一种压缩空气储能系统的制作方法

本发明涉及电力存储技术领域，特别是一种压缩空气储能系统。

背景技术：

近年来，我国传统电网峰谷差值日益增大，其原因主要有两个：第一，越来越多的大型间歇式用电机组并入电网；第二，以风电、光电等为代表的间歇性可再生能源发电量越来越大。这些间歇性电用户和电源的并入大大增加了以煤电为主体的传统电网的峰谷差值，有些地区甚至不得不运用拉闸限电的方式来解决这一问题。由此带来了日益严重的能源浪费，并越来越影响到人们的日常生活乃至生产劳作。为了保证电网安全、经济地运行，配置电力储能系统势在必行。

目前的电力储能系统种类繁多，主要可分为以下三类：机械储能(抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)，电磁储能(超级电容器等)和电化学储能(铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等)。其中在储能规模上能达到100MW以上的只有抽水储能和压缩空气储能，因此这两项电力储能技术是当下最有前途的。然而抽水储能技术有诸多弊端，因此压缩空气储能技术显得尤为重要。

然而国内在压缩空气储能技术领域尚处于理论研究阶段；从世界范围内来看，已经有若干套压缩空气储能电站投入运行，全部是补燃式，即：从气库而来的压缩空气先进入燃烧室与燃料混合燃烧，提高其温度，再进入燃气轮机做功。然而补燃式压缩空气储能系统有其固有的弊端，主要表现为以下两点：第一，需要大量的燃料，能源消耗大，并且会造成大气污染，加重碳排放，对环境不友好；第二，未能回收利用压缩过程产生的热量，系统能量转换效率较低。因此发展非补燃式压缩空气储能技术显得尤为重要。而一般的压缩空气储能系统由于储气设备的容积有限，导致高压级压缩机排气压力不断升高而高压级膨胀机吸气压力不断降低，从而极大地影响了系统的能量转换效率；同时压缩机和膨胀机内部温度变化很大，偏离理想的等温工况较远，也影响了系统的能量转换效率。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种稳定性好、能量转换效率高的压缩空气储能系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种压缩空气储能系统，包括压缩单元、膨胀单元、储气单元、蓄热单元、换热单元和电能单元：

所述压缩单元包括低压级压缩机组、与所述低压级压缩机组串联的高压级压缩机组及压缩用油气分离器；所述膨胀单元包括低压级膨胀机组、与所述低压级膨胀机组串联的高压级膨胀机组及膨胀用油气分离器；所述储气单元包括储气罐；所述蓄热单元包括高温油罐及低温油罐；所述换热单元包括冷却器及加热器；所述电能单元包括电动机组及发电机组；其中：

所述电动机组将将电能转化为机械能传递给所述低压级压缩机组，所述低压级压缩机组将空气压缩至中压，压缩后的中压空气被引入所述冷却器，产生的压缩热经所述冷却器传递至所述低温油罐内的蓄热油；

所述冷却器将中压空气的热量传递给所述低温油罐中引入的蓄热油，加热后的蓄热油被引入所述高温油罐，冷却后的中压空气被引入所述高压级压缩机组，引出所述低温油罐内的蓄热油并喷入至所述高压级压缩机组中形成第一油气混合物；

所述第一油气混合物通过所述压缩用油分离器分离后，其中，加热后的蓄热油被引入至所述高温油罐，压缩后的高压空气储存在所述储气罐中储存；

所述高压空气从所述储气罐中导出并引入至所述高压级膨胀机组中膨胀做功，所述高温油罐中的蓄热油引出并喷入至所述高压级膨胀机组形成第二油气混合物；

所述加热器将所述高温油罐中引入的蓄热油的热量传递给中压空气，冷却后的蓄热油被引入所述低温油罐中，加热后的中压空气被引入所述低压级膨胀机组进一步膨胀做功，膨胀功经所述发电机组转化为稳定的电能并入电网。

在一些实施例中，所述低压级压缩机组由至少一套相同的压缩机组并联组成，其中，任意一套压缩机组为速度型压缩机或容积型压缩机。

在一些实施例中，每套低压级压缩机组由两台共转动轴相向运转的相同压缩机组成。

在一些实施例中，所述高压级压缩机组由至少一套相同的压缩机组并联组成，其中，任意一套压缩机组为便于压比调节的螺杆式压缩机，其吸气压力恒定，排气压力可在一定范围内变动。

