CN114439563B - 一种滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气储能技术领域，具体涉及一种滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法。包括空气压缩支路、热循环回路、空气膨胀支路和空气调节支路，空气调节支路包括辅助回热换热器，辅助回热换热器的高温侧流道的两端分别与高温循环泵和低温蓄热器连接，辅助回热换热器的低温侧流道的进口端与储气装置连接，辅助回热换热器的低温侧流道的出口端分为两路且分别通过流量调节装置与高压空气膨胀机的进气口、低压空气膨胀机的进气口连接。本发明的滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法，在提升变工况换热效率的同时能够使整个机组的出力保持稳定，进而使整个系统的效率得到提升；换热设备的变工况运行能力要求较低，降低了系统技术难度和成本。

Description

一种滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明涉及空气储能技术领域，具体涉及一种滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法。

背景技术

储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型大规模储能技术，工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，消耗电能驱动空气压缩机，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰时，储气装置将存储的压缩空气释放出来，在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电；根据上述原理，压缩空气储能系统能够完成电能—空气势能—电能的转化。

用于压缩空气储能系统的压缩空气存储装置一般为固定容积式，根据气体状态方程可知，固定容积式压力容器放气过程中，由于气量的减少，压力容器内部的气体压力随放气过程进行连续降低。由于固定容积式压缩空气存储装置在放气过程中存在这种压力连续降低的现象，作为压缩空气膨胀释能关键装备的空气膨胀机就需要具备滑压运行能力。对于储气装置放气过程中压力变化较大的场景，在供气压力下降严重时，为保证机组出力稳定，空气膨胀机一般采用高压机入口向低压机入口逐渐并气的方式运行。这时，常规换热系统不能满足各级空气膨胀机空气量大幅变化时的高效换热需求，导致系统换热效率下降严重，进而影响系统的运行效率；而专门开发超宽变工况换热设备，一方面技术难度较大，同时也会引起系统成本大幅攀升，造成系统技术经济性下降。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中空气膨胀机组滑压运行过程中换热器变工况运行区间大、换热效率和系统效率低的缺陷，从而提供一种滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法。

本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能系统，包括：

空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧流道及储气装置；

热循环回路，其由首尾依次串联的低温蓄热器、低温循环泵、蓄热换热器的低温侧流道、高温蓄热器、高温循环泵、回热支路组成，所述回热支路由高压回热换热器的高温侧流道和低压回热换热器的高温侧流道并联而成；

空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置、高压回热换热器的低温侧流道、高压空气膨胀机、低压回热换热器的低温侧流道及低压空气膨胀机；

空气调节支路，包括辅助回热换热器，所述辅助回热换热器的高温侧流道的两端分别与所述高温循环泵和低温蓄热器连接，所述辅助回热换热器的低温侧流道的进口端与所述储气装置连接，所述辅助回热换热器的低温侧流道的出口端分为两路且分别通过流量调节装置与所述高压空气膨胀机的进气口、所述低压空气膨胀机的进气口连接。

可选的，所述蓄热换热器的高温侧流道与所述储气装置之间串联有气液分离器。

可选的，所述流量调节装置为调节阀。

可选的，所述空气压缩机设有相互串联的多个，所述蓄热换热器设有一个且串联在多个空气压缩机之后，或所述蓄热换热器设有至少两个且串联在多个空气压缩机之后和相邻两个空气压缩机之间。

可选的，所述辅助回热换热器设有至少两个，且相互并联或串联。

本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能方法，具体如下：

定义高压空气膨胀机的进气压力范围为高压区间，定义低压空气膨胀机的进气压力范围为低压区间；

在高压区间内，对应高压空气膨胀机的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度，对应低压空气膨胀机的流量控制装置关闭；

在低压区间内，对应高压空气膨胀机的流量控制装置逐渐减小开度至关闭，对应低压空气膨胀机的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度；

当储气装置的出气压力小于低压区间对应压力值时，释能结束。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能系统，设有空气调节支路，空气调节支路能够对储气装置排出的空气进一步加热，并且通过流量控制装置控制进入高压空气膨胀机和低压空气膨胀机的空气流量。一方面保证了空气膨胀支路上换热设备在空气流量范围的稳定，另一方面也满足了不同空气膨胀级的气量变化需求，在提升变工况换热效率的同时能够使整个机组的出力保持稳定，进而使整个系统的效率得到提升；由于调节支路将较宽的变工况范围分隔为两个较小的变工况范围，通过高/低压回热换热器、辅助回热换热器分别承担，因此，换热设备的变工况运行能力要求较低，容易采用常规换热设备实现，从而降低了系统技术难度和成本。

2.本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能系统，设有多个辅助回热换热器，能够实现较大变工况范围的多次分隔，实现更精细的变工况调节，更进一步的提升换热效率、提升系统效率。

