一种压缩空气储能发电系统及其工作方式的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种压缩空气储能发电系统及其工作方式，包括压缩空气储存装置，以及与之相连的充能单元和释能单元。充能单元包括多级串联的空气压缩机，靠近各级空气压缩机出口依次设置串联的一级储热罐和一级冷却器；释能单元包括储热罐、多级串联的透平及设于末级透平之后的回热器，除末级透平为燃气透平外，其余各级均为空气透平；该系统还包括跨接于回热器出口与各级空气透平出口的旁路。本发明还公开了采用本申请的工作方式。与现有的压缩空气储能系统相比，该系统储能密度更大，输出功率增加，效率较高，适用于大规模吸纳低谷电能或者风电、光电等不稳定性可再生能源，以实现电网的削峰填谷，可再生能源的稳定并网，并获取可观的经济效益。
【专利说明】一种压缩空气储能发电系统及其工作方式
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电系统，特别是一种压缩空气储能发电系统及其工作方式。
【背景技术】
[0002]近年来，随着电网规模的不断扩大以及风能、太阳能等可再生能源的开发利用，电网的一系列问题也逐渐凸显。
[0003]首先，电网存在用电高峰和用电低谷，会出现用电高峰时电能不足、拉间限电和用电低谷时电能浪费的情况。低谷时，虽然电厂具有降低负荷的功能，但以低效率运行为代价；高峰时，调峰燃气轮机电厂可快速启动用于调峰，但调峰时效率较低和平时停机会造成设备的不完全利用。其次，以风电、光电为代表的可再生能源并网后，其自身的间歇性和不稳定性会对电能质量和电力系统运行安全造成不利影响，且电能产生的高峰期与用电高峰期时常不符；因此，电力系统必然会限制其在系统中所占比例，阻碍可再生能源的大规模开发利用。
[0004]储能系统是解决上述问题的一种有效方法。首先，储能系统可以将用电低谷期的电能储存起来，在用电高峰时将电能释放，起到削峰填谷的作用，使较少的发电机组在额定工况下连续运行，提高电站热循环效率。其次，储能系统可将具有间歇性和不稳定性的可再生能源储存起来，在用电高峰期稳定释放，促进风电、光电等可再生能源的大规模开发利用。
[0005]现有的储能技术主要包括:压缩空气蓄能、抽水蓄能、高效电池蓄能、燃料电池蓄能、飞轮蓄能等。但只有抽水蓄能和压缩空气蓄能可实现100 MW以上的储能，是真正意义上的适合电网调峰的大规模储能技术。其中，抽水蓄能电站是目前应用最为广泛的储能系统，但该储能系统需要特殊的地理条件及丰富的水资源建造两个水库和水坝，选址非常困难，建设周期很长，初期投资巨大，甚至会大面积俺没植被乃至城市，导致生态和移民问题。因此，建造抽水电站受到越来越大的限制。压缩空气储能是另一种能够实现大容量和长时间电能存储的储能技术。它通过压缩空气储存多余的电能，在需要时，高压空气由储气装置释放进入透平膨胀做功发电，或者先进入燃烧室同燃料一起燃烧后再驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期长、效率高和投资相对较小等优点，且可在短时间内以模块化方式建成；压缩空气储能对地理条件和水资源的要求较低，尤其适合在能源丰富且干旱缺水的我国“三北”地区。
[0006]根据的热源不同，可将压缩空气储能系统分为燃烧燃料的压缩空气储能系统、带储热的压缩空气储能系统及无热源的压缩空气储能系统。其中，无热源的压缩空气储能系统结构简单，系统输出功率和效率较低，仅应用于微小型系统中。燃料燃烧的压缩空气储能系统主要通过燃料燃烧来提高透平进口气体温度，但其并未回收利用空气压缩过程的压缩热对压缩空气进行加热以提高透平的输出功率，导致该系统的热效率较低。虽然带储热的压缩空气储能系统弥补了前者的缺点，但其热源只是空气压缩过程的压缩热，透平进口的压缩空气温度受到限制，导致该系统的储能密度较低，系统输出功也较小。
[0007]此外，油和天然气燃烧效率高，基本没有SO2排放问题，NOx以及CO排放水平很低，是较清洁的天然燃料。且在以后相当长一段时间内，化石燃料仍是能源结构的主角，我国石油和天然气消费量在能源消费结构中比例也将大幅度上升，为改善我国能源结构、满足能源需求和环境保护等方面发挥重要的作用。
【发明内容】
