一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统及方法

本发明属于储能，具体涉及一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统及方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等可再生能源装机规模持续增长，电力系统对大容量、长时、低碳储能技术的需求不断提高。先进绝热压缩空气储能技术具有装机容量大、运行寿命长、适于长时储能等特点，能够在新能源消纳、电网调峰和长周期能量调节中发挥重要作用。现有先进绝热压缩空气储能系统通常包括多级压缩机、储气装置、压缩热储存装置、换热器以及透平机等单元。储能过程中，空气经多级压缩后进入储气装置，同时压缩过程中产生的热量被回收并储存在蓄热装置中；释能过程中，储气装置中的高压空气经加热后进入透平机膨胀做功发电。

2、在定容储气形式下，随着储能过程持续进行，储气装置内空气压力逐渐升高。为保证压缩空气能够持续进入储气装置，末级压缩机通常需要以滑压方式运行，即其排气压力随储气装置内压力变化而调整。该末级滑压压缩过程会产生一定温度水平的排气余热。现有系统若仅采用常规冷却器或常规蓄热装置对该部分余热进行处理，通常难以兼顾余热回收、热量暂存、热泵取热和系统紧凑布置；若直接将末级排气热量排放，则会造成能量损失，降低压缩空气储能系统的综合能效。

3、进一步地，末级滑压压缩排气的温度和热量水平会随储气压力、压缩机工况和储能阶段变化而波动。传统单一蓄热介质或单温区蓄热结构难以匹配该类变工况余热的温度梯度，容易出现高温热量与低温蓄热区混合、热量分级利用不足以及取热温差较大的问题。尤其在高温蒸汽热泵从蓄热装置取热时，若蓄热装置不能按照不同温区对压缩余热进行分级储存和释放，会导致热泵取热温度不稳定，增加换热不可逆损失，并影响后续高温蒸汽发生过程的稳定性。

4、此外，现有余热回收型热泵系统多依赖实时余热输入，通常只能在余热产生过程中同步运行。当压缩空气储能系统停止储能后，末级压缩余热不再连续产生，传统热泵系统便难以持续获得稳定热源，导致高温蒸汽供给时间受限，难以满足长时供热或按需供热要求。同时，传统余热回收系统往往需要单独设置蒸发器、冷却器、冷水罐、热水罐及蓄热装置，设备数量较多，系统连接复杂，冷热流体换热路径较长，既增加系统占地和管路复杂度，也会增大换热过程中的温差损失。

5、因此，现有技术中尚缺乏一种面向末级滑压压缩排气余热的先进绝热压缩空气储能热电联供系统，能够在不改变末级压缩机滑压运行属性的基础上，将末级排气余热回收、相变蓄热、冷热流体隔离换热、分温区储放热以及高温蒸汽热泵取热耦合在同一系统中，以解决末级滑压压缩余热利用率低、蓄换热设备分散、变温区余热匹配性差、热泵取热连续性不足以及高温蒸汽供给稳定性差的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统及方法，用于解决现有先进绝热压缩空气储能系统中，末级滑压压缩排气余热回收效率低、常规蓄换热结构难以匹配变工况余热温度梯度、蓄热与热泵取热设备分散、换热不可逆损失较大以及高温蒸汽供给连续性不足的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统，包括先进绝热压缩空气储能系统和高温蒸汽热泵系统；

4、所述先进绝热压缩空气储能系统包括储能系统、压缩热储存循环和释能系统；

5、所述储能系统包括依次连接的第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器、第三压缩机、第三冷却器、第四压缩机、蓄-换热一体装置和储气装置；

6、所述第四压缩机为末级滑压压缩机，所述蓄-换热一体装置设置于所述第四压缩机与所述储气装置之间；

7、所述蓄-换热一体装置包括热流体通道、冷流体通道、热流体与冷流体之间隔热层、扰流肋片、导热桥和相变蓄热材料，所述热流体通道与所述第四压缩机的出口连通，所述冷流体通道与所述高温蒸汽热泵系统连通；

8、所述释能系统与所述储气装置连接，所述压缩热储存循环与所述释能系统及所述高温蒸汽热泵系统连接。

9、进一步地，所述第一压缩机的入口与环境相连，所述第一压缩机的出口与所述第一冷却器的第一入口相连；所述第一冷却器的第一出口与所述第二压缩机的入口相连；所述第二压缩机的出口与所述第二冷却器的第一入口相连；所述第二冷却器的第一出口与所述第三压缩机的入口相连；所述第三压缩机的出口与所述第三冷却器的第一入口相连；所述第三冷却器的第一出口与所述第四压缩机的入口相连；所述第四压缩机的出口与所述蓄-换热一体装置第一入口相连；所述蓄-换热一体装置第一出口与所述储气装置的入口相连。