3.本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能方法，由于是基于前述压缩空气储能系统实现的，所以具有前述任一项优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术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发明的一些实施方式，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为本发明实施例中滑压膨胀的压缩储能系统的结构示意图；

附图标记说明：

1、空气压缩机；2、蓄热换热器；3、气液分离器；4、储气装置；5、高压回热换热器；6、高压空气膨胀机；7、低压回热换热器；8、低压空气膨胀机；9、低温蓄热器；10、低温循环泵；11、高温蓄热器；12、高温循环泵；13、辅助回热换热器；V1、高压流量调节阀；V2、低压流量调节阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

结合图1所示，本发明实施例提供一种滑压膨胀的压缩空气储能系统，包括：

空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机1、蓄热换热器2的高温侧流道及储气装置4；热循环回路，其由首尾依次串联的低温蓄热器9、低温循环泵10、蓄热换热器2的低温侧流道、高温蓄热器11、高温循环泵12、回热支路组成，回热支路由高压回热换热器5的高温侧流道和低压回热换热器7的高温侧流道并联而成；空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置4、高压回热换热器5的低温侧流道、高压空气膨胀机6、低压回热换热器7的低温侧流道及低压空气膨胀机8；空气调节支路，包括辅助回热换热器13，辅助回热换热器13的高温侧流道的两端分别与高温循环泵12和低温蓄热器9连接，辅助回热换热器13的低温侧流道的进口端与储气装置4连接，辅助回热换热器13的低温侧流道的出口端分为两路且分别通过流量调节装置与高压空气膨胀机6的进气口、低压空气膨胀机8的进气口连接。其中，蓄热换热器2、高压回热换热器5、低压回热换热器7皆由高温侧流道和低温侧流道组成。

本实施例中，空气压缩机1由电动机驱动；其他实施例中，空气压缩机1也可由气动机、液动机等其他机构驱动。

本实施例中，热循环回路中填充的热载体采用液态工质；其他实施例中，热循环回路中填充的热载体也可采用可流动性颗粒蓄热工质。

本实施例中，流量调节装置为调节阀；其他实施例中，流量调节装置也可为流量调节器等其他常用的具有流量调节功能的结构。具体的，本实施例中，对应高压空气膨胀机6的流量调节装置为高压流量调节阀V1，对应低压空气膨胀机8的流量调节装置为低压流量调节阀V2。

本实施例中，压缩过程为单极压缩，膨胀过程为双极串联膨胀，高压回热换热器5、低压回热换热器7以及辅助回热换热器13均为单体设计。根据实际应用需求，压缩过程也可采用常规的多级串联压缩、级间/级后换热蓄热的流程，即空气压缩机1设有相互串联的多个，蓄热换热器2设有一个且串联在多个空气压缩机1之后，或蓄热换热器2设有至少两个且串联在多个空气压缩机1之后和相邻两个空气压缩机1之间；膨胀过程也可通过增加串联的多个回热换热器、膨胀机来扩展级数；相应的，也可通过设置两个或多个辅助回热换热器13且相互并联或串联，来实现更精细的变工况流量调节。

下面对本实施例的压缩空气储能系统的储能过程进行详细阐述：

空气压缩机1在电动机的驱动下运转，吸入环境空气并将其压缩成为高温压缩气体；该高温压缩气体随后进入蓄热换热器2的高温侧流道，同时低温蓄热器9中的低温热载体在低温循环泵10的驱动下进入蓄热换热器2的低温侧流道进行换热，高温压缩空气降温形成低温压缩空气，低温压缩空气继续向下游流动，进入储气装置4中存储备用；低温热载体吸热升温后形成高温热载体，进入高温蓄热器11中存储备用。

下面对本实施例的压缩空气储能系统的释能过程进行详细阐述：

释能过程中，储气装置4的供气压力连续降低，可划分为高压区间和低压区间。高压区间，即高压空气膨胀机6的进气压力范围，低于该范围时，高压空气膨胀机6就不能通过增大吸入气量来保证系统出力稳定；低压区间，即低压空气膨胀机8的进气压力范围，低于该范围时，低压空气膨胀机8就不能通过增大吸入气量来保证系统出力稳定。

高压区间释能过程开始时，即储气装置4刚刚开始放气时，由于储气压力高，压缩空气势能大，膨胀做功能力大，所以只需要较小空气流量即可满足系统的稳定出力需求。此时，高压流量调节装置V1和低压流量调节装置V2均处于关闭状态，高温蓄热器11中的高温热载体在高温循环泵12的驱动下分别进入高压回热热换热器和低压回热换热器7中，储气装置4排气直接通过空气膨胀支路先后回热、膨胀并排入大气环境；随着储气装置4内的压力降低，空气膨胀过程需要通过增大膨胀气量来抵消空气势能的下降，以维持系统出力稳定，因此，高压流量调节阀V1开度随储气装置4供气压力降低由闭合逐渐开大，直至开至最大开度。

