本实用新型涉及一种适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统。
背景技术：
能源需求的不断增长，能源的高效利用势在必行，但电网运行时出现的问题造成了极大的浪费和破坏。储能技术能够改善电能品质，维持电力系统稳定；克服可再生能源(风能、太阳能等)的间歇性特点，利用储能技术把风能、太阳能等能源“拼接”起来，可以形成稳定的电力供应向用户按需、持续供电；储能单元可以形成可调度的机组，根据电价的谷峰值来储释能，提高电力的经济效益。其中，压缩空气蓄能CAES具有经济性好、负荷范围大、工作时间长、充放电循环多等优点。
CAES包括压缩机、膨胀机、储气装置、电动机和发电机、燃烧室及换热器、以及控制系统和辅助设备等。CAES是以存储高度压缩空气的形式来进行电力储能：在用电低谷时段，来自电网的多余电能或风电、太阳能等不易储藏的电力用于驱动电动机，带动压缩机，压缩空气并储存在储气室内，以备高峰负荷时用于发电。气体释放时，经一定环节升温后推动膨胀机做功发电。传统的CAES与燃气轮机技术相结合，即释放的高压气体进入燃气轮机的燃烧室，通过与燃料共同燃烧实现升温，与消耗同样燃料的燃气轮机系统相比可多产生一倍以上的电力。
传统的CAES效率不高，在储能阶段的压气环节，大量的压缩热散失到环境中，导致系统能量损失偏大，系统在节能方面仍有较大空间。2、化石燃料的短缺和环保要求的提高使得消耗燃气的传统CAES应用受限，零燃料、无污染的新型CAES有待深入研究。
带储热的压缩空气储能系统AA-CAES是利用热存储器替代燃烧室，通过储热器收集空气压缩过程的过程热，并在系统做功阶段加热低温高压的压缩空气，增加膨胀机的输出功。由于不采用化石燃料热源，使得系统的能量密度低，需要更大的储气室，占地面积大，从而大大限制了其的应用范围。
鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种能够提高系统效率、环保、能适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统。
为了达到上述目的，本实用新型采用这样的技术方案：
一种适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统，包括空气压缩机组、储能装置、膨胀机组以及冷却系统；空气压缩机组包括电动机、一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机、四级压缩机、预冷器、第一空气冷却器、第二空气冷却器、第三空气冷却器、级后换热器、第一级间换热器、第二级间换热器以及第三级间换热器，电动机、一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机以及四级压缩机依次传动连接，预冷器的出气端与一级压缩机的进气端连接，第一空气冷却器和第一级间换热器设置在一级压缩机的出气端与二级压缩机的进气端之间，第二空气冷却器和第二级间换热器设置在二级压缩机的出气端与三级压缩机的进气端之间，三级空气冷却器和第三级间换热器设置在三级压缩机的出气端与四级压缩机的进气端之间，四级压缩机的出气端与级后换热器的进气端连接，级后换热器的进气端与储能装置的进气端连接，储能装置的出气端与膨胀机组的进气端连接，冷却系统包括压缩机、节流阀、冷凝器以及蒸发器，预冷器、第一空气冷却器、第二空气冷却器、第三空气冷却器、第一级间换热器、第二级间换热器以及第三级间换热器构成冷却系统的蒸发器，膨胀机组包括发电机、高压膨胀机、低压膨胀机、一级换热器以及二级换热器，发电机、高压膨胀机以及低压膨胀机依次传动连接，一级换热器的进气端与所述储能装置的出气端连接，一级换热器的出气端与高压膨胀机的进气端连接，二级换热器设置在高压膨胀机的出气端与低压膨胀机的进气端之间。
作为本实用新型的一种优选方式，所述储能装置为储气罐，储气罐的出气端与所述一级换热器的进气端之间设有控制阀。
作为本实用新型的一种优选方式，所述预冷器的冷凝液进口端、所述第一级间换热器的冷凝液进口端、所述第二级间换热器的冷凝液进口端以及所述第三级间换热器的冷凝液进口端通过节流阀与所述冷凝器连接。
作为本实用新型的一种优选方式，所述电动机、所述一级压缩机、所述二级压缩机、所述三级压缩机以及所述四级压缩机同轴串联。
作为本实用新型的一种优选方式，所述发电机、高压膨胀机以及低压膨胀机同轴串联。
