一种闭式循环压缩储能发电系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及一种闭式循环压缩储能发电系统，属于压缩储能发电技术领域。


背景技术：

2.构建以风能、太阳能、光伏等新能源发电成为未来电力供应的重要组成部分，但间歇性、波动性、不可预测性是可再生能源亟待解决的关键难题，而先进的大规模的储能技术是解决可再生能源电力并网接入问题的有效途径。其中，压缩空气储能具有规模大、寿命长、清洁环保、安全可靠等优点，是未来最具有发展前景的大规模储能技术之一。
3.传统的压缩空气储能是在用电低谷时，将多余电能通过压缩机压缩空气，存储在天然地下盐穴等储气装置中，压缩热存储在储热罐中，用电高峰时，利用高压储气与储热罐换热液体介质进行换热或利用燃料对进入透平膨胀机前的高压储气进行加热，高温高压空气带动透平膨胀机做功发电。虽然天然地下盐穴储气规模大、成本低，但严重依赖特殊地理位置，难以大规模推广应用。
4.因此，亟需提出一种新型的闭式循环压缩储能发电系统，摆脱地理环境对压缩空气储能的限制。


技术实现要素：

5.本发明研发目的是为了解决现有的压缩空气储能需依赖天然地下盐穴等储气装置，对地理环境和高压储气容积均有很高的限制的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
6.本发明的技术方案：
7.方案一、一种闭式循环压缩储能发电系统，包括压缩子系统、压缩热收集子系统、储气子系统、压缩热回馈子系统和膨胀子系统；
8.所述压缩子系统的出口与压缩热收集子系统的第一收集入口连接，压缩热收集子系统的第一收集出口与储气子系统的第一储气入口连接，压缩热收集子系统的第二收集入口与压缩热回馈子系统的第一回馈出口连接，压缩热收集子系统的第二收集出口与压缩热回馈子系统的第一回馈入口连接，压缩热回馈子系统的第二回馈入口与储气子系统的第一储气出口连接，压缩热回馈子系统的第二回馈出口与膨胀子系统的入口连接，膨胀子系统的出口与储气子系统的第二储气入口连接，储气子系统的第二储气出口与压缩子系统的入口连接。
9.优选的：所述储气子系统包括低压储气室和高压储气室，低压储气室的入口和高压储气室出口连接，低压储气室具有第二储气入口和第二储气出口，高压储气室具有第一储气入口和第一储气出口，低压储气室连接有真空泵和充气模块。
10.优选的：所述压缩子系统包括压缩电动机和压缩机，压缩电动机和压缩机电性连
接；
11.压缩热收集子系统包括冷却器和高温储热罐，冷却器的出口与高温储热罐入口连接，冷却器具有第一收集入口、第一收集出口和第二收集入口，高温储热罐具有第二收集出口。
12.优选的：所述压缩热回馈子系统包括低温储热罐和换热器，低温储热罐的入口和换热器出口连接，低温储热罐具有第一回馈出口，换热器具有第一回馈入口、第二回馈入口和第二回馈出口。
13.优选的：所述膨胀子系统包括透平膨胀机和发电机，透平膨胀机和发电机电性连接。
14.方案二、一种闭式循环压缩储能发电系统，包括包括压缩子系统、压缩热收集子系统、储气子系统、压缩热回馈子系统和膨胀子系统；
15.所述压缩子系统的出口与压缩热收集子系统的第一收集入口连接，压缩热收集子系统的第一收集出口与储气子系统的第一储气入口连接，压缩热收集子系统的第二收集入口与压缩热回馈子系统的第一回馈出口连接，压缩热收集子系统的第二收集出口与压缩热回馈子系统的第一回馈入口连接，压缩热回馈子系统的第二回馈入口与储气子系统的第一储气出口连接，压缩热回馈子系统的第二回馈出口与膨胀子系统的入口连接，膨胀子系统的出口与储气子系统的第二储气入口连接，储气子系统的第二储气出口与压缩子系统的入口连接。
16.优选的：所述压缩子系统包括第一电动机、第一压缩机和第二压缩机；
17.压缩热收集子系统包括第一冷却器、第二冷却器和第一高温储热罐；
