一种压缩空气储能系统及方法与流程

1.本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.压缩空气系统通过从电网取电，带动压缩系统将常压空气压缩成高压气体并储存至储气装置，完成由电能至压缩能及热能的转换。压缩过程会产生大量的压缩热，需要设置储热、换热系统将压缩热回收。储气装置中的压缩空气通过节流阀、换热器，调整压缩空气压力、温度后进入膨胀系统做功，带动发电机发电完成释能过程。
3.为了减小储气装置的体积，压缩空气储气装置的运行压力范围较宽，需要设置节流阀调节膨胀机进口的气体压力，保证系统正常运行。但节流阀会造成高压压缩空气的节流损失，降低压缩空气温度，造成压缩空气做功能力降低，并增加换热系统的换热损失，从而降低压缩空气储能系统效率。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中节流阀会造成高压压缩空气的节流损失，降低压缩空气做功能力，且使压缩空气系统热损失较大，系统效率低的缺陷，从而提供一种提高压缩空气做功能力，减少系统热损失，提高系统效率的压缩空气储能系统及方法。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种压缩空气储能系统，包括：
6.空气储能单元，包括压缩装置和储气装置，所述储气装置设有储气出气口；
7.压力调节装置，设有入口端、出口端和回流端，所述入口端与所述储气出气口连接；
8.膨胀装置，设有膨胀进气口和膨胀回流口，所述膨胀进气口与所述压力调节装置连接；
9.回流旁路，一端与所述膨胀回流口连接，所述回流旁路的另一端与所述回流端连接；
10.控制器，所述控制器与所述压力调节装置电连接，所述控制器被配置成检测所述压力调节装置的控制目标值，以基于所述控制目标值自动调节所述压力调节装置的运行工况。
11.优选地，所述压力调节装置包括压力调节膨胀机、压力调节压缩机、压力调节电动机和压力调节发电机；
12.所述压力调节膨胀机与所述压力调节压缩机通过齿轮箱进行轴连接，所述压力调节电动机与所述压力调节压缩机通过第一联轴器连接，所述压力调节发电机与所述压力调节膨胀机通过第二联轴器连接，所述压力调节电动机和所述压力调节发电机分别与控制器连接。
13.优选地，所述控制目标值包括所述压力调节装置的目标出口端压力、运行出口端
压力和所述回流旁路中的回流空气压力。
14.优选地，所述压缩空气储能系统还包括储能装置，所述储能装置包括通过换热工质循环流动进行换热并将热量储存的高温储热单元和低温储热单元；
15.所述高温储热单元用于将高温高压的压缩空气换热为高压低温的空气并将所述热量储存，所述低温储热单元用于储存所述换热工质换热后的低温换热工质。
16.优选地，还包括压缩装置，在所述压缩装置和所述储气装置之间设置有第一换热器，所述第一换热器连接至所述高温储热单元，所述高压高温的空气通过所述第一换热器进行换热后储存于所述储气装置，同时放出的热量存储在所述高温储热单元中。
17.优选地，在所述压力调节装置和所述膨胀装置之间设置第二换热器，所述第二换热器与所述高温储热单元和所述低温储热单元连接，所述高压低温的空气通过所述第二换热器进行换热后进入所述膨胀装置，同时放出热量的所述换热工质回到所述低温储热单元存储。
18.优选地，在所述压力调节装置的入口端还设置有预加热换热装置，所述预加热换热装置与所述高温储热单元和所述低温储热单元连接。
19.优选地，所述膨胀装置包括至少两级串联连接的膨胀机，在任一级所述膨胀机或每一级所述膨胀机设置有所述回流旁路，相邻两级所述膨胀机之间设置有第三换热器，所述第三换热器与所述高温储热单元和所述低温储热单元连接。
20.优选地，在所述回流旁路上设有旁路调节阀和流量计，所述旁路调节阀和所述流量计与所述控制器连接。
