一种蓄热式压缩空气储能系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种蓄热式压缩空气储能系统，该系统在目前蓄热式压缩空气储能系统的基础上，优化系统工作流程，利用压缩机组和膨胀机组共用换热器的特性，并通过三通换向阀将压缩机组、蓄热系统和膨胀机组很好的耦合在一起，解决了蓄热式压缩空气储能系统级间换热器重复布置、系统流程不合理、占地多、成本高、热能利用率低及其导致的系统运行效率降低等问题。本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统具有结构简单紧凑、系统效率高、换热效果好、造价低等优点。
【专利说明】
一种蓄热式压缩空气储能系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及能量储存技术领域，尤其涉及一种蓄热式压缩空气储能系统。
【背景技术】
[0002]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。工作原理为: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。传统压缩空气储能系统的问题之一是仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临着化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍产生氮化物、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。
[0003]由于世界各国对于燃料利用、环境保护提出了更高的要求，近些年国内外一些学者开展了对压缩空气储能系统的技术改进。其中，带蓄热装置的压缩空气储能系统是目前较为先进高效的一种储能方式，其核心的技术是利用一套蓄热装置来替代传统压缩空气储能系统中的燃烧室，储能时回收压缩机压缩空气产生的热能并将热量存储，实现压缩热的回收和存储，释能时利用回收的热能加热压缩空气，增加膨胀机的输出功，实现回收热量的再利用。该系统的优点是充分利用了能量，零排放环保无污染，解决了传统压缩空气储能系统仍需依赖燃烧化石燃料提供热源的难题。然而，目前蓄热式压缩空气储能系统存在级间换热器重复布置、系统流程不合理、占地多、成本高、热能利用率低及其导致的系统运行效率降低等问题。
【实用新型内容】
[0004]针对上述问题，本实用新型提供了一种蓄热式压缩空气储能系统。该系统在目前蓄热式压缩空气储能系统的基础上，重新优化系统工作流程，利用压缩机组和膨胀机组共用换热器的特性，并通过三通换向阀将压缩机组、蓄热装置和膨胀机组很好的耦合在一起，具有结构简单紧凑、系统效率高、换热效果好、造价低等优点。
[0005]为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是:
[0006]—种蓄热式压缩空气储能系统，包括压缩机组、蓄热系统、膨胀机组和压缩空气存储装置，其特征在于，
[0007]一所述压缩机组包括至少两级压缩机，其中，第一级压缩机的进口接空气源，最后一级压缩机的出口与压缩空气存储装置的进口之间的通气管线上设置末级换热器，中间相邻两级压缩机之间的通气管线上设置有级间换热器；
[0008]—所述膨胀机组包括至少两级膨胀机，其中，第一级膨胀机进口与压缩空气存储装置出口之间的通气管线上设置首级换热器，最后一级膨胀机出口通大气；中间相邻两级膨胀机之间的通气管线上设置有级间换热器；
[0009]一所述压缩机组中的末级换热器和所述膨胀机组中的首级换热器为同一换热器，最后一级压缩机的出口与该换热器的气侧端口 A连接，该换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的进口连接，第一级膨胀机的进口与该换热器的气侧端口 A连接，该换热器的气侧端口B与压缩空气存储装置的出口连接;所述压缩机组和膨胀机组中的级间换热器为共用的换热器，相邻两级压缩机中，上一级压缩机的出口与所述级间换热器的气侧端口A连接，所述级间换热器的气侧端口 B与下一级压缩机的进口连接;相邻两级膨胀机中，上一级膨胀机的出口与所述级间换热器的气侧端口 B连接，所述级间换热器的气侧端口 A与下一级膨胀机的进口连接；
[0010]一所述蓄热系统包括冷罐和热罐，所有换热器的液侧端口 A均通过通液管线与所述冷罐的进出液端口连通，所有换热器的液侧端口 B均通过通液管线与所述热罐的进出液端口连通；
[0011]--各所述级间换热器的气侧端口A处均设置有三通换向阀I，所述三通换向阀I的端口 a与级间换热器的气侧端口 A连通，端口 b与上一级压缩机的出口连通，端口 c与下一级膨胀机的进口连通;各所述级间换热器的气侧端口B处均设置有三通换向阀Π，所述三通换向阀Π的端口 a与级间换热器的气侧端口 B连通，端口 b与下一级压缩机的进口连通，端口 c与上一级膨胀机的出口连通;所述末级换热器的气侧端口 A处均设置有三通换向阀m，所述三通换向阀m的端口 a与末级换热器的气侧端口 A连通，端口 b与最后一级压缩机的出口连通，端口 c与第一级膨胀机的进口连通。
[0012]优选地，所述压缩空气存储装置为密封岩洞、中高压储罐或压力管道的一种或几种的组合。
