一种压缩空气储能系统

1.本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能系统。


背景技术：

2.压缩空气储能系统对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。该系统利用一段时间内的富余电能将空气压缩并存储起来，在用电高峰再利用储存的压缩空气释能发电供给终端用户，由此克服电能供应和需求之间存在的时间差异性。
3.现有的压缩空气储能系统大多采用在压缩机所产生的压缩热通过换热器相连来进行换热，再将换热后热量通过管路传递至储热罐中，结构复杂，而且压缩热在热量传导过程中最后进入透平机内的空气温度过低，进而导致发电量低。
4.为此，我们亟需一种可以在进入透平机前提升温度的压缩空气储能系统。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种压缩空气储能系统，其解决了进入透平机内的空气温度过低，进而导致发电量低的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
9.本发明实施例提出的一种压缩空气储能系统，包括压缩空气储能子系统、压缩热回收子系统、储气子系统、压缩热释放子系统和压缩空气释能子系统；
10.压缩空气储能子系统通过管路与压缩热回收子系统连接，压缩热子系统通过管路与储气子系统连接，储气子系统与压缩热释放子系统连接，压缩热释放子系统通过管路与压缩空气释能子系统相连，在压缩热释放子系统与压缩空气释能子系统之间设置有空气提温装置，其中，空气提温装置为工业余热所产生的热量；
11.在用电低谷时段，压缩空气储能子系统利用可再生能源或富余电能将环境中的常压空气经压缩机转化成高温高压空气，以使高温高压的空气在经由压缩热回收子系统时释放热量，热量通过压缩热回收子系统吸收，以形成低温高压的空气存储于储气子系统；
12.在用电高峰时段，打开储气子系统阀门，高压空气进入压缩热释放子系统，以使低温高压的空气在经由压缩热释放子系统时吸收热量，热量通过压缩热释放子系统释放，以形成高温高压的空气，高温高压的空气再经过空气提温装置再次提高温度，利用提升温度后的高温高压空气做功并输出电能。
13.可选地，压缩空气储能子系统包括压缩机组和电动机组，由电动机组利用富余电能驱动连接压缩机组，以使空气入口的空气在压缩机组的压缩下升温升压，压缩机组包括多级压缩机，且第一级压缩机的入口为空气入口，第一级压缩机的出口与压缩热回收子系统管路相连，其余压缩机的入口和出口均与压缩热回收子系统管路相连。
14.可选地，压缩空气释能子系统包括透平机组和发电机组，利用产生的高温高压空
气驱动透平机组做功，透平机组驱动连接发电机组产生电能，透平机组包括多级透平机，且透平机的入口均与空气提升装置管路相连，最后一级透平机的出口连接有透平机尾气发电装置，其他每级透平机的出口均与压缩热释放子系统管路相连。
15.可选地，压缩机组包括第一级压缩机和第二级压缩机；
16.其中，第一级压缩机设有空气入口和连通压缩热回收子系统的出口，压缩热回收子系统与第二级压缩机的入口管路相连，第二级压缩机的出口与压缩热回收子系统管路相连；
17.相应地透平机组包括第一级透平机和第二级透平机，空气提温装置包括第一空气提温器和第二空气提温器。
18.可选地，压缩热回收子系统和压缩热释放子系统共同形成套筒式蓄热室，蓄热室包括同轴的内套筒和外套筒；
19.内套筒的内部为内层通道，内套筒的外部与外套筒的内部之间为外层通道，内层通道和外层通道内均设置有蓄热材料；
20.内层通道的上下两端分别具有用于封闭内层通道的第一端面和第二端面，外层通道的上下两端分别具有用于封闭外层通道的第三端面和第四端面，其中，第一入口和第三入口分别开设在第四端面的左右两侧，第一出口和第三出口分别开设在第三端面的左右两侧，第二入口和第四入口分别开设在第一端面的左右两侧，第二出口和第四出口分别开设在第二端面的左右两侧。
