CN102758689B - 超超临界空气储能/释能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超超临界空气储能/释能系统，是新型大规模储能系统，它涉及能量储存技术，即采用电站低谷电将空气压缩至超超临界状态，同时存储压缩热，利用膨胀机使空气降温同时回收膨胀功提高效率，并利用已存储的冷能将超超临界空气冷却、液化并存储；在用电高峰，液态空气经过加压、吸热至超超临界状态，并在进一步吸收压缩热后通过涡轮驱动发电机发电。本发明的系统具有能量密度高、效率高、不受储能周期和地理条件限制、适用于各种电站、对环境友好、可回收中低温废热等优点。

Description

超超临界空气储能/释能系统

技术领域

本发明涉及能量储存技术领域，特别是一种基于超超临界过程的大规模空气储能/释能系统。

背景技术

电力储能技术是目前调整电网峰谷、改善电力系统经济性和稳定性的重要手段，是制约不稳定、间歇式的可再生能源大规模利用的最重要瓶颈之一，也是分布式能源和智能电网的关键技术。目前已有电力储能技术包括抽水蓄能电站、压缩空气、蓄电池、超导磁能、飞轮和电容等。但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因，目前已在大型商业系统中运行的只有抽水电站和压缩空气两种。

传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统。在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高（50%～70%）和单位投资相对较小等优点，但是，传统压缩空气储能系统不是一项独立的技术，它必须同燃气轮机电站配套使用，不能适合其他类型，如燃煤电站、核电站、风能和太阳能等电站，特别不适合我国以燃煤发电为主，不提倡燃气燃油发电的能源战略。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。更为致命的是，由于储能密度低，压缩空气储能系统也需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，从而大大限制了压缩空气储能系统的应用范围。

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，特别是对燃气轮机的依赖问题，最近几年国内外学者分别开展了地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)、空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)等，使压缩空气储能系统基本可以脱离化石燃料燃烧热源。但由于不采用化石燃料热源，压缩空气储能系统的能量密度更低，更加凸显了对大型储气室依赖，同时效率也不够高，必须找到合理的解决办法，才能使空气储能系统得到更广泛而又有效地利用。

近年来，国内外学者发展了超临界空气储能系统，它利用空气的超临界条件下的性质，解决传统压缩空气储能存在的主要技术瓶颈。但是超临界空气储能系统仍然存在工作压力不高、储存容器体积大占地多的问题，而且超临界空气通过节流阀液化的不可逆损失较大，系统流程不够合理，能量利用不充分，导致系统效率较低（大约只有65%左右）。

本发明提出一种超超临界空气储能/释能系统，进一步提升超临界空气储能系统的性能。

发明内容

本发明的目的是公开一种超超临界空气储能/释能系统，它是新型空气储能系统，利用超超临界状态下空气的性质和系统流程创新，提升超临界空气储能系统性能，适合于各种类型电站和电网储能的配套使用。在超超临界条件下，空气密度可以达到正常气态的820倍以上，显著减少储罐体积。使用膨胀机或膨胀机与节流阀的组合后，可以有效利用气体的压力能，实现高品位能量的综合梯级利用，同时有利于提高系统液化率，减少外界的冷量补充量，从而明显提高系统效率。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

超超临界空气储能/释能系统包括压缩机组、蓄热/换热器、蓄冷/换热器、膨胀机、低温储罐、阀门、低温泵、涡轮机组、发电机、驱动单元及多根管线。它与超临界压缩空气储能系统的显著区别在于参数更高，，同时用膨胀机或膨胀机和节流阀的组合代替节流阀，使系统的能量密度和效率得到大幅提升。

本发明的压缩机组包括至少两台低压压缩机、至少一台高压压缩机，相互串联或集成为整体多级压缩机，每一台低压压缩机入口接空气源，压缩系统串联至少一台膨胀机以降低气体温度，提高系统效率，膨胀机的出口接入节流阀稍微降温即可实现液化，膨胀机可以是活塞式、离心式、轴流式和组合式，膨胀机的类型和台数视系统参数而定；膨胀机和压缩机可以设计成同轴组合，也可以通过变速箱连接提供压缩动力，从而提高系统效率和经济性。系统布置如下：

低压压缩机经管线、高压压缩机经管线分别与蓄热/换热器相连；存储压缩热后的高压空气经过管线进入蓄冷换热器降温后进入膨胀机进一步降温降压液化后经过管线进入低温储罐，在管线中设有阀门、至少一台低温泵，阀门位于低温泵上游；蓄冷/换热器底端设有排渣管线与排气管线；蓄热/换热器经管线分别与高压涡轮、低压涡轮相通连。

