气。压缩机采用四段串联压缩方式，主要参数如表1所示。

表1压缩机主要参数表

由表1可知，压缩机采用四段压缩机，通过前三段压缩机的压缩，空气压力逐渐由环境压力0.1MPa，升高至0.475MPa、1.56MPa、5.05MPa，前三段压缩机排气温度控制在195℃，高温排气热量经储换热系统冷却至40℃后进入后一段压缩机，高温排气的热量将储热系统中的储热介质加热至180℃进行热量存储。末段压缩机排气背压为储气库压力，考虑管道流动阻力、地下管道内空气静压，末段压缩机启动时排气压力为6.9MPa升高至8.8MPa停止。由于末段压缩机压比小，相应的排气温度只能升高至78.1℃～104.7℃。由于末段排气温度低于储热系统储热需求，末段排气直接由机力通风冷却塔提供的冷却水冷却后充入储气库，排气中的热量最终通过机力通风冷却塔排向环境大气中，造成热量的浪费。

另外，首段压缩机排气温度与环境温度直接相关，设计工况一般考虑全年平均温度作为设计点。如实例工程项目压缩机设计温度为环境温度16℃，质量流量893.14t/h，排气温度降至195℃，多变效率92.1％。当冬季温度降至3℃时，排气温度降至173℃，多变效率降至91.2％。

可以看出在冬季寒冷气象条件下，由于环境温度降低，将导致排气参数偏离设计工况，从而降低储热介质温度，最终导致全厂效率降低。

因此，有必要研究一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，能够利用末段压缩机排气废热对首段压缩机进气进行预热，在冬季低温环境下，实现了压缩机恒温进气，从而稳定了压缩空气储能电站在不同季节的运行稳定性。

本实用新型提供一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，所述系统在首段压缩机和末段压缩机之间设置进气预热调温子系统；

通过进气预热调温子系统将末段压缩机排出的高温压缩空气的热量引导至首段压缩机前面并对即将进入首段压缩机的环境空气进行预热，从而实现对进入到压缩机的环境空气进行温度调节，提高压缩机组的工作效率。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进气预热调温子系统包括设于末段压缩机处的换热器、设于首段压缩机处的预热器、连接所述换热器和所述预热器的并形成闭环的预热管路、设于所述预热管路内的导热介质和设于所述预热管路上的循环泵；

所述末段压缩机的出气管路与所述换热器连接，其经过所述换热器后与后续用气设备或储气设备连接；

所述首段压缩机的进气管路与所述预热器连接，其经过所述预热器后与所述首段压缩机连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述末段压缩机的出气管路包括第一出气支路和第二出气支路，所述第一出气支路与所述换热器连接用于预热功能；所述第二出气支路用于常规制热功能。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一出气支路上设有流量调节阀。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括控制单元和若干温度传感器；

所述若干温度传感器分别设置在所述预热器的进气端、所述首段压缩机的进气管路处、所述末段压缩机的压缩空气出口处和/或所述换热器的压缩空气管路进口处；

所述控制单元与所述循环泵、所述流量调节阀以及所述若干温度传感器连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述换热器为BEM型管壳式换热器；经过所述换热器的所述出气管路设置在所述BEM型管壳式换热器的管侧，所述预热管路设置在所述BEM型管壳式换热器的壳侧。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述预热器为板式换热器或翅片管式换热器；环境空气所在的所述进气管路设置在所述预热器的壳侧，所述预热管路设置在所述预热器的管侧。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导热介质为导热油或水。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统为四段压缩机式空气压缩储能系统。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述四段压缩机式空气压缩储能系统中任意相邻的两段压缩机的连接方式是：前一段压缩机的出气管路经过冷却后连接后一段压缩机的进气口。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对出气管路冷却的具体方式是：在相邻两段压缩机之间设置换热器，所述出气管路经过所述换热器，与同样经过所述换热器的冷却水管路换热式连接；所述冷却水管路的一端与冷水罐连接，另一端与热水罐连接，所述冷却水管路上设置循环泵。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：增设进气预热调温功能后，可以使压缩机入口温度提高，在冬季低温环境下，压缩机入口温度与设计温度保持一致，从而提高了压缩机组的运行可靠性、提高了压缩机组效率，确保排气温度满足设计要求，提高了低温环境下压缩空气储能电站的全厂效率。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1是现有技术压缩空气储能电站工艺系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