21.可选地，第一级压缩机的出口通过管路与第一入口连接，第一出口与第二级压缩机的入口管路连接，第二级压缩机的出口通过管路与第二入口连接，第二出口与储气子系统的进气口管路连接，储气子系统的出气口通过管路与的第三入口连接，第三出口与第一空气提温器进气口管路相连，第一空气提温器的出气口与第一级透平机的入口管路相连，第一级透平机的出口通过管路与第四入口连接，以使空气经由内层通道蓄热通过第四出口排出，第四出口与第二空气提温器的进气口管路相连，第二空气提温器的出气口与透平机尾气发电装置相连。
22.可选地，透平机尾气发电装置包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵；
23.蒸发器具有与第二级透平机的出口通过管路相连接的进气口；与膨胀机的入口通过管路相连接的出气口；与工质泵的出口通过管路相连接的进液口以及排出废气的排气口；
24.冷凝器具有与膨胀机的出口通过管路相连接的进气口；与工质泵的入口通过管路相连接的出液口；相互连通的冷却介质入口以及冷却介质出口；
25.其中，带有一定热量的透平机尾气进气口进入到蒸发器内，从而工质泵所产生的液态有机工质通过进液口进入到蒸发器内吸收热量，以形成高压蒸汽，高压蒸汽进入到膨胀机中做功，转化为电能输出，膨胀机的出口排出低压蒸汽至冷凝器内，低压蒸汽在冷凝器内冷凝成液体工质，再次进入工质泵中，工质泵用于提升液体工质的压力，提升压力后的液体工质再次进入蒸发器内进行升温，形成一个循环回路。
26.可选地，蓄热材料为格子砖，分布于内层通道和外层通道的内部。
27.可选地，蓄热材料为堇青石材料。
28.可选地，将工业余热所产生的热量作为空气提温装置。
29.(三)有益效果
30.本发明的有益效果是：
31.1、本发明通过压缩空气储能子系统与压缩热回收子系统相连，用以回收压缩热，通过压缩热释放子系统用以利用压缩热，在空气进入压缩空气释能子系统之前通过空气提温装置提升压缩空气释能子系统入口的空气的温度，其中，空气提温装置为工业企业的余热资源，通过工业企业的余热资源代替了化石能源，从而在保证了更高发电量的同时减少了环境污染。
32.2、本发明通过将压缩热回收子系统和压缩热释放子系统共同形成套筒式蓄热室代替了换热器和储热罐用以回收压缩热，减少了设备配置从而减少了热损失。最后，套筒式蓄热室的使用也优化了系统结构，降低了企业建造系统的成本。
33.3、本发明通过在压缩空气释能子系统的出口连接有透平机尾气发电装置，回收最后一级透平机的尾部排气的热量，在最后一级透平机尾部集成尾气发电装置进行再次发电。工质吸收最后一级透平机尾部高温排气的热量，在膨胀机中进行做功，从而增大整个系统的输出功，系统效率也随之增大。
附图说明
34.图1为本发明的压缩空气储能系统的整体结构示意图；
35.图2为图1中的压缩空气储能系统蓄热室的立体结构示意图。
36.【附图标记说明】
37.10：压缩机组；11：第一级压缩机；12：第二级压缩机；
38.20：电动机组；
39.30：透平机组；31：第一级透平机；32：第二级透平机；
40.40：发电机组；
41.50：空气提温装置；51：第一空气提温器；52：第二空气提温器；
42.60：蓄热室；61：内套筒；62：外套筒；63：内层通道；64：外层通道；65：第一端面；66：第二端面；67：第三端面；68：第四端面；
43.70：储气子系统；
44.80：透平机尾气发电装置；81：蒸发器；82：膨胀机；83：冷凝器；84：工质泵；
45.90：控制阀。
具体实施方式
46.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图1的定向为参照。
47.本发明实施例提出的一种压缩空气储能系统，包括压缩空气储能子系统、压缩热回收子系统、储气子系统70、压缩热释放子系统和压缩空气释能子系统。
48.压缩空气储能子系统通过管路与压缩热回收子系统连接，压缩热子系统通过管路与储气子系统70连接，储气子系统70与压缩热释放子系统连接，压缩热释放子系统通过管路与压缩空气释能子系统相连，在压缩热释放子系统与压缩空气释能子系统之间设置有空气提温装置50，其中，空气提温装置50为工业余热所产生的热量。