[0013]优选地，所述末级换热器的气侧端口B与压缩空气存储装置的进口和出口之间的通气管线上均设置有控制阀门。
[0014]优选地，所述冷罐和/或热罐进出液端口处的通液管线上设置有液体栗。
[0015]优选地，所述冷罐和/或热罐进出液端口处的通液管线上设置有控制阀门。
[0016]所述压缩空气储能系统储能时，各三通换向阀的端口a与端口 b连通，端口 a与端口c关闭，各三通换向阀与各级压缩机及相应换热器气侧相连的管线处于通路状态，各三通换向阀与各级膨胀机及相应换热器气侧相连的管线处于关闭状态;所述末级换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的进□之间的控制阀门打开，所述末级换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的出口之间的控制阀门关闭;所述冷罐中的低温换热介质在液体栗的驱动下流经所有换热器的液侧后汇流至所述热罐中。
[0017]所述压缩空气储能系统释能时，各三通换向阀的端口a与端口b关闭，端口a与端口c连通，各三通换向阀与各级压缩机及相应换热器气侧相连的管线处于关闭状态，各三通换向阀与各级膨胀机及相应换热器气侧相连的管线处于通路状态;所述末级换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的进□之间的控制阀门关闭，所述末级换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的出口之间的控制阀门打开;所述热罐中的高温换热介质在液体栗的驱动下流经所有换热器的液侧后汇流至所述冷罐中。
[0018]优选地，所述压缩空气储能系统还包括驱动单元和动力输出单元，所述驱动单元与压缩机组的传动轴固接;所述动力输出单元与膨胀机组的传动轴固接。
[0019]优选地，各换热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、板圈式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。
[0020]优选地，所述冷罐用于储存温度低于压缩后空气温度的换热介质，为绝热保温常压或加压容器;所述热罐用于储存温度高于压缩空气存储装置的换热介质，为绝热保温常压或加压容器。
[0021]优选地，所述换热介质为水、乙醇、丙醇、乙二醇、导热油、熔融盐或离子液体的一种或几种的组合。
[0022]优选地，各所述三通换向阀为手动、机动、电磁动、液动或电液动操纵控制方式的一种。
[0023]优选地，所述液体栗为双向栗。
[0024]优选地，所述冷罐进出液端口处设有并联的主通液管线和旁通管路，所述主通液管线上设置有主控制阀门和液体栗，所述旁通管路上设置有旁通控制阀门和冷却器。当所述主控制阀门关闭、旁通控制阀门打开时，所述冷却器工作，用以进一步降低回流至所述冷罐中的换热介质的温度。
[0025]优选地，所述冷却器通过管线与热栗等系统相连接，使其可用于空调、制冷等不同用途。
[0026]优选地，所述与外界相连接的管线可与热栗等系统相连接，使其可用于空调、制冷等不同用途。
[0027]本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统，其相对于现有技术的优点在于:该系统在目前蓄热式压缩空气储能系统的基础上，将压缩机组侧换热器和膨胀机组侧换热器进行了优化布置，利用压缩机组和膨胀机组共用换热器的特性，并利用三通换向阀将压缩机组、蓄热装置和膨胀机组很好的耦合在一起，解决了蓄热式压缩空气储能系统级间换热器重复布置、系统流程不合理、占地多、成本高、热能利用率低及其导致的系统运行效率降低等问题，本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统具有结构简单紧凑、系统效率高、换热效果好、造价低等优点。
【附图说明】
[0028]图1为本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统实施例1的结构示意图。
[0029]图2为本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围，任何本技术领域的技术人员所想到的变化或替代，都涵盖在本实用新型的保护范围之内。
[0031]实施例1
[0032]如图1所示，本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统，其包括:驱动单元1、压缩机2和4、换热器3和5、压缩空气存储装置6、膨胀机7和8、发电机27、冷罐9、热罐10、三通换向阀12、15和18、栗29、阀门21、23、28和33、管线11、13、14、16、17、19、20、22、24、25、26、30、31和32ο
[0033]具体的，本实用新型的蓄热式压缩空气储能系统包括压缩机组2、4、蓄热系统、膨胀机组7、8和压缩空气存储装置6，压缩机组2、4包括至少两级压缩机，其中，第一级压缩机2的进口接空气源A，最后一级压缩机4的出口与压缩空气存储装置6的进口之间的通气管线上设置末级换热器5，中间相邻两级压缩机2、4之间的通气管线上设置有级间换热器3。