针对现有技术的不足，为确保压缩空气储能电站进气参数稳定，避免低温气象条件下，进气温度降低导致压缩机排气温度降低、储热参数降低、全厂效率降低，本实用新型结合压缩系统运行参数和运行特点，提出了低温气象条件下利用末段排气的废热，实现进气预热的创新方案。

本实用新型通过增设换热器、预热器、循环泵、调节阀等设施及导热介质，提出了一套完整的压缩系统进气预热调温系统方案。

本实用新型在末段压缩机冷却器后增设高温高压空气旁路管道，引接部分热空气至新增换热器，并在首段压缩机入口前增设预热器。新增换热器、预热器通过管道连接，并配置循环泵，形成热量输送闭环。闭环管道内充装导热介质，导热介质可选用导热油或水。导热介质经循环泵加压进入新增换热器中，与引接的部分高温空气进行换热，导热介质被加热，空气被冷却；升温后的导热介质进入新增预热器，与进入压缩机前来自环境中的低温空气进行换热，加热低温空气实现对空气的预热，升温后的空气再正常进入压缩机进行压缩，从而确保既使在环境温度较低时，压缩机入口空气的温度也能够恒定，使得压缩机在设计工况下高效运行。温度降低后的导热介质进入循环泵被进一步升压再次进入新增换热器，如此循环。在增设放入高温高压空气旁路管道上设置电动流量调节阀，调节进入新增换热器的高温空气流量，从而控制导热介质吸收的热量，环境温度低时，流量调节阀开度增加，增大导热介质吸收的热量，提高预热器中低温空气的温度；环境温度升高时，减小流量调节阀开度，减少导热介质吸收的热量，从而减少低温空气的温升，有效控制冬季不同温度时，进入压缩机的空气温度均可保持恒定。

实施例1：

本实用新型适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统的结构如图2所示。图中示出了四段压缩机，四段压缩机依次连接。相邻两段压缩机连接管路经过换热器，管路中的高温压缩空气通过换热器被其冷却管路中的冷却水进行冷却，冷却后的低温压缩空气再进入下一段压缩机。冷却管路的入水端与冷水罐连接，出水端与热水罐连接，冷却管路上设有水泵，用于为冷却水提供循环动力。

第一段压缩机由环境空气进入其中进行压缩，环境空气经入气管路连接进第一段压缩机中，入气管路在进入压缩机前先经过预热器进行预热，预热后满足温度要求的空气再进入第一段压缩机内进行压缩。预热器采用板式换热器或翅片管式换热器(低温环境空气走壳侧、用于预热的导热介质走管侧)。

第四段压缩机(也就是末段压缩机)后新增换热器。第四段压缩机的出气管路分成两路，第一出气支路和第二出气支路。第一出气支路经过新增的换热器后进入储气库。该新增换热器采用BEM型管壳式换热器(高温空气走管侧、用于预热的导热介质走壳侧)。第二出气支路经过正常的冷却器后进入储气库，在冷却的过程中实现制热，第二出气支路冷却制热再进入储气库是现有技术正常的工作方式，这里不过多赘述。第一出气支路经过新增的换热器进行换热是本实用新型的改进点，高温压缩空气在换热器中将另一管路，也就是预热管路，进行加热，加热后的预热管路连接到设于第一段压缩机前的预热器中，对经过预热器的低温环境空气进行预热，预热后的预热管路再连接到新增的换热器中，在预热器和换热器之间形成一个完整的管路闭环，该管路闭环上设有循环泵，用于对管路内的介质提供循环动力。

为了对预热温度进行调整，在第四段压缩机后的第一出气支路上设置流量调节阀，用于调节流经第一出气支路的压缩空气流量，在原始环境空气流量一定的情况下，也间接调整了第二出气支路内压缩空气流量。

