CN220929493U - 一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统，包含储能系统、释能系统和储放热定压系统，此三个系统相互连接；所述储能系统包含储能电动机、压缩机、储能换热器、冷却器、气液分离器及冷却塔和储气库；所述释能系统包含释能发电机、膨胀机、释能换热器与储气库；所述储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统，膨胀水罐系统；本实用新型功能是为压缩空气储能系统提供所需要的蓄热功能和放热功能的同时，利用水侧定压的方式满足系统定压等其它必要的功能。系统中涉及储能系统、释能系统和储放热定压系统。

Description

一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能系统在运行的过程中，需在压缩侧将空气压缩储存在储气库中，在膨胀侧将储气库中的空气膨胀释放回大气，以此达到储能的作用。而在空气压缩时将释放大量的热量，在空气膨胀时需吸收大量的热量。在之前许多压缩空气储能系统中，压缩时释放的热量直接散失在空气中并未加以利用，而膨胀时吸收的热量则仍需用电力提供。这种方式不仅造成能源的浪费以及用电成本的提高，同时也降低了系统效率。

本实用新型提供了一种水蓄热系统，设置了冷水罐和热水罐来充分利用系统中的余热。即将冷水罐中的水流经压缩侧换热器，换走空气压缩产生的热量后，以热水的形式储存在热水罐中；当空气膨胀过程中需要热量时，再将储罐中的热水的热量通过膨胀侧换热器换出来，用以加热膨胀机中的空气，热量换出后的冷水则流回冷水罐等待下一次循环。此水蓄热系统充分利用回收了系统余热，节约了一次能源的消耗，降低了系统成本，提高了整个系统效率。

而水蓄热系统在储能过程中，由于热水罐内热水需求的温度高，需要维持一定的压力才能保证罐内热水不发生汽化，所以需要定压系统，达到使系统压力稳定的目的。

目前常用在压缩空气储能领域中的定压系统多为制氮系统定压，其原理为使用制氮机制氮气来补充系统中的压力损失，或需经常排出氮气使罐内压力降低来维持系统稳定。但此类定压方式需额外设置制氮机、氮气压缩机以及氮气缓冲罐系统，使系统初始投资增加的同时，还增加了氮气系统用电等运行成本费用。且每次完成储热-释热工况循环时，会有大量的氮气消耗。且此一套系统占地面积大，压力维持相对困难，还存在可优化空间。

本实用新型采用一种在压缩空气储能领域中的新式定压系统，即水侧定压的水蓄热系统。此系统压力低于设定值时通过定压泵将膨胀水罐内的冷水打进冷水罐，提高系统压力。系统压力高于设定值时通过冷水罐底部管道旁路泄放部分冷水至膨胀水罐，降低系统压力。水侧定压由于使用循环水进行定压，仅需在首次启动过程时充氮，正常运行时基本没有氮气消耗，氮气损耗量少。水侧的循环水在循环使用的过程中也无消耗。且仅需在冷罐上设置充氮装置接口，无需增设制氮机、氮气压缩机以及氮气缓冲罐系统，减少了系统占地面积与系统投资及运行能耗成本，提升了整体工程的经济性。

发明内容

为实现上述目的，本实用新型提供一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统，包括相互连接的储能系统、释能系统和储放热定压系统。所述储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统、膨胀水罐系统。

进一步地，所述储能系统包含电动机、压缩机、换热器、冷却器、气液分离器及冷却塔和储气库。

所述储能过程在于，利用电动机驱动压缩机工作，使压缩机内的空气压缩并且温度升高，压缩机内热空气进入换热器将热量换出，冷水罐中的水在流经换热器吸收热空气中的热量后，进入热水罐储存以防能量的损失。换热器内空气经过换热后进入冷却器内进行进一步降温。降温后的压缩空气经过气液分离器干燥后再进入下一级压缩机内进行压缩。最终符合参数要求的高压空气经过末级冷却器和气液分离器后，进入储气库储存。冷却器出水口流出的高温水经冷却塔冷却后重新进入系统循环。

进一步地，所述的释能系统包含发电机、膨胀机、换热器与储气库。

所述释能过程在于，储气库中的高压空气流入换热器，在换热器中吸收热水罐流出热水中的热量后，在膨胀机内进行膨胀并温度降低。通过膨胀机驱动发电机进行发电，经过多级膨胀后的空气则排入大气中。热水罐内的热水经换热器换走热量后，换热器中温度降低的水再流回至冷水罐，等待下一次循环。