49.在用电低谷时段，压缩空气储能子系统利用可再生能源或富余电能将环境中的常压空气经压缩机转化成高温高压空气，以使高温高压的空气在经由压缩热回收子系统时释放热量，热量通过压缩热回收子系统吸收，以形成低温高压的空气存储于储气子系统70。
50.在用电高峰时段，打开储气子系统70阀门，高压空气进入压缩热释放子系统，以使低温高压的空气在经由压缩热释放子系统时吸收热量，热量通过压缩热释放子系统释放，以形成高温高压的空气，高温高压的空气再经过空气提温装置50再次提高温度，利用提升温度后的高温高压空气做功并输出电能。
51.本发明通过压缩空气储能子系统与压缩热回收子系统相连，用以回收压缩热，通过压缩热释放子系统用以利用压缩热，在空气进入压缩空气释能子系统之前通过空气提温装置50提升压缩空气释能子系统入口的空气的温度，其中，空气提温装置为工业企业的余热资源，通过工业企业的余热资源代替了化石能源，从而在保证了更高发电量的同时减少了环境污染。
52.进一步地，压缩空气储能子系统包括压缩机组10和电动机组20，由电动机组20利用富余电能驱动连接压缩机组10，以使空气入口的空气在压缩机组10的压缩下升温升压，压缩机组10包括多级压缩机，且第一级压缩机的入口为空气入口，第一级压缩机的出口与压缩热回收子系统管路相连，其余压缩机的入口和出口均与压缩热回收子系统管路相连，多级压缩机对空气的压缩可以充分将空气压缩升温升压。
53.进一步地，压缩空气释能子系统包括透平机组30和发电机组40，利用产生的高温高压空气驱动透平机组30做功，透平机组30驱动连接发电机组40产生电能，透平机组30包括多级透平机，且透平机的入口均与空气提升装置管路相连，最后一级透平机的出口连接有透平机尾气发电装置80，其他每级透平机的出口均与压缩热释放子系统管路相连。
54.进一步地，压缩机组10包括第一级压缩机11和第二级压缩机12。
55.其中，第一级压缩机11设有空气入口和连通压缩热回收子系统的出口与管路相连，压缩热回收子系统与第二级压缩机12的入口管路相连，第二级压缩机12的出口与压缩热回收子系统管路相连。
56.相应地透平机组30包括第一级透平机31和第二级透平机32。空气提温装置50包括第一空气提温器51和第二空气提温器52。
57.进一步地，压缩热回收子系统和压缩热释放子系统共同形成套筒式蓄热室60，蓄热室60包括同轴的内套筒61和外套筒62。
58.内套筒61的内部为内层通道63，内套筒61的外部与外套筒62的内部之间为外层通道64，内层通道63和外层通道64内均设置有蓄热材料。
59.内层通道63的上下两端分别具有用于封闭内层通道63的第一端面65和第二端面66，外层通道64的上下两端分别具有用于封闭外层通道64的第三端面67和第四端面68，其中，第一入口e和第三入口h分别开设在第四端面68的左右两侧，第一出口a和第三出口d分别开设在第三端面67的左右两侧，第二入口b和第四入口c分别开设在第一端面65的左右两侧，第二出口f和第四出口g分别开设在第二端面66的左右两侧。
60.在本实施例中，本发明通过将压缩热回收子系统和压缩热释放子系统共同形成套筒式蓄热室60代替了换热器和储热罐用以回收压缩热，减少了设备配置从而减少了热损失。最后，套筒式蓄热室60的使用也优化了系统结构，降低了企业建造系统的成本。
61.进一步地，第一级压缩机11的出口通过管路与第一入口e连接，第一出口a与第二级压缩机12的入口管路连接，第二级压缩机12的出口通过管路与第二入口b连接，第二出口f与储气子系统70的进气口管路连接，储气子系统70的出气口通过管路与的第三入口h连接，第三出口d与第一空气提温器51进气口管路相连，第一空气提温器51的出气口与第一级透平机31的入口管路相连，第一级透平机31的出口通过管路与第四入口c连接，以使空气经由内层通道63蓄热通过第四出口g排出，第四出口g与第二空气提温器52的进气口管路相连，第二空气提温器52的出气口与透平机尾气发电装置80相连。
