一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统及方法与流程

1.本发明属于储能技术领域，具体地涉及一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.未来能源消费将逐步由化石能源为主的能源消费结构转变为以新能源为主的能源消费结构，对于电力系统，构建以新能源为主体的新型电力系统将是电力行业实现双碳目标的关键。但风、光等新能源发电不同于传统的燃煤发电，传统燃煤发电具有即发即用的特点，风、光等新能源发电受天气因素以及昼夜周期等的影响，其发电存在间歇性和不稳定的特点，该特点将打破电网的平衡。随着未来风、光等新能源发电的容量不断增加，会对电网的安全稳定运行带来一定的影响，为提高未来电力系统的安全可靠性和进一步提升风、光等新能源发电的比重，需要发展储能系统作为重要支撑。储能包括物理储能、化学储能、电磁储能、抽水蓄能等不同的储能技术形式，各种储能技术具有不同的特点和不同的应用场景。
3.压缩空气储能是物理储能技术中的一种，具有储能时间长、储能容量大、储能效率高等优点。但目前现有的此类储能系统所采用的结构较为单一，储能及发电效率仍有上升空间。此外，压缩空气储能需要特定的地理条件建造体积庞大的储气库来储存压缩空气，若采用地上储气罐或地下人工硐室的方式将面临建设成本较高的问题，因而目前一般只选择基于已有的岩石洞穴、盐洞、废旧矿井等进行建设，大大限制了该技术的推广与应用。因此需要一种选址范围更广、储能更高效，且应用成本较低的压缩空气储能方案。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统及方法，实现更高效的储能及发电，并且能够以较低的成本在人工硐室进行建设，拓宽压缩空气储能系统的应用范围。
5.依据本发明的技术方案，本发明提供了一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统，包括有依次相串连的空气压缩系统、人工硐室储存系统和膨胀系统，还包括熔盐储换热系统和水储换热系统；空气压缩系统包括一台或多台相串连的空气压缩机；至少一台空气压缩机的输出端管路依次经过熔盐储换热系统、水储换热系统的换热器及水冷却器后与其下游的空气压缩机或者人工硐室储存系统的输入端相连接；膨胀系统包括一台或多台相串连的透平膨胀机；人工硐室储存系统的输出端管路依次经过水储换热系统及熔盐储换热系统的换热器后与其下游的透平膨胀机的输入端相连接。
6.进一步地，熔盐储换热系统包括有储盐冷罐和储盐热罐，储盐冷罐的输出端通过两条管路分别经过第一熔盐换热器和第二熔盐换热器后与储盐热罐的输入端相连接；储盐热罐的输出端分别经过第三熔盐换热器和第四熔盐换热器后与储盐冷罐的输入端相连接；水储换热系统包括有储水冷罐和储水热罐，储水冷罐的输出端分别经过第一水换热器和第
二水换热器后与储水热罐的输入端相连接；储水热罐的输出端通过两条管路分别经过第三水换热器和第四水换热器后与储水冷罐的输入端相连接。
7.进一步地，空气压缩系统包括一级空气压缩机、二级空气压缩机和三级空气压缩机；一级空气压缩机的输出端管路依次经过第一熔盐换热器、第一水换热器和第一水冷却器后与二级空气压缩机的输入端相连接；二级空气压缩机的输出端管路依次经过第二熔盐换热器、第二水换热器和第二水冷却器后与三级空气压缩机的输入端相连接；三级空气压缩机的输出端管路经过第三水冷却器后与人工硐室储存系统的输入端相连接。
8.进一步地，膨胀系统包括一级透平膨胀机和二级透平膨胀机；人工硐室储存系统的输出端管路依次经过第三水换热器和第三熔盐换热器后与一级透平膨胀机的输入端相连接；一级透平膨胀机的输出端管路依次经过第四水换热器和第四熔盐换热器后与二级透平膨胀机的输入端相连接。
9.进一步地，空气压缩系统中的空气压缩机均连接有电动机；膨胀系统中位于末端的一台透平膨胀机连接有发电机。
10.进一步地，空气压缩系统为一套或并列设置的多套。
11.本发明还提供一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能方法，基于本发明的基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统进行实施，其包括如下步骤：
12.在用电低谷时段，将冗余的电能输入至空气压缩系统，空气压缩系统中的空气压缩机吸入空气进行压缩，使空气的温度和压力升高；