其工作流程为：储能时，利用驱动单元驱动组合式压缩机组，将一定量的空气压缩至超超临界状态，每级的压缩热被回收并存储在蓄热/换热器中；然后一定参数的超超临界空气进入蓄冷/换热器中冷却，再经过膨胀机组膨胀降温降压转变为液态空气进入低温储罐存储，部分未液化的空气通过管线进入蓄冷换热器后排出；释能时，低温泵对液态空气加压到超超临界压力，高压液态空气在蓄冷/换热器中升温至超超临界状态并回收冷能，在蓄热/换热器中吸收压缩热使超超临界空气进一步升温，然后进入高压涡轮机与低压涡轮机组成的涡轮机组膨胀做功，带动发电机发电。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述驱动单元，是以电网或常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、生物质发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种为电源带动的电机。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其储能过程在电力低谷、可再生能源限电或电能质量不符合上网要求时启用；释能过程在用电高峰、电力事故、可再生能源发电大幅波动时启用。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其压缩流程包括至少一台膨胀机，用于使压缩空气降温降压便于液化并回收膨胀功，提高系统效率。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述蓄热/换热器还设有管线，该管线与外界热源相通连，外界热源可以是太阳能集热器、工业余热和各类废热。所述余热、废热，为电厂、水泥行业、钢铁冶金行业、化工行业的余热、废热；余热、废热可储存在蓄热/换热器中，也可以存储在专用的蓄热/换热器中。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其空气压缩、冷却过程中还包括空气净化与纯化，除去空气中的固体物及杂质气体；空气净化与纯化设备集成在压缩机组及蓄冷/换热器中，不单独表示。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述压缩机组；当为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机的排气均经过蓄热/换热器冷却降温。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述涡轮机组，总膨胀比在50～420之间，末级涡轮机排气接近常压；当为多台涡轮机时，多台涡轮机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级涡轮机的进气均先经过蓄热/换热器加热升温。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述压缩机可以是活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或组合式；其所述膨胀机和涡轮机，可以是活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述在多台压缩机、多台膨胀机/涡轮机时，多台压缩机、多台膨胀机/涡轮机分布在一根驱动轴或多根驱动轴上，通过变速箱连接。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其工作空气的流量不受压缩空气流量的限制。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述蓄热/换热器的蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种；采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中；

其中，蓄热/换热器，储能时，回收并储存压缩机产生的压缩热，释能时，加热进各级膨胀机前的压缩空气；释能时还可经管线输进余热、废热为蓄热/换热器补充热量。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述蓄冷/换热器，将超超临界空气冷却至81K-150K（K为开氏温度单位），是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K之间的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中；超超临界空气或液态空气在蓄冷/换热器中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；储能时，蓄冷/换热器对超超临界空气进行进一步冷却便于液化，释能时，蓄冷/换热器回收并储存高压液态空气升温过程中的冷量。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述蓄冷/换热器，在低温冷量不足时，加装有节流装置使得接近液化点的空气稍微降温降压后即可液化进入储罐。节流装置也有可能被取消。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述低温储罐，为杜瓦储罐或低温储槽，液态空气在常压或带压力状况下储存。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述低温泵，为往复式，离心式或混合式，将液态空气增压至5.0MPa～42MPa；当多台时，是多级串联或并联。

所述的超超临界空气储能/释能系统，其储能时，通过控制第一级压缩机进气量来调节储能能力。所述的超超临界空气储能/释能系统，其所述控制第一级压缩机进气量，是通过调节压缩机负载、阀门开度、驱动转速、开停部分压缩机或调节压比来实现进气量的控制。其释能时，通过控制液态空气气化量来调节发电能力。

本发明的优点在于：储能效率比超临界空气系统提高4～7个百分点、储能密度比超临界空气系统提高30%以上。同时储能周期不受限制、适用于各种类型电站、对环境友好、可回收废热，不需要大的储存装置，提高了土地和资源使用效率，具有广阔的使用前景。

附图说明

图1为本发明的超超临界空气储能/释能系统实施例1结构示意图；

图2为本发明的超超临界空气储能/释能系统实施例2结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的超超临界空气储能/释能系统，采用电站低谷(低价)电能将空气压缩至超超临界状态(同时存储压缩热)，然后利用膨胀机使空气降温降压同时回收膨胀功提高效率，并利用已存储的冷能将压缩空气冷却、液化并存储（储能）；在用电高峰，液态空气加压吸热至超超临界状态(同时液态空气中的冷能被回收存储)，并进一步吸收存储的压缩热后通过涡轮机组驱动发电机发电(释能)，在此过程中一些工业废热可以被回收以提高系统效率。本发明提出的超超临界空气储能系统具有储能效率高的突出优点，由于采用优化流程和更高参数，系统效率可比超临界空气储能系统更高，初步估算可达70%以上，储能密度提高约30%～50%、储能周期不受限制、储存装置大幅减小、适用各种类型电站、对环境友好、可回收各种工业废热等优点。