进一步地，所述的储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统，膨胀水罐系统。

储热定压过程：系统运行时，冷水罐内的冷水经换热器吸收热量后温度升高进入热水罐，同时热水罐内的高温氮气经冷热水罐之间的连通管排入冷水罐中，高温氮气进入冷水罐后温度降低。此时若无外部定压系统，罐内压力将降低，热水罐内热水将汽化。通过启动水侧定压系统将膨胀水罐内的水补入冷水罐中，使冷热水罐维持设定压力。

放热定压过程：当热水罐内的水经换热器换走热量温度降低后回到冷水罐后，同时冷水罐内低温氮气经冷热水罐之间的连通管回到热水罐中，低温氮气进入热水罐后温度增加。此时若无外部定压系统，罐内压力将增大。通过启动水侧定压系统将冷水罐中的水排回膨胀水罐中，使冷热水罐维持设定压力。

进一步的，所述储能电动机连接所述压缩机转动，所述压缩机出气口与所述储能换热器进气口相连，所述储能换热器出气口与所述冷却器进气口相连，所述冷却器进气口与所述气液分离器进气口相连，所述气液分离器出气口与储气库相连，所述冷却塔出水口与所述冷却器进水口相连，所述冷却器出水口与冷却塔入水口相连。

进一步的，所述储气库出气口与所述释能换热器进气口相连，所述释能换热器出气口与所述膨胀机进气口相连，空气在膨胀机内膨胀，并带动同轴的释能发电机发电，膨胀机有多级，直至最后一级膨胀完毕后，空气最终从膨胀机最后一级的出气口排入大气。

进一步的，所述热水罐进水口与储能换热器出水口相连，释能换热器进水口与热水罐出水口相连。热水罐安全阀、热水罐压力表和热水罐温度表接在热水罐上。

进一步的，所述冷水罐出水口与储能换热器进水口相连，释能换热器出水口与冷水罐进水口相连，所述充氮装置的出气口与充氮阀门相连。

进一步的，所述膨胀水罐的出水口和所述定压泵的补水泵前阀门入水口连接，所述补水泵前阀门的出水口和补水泵入水口连接，所述补水泵的出水口与补水泵后阀门入水口连接，所述补水泵后阀门的出水口和所述冷水罐连接，所述冷水罐与补水泵旁路阀门入水口连接，补水泵旁路阀门出水口于膨胀水罐相连。

进一步的，所述冷水罐和热水罐之间通过氮气连通管连接。

有益效果

储放热定压系统使整个压缩空气储能系统的效率升高。由于压缩机压缩空气会产生热量，这部分热量如不加以利用将被浪费。而膨胀机做功膨胀需要吸收热量，这部分热量则额外增加了系统运行能耗费用。通过将压缩压缩空气产生的热量换至水中并储存在热水罐内，再将热水罐中热水的热量换出用于膨胀机做工，可达到热量的充分利用，未增加多余能耗，节能环保且提高了整个系统的工作效率。

水侧定压的方式大大减少了系统投资成本及运维成本，并减少了氮气的消耗量，降低了系统控制难度。水侧定压由于使用循环水进行定压，氮气损耗量少，仅需在冷罐上设置充氮装置接口，用于启动过程充氮和补充损耗使用，无需增设制氮机、氮气压缩机以及氮气缓冲罐系统，大大减少了系统投资、运行能源成本和氮气的消耗量，提升整体工程的经济性。且液体流量较气体流量更容易监测与控制，使水侧定压系统较目前通用的氮气定压系统控制难度大大降低。

膨胀水罐系统中膨胀水罐的微正压设计使系统稳定的同时，还降低了投资成本。膨胀水罐按照氮气密封微正压、工作温度与冷罐温度一致设计，在冷罐内的多余水通过管道流向膨胀水罐时，管道上设置的阀门可进行流量和压力调节，可以保证膨胀罐在微正压工况下安全稳定运行。在膨胀水罐内的冷水经定压泵升压后进入冷罐时，由于膨胀水罐按照微正压工作，定压泵入口、出口压力稳定，定压泵运行工况稳定、调节简单。且膨胀水罐按照氮气密封微正压设计，可以为膨胀罐隔离空气避免腐蚀。且微正压的膨胀水罐为常压容器，投资成本也较压力容器大幅降低。