在一些实施例中，每套高压级压缩机组由两台共转动轴相向运转的螺杆压缩机组成。

在一些实施例中，所述低压级膨胀机组由至少一套相同的膨胀机组并联组成，其中，任意一套膨胀机组为透平式膨胀机或活塞式膨胀机。

在一些实施例中，每套低压级膨胀机组由两台共转动轴相向运转的相同膨胀机组成。

在一些实施例中，所述高压级膨胀机组由至少一套相同的膨胀机组并联组成，其中，任意一套膨胀机组为便于压比调节的螺杆式膨胀机，其吸气压力可在一定范围内变动，排气压力恒定。

在一些实施例中，每套高压级膨胀机组由两台共转动轴相向运转的螺杆膨胀机组成。

在一些实施例中，所述冷却器为间壁式换热器。

在一些实施例中，所述加热器为间壁式换热器。

本发明采用上述技术方案的有益效果在于：

本发明提供的压缩空气储能系统，包括压缩单元、膨胀单元、储气单元、蓄热单元、换热单元和电能单元，所述压缩单元包括低压级压缩机组及高压级压缩机组，所述膨胀单元包括低压级膨胀机组及高压级膨胀机组，本发明采用的压缩单元及膨胀单元均为组合式结构，以两台同转动轴相向转动的同型号压缩机或膨胀机为一套，一套或多套机组并联运行为一级，两级及以上的机组串联运行共同构成了整个压缩单元和膨胀单元，这样一方面有利于适应各种级别的储能需求，另一方面可适应不同长短的运行周期，此外，有利于抵消轴向力，提高整个系统的稳定性。

同时，本发明提供的压缩空气储能系统，压缩单元中的高压级压缩机采用螺杆压缩机，膨胀单元中的高压级膨胀机采用螺杆膨胀机，便于调节压比从而适应压缩过程中排气压力逐渐升高、膨胀过程中吸气压力逐渐降低的实际工况，提高了系统的能量转换效率，同时有利于实现高压级的喷油换热。

此外，本发明提供的压缩空气储能系统，取消了高压级的冷却器和加热器，转而采用喷油冷却和喷油加热的方式，从而省去了高压级的冷却器和加热器，简化了系统结构，同时优化了高压级压缩机和膨胀机的运行环境，提高了压缩效率和膨胀效率。

最后，本发明提供的压缩空气储能系统，能够利用各种形式的电能，运行周期灵活，适用范围广阔，环境友好，性能高效，运行稳定，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为本发明提供的压缩空气储能系统中压缩单元的结构示意图；

图3为本发明提供的压缩空气储能系统中膨胀单元的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的压缩空气储能系统的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的压缩空气储能系统的结构示意图。

其中：

1/22/23/24/25-低压级压缩机(组)；2-冷却器；3/26/27/28/29-高压级压缩机(组)；4-压缩用油分离器；5-进气阀门；6-储气罐；7-排气阀门；8/34/35/36/37-高压级膨胀机(组)；9-膨胀用油分离器；10-加热器；11/38/39/40/41-低压级膨胀机(组)；12-高温油罐；13-高温截止阀；14-高温油泵；15-高温调节阀；16-低温油罐；17-低温截止阀；18-低温油泵；19-低温调节阀；20/30/31-电动机组；21/42/43-发电机组；44-中温油罐；45-中温截止阀；46-中温油泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，为本发明提供的压缩空气储能系统100的结构示意图，包括：压缩单元、膨胀单元、储气单元、蓄热单元、换热单元和电能单元。

请结合图2，为本发明提供的压缩单元的结构示意图，所述压缩单元包括低压级压缩机组、与所述低压级压缩机组串联的高压级压缩机组及压缩用油气分离器4。

其中，低压级压缩机组由至少一套相同的压缩机1(22/23，24/25)并联组成，高压级压缩机组由至少一套相同的压缩机3(26/27，28/29)并联组成。可以理解，为了抵消转动所产生的轴向力、提高运行稳定性，每套低压级压缩机组及高压级压缩机组为两台共转动轴相向运转相同的压缩机。