[0008]发明目的:本发明的目的在于解决现有的储热发电效率低、储热密度低的问题。
[0009]技术方案:本发明提供以下技术方案:一种压缩空气储能发电系统及其工作方式，包括压缩空气储存装置，以及与之相连的充能单元和释能单元，所述充能单元包括至少一级空气压缩机，以及与各级空气压缩机相适配的电动机，且靠近各级空气压缩机出口依次设有串联的储热罐和冷却器；释能单元包括储热罐、多级串联的透平、与各级透平相适配的发电机及与末级透平相连的回热器，除末级透平为燃气透平外，其余各级透平均为空气透平；该高效发电系统还包括跨接于回热器出口与各级空气透平出口管路的旁路。
[0010]一种采用压缩空气储能发电系统及其工作方式，包括以下步骤:
1)在用电低谷期空气压缩机工作期间，打开所述高效发电系统充能单元储热罐上进出口的开关控制阀，关闭所述系统释能单元储热罐上进出口的开关控制阀；
2)在用电低谷期电加热元件工作期间关闭所述系统的所有开关控制阀；
3)在用电高峰期压缩空气膨胀做功期间，打开所述系统释能单元储热罐上进出口的开关控制阀，关闭所述系统充能单元储热罐上进出口的开关控制阀及旁路上的开关控制阀；且当压缩空气储存装置中压缩空气的压力小于某级空气透平的额定进气压力时，关闭所述高效发电系统中该级及以前各级空气透平进出口的开关控制阀，并打开相应旁路上的开关控制阀。
[0011]作为优化，各级储热罐中设置有储热介质，且至少一个储热罐设有电加热元件。
[0012]作为优化，所述的储热介质为熔融盐、金属合金或复合材料等高温相变储能材料。
[0013]作为优化，所述空气透平应至少设有一级。
[0014]作为优化，所述压缩空气储存装置为压缩空气储罐或者岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等地下洞穴。
[0015]作为优化，所述充能单元和释能单元的各个储热罐进出口均设有开关控制阀，且上述充能单元储热罐上进出口的开关控制阀与释能单元储热罐上进出口的开关控制阀为并联关系；各级空气透平进出口均设有开关控制阀；跨接于回热器出口与各级空气透平出口管路的旁路上亦设有开关控制阀，其与空气透平进出口的开关控制阀为并联关系。
[0016]作为优化，所述压缩空气储存装置的出口还设有调节阀。
[0017]作为优化，在用电高峰期压缩空气膨胀做功期间，借助调节阀对透平的入口压力进行调节。
[0018]作为优化，在用电高峰期，储能单元与释能单元可同时工作。
[0019]工作原理:1)在用电低谷期，利用低谷电能或者风电、光电等可再生能源驱动电动机，带动空气压缩机工作，环境空气每经过一级空气压缩机的压缩就会进入其后串联的储热罐中，并将部分压缩热传递给其中的储热介质，压缩空气经由储热罐降温之后，再经由与之串联的冷却器再次降温，然后进入下一级空气压缩机，最后形成高压低温压缩空气进入压缩空气储存装置存储。
[0020]2)在用电低谷期，空气压缩存储工作完毕以后，储热罐中布置的电加热元件并利用低谷电能或者风电、光电等可再生能源对储热罐中的储热介质继续进行加热。
[0021]3)在用电高峰期，低温高压空气由压缩空气储存装置经调节阀减压后进入储热罐及回热器进行加热，然后送往透平进行膨胀做功。首先，压缩空气进入临近第一级空气压缩机出口的储热罐中进行换热，若系统仅设有一级空气压缩机，则不存在该流程；然后进入回热器中与高温烟气进行换热形成高温高压空气，之后进入第一级空气透平进行膨胀做功，并带动与之适配的发电机进行发电。其次，温度和压力降低的压缩空气进入临近第二级空气压缩机出口的储热罐中进行加热，之后进入下一级空气透平膨胀做功。最后，压力降低的压缩空气伴随油或天然气进入燃烧室中进行燃烧，之后进入燃气透平进行膨胀做功，并带动与之匹配的发电机进行发电，燃气透平排出的高温烟气进入回热器与压缩空气换热后形成低温烟气经净化排入大气。
[0022]有益效果:本发明与现有技术相比:
I)相对于燃烧燃料的压缩空气储能系统，本发明引入了用于储存空气压缩热的储热罐，回收利用了空气压缩热，提高了系统的热效率。
[0023]2)相对于带储热的压缩空气储能系统，本发明引入了以油或天然气为燃料的燃烧室，以及与之相匹配的燃气透平，大大提高了压缩空气的膨胀做功能力，提高了系统的储能山/又ο
[0024]3)系统中的燃烧室利用的燃料为油或天然气，油或天然气的燃烧所产生的空气污染物较少，对环境的危害也较小。