62.进一步地，为了在实际生产中套筒式蓄热室60便于加工，因此将内套筒61和外套筒62设置成等高，从而第一端面65与所述第三端面67在同一水平面且一体成型的形成一个端面，所述第二端面66与所述第四端面67在同一水平面且一体成型的形成一个端面。
63.具体地，在用电低谷时，第一级压缩机11的入口连接空气源，电动机20利用富余电能带动第一级压缩机2将空气升温升压，升温升压后的空气通过第一级压缩机11的出口以及第四端面68上的第一入口e进入套筒式蓄热室60的外层通道64内，进而将热量传导至外层通道64的蓄热材料中，通过蓄热材料对热量进行存储，空气温度降低。随后，温度降低的空气通过第三端面67上的第一出口a以及第二级压缩机12的入口进入第二级压缩机12继续压缩升温升压，升温升压后的空气通过第二级压缩机12的出口以及第一端面65上的第二入口b进入套筒式蓄热室60的内层通道63内，进而将热量传导至内层通道63的蓄热材料中对热量记性存储。接着，高压空气通过第二端面66的第二出口f以及储气子系统的进气口进入储气子系统70内存储。
64.在用电高峰时，打开控制阀90的阀门，来自储气子系统70内的高压空气通过出气口以及第四端面68上的第三入口h进入套筒式蓄热室60的外层通道64内，以使高压空气吸收外层通道64内的蓄热材料所存储的热量温度升高，升温后的空气通过第三端面67上的第三出口d进入第一空气提温器51内，通过工业余热对空气进一步升温，然后从第一空气提温器51通过第一级透平机31的入口进入第一级透平机31内膨胀做功，以驱动发电机组40相对应的发电。做功后温度下降的空气通过第一透平及31的出口以及第一端面65上的第四入口c进入套筒式蓄热室60的内层通道63内，以使降温后的空气吸收内层通道63内的蓄热材料所存储的热量温度升高，温度再次升高的空气通过第二端面66上的第四出口g进入第二空气提温器52继续提升空气的温度，又一次提升温度的空气从第二空气提温器52内排出通过第二级透平机32的入口进入所述第二级透平机32膨胀做功，以驱动发电机组40所对应的发电机发电。
65.需要说明的是，套筒式蓄热室60为空心圆柱形结构。采取内、外层两个通道是由于第二级压缩机12的入口的空气的温度高于第一级压缩机11入口的空气温度，因此第二级压缩机12的空气出口温度高于第一级压缩机11的空气出口温度，第二级压缩机12出口的空气携带着更高品位的热能。将第一级压缩机11和第二级压缩机12所对应的不同品位的热能分别储存在不同的外层通道64和内层通道63中，可以实现温度的梯级利用。将回收的第二级压缩机12较高品位压缩热的蓄热室作为内层通道63，将回收第一级压缩机11较低品位压缩热的蓄热室作为外层通道64，这样的布置是为了减少蓄热材料对环境的散热损失，从而提升系统的效率。也就是说，较高品位压缩热作为内层通道63，温度更不易散失。蓄热材料的作用是将用电低谷时多余的电能转换成热能并储存起来，在用电高峰时段再释放能量。这
样就可以利用蓄热材料解决能量在时间和空间上的不协调性，从而达到能源高效利用和节能的目的。
66.需要说明的是，如果压缩机组10是偶数级数，参见图2，例如2级，前1级进外层通道64，后1级进内层通道63。例如4级，前2级进外层通道64，后2级进内层通道63。
67.如果压缩机组10是奇数级数，比如3级，前1级进外层通道64，后2级进内层通道63。透平机组30压缩机组10对应设置。
68.进一步地，蓄热材料为格子砖，分布于内层通道63和外层通道64的内部。
69.进一步地，蓄热材料为堇青石材料。
70.在本实施例中，固体蓄热材料具有蓄热能力强、结构简单、安全可靠、成本低廉的特点。堇青石是一种有着多用途的非金属矿物原料，它有着热膨胀系数低、热导率小、化学稳定性好等诸多优点，本发明推荐采用堇青石作为蓄热材料。
71.进一步地，透平机尾气发电装置80包括蒸发器81、膨胀机82、冷凝器83和工质泵84。