当储气装置4供气压力开始严重偏离高压空气膨胀机6设计进气压力范围，高压空气膨胀机6已不能通过增大吸入气量来保证系统出力稳定，此时释能过程进入低压区间。低压流量调节阀V2开度由闭合逐渐开大，同时高压流量调节阀V1开度由全开逐渐关小，从而增大低压空气膨胀机8的进气量，维持系统出力稳定，直至高压流量调节阀V1完全关闭、低压流量调节阀V2完全开启；当低压空气膨胀机8也不能再通过提升进气量满足系统出力稳定需求时，释能过程结束。

作为一种改进实施例：蓄热换热器2的高温侧流道与储气装置4之间串联有气液分离器3。因为压缩空气降温后可能析出液体，低温压缩空气可通过气液分离器3除水后在进入储气装置4中存储备用。

实施例二

本发明实施例还提供一种滑压膨胀的压缩空气储能方法，具体如下：

定义高压空气膨胀机6的进气压力范围为高压区间，定义低压空气膨胀机8的进气压力范围为低压区间；高压区间和低压区间为两个连续的压力区间，即储气装置4放气过程中，供气压力逐渐由高压区间降至低压区间；在高压区间内，对应高压空气膨胀机6的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度，对应低压空气膨胀机8的流量控制装置关闭；在低压区间内，对应高压空气膨胀机6的流量控制装置逐渐减小开度至关闭，对应低压空气膨胀机8的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度；当储气装置4的出气压力小于低压区间对应压力值时，释能结束。

本发明提供的滑压膨胀的压缩空气储能系统及方法，一方面保证了空气膨胀支路上换热设备在空气流量范围的稳定，另一方面也满足了不同空气膨胀级的气量变化需求，在提升变工况换热效率的同时能够使整个机组的出力保持稳定，进而使整个系统的效率得到提升；由于调节支路将较宽的变工况范围分隔为两个较小的变工况范围，通过高低压回热换热器7、辅助回热换热器13分别承担，因此，换热设备的变工况运行能力要求较低，容易采用常规换热设备实现，从而降低了系统技术难度和成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于滑压膨胀的压缩空气储能系统的方法，其特征在于，包括：

空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机(1)、蓄热换热器(2)的高温侧流道及储气装置(4)；

热循环回路，其由首尾依次串联的低温蓄热器(9)、低温循环泵(10)、蓄热换热器(2)的低温侧流道、高温蓄热器(11)、高温循环泵(12)、回热支路组成，所述回热支路由高压回热换热器(5)的高温侧流道和低压回热换热器(7)的高温侧流道并联而成；

空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置(4)、高压回热换热器(5)的低温侧流道、高压空气膨胀机(6)、低压回热换热器(7)的低温侧流道及低压空气膨胀机(8)；

空气调节支路，包括辅助回热换热器(13)，所述辅助回热换热器(13)的高温侧流道的两端分别与所述高温循环泵(12)和低温蓄热器(9)连接，所述辅助回热换热器(13)的低温侧流道的进口端与所述储气装置(4)连接，所述辅助回热换热器(13)的低温侧流道的出口端分为两路且分别通过流量调节装置与所述高压空气膨胀机(6)的进气口、所述低压空气膨胀机(8)的进气口连接；

定义高压空气膨胀机(6)的进气压力范围为高压区间，定义低压空气膨胀机(8)的进气压力范围为低压区间；

在高压区间内，对应高压空气膨胀机(6)的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度，对应低压空气膨胀机(8)的流量控制装置关闭；

在低压区间内，对应高压空气膨胀机(6)的流量控制装置逐渐减小开度至关闭，对应低压空气膨胀机(8)的流量控制装置逐渐增大开度至最大开度；

当储气装置(4)的出气压力小于低压区间对应压力值时，释能结束。

2.根据权利要求1所述的基于滑压膨胀的压缩空气储能系统的方法，其特征在于，所述蓄热换热器(2)的高温侧流道与所述储气装置(4)之间串联有气液分离器(3)。

3.根据权利要求1所述的基于滑压膨胀的压缩空气储能系统的方法，其特征在于，所述流量调节装置为调节阀。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于滑压膨胀的压缩空气储能系统的方法，其特征在于：

所述空气压缩机(1)设有相互串联的多个；

所述蓄热换热器(2)设有一个且串联在多个空气压缩机(1)之后，或所述蓄热换热器(2)设有至少两个且串联在多个空气压缩机(1)之后和相邻两个空气压缩机(1)之间。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于滑压膨胀的压缩空气储能系统的方法，其特征在于，所述辅助回热换热器(13)设有至少两个，且相互并联或串联。