21.本发明要解决的另一个技术问题在于现有技术中使用节流阀降低压缩空气做功能力，且使压缩空气系统热损失较大，系统效率低的缺陷，从而提供一种提高压缩空气做功能力，减少系统热损失，提高系统效率的压缩空气储能系统的压缩空气储能方法。
22.为了解决上述问题，本发明提供了一种压缩空气储能方法，包括：
23.s1、储能状态，常压空气通过所述压缩装置压缩后成为高温高压空气，然后通过第一换热器与换热工质换热，变为高压低温压缩空气后进入储气装置储存；
24.s2、释能状态，将s1得到的高压低温压缩空气从所述储气装置流出，通过所述压缩空气储能系统的预加热换热装置进行加热后进入所述压力调节装置；
25.s3、压缩空气通过所述压力调节装置的压力调节膨胀机进行降压膨胀,最终压力低于级间回流空气压力100kpa；
26.s4、打开旁路调节阀，回流旁路内的压缩空气与压力调节膨胀机出口压缩空气混合，并进入压力调节压缩机；
27.s5、调节所述压力调节压缩机功率使压力调节装置的出口压力达到控制目标值，比较所述调节压力调节压缩机功率与所述压力调节膨胀机功率；
28.s6、当压力调节膨胀机功率大于压力调节压缩机功率时，断开压力调节电动机一侧的第一联轴器，所述压力调节装置通过压力调节发电机对外发电；否则，断开所述压力调节发电机一侧第二联轴器，所述压力调节装置通过电网取电，带动所述压力调节压缩机做功；
29.s7、流出所述压力调节装置的压缩空气经过加热进入所述膨胀装置做功发电。
30.本发明技术方案，具有如下优点：
31.1.本发明提供的压缩空气储能系统，包括空气储能单元、压力调节装置、膨胀装置、回流旁路和控制器，空气储能单元包括压缩装置和储气装置，储气装置设有储气出气口；压力调节装置设有入口端、出口端和回流端，入口端与储气出气口连接；膨胀装置设有膨胀总进气口和膨胀回流口，膨胀总进气口与压力调节装置连接；回流旁路的一端与膨胀回流口连接，另一端与回流端连接；控制器与压力调节装置电连接，控制器被配置成检测压力调节装置的控制目标值，以基于控制目标值自动调节压力调节装置的运行工况。通过设置压力调节装置，并设置膨胀装置级间回流旁路，避免了采用传统技术中的节流阀所带来的节流降温现象，间接提高膨胀机前压缩空气的温度，避免换热系统中高温换热介质的浪费，将高压空气与膨胀装置级间压力较低乏气混合，降低膨胀装置总进气口压力并增大流量，减少了节流损失和系统热损失，提高了系统效率。
32.2.本发明提供的压缩空气储能系统，通过设置压力调节装置，该压力调节装置包括压力调节膨胀机、压力调节压缩机、压力调节电动机和压力调节发电机，可以稳定储气装置的排气压力，避免储气装置排气压力波动带来的膨胀装置运行不稳定现象，提高系统安全性。同时，扩大了膨胀装置的做功的压力工作范围，当储气装置排气压力低于最低工作压力时，也可通过启动压力调节压缩机提高压缩空气压力，满足系统工作要求。
33.3.本发明提供的压缩空气储能系统，压力调节装置还包括压缩空气混合器，通过设置压缩空气混合器，可将进入压力调节装置内的压缩空气与回流旁路中的回流空气进行混合，将高压空气与膨胀装置级间压力较低乏气混合，降低膨胀装置总进气口压力并增大流量，避免了节流损失，提高了系统效率。
34.4.本发明提供的压缩空气储能系统，还包括储能装置，储热装置包括高温储热单元和低温储热单元，在压缩装置和储气装置之间设置有第一换热器，第一换热器连接至高温储热单元，高压高温的空气通过第一换热器进行换热后储存于储气装置，同时放出的热量存储在高温储热单元中；在压力调节装置和膨胀装置之间设置第二换热器，第二换热器与高温储热单元和低温储热单元连接，高压低温的空气通过第二换热器进行换热后进入膨胀装置，同时换热工质换热后的低温换热工质存储在低温储热单元中，通过设置储能装置，将压缩热利用起来，从而避免了能源浪费，提高了能量利用效率，大大降低了压缩空气储能成本。