[0034]膨胀机组7、8包括至少两级膨胀机，其中，第一级膨胀机7进口与与压缩空气存储装置6出口之间的通气管线上设置首级换热器5，最后一级膨胀机8出口通大气B;中间相邻两级膨胀机7、8之间的通气管线上设置有级间换热器3。
[0035]压缩机组2、4中的末级换热器5和膨胀机组7、8中的首级换热器5为同一换热器，最后一级压缩机4的出口与该换热器5的气侧端口A连接，该换热器5的气侧端口 B与压缩空气存储装置6的进口连接，第一级膨胀机7的进口与该换热器5的气侧端口 A连接，该换热器5的气侧端口 B压缩空气存储装置6的出口连接;压缩机组2、4和膨胀机组7、8中的级间换热器3为共用的换热器3，相邻两级压缩机2、4中，上一级压缩机2的出口与级间换热器3的气侧端口 A连接，级间换热器3的气侧端口 B与下一级压缩机4的进口连接;相邻两级膨胀机7、8中，上一级膨胀机7的出口与级间换热器3的气侧端口 B连接，级间换热器3的气侧端口 A与下一级膨胀机8的进口连接。
[0036]蓄热系统包括冷罐9和热罐10，所有换热器3、5的液侧端口A均通过通液管线与冷罐9的进出液端口连通，所有换热器3、5的液侧端口 B均通过通液管线与热罐10的进出液端口连通。
[0037]各级间换热器3的气侧端口A处均设置有三通换向阀112，三通换向阀112的端口 a与级间换热器3的气侧端口A连通，端口b与上一级压缩机2的出口连通，端口c与下一级膨胀机8的进口连通;各级间换热器3的气侧端口 B处均设置有三通换向阀Π 15，三通换向阀Π15的端口 a与级间换热器3的气侧端口 B连通，端口 b与下一级压缩机4的进口连通，端口 c与上一级膨胀机7的出口连通;末级换热器5的气侧端口 A处均设置有三通换向阀ΙΠ18，三通换向阀ΙΠ18的端口a与末级换热器5的气侧端口A连通，端口b与最后一级压缩机4的出口连通，端口 c与第一级膨胀机7的进口连通。
[0038]末级换热器5的气侧端口B与压缩空气存储装置6的进口和出口之间的通气管线上均设置有控制阀门。冷罐9和/或热罐10进出液端口处的通液管线上设置有液体栗29。冷罐9和/或热罐10进出液端口处的通液管线上设置有控制阀门。
[0039]本实用新型的压缩空气储能系统储能时，各三通换向阀12、15、18的端口a与端口 b连通，端口 a与端口 c关闭，各三通换向阀12、15、18与各级压缩机2、4及相应换热器3、5气侧相连的管线处于通路状态，各三通换向阀12、15、18与各级膨胀机7、8及相应换热器3、5气侧相连的管线处于关闭状态;末级换热器5的气侧端口 B与压缩空气存储装置6的进口之间的控制阀门打开，末级换热器5的气侧端口 B与压缩空气存储装置6的出口之间的控制阀门关闭;冷罐9中的低温换热介质在液体栗29的驱动下流经所有换热器3、5的液侧后汇流至热罐10中。
[0040]本实用新型的压缩空气储能系统释能时，各三通换向阀12、15、18的端口a与端口 b关闭，端口a与端口 c连通，各三通换向阀12、15、18与各级压缩机2、4及相应换热器3、5气侧相连的管线处于关闭状态，各三通换向阀12、15、18与各级膨胀机7、8及相应换热器3、5气侧相连的管线处于通路状态;末级换热器5的气侧端口B与压缩空气存储装置6的进口之间的控制阀门关闭，末级换热器5的气侧端口B与压缩空气存储装置6的出口之间的控制阀门打开;热罐10中的高温换热介质在液体栗29的驱动下流经所有换热器3、5的液侧后汇流至冷罐9中。
[0041 ]驱动单元I与压缩机组2、4的传动轴固接;动力输出单元27与膨胀机组7、8的传动轴固接。
[0042]储能时，栗29、阀门28、33、21开启，阀门23关闭，三通换向阀12、15、18与压缩机组
2、4及换热器3、5气侧相连的管线11、13、14、16、17、19处于通路状态。此时，驱动单元1驱动压缩机2将空气压缩，高温高压的压缩空气流经管线11、三通换向阀12和管线13后进入换热器3，从换热器3出来的常温高压压缩空气流经管线14、三通换向阀15和管线16进入压缩机4进一步压缩，再经管线17、三通换向阀18和管线19进入换热器5换热，经换热后的高压压缩空气流经管线20、阀门21后进入压缩空气存储装置6存储。在此过程中，冷罐9中的低温换热介质在栗29的作用下，依次流经阀门28和管线30后分别进入换热器3和5液体侧去吸收空气压缩过程中的压缩热，吸热后的高温换热介质流经管线31、32和阀门33进入热罐10中将热量存储。
[0043]释能时，栗29，阀门23、28、33开启，阀门21关闭，三通换向阀12、15、18与膨胀机组
7、8及换热器5、3气侧相连的管线19、24、25、14、13、26处于通路状态。此时，压缩空气存储装置6中的空气经管线22和阀门23进入换热器5，换热后的空气再经管线19、三通换向阀18和管线24进入膨胀机7，从膨胀机7出来的低温空气经管线25、三通换向阀15和管线14后进入换热器3吸收热量，再流经管线13、三通换向阀12和管线26进入膨胀机8膨胀做功，带动发电机27发电。在此过程中，热罐10中的高温换热介质在栗29作用下，依次流经阀门33、管线31和32后分别进入换热器3和5去加热从压缩空气存储装置6中释放的空气，换热后的低温换热介质再经管线30、栗29和阀门28进入冷罐9中存储。
[0044]实施例2