具体地，低压级压缩机组内的压缩机为相同的任意形式的速度型压缩机或容积型压缩机；高压级压缩机组内的压缩机为便于压比调节和喷油冷却的螺杆式压缩机，其排气压力可在一定范围内变动，并配有压缩用油分离器4用以将高温蓄热油与压缩空气分离开来。

可以理解，低压级压缩机组及高压级压缩机组的排气量及压缩机组内压缩机的套数以及每台压缩机的排气量由能量转换系统所需的压缩空气流量决定。

请结合图3，为本发明提供的压缩空气储能系统中膨胀单元的结构示意图，所述膨胀单元包括低压级膨胀机组、与所述低压级膨胀机组串联的高压级膨胀机组及膨胀用油气分离器9。

其中，所述低压级膨胀机组由至少一套相同的膨胀机11(38/39，40/41)并联组成。所述高压级膨胀机组由至少一套相同的膨胀机8(34/35，36/37)并联组成，可以理解，为了抵消转动所产生的轴向力、提高运行稳定性，每套低压级膨胀机组及高压膨胀机组为两台共转动轴相向运转相同的膨胀机。

进一步地，低压级膨胀机组内的膨胀机为相同的任意形式的透平式膨胀机或活塞式膨胀机；高压级膨胀机组内的膨胀机为便于压比调节和喷油冷却的螺杆式膨胀机，其排气压力可在一定范围内变动，并配有膨胀侧油分离器9用以将低温蓄热油与膨胀空气分离开来。

可以理解，低压级膨胀机组及高压级膨胀机组的排气量及压缩机组内压缩机的套数以及每台膨胀机的排气量由能量转换系统所需的压缩空气流量决定。

请再参阅图1，上述压缩空气储能系统100的工作方式如下：

所述电动机组30将电能转化为机械能传递给所述低压级压缩机组1，所述电动机组31将电能转化为机械能传递给所述低压级压缩机组3，所述低压级压缩机组1将所述空气压缩至中压，压缩后的中压空气被引入所述冷却器2；

所述冷却器2将中压空气的热量传递给所述低温油罐16中引入的蓄热油，加热后的蓄热油被引入所述高温油罐12，冷却后的中压空气被引入所述高压级压缩机组3，引出所述低温油罐16内的蓄热油并喷入至所述高压级压缩机组3中形成第一油气混合物；

所述第一油气混合物通过所述压缩用油分离器4分离后，其中，加热后的蓄热油被引入至所述高温油罐12，压缩后的高压空气储存在所述储气罐6中储存；

所述高压空气从所述储气罐6中导出并引入至所述高压级膨胀机组8中膨胀做功，所述高温油罐12中的蓄热油引出并喷入至所述高压级膨胀机组8形成第二油气混合物；

所述第二油气混合物通过所述膨胀用油分离器9分离，其中，冷却后的蓄热油被引入所述低温油罐16中，膨胀后的中压空气被引入至所述加热器10；

所述加热器10将所述高温油罐12中引入的蓄热油的热量传递给中压空气，冷却后的蓄热油被引入所述低温油罐16中，加热后的中压空气被引入所述低压级膨胀机组11进一步膨胀做功，高压级膨胀功经所述发电机组42转化为稳定的电能并入电网，低压级膨胀功经所述发电机组43转化为稳定的电能并入电网。

本发明提供的压缩空气储能系统，包括压缩单元、膨胀单元、储气单元、蓄热单元、换热单元和电能单元，所述压缩单元包括低压级压缩机组及高压级压缩机组，所述膨胀单元包括低压级膨胀机组及高压级膨胀机组，本发明采用的压缩单元及膨胀单元均为组合式结构，以两台同转动轴相向转动的同型号压缩机或膨胀机为一套，一套或多套机组并联运行为一级，两级及以上的机组串联运行共同构成了整个压缩单元和膨胀单元，这样一方面有利于适应各种级别的储能需求，另一方面可适应不同长短的运行周期，此外，有利于抵消轴向力，提高整个系统的稳定性。