13.空气压缩机输出的压缩空气依次经过熔盐储换热系统、水储换热系统的换热器及水冷却器，使压缩空气的温度降低；同时，熔盐储换热系统及水储换热系统的换热器中的储热介质的温度升高，该两储换热系统中的储热介质分别从各自的冷罐经过换热器流入各自的热罐；
14.空气压缩系统输出压缩空气至人工硐室储存系统进行储存；
15.在用电高峰时段，人工硐室储存系统将压缩空气输出至膨胀系统，输送过程中压缩空气依次经过水储换热系统及熔盐储换热系统的换热器，使压缩空气的温度升高；同时，水储换热系统及熔盐储换热系统的换热器中的储热介质的温度降低，该两储换热系统中的储热介质分别从各自的热罐经过换热器流入各自的冷罐；
16.膨胀系统末端的透平膨胀机输出空气驱动发电机产生电能。
17.进一步地，熔盐储换热系统中的储热介质熔盐的使用温度范围为150℃至600℃，水储换热系统中的储热介质水的使用温度范围为40℃至185℃。
18.进一步地，空气通过串连的三台空气压缩机分三段进行压缩，至少两台空气压缩机输出端的空气温度不低于340℃。
19.进一步地，透平膨胀系统中的压力不低于10mpa7mpa，温度不低于 300℃，压力波动范围不低于1mpa；人工硐室储存系统中的压力不低于 4mpa，压力波动范围不低于1mpa。
20.与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
21.1、本发明的方案采用宽温熔盐 带压水作为储换热介质，可以提高系统的储能及发电效率，降低系统成本，经计算可实现净电电转换效率不低于70％，投资不高于7000元/kw。
22.2、本发明的方案采用人工硐室，可以拓展压缩空气储能系统选址的灵活性，避免
其选址受限于已有的熔盐硐室和废弃硐室等特定地理位置，并且通过采用不同的硐室型式，可以有效降低系统的投资。
23.3、本发明的方案采用高压、大压力波动范围的人工硐室，高压、大压力波动范围的人工硐室储存系统，以及高压、高温、大压力波动范围的透平膨胀系统，可以有效减小所需硐室的体积，降低系统的投资并拓展系统的使用范围，能够以相对低的应用成本实现采用人工硐室的压缩空气储能系统。
24.4、本发明的方案将压缩空气分三段压缩，储能效率更高，同时还可以利用第三级压缩空气余热为周围的企业或者居民供热，从而助力电力行业双碳目标的实现。
附图说明
25.图1是本发明的整体结构及工作原理框图。
26.图2是本发明一实施例的结构示意图。
27.图3是本发明一实施例的方法流程图。
28.附图中的附图标记说明：
29.a、空气压缩系统；a1、一级空气压缩机；a2、二级空气压缩机；a3、三级空气压缩机；a4、第一水冷却器；a5、第二水冷却器；a6、第三水冷却器；
30.b、人工硐室储存系统；
31.c、膨胀系统；c1、一级透平膨胀机；c2、二级透平膨胀机；
32.d、熔盐储换热系统；d1、第一熔盐换热器；d2、第二熔盐换热器； d3、第三熔盐换热器；d4、第四熔盐换热器；d5、储盐冷罐；d6、储盐热罐；
33.e、水储换热系统；e1、第一水换热器；e2、第二水换热器；e3、第三水换热器；e4、第四水换热器；e5、储水冷罐；e6、储水热罐；
34.m、电动机；g、发电机。
具体实施方式
35.本发明的压缩空气储能系统为一种基于宽温熔盐和水为储换热介质的高效、高压、大压力波动范围的人工硐室压缩空气储能系统，该系统通过采用宽温熔盐 水为储换热介质，可以提高系统的发电效率、减小系统储气库的容量、降低系统的应用成本并拓展系统的使用范围，使得压缩空气储能系统选址不再受限于已有的岩洞或是废弃的硐穴等；同时，还可以利用压缩空气余热为周围的企业或者居民供热，助力电力行业双碳目标的实现。
36.请参阅图1、图2，本发明的一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统，整体而言包括有依次通过管路系统相串连的空气压缩系统a、人工硐室储存系统b和膨胀系统c，还包括熔盐储换热系统d和水储换热系统e。
37.空气压缩系统a的作用为利用谷电压缩空气，将电能转换为空气的内能以及储换热系统中储热介质的热能。空气压缩系统a包括一台或多台相串连的空气压缩机，空气压缩系统a中的空气压缩机均连接有用于驱动的电动机m；至少一台空气压缩机的输出端管路依次经过熔盐储换热系统d、水储换热系统e的换热器及水冷却器后与其下游的空气压缩机或者人工硐室储存系统b的输入端相连接。
38.人工硐室储存系统b位于地下，用于储存压缩空气，其可根据情况选择采用例如隧