18.所述第一电动机、第一压缩机和第二压缩机依次串联，第一压缩机的出口与第一冷却器的第一收集入口连接，第一压缩机的入口与低压储气室的第二储气出口连接，第二压缩机的出口与第二冷却器的左侧入口连接，第二压缩机的入口与第一冷却器右侧出口连接；第二冷却器的第一收集出口与高压储气室的第一储气入口连接；
19.第一冷却器的右侧入口和第二冷却器的第二收集入口均与压缩热回馈子系统的第一回馈出口连接，第一冷却器和第二冷却器二者的左侧出口均与第一高温储热罐的入口连接。
20.优选的：所述压缩热回馈子系统包括第一低温储热罐、第一换热器和第二换热器；
21.所述膨胀子系统包括第一透平膨胀机、第二透平膨胀机和第一发电机，第一发电机、第一透平膨胀机和第二透平膨胀机依次串联；
22.第一换热器和第二换热器的左侧入口汇合形成第一回馈入口，第一回馈入口与第一高温储热罐的第二收集出口连接，第一换热器的第二回馈出口与第一透平膨胀机的入口连接，第一换热器和第二换热器二者的右侧出口均与第一低温储热罐的入口连接，第一低温储热罐具有第一回馈出口，第二换热器的第二回馈入口与高压储气室的第一储气出口连接，第二透平膨胀机的出口与第一换热器的右侧入口连接，第二透平膨胀机的入口第二换热器左侧出口连接。
23.优选的：所述第一压缩机和第二储气出口的连接管路上安装有第一自力式调节阀和第二截止阀，第二储气入口和第一透平膨胀机的连接管路上安装有第一截止阀，第一高温储热罐的入口处安装有第七截止阀，第一高温储热罐出口处依次安装有第二循环水泵和
第八截止阀，第二透平膨胀机的入口处安装有第二自力式调节阀，第一低温储热罐的入口处安装有第五截止阀，第一低温储热罐的第一回馈出口依次安装有第一循环水泵和第六截止阀，高压储气室的第一储气入口和第一储气出口分别安装有第三截止阀和第四截止阀，所述第二储气入口和第一透平膨胀机的连接管路上安装有第一止回阀，第二压缩机的出口处安装有第二止回阀。
24.优选的：所述真空泵通过抽气止回阀和抽气截止阀与低压储气室连接，所述充气模块包括充气瓶组和过滤器，充气瓶组通过充气截止阀和过滤器连接，过滤器和低压储气室连接。
25.方案二、一种闭式循环压缩储能发电系统的运行方法，是基于方案二所述的一种闭式循环压缩储能发电系统实现的，包括：
26.步骤1，打开抽气截止阀，启动真空泵，排清闭式循环回路中的空气后关闭真空泵及抽气截止阀；
27.步骤2，打开充气截止阀，向低压储气室中注入待运行循环工质，循环工质充满闭式循环回路中，达到运行压力后关闭充气截止阀；
28.步骤3，低压储气室存储循环气体工质，第一低温储热罐存储低温液体热能，第一高温储热罐存储高温液体热能；
29.步骤4，第一压缩机、第二压缩机、第一透平膨胀机和第二透平膨胀机控制设备进口压力和温度；
30.步骤5，储能时，打开第二截止阀和第三截止阀，调节第一自立式调节阀控制第一压缩机进口压力和温度；
31.打开第六截止阀和第七截止阀，启动第一循环泵；按照设定运行转速启动第一电动机，带动第一压缩机和第二压缩机旋转压缩循环工质，压缩后的高温高压循环工质经第一换热器和第二换热器换热后进入高压储气室，获得热能的换热液体介质进入第一高温储热罐，完成储能过程，关闭第二截止阀、第三截止阀、第六截止阀、第七截止阀和第一电动机；
32.步骤6，释能时，打开第一截止阀和第四截止阀，调节第二自立式调节阀控制第一透平膨胀机和第二透平膨胀机进口温度和压力；
33.打开第五截止阀和第八截止阀，启动第二循环泵；
34.循环工质经过第一换热器和第二换热器换热后变成高温高压工质，进入第一透平膨胀机和第二透平膨胀机做功，带动第一发电机发电，完成换热过程的换热液体介质进入第一低温储热罐储存，完成释能过程，关闭第一截止阀、第四截止阀、第五截止阀和第八截止阀。
35.本发明具有以下有益效果：
36.1.本发明与现有的开式循环的压缩空气储能系统不同，提出了一种闭式循环的压缩储能发电系统，响应速度快；