[0045]如图2所示，本实用新型的实施例2其主体结构与实施例1相同，另增加了冷却器34、阀门35和36以及与外界相连接的管线37和38。其中，储能时，阀门36关闭，阀门35开启，工作流程与实施例一保持一致;释能时，阀门35关闭，阀门36开启，此时通过冷却器34进一步降低从换热器5和3液体侧出来的换热介质温度，从而使得冷罐9在储能阶段能够为换热器3和5液体侧提供温度更低的换热介质，进一步增强储热能力，提高系统效率。另外，冷却器34与外界相连通的管线37、38可与热栗等系统相连接，使其可用于空调、制冷等不同用途。
[0046]以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种蓄热式压缩空气储能系统，包括压缩机组、蓄热系统、膨胀机组和压缩空气存储装置，其特征在于， --所述压缩机组包括至少两级压缩机，其中，第一级压缩机的进口接空气源，最后一级压缩机的出口与压缩空气存储装置的进口之间的通气管线上设置末级换热器，中间相邻两级压缩机之间的通气管线上设置有级间换热器； --所述膨胀机组包括至少两级膨胀机，其中，第一级膨胀机进口与压缩空气存储装置出口之间的通气管线上设置首级换热器，最后一级膨胀机出口通大气；中间相邻两级膨胀机之间的通气管线上设置有级间换热器； --所述压缩机组中的末级换热器和所述膨胀机组中的首级换热器为同一换热器，最后一级压缩机的出口与该换热器的气侧端口 A连接，该换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的进口连接，第一级膨胀机的进口与该换热器的气侧端口 A连接，该换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的出口连接； -所述压缩机组和膨胀机组中的级间换热器为共用的换热器，相邻两级压缩机中，上一级压缩机的出口与所述级间换热器的气侧端口 A连接，所述级间换热器的气侧端口 B与下一级压缩机的进口连接;相邻两级膨胀机中，上一级膨胀机的出口与所述级间换热器的气侧端口 B连接，所述级间换热器的气侧端口 A与下一级膨胀机的进口连接； -所述蓄热系统包括冷罐和热罐，所有换热器的液侧端口 A均通过通液管线与所述冷罐的进出液端口连通，所有换热器的液侧端口 B均通过通液管线与所述热罐的进出液端口连通； 一各所述级间换热器的气侧端口 A处均设置有三通换向阀I，所述三通换向阀I的端口 a与级间换热器的气侧端口A连通，端口b与上一级压缩机的出口连通，端口c与下一级膨胀机的进口连通;各所述级间换热器的气侧端口B处均设置有三通换向阀Π，所述三通换向阀Π的端口 a与级间换热器的气侧端口 B连通，端口 b与下一级压缩机的进口连通，端口 c与上一级膨胀机的出口连通;所述末级换热器的气侧端口 A处均设置有三通换向阀m，所述三通换向阀m的端口 a与末级换热器的气侧端口 A连通，端口 b与最后一级压缩机的出口连通，端口c与第一级膨胀机的进口连通。2.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述末级换热器的气侧端口 B与压缩空气存储装置的进口和出口之间的通气管线上均设置有控制阀门。3.根据权利要求2所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述冷罐和/或热罐进出液端口处的通液管线上设置有液体栗。4.根据权利要求3所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述冷罐和/或热罐进出液端口处的通液管线上设置有控制阀门。5.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述压缩空气储能系统还包括驱动单元和动力输出单元，所述驱动单元与压缩机组的传动轴固接;所述动力输出单元与膨胀机组的传动轴固接。6.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述压缩空气存储装置为密封岩洞、中高压储罐或压力管道的一种或几种的组合。7.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:各换热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、板圈式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。8.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:各所述三通换向阀为手动、机动、电磁动、液动或电液动操纵控制方式的一种。9.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于:所述冷罐进出液端口处设有并联的主通液管线和旁通管路，所述主通液管线上设置有主控制阀门和液体栗，所述旁通管路上设置有旁通控制阀门和冷却器。
【文档编号】F02C6/16GK205422944SQ201521048385
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月16日
【发明人】周学志, 徐玉杰, 王亮, 刘畅, 陈海生
【申请人】中国科学院工程热物理研究所