冷热罐连通管使系统更加简单，且降低了系统投资。冷热罐连通管使冷热罐压力始终保持一致，并实现了氮气的闭式循环使用，不需要在热水罐上再增加一套膨胀水罐系统与充氮系统，降低了系统的初始投资，简化了系统工艺流程。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一的示意图，为图2的简化图；

图2为本实用新型优选的实施例二的示意图；

附图标记说明：

储能电动机1、压缩机2、储能换热器3、冷却器4、气液分离器5、释能换热器6、膨胀机7、释能发电机8、冷却塔9和储气库10；

膨胀水罐20、水泵前阀门、21、补水泵后阀门22、补水泵23、补水泵旁路阀门24；

热水罐30、热水罐安全阀31、热水罐压力表32和热水罐温度表33；

冷水罐40、冷水罐安全阀41、冷水罐压力表42、冷水罐温度表43；

充氮阀门44、充氮装置45。

储能电动机1a、1b、1c、1d、压缩机2a、2b、2c、2d、储能换热器3a、3b、3c、冷却器4a、4b、4c、4d、气液分离器5a、5b、5c、5d、释能换热器6a、6b、6c、膨胀机7a、7b、7c。需注意，a代表第一级、b代表第二级、c代表第三级、d代表第四级，代表同一功能的设备拥有多个或多级，实施例二中列举的级数仅为举例，本实用新型每个设备的数量都可超过4四级，甚至更多个或多级。

实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。此外应理解，在阅读了本申请讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例

图1为图2的简化图。一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统，包含储能系统、释能系统和储放热定压系统，此三个系统相互连接；储能系统包含储能电动机1、压缩机2、储能换热器3、冷却器4、气液分离器5及冷却塔9和储气库10；释能系统包含释能发电机8、膨胀机7、释能换热器6与储气库10，需要说明的是储能系统和释能系统共用一个储气库10；储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统，膨胀水罐系统；热水罐系统包含了热水罐30、热水罐安全阀31、热水罐压力表32和热水罐温度表33；冷水罐系统包含了冷水罐40、冷水罐安全阀41、冷水罐压力表42、冷水罐温度表43、充氮阀门44、充氮装置45；膨胀水罐系统包括膨胀水罐20、补水泵23及补水泵前阀门21、补水泵后阀门22，以及补水泵旁路阀门24。其余信息参考实施例二。

实施例

参见图2是本申请实施例二提出的一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统，包括储能系统、释能系统和储放热定压系统，此三个系统相互连接。所述储能系统包含储能电动机1a、1b、1c、1d，压缩机2a、2b、2c、2d，储能换热器3a、3b、3c，冷却器4a、4b、4c、4d，气液分离器5a、5b、5c、5d及冷却塔9和储气库10。所述释能系统包含释能发电机8，膨胀机7a、7b、7c，释能换热器6a、6b、6c与储气库10，需要说明的是储能系统和释能系统共用一个储气库10。所述储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统、膨胀水罐系统。热水罐系统包含了热水罐30、热水罐安全阀31、热水罐压力表32和热水罐温度表33；冷水罐系统包含了冷水罐40、冷水罐安全阀41、冷水罐压力表42、冷水罐温度表43、充氮阀门44、充氮装置45；膨胀水罐系统包括膨胀水罐20、补水泵23及补水泵前阀门21、补水泵后阀门22，以及补水泵旁路阀门24。

在储能阶段，储能电动机1a、1b、1c、1d利用谷电或低价值的电力为自身供电，并驱动压缩机2a、2b、2c、2d一起工作。压缩机2a从大气吸入空气后进行压缩，压缩后的空气温度达到206℃，经过储能换热器3a将空气压缩时产生的热量换走后，空气温度降低至49.5℃。再经过冷却器4a将空气温度从49.5℃降低至25℃。然后压缩空气进入气液分离器5a，将空气中的液体分离后再进入下一级压缩机2b。压缩机将空气压缩后，空气温度又提升至206℃，再进入储能换热器3b换热至49.5℃，以此类推重复循环。最终压缩空气从压缩机2d排出，此时压缩空气温度为86℃，经过冷却器4d将温度再次降低至25℃，再从气液分离器5d排出，进入储气库10储存。冷却器4a、4b、4c、4d换出28℃的热水进入冷却塔9降温至20℃，降温后的水回到冷却器4a、4b、4c、4d进行循环。