37.2.本发明循环工质采用氦氙混合气，可以完美发挥氦氙闭式布雷顿循环发电系统安全、紧凑等特点，同功率等级条件下极大的缩小了传统压缩空气储能系统对高压储气容积的需求；
38.3.本发明占用空间小，不依赖特殊地理环境、储能容量大、场地适应性强，具有广
阔的发展前景。
附图说明
39.图1是具体实施方式一的系统图；
40.图2是具体实施方式二的系统图；
41.图3是具体实施方式二的控制图；
42.图中1-压缩子系统，2-压缩热收集子系统，3-储气子系统，4-压缩热回馈子系统，5
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膨胀子系统，21-第一收集入口，22-第一收集出口，23-第二收集入口，24-第二收集出口， 31-低压储气室，32-第一储气出口，33-第二储气入口，34-第二储气出口，41-第一回馈出口，42-第一回馈入口，43-第二回馈入口，44-第二回馈出口，1-1-压缩电动机，1-2-压缩机，2-1-冷却器，2-2-高温储热罐，3-1-低压储气室，3-2-高压储气室，3-3-真空泵，3-4
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充气模块，3-41-充气瓶组，3-42-过滤器，4-1-低温储热罐，4-2-换热器，5-1-透平膨胀机， 5-2-发电机，101-第一电动机，102-第一压缩机，103-第二压缩机，201-第一冷却器，202
‑ꢀ
第二冷却器，203-第一高温储热罐，401-第一低温储热罐，402-第一换热器，403-第二换热器，501-第一透平膨胀机，502-第一发电机，503-第二透平膨胀机，61-第一自力式调节阀，62-第二截止阀，63-第一截止阀，64-第一止回阀，65-第七截止阀，66-第八截止阀， 67-第二自力式调节阀，68-第五截止阀，69-第六截止阀，610-第三截止阀，611-第四截止阀，612-第二止回阀，613-抽气止回阀，614-抽气截止阀，615-充气截止阀，71-第二循环水泵，72-第一循环水泵。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
44.本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。
45.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种闭式循环压缩储能发电系统，包括压缩子系统1、压缩热收集子系统2、储气子系统3、压缩热回馈子系统4 和膨胀子系统5；
46.所述压缩热回馈子系统4包括低温储热罐4-1和换热器4-2，低温储热罐4-1的入口和换热器4-2出口连接，压缩热回馈子系统4用于加热高压循环液体工质，热量储存低温储罐4-1内；
47.所述压缩子系统1包括压缩电动机1-1和压缩机1-2，压缩电动机1-1和压缩机1-2 电性连接；压缩子系统1用于压缩闭式循环工质；
48.所述压缩热收集子系统2包括冷却器2-1和高温储热罐2-2，冷却器2-1的出口与高温储热罐2-2入口连接，用于冷却压缩机1-2压缩后的高温高压液体工质，热量储存在高温储热罐2-2内；
49.所述储气子系统3包括低压储气室3-1和高压储气室3-2，低压储气室31连接有真空泵3-3和充气模块3-4，低压储气室3-1的入口和高压储气室3-2出口连接，用于储存高压气体或低压气体工质；
50.所述膨胀子系统5包括透平膨胀机5-1和发电机5-2，透平膨胀机5-1和发电机5-2 电性连接，用于膨胀做功，带动发电机5-2发电。
51.所述压缩电动机1-1的出口与冷却器2-1的第一收集入口21连接，冷却器2-1的第一收集出口22与高压储气室3-2的第一储气入口31连接，冷却器2-1的第二收集入口23 与低温储热罐4-1的第一回馈出口41连接，冷却器2-1的第二收集出口24与换热器4-2 的第一回馈入口42连接，换热器4-2的第二回馈入口43与高压储气室3-2的第一储气出口32连接，换热器4-2的第二回馈出口44与平膨胀机5-1的入口连接，平膨胀机5-1的出口与低压储气室3-1的第二储气入口33连接，低压储气室3-1的第二储气出口34与压缩机1-2的入口连接。