72.蒸发器81具有与第二级透平机32的出口通过管路相连接的进气口。与膨胀机82的入口通过管路相连接的出气口。与工质泵84的出口通过管路相连接的进液口以及排出废气的排气口。
73.冷凝器83具有与膨胀机82的出口通过管路相连接的进气口；与工质泵84的入口通过管路相连接的出液口；相互连通的冷却介质入口以及冷却介质出口。具体地，若冷凝器83使用水进行冷却，冷却介质入口是冷水，冷却介质出口是热水；若冷凝器83使用风进行冷却，冷却介质入口是冷风，冷却介质出口是热风。
74.蒸发器81的工质出口端和膨胀机82的工质入口端相连接，膨胀机82出口端和冷凝器83入口端相连接，冷凝器83出口端和工质泵84入口端相连接，工质泵84出口端和蒸发器81的入口端相连接，组成一个回路。其中，工质为适用于低温余热工作环境的有机制冷剂。
75.具体地，带有一定热量的透平机尾气进气口进入到蒸发器81内，从而工质泵84所产生的液态有机工质通过进液口进入到蒸发器81内吸收热量，以形成高压蒸汽，高压蒸汽进入到膨胀机82中做功，转化为电能输出，膨胀机82的出口排出低压蒸汽至冷凝器83内，低压蒸汽在冷凝器83内冷凝成液体工质，再次进入工质泵84中，工质泵84用于提升液体工质的压力，提升压力后的液体工质再次进入蒸发器81内进行升温，形成一个循环回路。
76.本发明通过在压缩空气释能子系统的出口连接有透平机尾气发电装置80，回收最后一级透平机的尾部排气的热量，在最后一级透平机尾部集成尾气发电装置80进行再次发电。工质吸收最后一级透平机尾部高温排气的热量，在膨胀机82中进行做功，从而增大整个系统的输出功，系统效率也随之增大。
77.进一步地，将工业余热所产生的热量作为空气提温装置50。
78.所述第一级压缩机11的出口通过管路与所述第一入口e连接，以使空气进入经由所述外层通道64的蓄热材料，将空气中的热量释放到蓄热材料中存储，通过所述第一出口a排出，所述第一出口a与所述第二级压缩机12的入口管路连接，所述第二级压缩机12的出口通过管路与所述第二入口b连接，以使空气进入经由所述内层通道63蓄热通过所述第二出口f排出，所述第二出口f与所述储气子系统70的进气口管路连接，所述储气子系统70的出气口通过管路与所述的第三入口h连接，以使空气进入经由所述外层通道64蓄热通过第三
出口d排出，所述第三出口d与所述第一空气提温器51进气口管路相连，所述第一空气提温器51的出气口与所述第一级透平机31的入口管路相连，所述第一级透平机31的出口通过管路与所述第四入口c连接，以使空气经由所述内层通道63蓄热通过第四出口g排出，所述第四出口g与所述第二空气提温器52的进气口管路相连，所述第二空气提温器52的出气口与所述透平机尾气发电装置80相连。
79.需要说明的是，空气提温装置50利用工业企业自身的余热来提升进入透平机的空气温度，实现增加透平机组30发电量的作用。以钢铁企业的钢坯库为例说明，其实钢铁企业的其它余热、其它行业的余热也可以代替钢坯库，只要在空气提温装置50中提供热量的余热温度高于进入空气提温装置的空气温度即可。对于多级透平机，可以在每个之前都设置空气提温装置50，也可以部分设置。如果部分设置空气提温装置50，优先设置在靠后的透平机。余热资源可以是静止放置在空气提温装置50中提供热量，也可以连续流经空气提温装置提供热量。来自于套筒式蓄热室60内层通道63的空气通过空气提温装置50后，温度可以得到明显的提升，透平机进口空气温度升高，发电量也增大。因此，空气提温装置50可以利用工业企业的余热用来增大压缩空气储能系统的发电量。
80.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
81.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
82.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
83.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。