采用本实用新型的技术方案后，通过空气压缩机组对进口空气进行冷却，使获得做功能力相同的高压空气的耗功减少，系统效率显著提高，空气压缩机组采用四级压缩，利用级间冷却装置冷却压缩机进气，保证了压缩机在定温下压缩工作，而级间冷却的冷源由常温空气和制冷系统提供，常温空气的使用对压缩空气的初级预冷，节省了制冷系统耗功，同时降温后的高压空气可以节省空气压缩机组过程耗功，提高压缩机的效率。制冷系统消耗少量的电能，从空气中获得大量的冷能，制冷系统所消耗的电能要低于压缩机组压缩空气所节约的电能；本实用新型的压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。充能过程，其内发电机的驱动电源为常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电中的一种或多种，以有效解决目前的高低用电高峰所带来的用电压力变化问题。各级高压膨胀机和低压膨胀机的进气口处换热器的设置，更是考虑了气体本身在释压时的吸热现象；通过换热器的持续供热，能够有效确保气体能够迅速吸热释压，以进一步增加膨胀机的单位工质输出功率，其供热热源为工业废热、太阳能热或者燃料发动机的余热，通过回收废热，实现能源清洁高效利用。本实用新型没有燃烧室，无需消耗化石燃料，为局部零排放的绿色系统，与现有的技术相比，本发明具有高效、环保的特点。
附图说明
图1为本实用新型中空气压缩机组、储能装置以及冷却系统的结构原理图；
图2为本实用新型中储能装置和膨胀机组结构原理图；
图中：
10-电动机 11-一级压缩机
12-二级压缩机 13-三级压缩机
14-四级压缩机 21-第一级间换热器
22-第二级间换热器 23-第三级间换热器
30-预冷器 31-第一空气冷却器
32-第二空气冷却器 33-第三空气冷却器
34-级后换热器
40-储能装置 50-压缩机
51-冷凝器 52-节流阀
60-发电机 61-高压膨胀机
62-低压膨胀机 63-一级换热器
64-二级换热器 65-控制阀
具体实施方式
为了进一步解释本实用新型的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
参照图1至图2，一种适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统，包括空气压缩机组、储能装置40、膨胀机组以及冷却系统。
空气压缩机组包括电动机10、一级压缩机11、二级压缩机12、三级压缩机13、四级压缩机14、预冷器30、第一空气冷却器31、第二空气冷却器32、第三空气冷却器33、级后换热器34、第一级间换热器21、第二级间换热器22以及第三级间换热器23，电动机10、一级压缩机11、二级压缩机12、三级压缩机13以及四级压缩机14依次传动连接，预冷器30的出气端与一级压缩机11的进气端连接，第一空气冷却器31和第一级间换热器21设置在一级压缩机11的出气端与二级压缩机12的进气端之间，具体是一级压缩机11的出气端与第一空气冷却器31的进气端连接，第一空气冷却器31的出气端与第一级间换热器21的进气端连接，第一级间换热器21的出气端与二级压缩机12的进气端连接。第二空气冷却器32和第二级间换热器22设置在二级压缩机12的出气端与三级压缩机13的进气端之间，具体是二级压缩机12的出气端与第二空气冷却器32的进气端连接，第二空气冷却32的出气端与第二级间换热器22的进气端连接，第二级间换热器22的出气端与三级压缩机13连接。同理，三级空气冷却器33和第三级间换热器23设置在三级压缩机13的出气端与四级压缩机14的进气端之间，对从三级压缩机13出来的空气进行冷却。四级压缩机14的出气端与级后换热器34的进气端连接，级后换热器34的进气端与储能装置40的进气端连接，储能装置40的出气端与膨胀机组的进气端连接。
本实用新型中空气压缩机组的作用是将不同功率的电能转化为压缩空气的压力能。空气压缩机组包括若干台空气压缩机，各压缩机按照设计压力从低到高的顺序通过管道串联连接，可以将空气压缩到对应不同功率等级的压力。第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力。最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级；根据不同电能输入功率等级，启动相应台数的空气压缩机，空气通过这些压缩机后，即可得到对应输入电能功率等级的压力等级的压缩空气，得到的压缩空气引入储能装置40。压缩机组，输入换热后降温的空气，输出压缩后的空气。每一台低压压缩机入口输入换热后降温的空气，输出低压空气，低压空气再输入高压压缩机，从高压压缩机输出压缩后的空气。