储能阶段的储热定压方式为，冷水罐40中40℃的冷水流经储能换热器3a、3b、3c进行换热，换热后温度升高至196℃的热水进入热水罐30，此时若无定压系统，冷水罐40、热水罐30内压力将降低。此时打开补水泵阀门21与22，打开补水泵23，将膨胀水罐20中的水补入冷水罐30来维持罐内设定压力1.8MPa。压力稳定后关闭补水泵23，关闭补水泵阀门21与22。

在释能阶段，储气库10中25℃的压缩空气进入释能换热器6a吸收热量，换热后温度升高至185℃的空气进入膨胀机7a膨胀，带动释能发电机发电。经膨胀机7a膨胀后的空气降温至46℃后，再进入释能换热器6b吸收热量至185℃，此后依次循环。直到最后一级膨胀完毕后，空气从膨胀机7c排入大气。

释能阶段的放热定压方式为，热水罐30中196℃的热水接至释能换热器6a、6b、6c进行换热，换热后降温至40℃的冷水进入冷水罐40，此时若无定压系统，冷水罐40、热水罐30内压力将升高。此时打开补水泵旁路阀门24，让冷水罐40中多余的水流回膨胀水罐20，维持罐内设定压力1.8MPa。

以上所述是本实用新型的优先实施例，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完善，这些改进和完善也视为本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种水侧定压水蓄热方式的压缩空气储能系统，其特征在于，

包含储能系统、释能系统和储放热定压系统，此三个系统相互连接；

所述储能系统包含储能电动机（1）、压缩机（2）、储能换热器（3）、冷却器（4）、气液分离器（5）及冷却塔（9）和储气库（10）；

所述释能系统包含释能发电机（8）、膨胀机（7）、释能换热器（6）与储气库（10）；

所述储放热定压系统包括热水罐系统、冷水罐系统，膨胀水罐系统；

所述热水罐系统包含了热水罐（30）、热水罐安全阀（31）、热水罐压力表（32）和热水罐温度表（33）；

所述冷水罐系统包含了冷水罐（40）、冷水罐安全阀（41）、冷水罐压力表（42）、冷水罐温度表（43）、充氮阀门（44）、充氮装置（45）；

所述膨胀水罐系统包括膨胀水罐（20）、补水泵（23）及补水泵前阀门（21）、补水泵后阀门（22），以及补水泵旁路阀门（24）。

2.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能电动机（1）连接所述压缩机（2）转动，所述压缩机（2）出气口与所述储能换热器（3）进气口相连，所述储能换热器（3）出气口与所述冷却器（4）进气口相连，所述冷却器（4）出气口与所述气液分离器（5）进气口相连，所述气液分离器（5）出气口与储气库（10）相连，所述冷却塔（9）出水口与所述冷却器（4）进水口相连，所述冷却器（4）出水口与冷却塔（9）入水口相连。

3.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气库（10）出气口与所述释能换热器（6）进气口相连，所述释能换热器（6）出气口与所述膨胀机（7）进气口相连，空气在膨胀机（7）内膨胀，并带动同轴的释能发电机（8）发电，膨胀机（7）有多级，直至最后一级膨胀完毕后，空气最终从膨胀机（7）最后一级的出气口排入大气。

4.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述热水罐（30）进水口与储能换热器（3）出水口相连，释能换热器（6）进水口与热水罐（30）出水口相连；热水罐安全阀（31）、热水罐压力表（32）和热水罐温度表（33）接在热水罐（30）上。

5.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述冷水罐（40）出水口与储能换热器（3）进水口相连，释能换热器（6）出水口与冷水罐（40）进水口相连，所述充氮装置（45）的出气口与充氮阀门（44）相连。

6.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀水罐（20）的出水口和所述定压泵的补水泵前阀门（21）入水口连接，所述补水泵前阀门（21）的出水口和补水泵（23）入水口连接，所述补水泵（23）的出水口与补水泵后阀门（22）入水口连接，所述补水泵后阀门（22）的出水口和所述冷水罐（40）连接，所述冷水罐（40）与补水泵旁路阀门（24）入水口连接，补水泵旁路阀门（24）出水口于膨胀水罐（20）相连。

7.如权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述冷水罐（40）和热水罐（30）之间通过氮气连通管连接。