实施例：

图1为本发明的超超临界空气储能/释能系统实施例1。包括低压压缩机1、3，蓄热/换热器2，高压压缩机35、38，膨胀机40（至少一级）、蓄冷/换热器4，低温储罐6，阀门7，低温泵8，高压涡轮9、10，低压涡轮43、46，发电机11，驱动电机12，管线13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、30、31、34、36、37、39、41、42、44、45等，及空气A。

驱动电机12与压缩机1、3、35、38的共有传动轴固接，发电机11与涡轮机9、10、43、46的共有传动轴固接。低压压缩机1、3经管线13、14、15，高压压缩机35、38经管线34、36、37、39分别与蓄热/换热器2相连。低压压缩机1入口接空气A。经过蓄热/换热器的超超临界空气经管线16通过蓄冷换热器4冷却，再经过膨胀机40做功并降温降压后液化。蓄热/换热器2、蓄冷/换热器4、低温储罐6经管线16、30、31、18、19顺序相连。在管线31中设有阀门7、低温泵8，阀门7位于低温泵8上游。蓄热/换热器2经管线20、21、22分别与高压涡轮9、10相连，经过41、42、44、45分别与低压涡轮43、46相连。低压涡轮46的气体出口通大气。

蓄热/换热器2经管线23与外界热源相通连。蓄冷/换热器4底端设有排渣管线24。

储能时，低谷（低价）电能驱动电机12带动压缩机组，净化后的空气A进入压缩机组进行逐级压缩、通过蓄热/换热器2与蓄热介质换热存储压缩热，实现中间冷却，直至进入高压压缩机38被压缩至超超临界状态，经管线39将超超临界空气再输送到蓄热/换热器2存储压缩热，冷却至一定温度的超超临界空气进入蓄冷/换热器4被蓄冷介质进一步冷却至较低温度，进入低温膨胀机40（至少一级）膨胀做功，降温降压后液化，液态空气经管线30储存在低温储罐6中。释能时，打开阀门7，低温泵8将来自低温储罐6的液态空气增压到超超临界压力后，由管线18输送至蓄冷/换热器4与蓄冷介质换热并气化，同时回收冷量，出蓄冷/换热器4的超超临界空气再经由管线19进入蓄热/换热器2进一步升温，温度升高后的超超临界空气通过管线注入高压涡轮机组膨胀做功，涡轮出口空气继续进入蓄热/换热器2吸热升温进入下一级涡轮膨胀做功，直至经过末级涡轮做功完毕，乏气排向大气。涡轮机组带动发电机11发电。

一般情况下，储能与释能过程不同时运行。储能时，压缩机组和膨胀机工作，涡轮发电机组、低温泵8关停，阀门7关闭，蓄热/换热器2回收、储存压缩热，同时冷却工作气体，蓄冷/换热器4释放冷量，将超超临界空气冷却至低温。释能时则相反，压缩机组和膨胀机关停，涡轮机组、低温泵8工作，阀门7开启，蓄冷/换热器4回收、储存冷量，同时高压液态空气升温至超超临界状态，蓄热/换热器2则释放压缩热，进一步提升超超临界空气温度。另外，太阳能、余热、废热等外界热量则可以随时经由管线23进入蓄热/换热器2进行储存，也可以存储在一个独立的蓄热/换热器中（图中未画出）；超超临界空气进入蓄冷/换热器4冷却，这一过程中分离出的杂质和污染物可通过管线24排出。

图2为本发明的超超临界空气储能/释能系统实施例2。其结构同实施例1基本相同，但在低温膨胀机后增加节流阀48。经过蓄冷换热器4冷却后的超超临界空气，在膨胀机40做功并降温降压后进入经过节流阀48进一步液化。其他工作流程同实施例1类似。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种超超临界空气储能/释能系统，包括压缩机组(1、3、35、38)、蓄热/换热器(2)、蓄冷/换热器(4)、低温储罐(6)、阀门(7)、低温泵(8)、涡轮机组(9、10、43、46)、发电机(11)、驱动单元(12)，其特征在于：