同时，本发明提供的压缩空气储能系统，压缩单元中的高压级压缩机采用螺杆压缩机，膨胀单元中的高压级膨胀机采用螺杆膨胀机，便于调节压比从而适应压缩过程中排气压力逐渐升高、膨胀过程中吸气压力逐渐降低的实际工况，提高了系统的能量转换效率，同时有利于实现高压级的喷油换热。

此外，本发明提供的压缩空气储能系统，取消了高压级的冷却器和加热器，转而采用喷油冷却和喷油加热的方式，从而省去了高压级的冷却器和加热器，简化了系统结构，同时优化了高压级压缩机和膨胀机的运行环境，提高了压缩效率和膨胀效率。

最后，本发明提供的压缩空气储能系统，能够利用各种形式的电能，运行周期灵活，适用范围广阔，环境友好，性能高效，运行稳定，具有很好的应用前景。

以下结合具体实施例对本发明上述技术方案进行详细阐述。

实施例1

请参阅图4，为本发明实施例1提供的压缩空气储能系统的结构示意图。

其中，其压缩单元为两级压缩，其中低压级为速度型压缩机组，高压级为便于压比调节的螺杆式膨胀机组；每级由两套压缩机组组成，每套压缩机组由同转动轴相向转动的两台相同型号的压缩机组成；低压级采用间壁式换热器冷却，高压级采用喷油冷却。其膨胀单元为两级膨胀，其中高压级为便于压比调节的螺杆式膨胀机组，低压级为速度型膨胀机组，每级由两套膨胀机组组成，每套膨胀机组由同转动轴相向转动的两台相同型号的膨胀机组成；高压级采用喷油加热，低压级采用间壁式换热器加热。

压缩模式下，进气阀门6打开，排气阀门8关闭，低温截止阀17和低温调节阀19打开，高温截止阀13和高温调节阀15关闭，电动机组30、31和低温油泵18启动，发电机组41、42和高温油泵14停运。常温常压的空气被引入压缩单元低压级压缩机组，分配到压缩机22、23、24和25中被压缩成中压空气，其吸收压缩热后温度升高；接着这四股空气汇合并进入低压级冷却器2空气侧，于此同时从低温油罐16中经低温截止阀17和低温油泵18的低温蓄热油进入低压级冷却器2油侧，两股流体进行间壁式换热；低温的蓄热油被加热随后进入高温油罐12中储存备用，高温的中压空气被冷却随后进入高压级压缩机组，被分配到压缩机26、27、28和29中进一步压缩，于此同时从低温油罐16中经低温截止阀17、低温油泵18和低温调节阀19的低温蓄热油进入高压级压缩机组，被分配到压缩机26、27、28和29中起到冷却、密封和润滑的作用；从高压级压缩机组排出的为油气混合物，其进入压缩侧油分离器4中，高温蓄热油和高压空气得以分离；其中高温蓄热油进入高温油罐12中储存备用，而高压空气经进气阀门5进入储气罐6中储存备用。

压缩模式结束后，关闭进气阀门6、低温截止阀17和低温调节阀19，停运电动机组30、31和低温油泵18。

膨胀模式下，进气阀门6关闭，排气阀门8打开，低温截止阀17和低温调节阀19关闭，高温截止阀13和高温调节阀15打开，电动机组30、31和低温油泵18停运，发电机组41、42和高温油泵14启动。常温高压的空气从储气罐6经排气阀门7被引入膨胀单元高压级膨胀机组，分配到膨胀机组34、35、36和37中膨胀成中压空气，并输出膨胀功给发电机组41发电；与此同时从高温油罐12中引出的高温蓄热油经高温截止阀13、高温油泵14和高温调节阀15进入高压级膨胀机组，分配到膨胀机34、35、36和37中起到加热、密封和润滑的作用；从高压级膨胀机组排出的为油气混合物，其进入膨胀侧油分离器9中，低温蓄热油和中压空气得以分离；其中低温蓄热油进入低温油罐16中储存备用，而中压空气进入低压级加热器10空气侧，于此同时从高温油罐12中引出的高温蓄热油经高温截止阀13和高温油泵14进入低压级加热器10油侧，两股流体进行间壁式换热；高温的蓄热油被冷却随后进入低温油罐16中储存备用，低温的中压空气被加热随后进入低压级膨胀机组，被分配到38、39、40和41中进一步膨胀，并输出膨胀功给发电机组42发电；膨胀后的空气被排放到外界环境，或者进入其他设备回收其冷量。