道式储气库或大罐式储气库两种型式。通过采用不同的硐室型式，可以有效降低系统的投资。
39.膨胀系统c的作用为在峰电时释放压缩过程储存的能量，将空气的内力能以及储换热系统中储热介质的热能转换为电能。膨胀系统c包括一台或多台相串连的透平膨胀机，膨胀系统c中位于末端的一台透平膨胀机连接有发电机g(如汽轮机)。人工硐室储存系统b的输出端管路依次经过水储换热系统e及熔盐储换热系统d的换热器后与其下游的透平膨胀机的输入端相连接。
40.熔盐储换热系统d和水储换热系统e用于存储压缩过程产生的热量以及在膨胀过程中释放对应的能量。本发明的方案将熔盐储换热系统d和水储换热系统e两种储换热系统相结合使用，例如熔盐储换热系统d中的储热介质熔盐(宽温熔岩)的使用温度范围为180℃～550℃(更优选地为 150℃～600℃)，水储换热系统e中的储热介质水(带压水)的使用温度范围为40℃～185℃，将二者相结合可实现梯级的储换热，将压缩空气从例如400℃降至例如60℃并将所释放的热能(基本上)全部收集储存，充分利用熔盐和水各自的特点，更大限度地提高储换热系统的最大储能量，提高系统的储能及发电效率，降低系统成本。熔盐低温实现困难，目前市场已有产品仅可使用到180℃，低温部分只有通过水才能回收，若仅采用熔盐储换热系统d则压缩空气经过换热器后仍有较多热能未被收集，造成能量的浪费；对于水，若使用温度过高，则储存系统的成本增加，储水罐制造困难。两者结合，既可实现高温发电、又可实现能量梯级利用，还可降低成本。膨胀过程与此相应，以温度从低至高的方式依次由储热介质水和储热介质熔盐进行加热，从而将储存的热能(基本上)全部释放。除了将熔盐与水两种换热方式进行有机的结合外，本方案的创新点还包括设置为高温、高压、大压力波动范围，从而实现高效、低成本，例如熔盐温度使用范围，低温可以用到180℃，甚至150℃；压缩机出口温度可以达到340℃；等。经计算，采用本方案的一具体实施例可实现净电电转换效率不低于 70％，投资不高于7000元/kw。
41.管路系统包括有用于输送气体或液体的各个管路以及所必需的泵(图2 中具有箭头的圆圈符号所示)、阀门及相应控制系统等，这些部分为各领域的管路系统均具有的部件，相关现有技术已非常成熟，也并非本发明的改进点，故不再赘述。
42.以下以图2所示结构为例进行详细说明，其中，为清楚展示工作过程，在各段管路上标有标号及其中流体的流向。
43.熔盐储换热系统d包括有储盐冷罐d5和储盐热罐d6，储盐冷罐d5 的输出端通过两条管路(管路10、11、12构成的管路，和，管路10、13、 14构成的管路)分别经过第一熔盐换热器d1和第二熔盐换热器d2后与储盐热罐d6的输入端相连接。储盐热罐d6的输出端通过两条管路(管路15、 18、19、20构成的管路，和，管路15、16、17、20构成的管路)分别经过第三熔盐换热器d3和第四熔盐换热器d4后与储盐冷罐d5的输入端相连接。从而熔盐储换热系统d形成一个密闭的环形回路，压缩过程中储热介质从储盐冷罐d5泵至储盐热罐d6，并在输送过程中温度升高；膨胀过程中储热介质从储盐热罐d6泵至储盐冷罐d5，并在输送过程中温度降低；任何时刻在储盐冷罐d5或储盐热罐d6中的储热介质的温度基本保持一致。
44.类似地，水储换热系统e包括有储水冷罐e5和储水热罐e6，储水冷罐e5的输出端通过两条管路(管路21、22、23构成的管路，和，管路21、 24、25构成的管路)分别经过第一水换热器e1和第二水换热器e2后与储水热罐e6的输入端相连接。储水热罐e6的输出端通过两条
管路(管路26、 29、30构成的管路，和，管路26、27、28、30构成的管路)分别经过第三水换热器e3和第四水换热器e4后与储水冷罐e5的输入端相连接。从而水储换热系统e形成一个密闭的环形回路，压缩过程中储热介质从储水冷罐 e5泵至储水热罐e6，并在输送过程中温度升高；膨胀过程中储热介质从储水热罐e6泵至储水冷罐e5，并在输送过程中温度降低；任何时刻在储会冷罐e5或储水热罐e6中的储热介质的温度基本保持一致。
45.需要说明的是，熔盐储换热系统d及水储换热系统e中通往相应换热器的实际的独立管路数与空气压缩系统a的空气压缩机数量相关，具体为空气压缩机台数-1且至少为1条(1套)。例如对于3台空气压缩机串连，则具有2条(2套)管路；2台空气压缩机串连，则具有1条(1套)管路；对于只有1台空气压缩机的情况，管路数也是1条(1套)。