52.所述闭式循环压缩储能发电系统循环工质为比热大、可压缩性好的氦氙混合气体；所述换热液体介质为水或导热性好的油等。
53.工作原理如下：
54.所述压缩电动机1-1通电后带动压缩机1-2旋转压缩工质，压缩过程为近似绝热压缩过程，低温低压气体工质经过压缩后变成高温高压气体工质，压缩后的高温高压气体工质进入冷却器2-1与换热液体介质换热后进入高压储气室3-2，经过冷却器2-1换热液体介质收集的液体热能进入高温储热罐2-2储存，低压储气室3-1储存经过透平膨胀机5-1膨胀做功后的低压气体工质，高压气体工质进入换热器4-2与高温储热罐2-2换热液体介质换热后进入透平膨胀机5-1做功，带动发电机5-2发电，做功膨胀过程为近似绝热膨胀过程，高温高压气体工质经过膨胀后变成低温低压气体工质进入低压储气室3-1，经过换热器4-2换热后的换热液体介质热能进入低温储热罐4-1储存。
55.具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，一种闭式循环压缩储能发电系统，包括压缩子系统1、压缩热收集子系统2、储气子系统3、压缩热回馈子系统4和膨胀子系统5；
56.所述压缩子系统1包括第一电动机101、第一压缩机102和第二压缩机103，所述第一电动机101、第一压缩机102和第二压缩机103依次串联；
57.压缩热收集子系统2包括第一冷却器201、第二冷却器202和第一高温储热罐203；
58.所述储气子系统3包括低压储气室3-1和高压储气室3-2，低压储气室3-1的入口和高压储气室3-2出口连接，低压储气室31连接有真空泵3-3和充气模块3-4。
59.所述压缩热回馈子系统4包括第一低温储热罐401、第一换热器402和第二换热器403；
60.所述膨胀子系统5包括第一透平膨胀机501、第二透平膨胀机503和第一发电机502，第一发电机502、第一透平膨胀机501和第二透平膨胀机503依次串联；
61.第一压缩机102的出口与第一冷却器201的第一收集入口21连接，第一压缩机102 的入口与低压储气室31的第二储气出口34连接，第二压缩机103的出口与第二冷却器 202
的左侧入口连接，第二压缩机103的入口与第一冷却器201右侧出口连接；第二冷却器202的第一收集出口22与高压储气室3-2的第一储气入口31连接；
62.第一冷却器201的右侧入口和第二冷却器202的第二收集入口23均与第一低温储热罐401的第一回馈出口41连接，第一冷却器201和第二冷却器202二者的左侧出口均与第一高温储热罐203的入口连接。
63.第一换热器402和第二换热器403的左侧入口汇合形成第一回馈入口42，第一回馈入口42与第一高温储热罐203的第二收集出口24连接，第一换热器402的第二回馈出口 44与第一透平膨胀机501的入口连接，第一换热器402和第二换热器403二者的右侧出口均与第一低温储热罐401的入口连接，第一低温储热罐401具有第一回馈出口41，第二换热器403的第二回馈入口43与高压储气室3-2的第一储气出口32连接，第二透平膨胀机503的出口与第一换热器402的右侧入口连接，第二透平膨胀机503的入口第二换热器403左侧出口连接。