膨胀模式结束后，关闭排气阀门8、高温截止阀13和高温调节阀15，停运发电机组42、43和高温油泵14，整个系统工作完毕。

实施例2

请参阅图5，为本发明实施例2提供的压缩空气储能系统的结构示意图。

其中，压缩单元为两级压缩，其中低压级为容积型压缩机组，高压级为便于压比调节的螺杆式膨胀机组；每级由两套压缩机组组成，每套压缩机组由同转动轴相向转动的两台相同型号的压缩机组成；低压级采用间壁式换热器冷却，高压级采用喷油冷却。其膨胀单元为两级膨胀，其中高压级为便于压比调节的螺杆式膨胀机组，低压级为容积型膨胀机组，每级由两套膨胀机组组成，每套膨胀机组由同转动轴相向转动的两台相同型号的膨胀机组成；高压级采用喷油加热，低压级采用间壁式换热器加热。

压缩模式下，进气阀门6打开，排气阀门8关闭，低温截止阀17和低温调节阀19打开，中温截止阀45和高温截止阀13关闭，电动机组30/31和低温油泵18启动，发电机组41/42、中温油泵46和高温油泵14停运。常温常压的空气被引入压缩单元低压级压缩机组，分配到压缩机22、23、24和25中被压缩成中压空气，其吸收压缩热后温度升高；接着这四股空气汇合并进入低压级冷却器2空气侧，于此同时从低温油罐16中经低温截止阀17和低温油泵18的低温蓄热油进入低压级冷却器2油侧，两股流体进行间壁式换热；低温的蓄热油被加热随后进入高温油罐12中储存备用，高温的中压空气被冷却随后进入高压级压缩机组，被分配到压缩机26、27、28和29中进一步压缩，于此同时从低温油罐16中经低温截止阀17、低温油泵18和低温调节阀19的低温蓄热油进入高压级压缩机组，被分配到压缩机26、27、28和29中起到冷却、密封和润滑的作用；从高压级压缩机组排出的为油气混合物，其进入压缩侧油分离器4中，中温蓄热油和高压空气得以分离；其中中温蓄热油进入中温油罐44中储存备用，而高压空气经进气阀门5进入储气罐6中储存备用。

压缩模式结束后，关闭进气阀门6、低温截止阀17和低温调节阀19，停运电动机组30、31和低温油泵18。

膨胀模式下，进气阀门6关闭，排气阀门8打开，低温截止阀17和低温调节阀19关闭，中温截止阀45和高温截止阀13打开，电动机组30/31和低温油泵18停运，发电机组41/42、中温油泵46和高温油泵14启动。常温高压的空气从储气罐6经排气阀门7被引入膨胀单元高压级膨胀机组，分配到膨胀机组34、35、36和37中膨胀成中压空气，并输出膨胀功给发电机组41发电；与此同时从中温油罐44中引出的中温蓄热油经中温截止阀45和中温油泵46进入高压级膨胀机组，分配到膨胀机34、35、36和37中起到加热、密封和润滑的作用；从高压级膨胀机组排出的为油气混合物，其进入膨胀侧油分离器9中，低温蓄热油和中压空气得以分离；其中低温蓄热油进入低温油罐16中储存备用，而中压空气进入低压级加热器10空气侧，于此同时从高温油罐12中引出的高温蓄热油经高温截止阀13和高温油泵14进入低压级加热器10油侧，两股流体进行间壁式换热；高温的蓄热油被冷却随后进入低温油罐16中储存备用，低温的中压空气被加热随后进入低压级膨胀机组，被分配到38、39、40和41中进一步膨胀，并输出膨胀功给发电机组42发电；膨胀后的空气被排放到外界环境，或者进入其他设备回收其冷量。

膨胀模式结束后，关闭排气阀门8、中温截止阀45和高温截止阀13，停运发电机组42/43、中温油泵46和高温油泵14，整个系统工作完毕。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。