10、进一步地，所述释能系统包括所述储气装置、节流阀、第一加热器、第一透平机、第二加热器、第二透平机、第三加热器和第三透平机；所述储气装置的出口与所述节流阀的入口相连；所述节流阀的出口与所述第一加热器的第一入口相连；所述第一加热器的第一出口与所述第一透平机的入口相连；所述第一透平机的出口与所述第二加热器的第一入口相连；所述第二加热器的第一出口与所述第二透平机的入口相连；所述第二透平机的出口与所述第三加热器的第一入口相连；所述第三加热器的第一出口与所述第三透平机的入口相连；所述第三透平机的出口与环境相连。

11、进一步地，所述压缩热储存循环包括蓄热器、蓄冷器、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器、第一加热器、第二加热器、第三加热器和换热器；

12、所述蓄热器的入口分别与所述第一冷却器的第二出口、所述第二冷却器的第二出口、所述第三冷却器的第二出口以及所述换热器的第二出口相连；

13、所述蓄热器的出口分别与所述第一加热器的第二入口、所述第二加热器的第二入口和所述第三加热器的第二入口相连；

14、所述蓄冷器的入口分别与所述第一加热器的第二出口、所述第二加热器的第二出口和所述第三加热器的第二出口相连；

15、所述蓄冷器的出口分别与所述第一冷却器的第二入口、所述第二冷却器的第二入口、所述第三冷却器的第二入口以及所述换热器的第二入口相连。

16、进一步地，所述高温蒸汽热泵系统包括水源热泵循环和闪蒸热泵循环，所述水源热泵循环包括所述蓄-换热一体装置、涡旋压缩机、冷凝器和膨胀阀；

17、所述蓄-换热一体装置第二出口与所述涡旋压缩机的入口相连；所述涡旋压缩机的出口与所述冷凝器的第一入口相连；所述冷凝器的第一出口与所述膨胀阀的入口相连；所述膨胀阀的出口与所述蓄-换热一体装置第二入口相连。

18、进一步地，所述闪蒸热泵循环包括所述冷凝器、闪蒸罐、循环泵、螺杆压缩机和所述换热器；

19、所述冷凝器的第二出口与所述闪蒸罐的入口相连；所述闪蒸罐的第一出口与所述循环泵的入口相连，所述循环泵的出口与所述冷凝器的第二入口相连；所述闪蒸罐的第二出口与所述螺杆压缩机的入口相连；

20、所述螺杆压缩机的出口与蒸汽分流管路相连，所述蒸汽分流管路的第一支路与供热端相连，所述蒸汽分流管路的第二支路与所述换热器的第一入口相连，所述换热器的第一出口用于排出凝结水。

21、进一步地，所述蓄-换热一体装置还包括蓄-换热一体装置第一入口、蓄-换热一体装置第一出口、蓄-换热一体装置第二入口、蓄-换热一体装置第二出口、绝热层、保温层、热流体入口、热流体出口、导热肋片、扰流圆柱、冷流体入口和冷流体出口；

22、所述热流体入口和所述热流体出口设置于所述热流体通道，所述冷流体入口和所述冷流体出口设置于所述冷流体通道；所述保温层设置于所述蓄-换热一体装置的外侧；所述导热肋片和所述扰流圆柱设置于所述热流体通道和/或所述冷流体通道内。

23、进一步地，所述相变蓄热材料分为n层，n≥2；不同层的相变蓄热材料具有不同相变温度，相邻层的相变蓄热材料之间设置所述绝热层；所述导热桥分别与所述热流体通道、所述冷流体通道和所述相变蓄热材料对应设置；所述热流体与冷流体之间隔热层设置于所述热流体通道与所述冷流体通道之间。

24、进一步地，所述蓄-换热一体装置还包括流体层间流体通道、流体层间流动控制阀门和流体层内单向回流管道；所述流体层间流体通道连接相邻换热层，所述流体层间流动控制阀门设置于所述流体层间流体通道上，所述流体层内单向回流管道设置于同一换热层内。

25、本发明的另一技术方案是，一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供方法，根据所述的耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统，包括以下步骤：

26、s1、利用电网余电启动储能系统，使空气依次经第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机和第四压缩机压缩，并通过第一冷却器、第二冷却器和第三冷却器将前三级压缩产生的热量传递至压缩热储存循环；

27、s2、调整所述第四压缩机的转速，使所述第四压缩机的排气压力与储气装置内的空气压力相匹配，并使所述第四压缩机排出的热流体进入蓄-换热一体装置；

28、s3、通过所述蓄-换热一体装置将所述热流体中的热量传递至相变蓄热材料，并将经蓄-换热一体装置处理后的压缩空气送入所述储气装置；

29、s4、在电力需求高峰时启动释能系统，使所述储气装置释放高压空气，所述高压空气经节流阀后，依次通过第一加热器、第一透平机、第二加热器、第二透平机、第三加热器和第三透平机膨胀做功；