[0025]4)本发明在储热罐中设置了电加热元件，充分利用了储热介质的储热能力，以消纳更多的低谷电或者风电、光电等不稳定性可再生能源，使得压缩空气的膨胀做功能力进一步提升，系统的储能密度和能量存储量也得以进一步提高。
[0026]5)旁路可将高压透平短路并切换至低压透平，使得压缩空气储存装置中低压空气的能量得以充分利用，增加了压缩空气储能发电系统的利用效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是采用一级空气压缩的压缩空气储能发电系统的原理结构示意图；
图2是采用二级空气压缩的压缩空气储能发电系统的原理结构示意图。
[0028]图中:1 —电动机；la—第一级电动机；lb—第二级电动机；2—空气压缩机；2a—第一级空气压缩机；2b—第二级空气压缩机；3—储热罐；3a—第一级储热罐；3b—第二级储热罐；4一储热介质；4a—第一级储热罐中的储热介质；4b—第二级储热罐中的储热介质；5 —冷却器；5a—第一级冷却器；5b—第二级冷却器；6—电加热元件；7—压缩空气储罐；8—调节阀；9一燃烧室；10—透平；10a—燃气透平；10b—空气透平；11一发电机；Ila—第二级发电机；Ilb—第一级发电机；12 —回热器；13—芳路；14一开关控制阀；14a?14k一各级开关控制阀；A—环境空气；B—油或天然气；C一高温烟气山一低温烟气。
【具体实施方式】
[0029]实施例一
如图1所示为本发明提供的采用一级空气压缩的压缩空气储能发电系统的原理结构示意图。所述高效发电系统包括压缩空气储罐以及与其相连的充能单元和释能单元。充能单元包括空气压缩机2以及与其相适配的电动机I，靠近空气压缩机2出口依次串联设有储热罐3和冷却器5，且储热罐中设有储热介质熔融盐4及电加热元件6。释能单元包括储热罐3、空气透平1b和燃气透平10a，与透平10相匹配的发电机11及设置于燃气透平1a之后的回热器12。旁路13跨接于回热器12出口与空气透平1b出口的管路上。充能单元和释能单元储热罐3进出口均设有开关控制阀，且上述充能单元储热罐上进出口的开关控制阀与释能单元储热罐上进出口的开关控制阀14为并联关系。此外，空气透平1b进出口及旁路13上亦设有开关控制阀，在压缩空气储罐7的出口管路上设有调节阀8。跨接于回热器12出口与各级空气透平1b出口管路的旁路13上设置的开关控制阀和空气透平1b进出口的开关控制阀为并联关系。压缩空气储罐可以替换为岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等地下洞穴。
[0030]本发明的工作流程如下:
I)在用电低谷期，利用低谷电能或者风电、光电等可再生能源驱动电动机1，带动空气压缩机2工作。环境空气A经过空气压缩机2的压缩进入其后串联的储热罐3中，并将部分压缩热传递给其中的储热介质熔融盐4，压缩空气经由储热罐3降温之后，再经由与之串联的冷却器5再次降温，从而形成高压低温压缩空气进入压缩空气储罐7进行存储。
[0031 ] 2 )在用电低谷期，空气压缩存储工作完毕以后，储热罐3中设置的电加热元件6利用低谷电能或者风电、光电等可再生能源对储热罐3中的储热介质熔融盐4继续进行加热。
[0032]3)在用电高峰期，低温高压空气由压缩空气储罐7经其出口的调节阀8减压后进入回热器12中进行加热，然后送往透平10进行膨胀做功。首先，压缩空气进入回热器12中与高温烟气C进行换热形成高温高压空气，之后进入空气透平1b进行膨胀做功，并带动与之相配合的发电机Ilb进行发电。其次，温度和压力降低的压缩空气进入储热罐3中进行换热。最后，压力降低的压缩空气伴随油或天然气B进入燃烧室9中进行燃烧，之后进入燃气透平1a进行膨胀做功，并带动与之相匹配的发电机Ila进行发电，燃气透平9a排出的高温烟气C进入回热器11与压缩空气换热后形成低温烟气D经净化排入大气。
[0033]图1所示系统中调节阀8的作用是当压缩空气储罐7中压缩空气的压力高于空气透平1b的额定进气压力时，可依靠其对压缩空气的压力进行调节使得进气压力稳定在额定值。对于系统中的旁路13，当压缩空气储罐7中压缩空气的压力低于空气透平1b的额定进气压力时，可借助该旁路13将空气透平1b短路，使压缩空气经加热后直接进入额定进气压力较低的燃气透平1a中进行膨胀做功，从而使得压缩空气储罐7中低压空气的能量得以充分利用，提高系统的利用效率；此时仍需利用调节阀8对进入燃气透平1a的压缩空气压力进行调节。