35.5.本发明提供的压缩空气储能系统，在压力调节装置的入口端设置有预加热换热装置，预加热换热装置与高温储热单元和低温储热单元，通过设置预加热换热器装置，将压缩空气过程中产生的热量通过高温储热单元存储起来，进而对从储气装置出来的压缩空气进行预热，提高了能量的利用率。
36.6.本发明提供的压缩空气储能方法，由于为上述的压缩空气储能系统的储能方法，使得压缩空气储能方法具有压缩空气储能系统的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
37.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。
38.图1为本发明的压缩空气储能系统的结构示意图；
39.图2为本发明的压缩空气储能系统的压力调节装置的结构示意图。
40.附图标记说明：
41.1、电动机；2、压缩机；3、储气装置；4、压力调节装置；401、压力调节膨胀机；402、压力调节压缩机；403、齿轮箱；404、压力调节电动机；405、第一联轴器；406、压力调节发电机；407、第二联轴器；408、压缩空气混合器；5、一级膨胀机；6、二级膨胀机；7、储热罐；8、第一换热器；9、储冷罐；10、第二换热器；11、第三换热器；12、回流旁路；13、旁路调节阀；14、发电机；15、预加热换热器；16、控制器；17、流量计。
具体实施方式
42.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。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.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。
46.实施例1
47.如图1和图2所示为压缩空气储能系统的一种具体实施方式，压缩空气储能系统，包括空气储能单元、压力调节装置4、膨胀装置和回流旁路12，空气储能单元包括储气装置3，储气装置3设有储气出气口；压力调节装置4设有入口端、出口端和回流端，入口端与储气出气口连接；膨胀装置设有膨胀总进气口和膨胀回流口，膨胀总进气口与压力调节装置4连接；回流旁路12的一端与膨胀回流口连接，另一端与回流端连接。
48.本实施例的压缩空气储能系统通过设置压力调节装置4，并设置膨胀装置级间回流旁路12，避免了采用传统技术中的节流阀所带来的节流降温现象，间接提高膨胀机前压缩空气的温度，避免换热系统中高温换热介质的浪费，将高压空气与膨胀装置级间压力较低乏气混合，降低膨胀装置总进气口压力并增大流量，减少了节流损失和系统热损失，提高了系统效率。
49.进一步的，如图1和图2所示，压力调节装置4包括压力调节膨胀机401、压力调节压缩机402、压力调节电动机404和压力调节发电机406；压力调节膨胀机401与压力调节压缩机402通过齿轮箱403进行轴连接，压力调节电动机404与压力调节压缩机402通过第一联轴
器405连接，压力调节发电机406与压力调节膨胀机401通过第二联轴器407连接，压力调节电动机404和压力调节发电机406分别与控制器16连接。
50.上述的压力调节装置4设置在储气装置3和膨胀装置之间，储气装置3可包括一个或多个高压储气罐，压缩装置为一个或多个压缩机2，常压空气经压缩机2压缩后存储于储气罐中，储气罐可承受10mpa以上高压。通过增加压力调节装置4可以稳定储气装置3的排气压力，避免储气装置3排气压力波动带来的膨胀装置运行不稳定现象，提高系统安全性，同时，扩大了膨胀装置的做功的压力工作范围，当储气装置3排气压力低于最低工作压力时，也可通过启动压力调节装置4的压力调节压缩机402提高压缩空气压力，满足系统工作要求。