为了对预热温度进行调整，本实用新型在新增换热器的空气旁路管道，也就是第一出气支路，设置电动调节阀，调节进入新增换热器的高温空气流量，从而控制导热介质吸收的热量。环境温度低时，流量调节阀开度增加，增大导热介质吸收的热量，提高导热介质温度，进而提高预热器中低温空气的温度；环境温度升高时，减小流量调节阀开度，减少导热介质吸收的热量，从而减少低温空气的温升，最终有效控制冬季不同温度时，进入压缩机的空气温度均可保持恒定，确保压缩机在高效区运行，并保证排气温度恒定，储热介质温度恒定，提高压缩空气储能电站在冬季低温工况下的电-电转换效率。

为了实现更好的调节，在预热器的进气口前、新增换热器高温压缩空气管路处均设置温度传感器(图中未示出)用于实时测量当前环境空气和压缩空气的温度。循环泵、流量调节阀以及上述温度传感器均与控制单元(图中未示出)连接。控制单元根据温度传感器测量的当前环境空气的温度、预设的压缩机最优工作温度以及新增换热器中高温高压空气的温度判断出需要进入新增换热器的压缩空气的流量，从而调节流量调节阀的开度，从而保证进入压缩机的空气温度的恒定，实现精准预热。除了上述的预热器的进气端以及新增换热器的压缩空气管路进口处之外，温度传感器还可以设置在首段压缩机的进气口处，用于测量预热后的空气温度，控制单元根据预热前后的空气温度以及新增换热器处压缩空气的温度对流量调节阀进行调节。另外，在末段压缩机和新增换热器距离不远或者高压空气在两者之间的降温幅度可以忽略不计的情况下，设置在新增换热器的压缩空气管路进口处的温度传感器也可以设置在末段压缩机的压缩空气出口处。

以上对本申请实施例所提供的一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (10)

1.一种适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述系统在首段压缩机和末段压缩机之间设置进气预热调温子系统；

所述进气预热调温子系统包括设于末段压缩机处的换热器、设于首段压缩机处的预热器、连接所述换热器和所述预热器的并形成闭环的预热管路、设于所述预热管路内的导热介质和设于所述预热管路上的循环泵；

所述末段压缩机的出气管路与所述换热器连接，其经过所述换热器后与后续用气设备或储气设备连接；

所述首段压缩机的进气管路与所述预热器连接。

2.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述末段压缩机的出气管路包括第一出气支路和第二出气支路，所述第一出气支路与所述换热器连接；所述第二出气支路与用于对压缩空气进行冷却的冷却器连接。

3.根据权利要求2所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述第一出气支路上设有流量调节阀。

4.根据权利要求3所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述系统还包括控制单元和若干温度传感器；

所述若干温度传感器分别设置在所述预热器的进气端、所述首段压缩机的进气管路处、所述末段压缩机的压缩空气出口处和/或所述换热器的压缩空气管路进口处；

所述控制单元与所述循环泵、所述流量调节阀以及所述若干温度传感器连接。

5.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述换热器为BEM型管壳式换热器；经过所述换热器的所述出气管路设置在所述BEM型管壳式换热器的管侧，所述预热管路设置在所述BEM型管壳式换热器的壳侧。

6.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述预热器为板式换热器或翅片管式换热器；环境空气所在的所述进气管路设置在所述预热器的壳侧，所述预热管路设置在所述预热器的管侧。

7.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述导热介质为导热油或水。

8.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述系统为四段压缩机式空气压缩储能系统。

9.根据权利要求8所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，所述四段压缩机式空气压缩储能系统中任意相邻的两段压缩机的连接方式是：前一段压缩机的出气管路经过冷却后连接后一段压缩机的进气口。

10.根据权利要求9所述的适用于压缩空气储能电站的进气预热调温系统，其特征在于，对出气管路冷却的具体连接结构为：在相邻两段压缩机之间设置换热器，所述出气管路经过所述换热器，与同样经过所述换热器的冷却水管路换热式连接；所述冷却水管路的一端与冷水罐连接，另一端与热水罐连接，所述冷却水管路上设置循环泵。