64.所述第一压缩机102和第二储气出口34的连接管路上安装有第一自力式调节阀61 和第二截止阀62，第二储气入口33和第一透平膨胀机501的连接管路上安装有第一截止阀63，第一高温储热罐203的入口处安装有第七截止阀65，第一高温储热罐203出口处依次安装有第二循环水泵71和第八截止阀66，第二透平膨胀机503的入口处安装有第二自力式调节阀67，第一低温储热罐401的入口处安装有第五截止阀68，第一低温储热罐 401的第一回馈出口41依次安装有第一循环水泵72和第六截止阀69，高压储气室3-2的第一储气入口31和第一储气出口32分别安装有第三截止阀610和第四截止阀611，所述第二储气入口33和第一透平膨胀机501的连接管路上安装有第一止回阀64，第二压缩机 103的出口处安装有第二止回阀612，避免循环气体工质回流。
65.所述真空泵3-3通过抽气止回阀613和抽气截止阀614与低压储气室3-1连接，所述充气模块3-4包括充气瓶组3-41和过滤器3-42，充气瓶组3-41通过充气截止阀615和过滤器3-42连接，过滤器3-42和低压储气室3-1连接。
66.所述闭式循环压缩储能发电系统循环工质为比热大、可压缩性好的氦氙混合气体；所述换热液体介质为水或导热性好的油等。
67.具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，基于具体实施方式二，本实施方式的一种闭式循环压缩储能发电系统的运行方法，包括：
68.步骤1，打开抽气截止阀614，启动真空泵3-3，排清闭式循环回路中的空气后关闭真空泵3-3及抽气截止阀614；
69.步骤2，打开充气截止阀615，向低压储气室3-1中注入待运行循环工质，循环工质为氦氙混合气，循环工质充满闭式循环回路中，达到运行压力后关闭充气截止阀615；
70.步骤3，低压储气室3-1存储循环气体工质，第一低温储热罐401存储低温液体热能，第一高温储热罐203存储高温液体热能；
71.步骤4，第一压缩机102、第二压缩机103、第一透平膨胀机501和第二透平膨胀机 503控制设备进口压力和温度；
72.步骤5，储能时，打开第二截止阀62和第三截止阀610，调节第一自立式调节阀61 控制第一压缩机102进口压力和温度；
73.打开第六截止阀69和第七截止阀65，启动第一循环泵72；按照设定运行转速启动第一电动机101，带动第一压缩机102和第二压缩机103旋转压缩循环工质，压缩后的高温高
压气体循环工质经第一换热器402和第二换热器403换热后进入高压储气室3-2，获得热能的换热液体介质进入第一高温储热罐203，完成储能过程，关闭第二截止阀62、第三截止阀610、第六截止阀69、第七截止阀65和第一电动机101；
74.步骤6，释能时，打开第一截止阀63和第四截止阀611，调节第二自立式调节阀67 控制第一透平膨胀机501和第二透平膨胀机503进口温度和压力；
75.打开第五截止阀68和第八截止阀66，启动第二循环泵71；
76.循环工质经过第一换热器402和第二换热器403换热后变成高温高压工质，进入第一透平膨胀机501和第二透平膨胀机503做功，带动第一发电机502发电，完成换热过程的换热液体介质进入第一低温储热罐401储存，完成释能过程，关闭第一截止阀63、第四截止阀611、第五截止阀68和第八截止阀66。
77.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
78.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
79.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
80.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
81.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
82.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
83.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。