51.上述的压力调节装置4还包括压缩空气混合器408，压缩空气混合器408用于将进入压力调节装置4内的压缩空气与回流旁路12中的回流空气进行混合。本实施例中，压缩空气混合器408为y型压缩空气混合器，压缩空气混合器408包括第一支路和第二支路，第一支路的进口与回流旁路12的出口连接，第二支路连接压力调节膨胀机401和压力调节压缩机402，第一支路与第二支路连通，通过设置压缩空气混合器408，可将进入压力调节装置4内的压缩空气与回流旁路12中的回流空气进行混合，将高压空气与膨胀装置级间压力较低乏气混合，保证输出混合空气的稳定性，降低膨胀装置总进气口压力并增大流量，避免了节流损失，提高了系统效率。
52.进一步的，如图1所示，压缩空气储能系统还包括储能装置，所述储能装置包括通过换热工质循环流动进行换热并将热量高温储热单元和低温储热单元；高温储热单元用于将高温高压的压缩空气换热为高压低温的空气并将热量储存，低温储热单元用于存储换热工质换热后的低温换热工质。
53.具体地，高温储热单元包括储热罐7，低温储热单元包括储冷罐9，在压缩机2和储气罐之间设置有第一换热器8，第一换热器8连接至储热罐7，高压高温的空气通过第一换热器8进行换热后储存于储气罐，放出的热量存储在储热罐7中，同时换热工质换热后的低温换热工质存储在储冷罐9中在压力调节装置4和膨胀装置之间设置第二换热器10，第二换热器10与储热罐7和储冷罐9连接，高压低温的空气通过第二换热器10进行换热后进入膨胀装置，同时换热工质换热后的低温换热工质存储在储冷罐9中，第一换热器8和第二换热器10采用直接接触式换热器，如气体冷凝器，冷热流体直接接触进行换热，第一换热器8和第二换热器10将气体压缩过程中放出的热量传递存储于储热罐7中，该热量用于膨胀过程中气体加热通过设置储能装置，将压缩热利用起来，储冷罐9中储存换热后的低温换热工质，使换热工质可循环使用，从而避免了能源浪费，提高了能量利用效率，大大降低了压缩空气储能成本。
54.进一步的，如图1所示，在压力调节装置4的入口端还设置有预加热换热装置，预加热换热装置与高温储热单元和低温储热单元连接。具体地，预加热换热装置包括预加热换热器15，预加热换热器15采用直接接触式换热器，如气体冷凝器，冷热流体直接接触进行换热，预加热换热器15使用压缩空气过程中通过储热罐7存储起来的热量，对从储气罐出来的压缩空气进行预热，提高了能量的利用率。
55.进一步的，如图1所示，膨胀装置包括至少两级串联连接的膨胀机，在任一级膨胀机或每一级膨胀机设置有回流旁路12，相邻两级膨胀机之间设置有第三换热器11，第三换
热器11与高温储热单元和低温储热单元连接。
56.具体地，本实施例中，膨胀装置包括串联设置的一级膨胀机5和二级膨胀机6，第三换热器11设置在一级膨胀机5和二级膨胀机6之间，在一级膨胀机5和二级膨胀机6与压力调节装置4之间均设置有回流旁路12，通过设置膨胀机级间回流旁路12，增大了高压级膨胀机的做功流量，减少了系统膨胀压缩空气流量，及低压级膨胀机流量，降低了低压级膨胀机体积及系统造价。
57.进一步的，如图1所示，在回流旁路12上设有旁路调节阀13和流量计17，旁路调节阀13和流量计17与控制器16连接。
58.具体地，控制器16与压力调节电动机404、压力调节发电机406、旁路调节阀13和流量计17连接，流量计17测量回流旁路12中空气的流量并反馈给控制器16，控制器16通过控制旁路调节阀13对回流旁路12的流量进行调节，进而调节膨胀装置的级间回流空气压力，压力调节装置4通过控制器16对出口压力进行控制，控制器检测压力调节装置4的控制目标值，以基于控制目标值自动调节压力调节装置4的运行工况，该控制目标值为压力调节装置4目标出口压力、运行出口压力及级间回流空气压力，其中，目标出口压力为7-8mpa。调节压力调节装置4的运行工况为：当压力调节膨胀机401做功大于压力调节压缩机402时，控制器16断开压力调节电动机404一侧的第一联轴器405，压力调节装置4通过压力调节电动机404对外发电；当压力调节膨胀机401做功小于压力调节压缩机402时，控制器16断开压力调节发电机406一侧第二联轴器407，压力调节装置4通过电网取电，带动压力调节压缩机402做功，实现对出口压力值的自动调整，减少由于压力值过高造成的资源浪费，同时提高控制精度，提高输出压缩空气的压力稳定性。