46.图2所示优选实施例中，空气压缩系统a包括一级空气压缩机a1、二级空气压缩机a2和三级空气压缩机a3。一级空气压缩机a1通过管路1 吸入空气，输出端依次经过管路2、第一熔盐换热器d1、管路3、第一水换热器e1和第一水冷却器a4后，通过管路4与二级空气压缩机a2的输入端相连接。二级空气压缩机a2的输出端依次经过管路5、第二熔盐换热器d2、管路6、第二水换热器e2和第二水冷却器a5后，通过管路7与三级空气压缩机a3的输入端相连接。三级空气压缩机a3的输出端经过管路8、第三水冷却器a6后，通过管路9与人工硐室储存系统b的输入端相连接。
47.在另一实施例中，在三级空气压缩机a3的输出端和第三水冷却器a6 之间，还具有换热器从而对周边建筑供热。此外，根据需要，可仅设置一套空气压缩系统a，也可再并列设置另一套空气压缩系统a’，或者并列设置更多套。每套空气压缩系统的结构基本相同，输出端均连接人工硐室储存系统b的输入端，其中进行储换热的部分均与同一套熔盐储换热系统 d和水储换热系统e相交互(即，储水冷罐e5和储水热罐e6可以考虑公用，四个熔盐换热器也可以考虑公用，等)，或者熔盐储换热系统d和水储换热系统e也分别对应地具有多套。
48.膨胀系统c包括一级透平膨胀机c1和二级透平膨胀机c2。人工硐室储存系统b的输出端依次经过管路31、第三水换热器e3和第三熔盐换热器d3后，通过管路32与一级透平膨胀机c1的输入端相连接。一级透平膨胀机c1的输出端依次经过第四水换热器e4和第四熔盐换热器d4后，通过管路33与二级透平膨胀机c2的输入端相连接，二级透平膨胀机c2的输出端连接管路34，将空气排出。其中，一级透平膨胀机c1、二级透平膨胀机c2和发电机g为同轴设置。
49.请参阅图3，基于上述压缩空气储能系统，本发明还提供一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能方法，其包括如下步骤：
50.步骤s1，在用电低谷时段，将冗余的电能输入至空气压缩系统，空气压缩系统中的空气压缩机吸入空气进行压缩，使空气的温度和压力升高；
51.步骤s2，空气压缩机输出的压缩空气依次经过熔盐储换热系统、水储换热系统的换热器及水冷却器，使压缩空气的温度降低；同时，熔盐储换热系统及水储换热系统的换热器中的储热介质的温度升高，该两储换热系统中的储热介质分别从各自的冷罐经过换热器流入各自的热罐；
52.步骤s3，空气压缩系统输出压缩空气至人工硐室储存系统进行储存；
53.对于上述步骤，优选地，空气通过串连的三台空气压缩机分三段进行压缩，前两台空气压缩机输出端的空气温度不低于340℃(更优选地不低于 410℃)；前两台空气压缩机
输出的空气均先进入熔盐储换热系统的换热器，接着再进入水储换热系统的换热器，然后送入水冷却器冷却至40℃左右(如
±
10℃)，随后进入下一级空气压缩机；第三台空气压缩机输出的压缩空气直接进入水冷却器冷却到40℃左右(如
±
10℃)后进入人工硐室储存系统，或者，第三台空气压缩机输出的压缩空气先对外供热，之后再进入水冷却器冷却到40℃左右(如
±
10℃)后进入人工硐室储存系统。
54.步骤s4，在用电高峰时段，人工硐室储存系统将压缩空气输出至膨胀系统，输送过程中压缩空气依次经过水储换热系统及熔盐储换热系统的换热器，使压缩空气的温度升高；同时，水储换热系统及熔盐储换热系统的换热器中的储热介质的温度降低，该两储换热系统中的储热介质分别从各自的热罐经过换热器流入各自的冷罐；
55.步骤s5，膨胀系统末端的一台透平膨胀机输出空气驱动发电机产生电能，输出的空气排放至大气。
56.其中进一步优选地，透平膨胀系统中的压力不低于7mpa，温度不低于 300℃(更优选地不低于340℃)，压力波动范围不低于1mpa(更优选地为 2mpa至8mpa)；人工硐室储存系统中的压力不低于4mpa，压力波动范围不低于1mpa。采用此种高温、高压、大压力波动范围的方式，可有效减小所需的人工硐室储存系统的体积，降低系统的投资。
57.综上所述，本发明的一种基于熔盐和水的人工硐室压缩空气储能系统，采用宽温熔盐 带压水作为储换热介质，可以提高系统的储能及发电效率；将压缩空气分三段压缩，储能效率更高，同时还可以利用第三级压缩空气余热为周围的企业或者居民供热；采用人工硐室方式作为储气库，拓展压缩空气储能系统选址的灵活性；采用高压、大压力波动范围的人工硐室，高压、大压力波动范围的人工硐室储存系统，以及高压、高温、大压力波动范围的透平膨胀系统，可以有效减小所需人工硐室的体积，能够以相对低的应用成本实现采用人工硐室的压缩空气储能系统。