所述系统还包括膨胀机组(40)，所述压缩机组(1、3、35、38)将空气压缩至超超临界状态后,通过所述膨胀机组(40)或膨胀机组(40)和节流阀(48)的组合将超超临界空气降温降压至液态，液态空气储存至所述低温储罐(6)中；所述膨胀机组(40)与压缩机组(1、3、35、38)中的至少一台压缩机直接同轴组合，或通过变速箱连接提供动力；

所述系统包括储能子系统和释能子系统：所述储能子系统中，所述驱动单元(12)、压缩机组(1、3、35、38)、蓄热/换热器(2)、蓄冷/换热器(4)、膨胀机组(40)、低温储罐(6)经一管线组(13、14、15、34、36、37、39、16、30)依次顺序联通；所述释能子系统中，所述低温储罐(6)、阀门(7)、低温泵(8)、蓄冷/换热器(4)、蓄热/换热器(2)、涡轮机组(9、10、43、46)、发电机(11)经另一管线组(31、18、19、20、21、22、41、42、44、45)依次顺序联通；

所述压缩机组(1、3、35、38)包括至少一台低压压缩机(1)、至少一台高压压缩机(35)，相互串联或集成为整体多级压缩机组，其中第一级压缩机(1)的进气口接空气源，且各级压缩机中，上一级压缩机的出气口经管线穿过所述蓄热/换热器(2)后与下一级压缩机的进气口相连，最后一级高压压缩机(38)的出气口经管线(39、16)穿过所述蓄热/换热器(2)和蓄冷/换热器(4)后与所述膨胀机组(40)的进气口联通；

所述涡轮机组(9、10、43、46)包括至少一台低压涡轮机(46)、至少一台高压涡轮机(10)，相互串联或集成为整体多级涡轮机组，所述低温储罐(6)中的液态空气经管线依次通过阀门(7)、低温泵(8)、蓄冷/换热器(4)、蓄热/换热器(2)转变为超超临界状态的空气后通入第一级中，各级涡轮机中，上一级涡轮机的出气口经管线穿过所述蓄热/换热器(2)后依次与下一级涡轮机的进气口相连通，最后一级低压涡轮机(46)的出气口通大气；

所述超超临界空气储能/释能系统的工作流程为：储能时，利用驱动单元(12)驱动压缩机组(1、3、35、38)，将一定量的空气压缩至超超临界状态，压缩热被回收并存储在蓄热/换热器(2)中；超超临界空气进入蓄冷/换热器(4)中冷却后再进入膨胀机组(40)降温降压并回收膨胀功，低温压缩空气通过膨胀机组(40)或膨胀机组(40)和节流阀(48)的组合后完全或绝大部分液化，液态空气进入低温储罐(6)存储；释能时，低温泵(8)对液态空气加压至超超临界压力，高压液态空气在蓄冷/换热器(4)中升温至超超临界状态并回收冷能，在蓄热/换热器(2)中吸收压缩热将超超临界空气进一步升温，然后进入涡轮机组(9、10、43、46)膨胀做功，带动发电机(11)发电。

2.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述驱动单元(12)与压缩机组(1、3、35、38)的传动轴固接；所述膨胀机组(40)可通过变速箱直接驱动所述压缩机组(1、3、35、38)或通过另一发电机并网；所述发电机(11)与涡轮机组(9、10、43、46)的传动轴固接。

3.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述低温储罐(6)为杜瓦储罐或低温储槽，液态空气在常压或带一定压力状况下储存。

4.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器(2)为绝热保温容器，蓄热介质储存在容器中，超超临界空气在其中与蓄热介质直接接触换热或非直接接触换热，蓄热方式为显热、潜热蓄热中的一种或组合；储能时，蓄热/换热器(2)回收并储存压缩机产生的压缩热，释能时，加热进各级涡轮机前的压缩空气。

5.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述膨胀机组(40)包括至少一台膨胀机，用于使压缩空气降温降压便于液化并回收膨胀功，提高系统效率。

6.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：当所述压缩机组(1、3、35、38)为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机的排气均经过蓄热/换热器(2)。

7.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述涡轮机组(9、10、43、46)，末级涡轮机排气接近常压；当为多台涡轮机时，多台涡轮机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级涡轮机的进气均先经过蓄热/换热器(2)加热升温。

8.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述驱动单元(12)，是以电网或常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、生物质发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种电源带动的电机。

9.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器(2)还设有与外界热源相联通的管线(23)，外界热源为太阳能集热器、或工业余热。

10.根据权利要求1所述的超超临界空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器(2)，采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、岩石或混凝土。