[0034]实施例二
如图2所示为本发明提供的采用二级空气压缩的压缩空气储能发电系统的原理结构示意图。其基本结构及工作流程与上述的实施例一基本相同，不同的是实施例二较例一多出了一级空气压缩机、一级储热罐和一级冷却器；故在用电高峰期，压缩空气自压缩空气储罐7出去之后不再直接进入回热器12进行加热，而是先进入第一级空气压缩机2a之后串联的第一级储热罐3a中进行预热，然后再进入回热器12继续进行加热，且第一级储热罐3a中没有设置电加热元件6，目的是为了增加高温烟气C的热回收率，从而提高系统的热效率。
【权利要求】
1.一种压缩空气储能发电系统及其工作方式，包括压缩空气储存装置，以及与之相连的充能单元和释能单元，其特征在于:所述充能单元包括至少一级空气压缩机，以及与各级空气压缩机相适配的电动机，且靠近各级空气压缩机出口依次设有串联的储热罐和冷却器；释能单元包括储热罐、多级串联的透平、与各级透平相适配的发电机及与末级透平相连的回热器，除末级透平为燃气透平外，其余各级透平均为空气透平；该高效发电系统还包括跨接于回热器出口与各级空气透平出口管路的旁路。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:各级储热罐中设置有储热介质，且至少一个储热罐设有电加热元件。
3.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:所述的储热介质为熔融盐、金属合金或复合材料等高温相变储能材料。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:所述空气透平应至少设有一级。
5.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:所述压缩空气储存装置为压缩空气储罐或者岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等地下洞穴。
6.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:所述充能单元和释能单元的各个储热罐进出口均设有开关控制阀，且上述充能单元储热罐上进出口的开关控制阀与释能单元储热罐上进出口的开关控制阀为并联关系；各级空气透平进出口均设有开关控制阀；跨接于回热器出口与各级空气透平出口管路的旁路上亦设有开关控制阀，其与空气透平进出口的开关控制阀为并联关系。
7.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:所述压缩空气储存装置的出口还设有调节阀。
8.一种采用如权利要求1的产品的工作方式，其特征在于:包括以下步骤: 1)在用电低谷期空气压缩机工作期间，打开所述高效发电系统充能单元储热罐上进出口的开关控制阀，关闭所述系统释能单元储热罐上进出口的开关控制阀； 2)在用电低谷期电加热元件工作期间关闭所述系统的所有开关控制阀； 3)在用电高峰期压缩空气膨胀做功期间，打开所述系统释能单元储热罐上进出口的开关控制阀，关闭所述系统充能单元储热罐上进出口的开关控制阀及旁路上的开关控制阀；且当压缩空气储存装置中压缩空气的压力小于某级空气透平的额定进气压力时，关闭所述高效发电系统中该级及以前各级空气透平进出口的开关控制阀，并打开相应旁路上的开关控制阀。
9.根据权利要求8所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:在用电高峰期压缩空气膨胀做功期间，借助调节阀对透平的入口压力进行调节。
10.根据权利要求8所述的压缩空气储能发电系统及其工作方式，其特征在于:在用电高峰期，储能单元与释能单元可同时工作。
【文档编号】F01D15/10GK104265458SQ201410371716
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】向文国, 马士伟, 赵明, 赛俊聪, 梁俊宇, 邱亚林, 耿向瑾, 陈晓平 申请人:东南大学, 云南电网公司技术分公司