本实用新型中，冷却系统包括压缩机50、节流阀52、冷凝器51以及蒸发器，预冷器30、第一空气冷却器31、第二空气冷却器32、第三空气冷却器33、第一级间换热器21、第二级间换热器22以及第三级间换热器23构成冷却系统的蒸发器。
本实用新型的储能装置，用于储能时输入压缩后的空气，或释能时输出所储存的压缩空气。其具体的工作方式是：根据输入功率等级的大小，确定需要存储的压缩空气的压力等级。将输入的电能驱动与之功率等级对应的前面若干级空气压缩机，空气依次通过这些压缩机，便可获得该功率等级下的压缩空气。
所述冷却系统包括压缩机50、节流阀52、冷凝器51、蒸发器四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接，形成密闭的系统，制冷剂在系统中不断的循环流动。液体制冷剂在蒸发器中分别吸收被压缩后的空气的热量之后，汽化成低温低压的蒸汽，被压缩机50吸入，压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器51，在冷凝器51中向空气放热，冷凝为高压液体、经节流阀52节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。其中，制冷系统参数的选择以各冷却器出口温度为选择依据，冷却器出口温度的确定以压缩机组的入口温度、压比、冷却器有效系数、环境温度为依据。冷却系统中的蒸发器即为空气压缩机组的换热器组。每一级间换热器前均设有空气冷却器，经压缩后的高温高压空气先经过空气冷却器冷却后再进入级间换热器内与制冷剂进行换热，输出换热后降温的空气。空气冷却器和级间换热器均对高温压缩气体进行冷却，其中空气冷却器的冷源均为常温空气提供，而级间换热器包括高温侧和低温侧，其高温侧通入预冷后的压缩气体，其低温侧的进口为冷却系统节流后的制冷剂，低温侧的出口与冷却系统的压缩机50连通。
本实用新型中，膨胀机组包括发电机60、高压膨胀机61、低压膨胀机62、一级换热器63以及二级换热器64，发电机60、高压膨胀机61以及低压膨胀机62依次传动连接，一级换热器63的进气端与所述储能装置40的出气端连接，一级换热器63的出气端与高压膨胀机61的进气端连接，二级换热器64设置在高压膨胀机61的出气端与低压膨胀机62的进气端之间。
本实用新型胀机组中储气装置40中的高压空气在控制阀65的作用下降到一定压力后进入换热器中吸收废热中的热量，温度升高后进入膨胀机工作，带动发电机发电。由于换热器中的热量由废热提供，无需消耗燃料的同时对废热进行回收利用。其中，发电机与膨胀机连接，用于在膨胀机做功时带动发电机发电。
本实用新型空气压缩机和膨胀机的种类不限，可以是活塞式、轴流式、离心式、螺杆式等，也可以是不同种类的组合。换热器是套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、管翅式或板翅式。
在储能过程中，电动机10利用低谷电带动压缩机组，空气经过预冷器30后进入一级压缩机11，在预冷器30中，空气被冷却，制冷工质吸收空气热能，冷却后的空气在一级压缩机11压缩升温升压，压缩后的空气经管路进入第一空气冷却器31，换热后的高压空气进入第一级间换热器21中继续被冷却，冷却后的空气经管路进入二级压缩机11继续压缩并升温升压，以此类推，高压空气经四级压缩机14压缩后进入级后换热器34降至常温经管路进入储气罐中，储能结束。空气在压缩过程中温度会升高，而较高的温度会使压缩过程电动机10的耗功增加，降低储能效率。因此在储能过程中，预冷器30主要是对未压缩的空气进行冷却降温，而空气冷却器、级间换热器和级后换热器的主要是为对压缩后的空气进行冷却。而储能期间的预冷，级间冷却及级后冷却均由常温空气和冷却系统中的制冷工质提供冷量。
在释能过程中，高压储气罐内气体处于高压力，高压空气经控制阀65节流降压至恒定压力,经一级换热器63加热后的气体进入高压膨胀机61中膨胀做功，高压膨胀机61的排气经二级换热器64加热后进入低压膨胀机62膨胀继续做功，两膨胀机组与发电机60相连，膨胀机组做功时带动发电机60进行发电。由于空气在膨胀做功过程中进口温度越高，对外输出的轴功就越大。因此在膨胀做功过程中，换热器的主要作用是对进入膨胀机的空气进行升温。其中一级换热器63和二级换热器64的热源均由废热提供。
本实用新型的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。