30、s5、启动高温蒸汽热泵系统，使水源热泵循环中的工质经蓄-换热一体装置第二入口进入所述蓄-换热一体装置，吸收所述相变蓄热材料中的热量后经蓄-换热一体装置第二出口进入涡旋压缩机；

31、s6、通过所述涡旋压缩机提升所述水源热泵循环中工质的压力和温度，并通过冷凝器向闪蒸热泵循环供热，使闪蒸罐产生水蒸气；

32、s7、使所述水蒸气进入螺杆压缩机压缩形成高温高压蒸汽，并将所述高温高压蒸汽输送至供热端和/或换热器；

33、s8、当所述高温高压蒸汽进入所述换热器时，使所述高温高压蒸汽向来自蓄冷器的低温蓄热介质放热，升温后的蓄热介质进入蓄热器储存，所述高温高压蒸汽放热后形成凝结水。

34、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

35、一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供系统，将末级压缩机排气余热从常规排放或简单冷却中分离出来，通过蓄-换热一体装置进行储热和热泵取热。通过在第四段压缩机后设置蓄-换热一体装置，将第四段低品位压缩余热进行回收、储存和热泵取热，并通过高温蒸汽热泵提升该部分热量的温度品位。高温蒸汽既可直接供给用户，又可经换热器向蓄热介质放热后进入蓄热器储存，提高整体蓄热温度和释能阶段透平入口空气温度。蓄-换热一体装置将蓄热和换热功能集成于同一设备内，配合导热桥、扰流肋片及分层相变蓄热材料，实现强化换热和多温区梯级蓄热，降低换热不可逆损失。相变蓄热材料还能够在储能结束后持续释放热量，为高温蒸汽热泵提供稳定热源，使系统具备长时供热能力，提升压缩空气储能系统的余热利用率、释能做功能力和热电联供性能；能够在不改变末级滑压压缩机独立运行属性的基础上，实现末级排气余热回收、相变蓄热和高温蒸汽热泵取热的耦合。

36、进一步的，使前三段压缩后的空气进入第四压缩机进行末级滑压压缩，再经蓄-换热一体装置后进入储气装置。其好处在于使第四压缩机承担与储气压力匹配的末级压缩任务，同时使末级排气余热在进入储气装置前被回收。

37、进一步的，使储气装置释放的高压空气能够依次经第一加热器、第二加热器和第三加热器补热后进入第一透平机、第二透平机和第三透平机膨胀做功。其好处在于降低单级膨胀温降影响，提高压缩热在释能阶段的利用程度。

38、进一步的，在储能阶段接收前三段压缩热，并在释能阶段向各级加热器供热；同时，换热器能够将高温蒸汽热量补入蓄热器。其好处在于形成压缩热回收、蓄热、释热和补热的闭合热循环。

39、进一步的，水源热泵循环从蓄-换热一体装置取热，经涡旋压缩机提升工质压力和温度，再由冷凝器向闪蒸热泵循环供热。其设置目的在于将蓄-换热一体装置内储存的低品位压缩余热转化为可继续驱动闪蒸制汽的热源。

40、进一步的，冷凝器传递的热量能够在闪蒸罐中形成水蒸气，并由螺杆压缩机压缩为高温高压蒸汽。高温蒸汽可供给用户，也可进入换热器加热蓄热介质。其好处在于使系统兼具对外供热和蓄热器补热能力。

41、进一步的，蓄-换热一体装置形成热流体进入、余热传递、冷流体取热和装置保温的完整结构基础，提高装置的蓄热和取热可实施性。

42、进一步的，按照热流体温度梯度进行分温区储热，避免不同温区热量无序混合。提高压缩余热与热泵取热过程的温度匹配性，降低储放热过程中的换热不可逆损失。

43、进一步的，控制流体在同一换热层内充分换热后再进入下一层。其好处在于延长流体与相变蓄热材料的有效换热路径，避免流体短路流动，提高分层蓄热结构的实际换热利用率。

44、一种耦合余热回收的先进绝热压缩空气储能热电联供方法，包括储能压缩、末级滑压压缩、蓄-换热一体装置储热、释能膨胀、高温蒸汽热泵取热、闪蒸制汽以及换热器补热。将系统结构转化为可执行的运行流程，使末级压缩余热能够在储能阶段被储存，在供热或释能阶段被升级利用，最终提高系统热电联供能力和运行灵活性。

45、综上所述，本发明通过第四压缩机与蓄-换热一体装置回收末级滑压压缩余热，利用分层相变蓄热和冷热流体隔离换热提高温度匹配性，并通过高温蒸汽热泵升温供热或补入蓄热器，提高余热利用率、释能能力和热电联供连续性。

46、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。