59.实施例2
60.本实施例公开了一种压缩空气储能方法，包括如下步骤：
61.s1、常压空气通过所述压缩装置压缩后成为高温高压空气，然后通过第一换热器8与换热工质换热，变为高压低温压缩空气后进入储气装置3储存；s2、将s1得到的高压低温压缩空气从储气装置3流出，通过压缩空气储能系统的预加热换热装置进行加热后进入压力调节装置4；s3、压缩空气通过压力调节装置4的压力调节膨胀机401进行降压膨胀,最终压力低于级间回流空气压力100kpa；s4、打开旁路调节阀13，回流旁路12内的压缩空气与压力调节膨胀机401出口压缩空气混合，并进入压力调节压缩机402；s5、调节压力调节压缩机402功率使压力调节装置4的出口压力达到控制目标值，比较调节压力调节压缩机402功率与压力调节膨胀机401功率；s6、当压力调节膨胀机401功率大于压力调节压缩机402功率时，断开压力调节电动机404一侧的第一联轴器405，压力调节装置4通过压力调节发电机406对外发电；否则，断开压力调节发电机406一侧第二联轴器407，压力调节装置4通过电网取电，带动压力调节压缩机402做功；s7、流出所述压力调节装置4的压缩空气经过加热进入所述膨胀装置做功发电。
62.具体地，在储能时，常压空气通过由电动机1带动的压缩机2进行压缩，压缩后转变为高温高压空气，然后通过第一换热器8与换热工质换热，将高温高压空气转变为高压低温压缩空气进入储气罐中储存，同时放出的热量存储在所述储热罐7中。
63.在发电时，根据一级膨胀机5入口所需要的压力，高压低温压缩空气通过预加热换热器15进行加热，然后进入压力调节装置4的压力调节膨胀机401进行降压膨胀，最终压力
低于级间回流压力100kpa，打开旁路调节阀13，使降压膨胀后的空气，即压力调节膨胀机401出口压缩空气与回流旁路12中回流至压力调节装置4的压缩空气通过压缩空气混合器408进行混合，并进入到压力调节压缩机402进行加压至一级膨胀机5入口压力，然后将通过压力调节装置4的压缩空气通过第二换热器10进行加热，并继而进入一级膨胀机5做功并发电，一级膨胀机5出口的压缩空气进入第三换热器11进行加热后进入二级膨胀机6做功并发电，最后排放至大气。控制器检测压力调节装置4的的目标出口端压力、运行出口端压力和回流旁路12中的回流空气压力，自动调节压力调节装置4的运行工况，对运行工况进行切换：当压力调节膨胀机401做功大于压力调节压缩机402时，断开压力调节电动机404一侧的第一联轴器405，压力调节装置4通过压力调节发电机406对外发电；当压力调节膨胀机401做功小于压力调节压缩机402时，断开压力调节发电机406一侧的第二联轴器407，通过电网取电，带动压力调节压缩机402做功，实现对出口压力值的自动调整，减少由于压力值过高造成的资源浪费，同时提高控制精度，提高输出压缩空气的压力稳定性。
64.优化前，流入二级膨胀机6的气体为一级膨胀机5流出的乏气，膨胀机做功极低，本实施例的压缩空气储能方法，通过在采用压力调节装置4代替节流阀，同时设置多级膨胀机级间回流旁路12，使用高压空气与较低压力的做功乏气混合，降低一级膨胀机5入口压力，极大的提高了二级膨胀机6的做功发电量，避免了采用传统技术中的节流阀所带来的节流损失，提高压缩空气储能系统效率。
65.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。