一种与氢能耦合的压缩空气储能系统的制作方法

所属本发明属于新能源储能，具体涉及一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，是对现有压缩空气储能增大出力的一种方式。

背景技术：

1、储能技术是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术之一。压缩空气储能是以压缩空气为载体进行储能，是一种低成本、大容量的新型电力储能技术。压缩储能时，通过对弃风、弃光、低谷电等电能的利用来驱动压缩机，从而将空气压缩成高压空气并储存在储气库中。同时压缩过程中的压缩热被换热器及储热介质回收，存储在蓄热系统中，完成解耦存储。膨胀释能时，通过透平膨胀系统将高压空气释放进行发电，同时利用所回收的压缩热能对膨胀过程进行补热，完成空气压力势能和压缩热能的耦合释能。

2、氢能具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等优点，是未来极具前景的能源形式。氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的重要纽带。氢气储运是氢能产业的中间环节，联结着产业链前端的制氢和后端的氢能应用环节。目前，氢气储运环节受制于氢储运效率较低的问题，一直是制约氢能产业发展的瓶颈所在，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点。

3、目前已有补燃式大型压缩空气储能商业电站，都是利用高压空气和天然气混合燃烧，产生的高温高压烟气在燃气轮机中膨胀做功对外发电。这种流程需要天然气补燃，从而产生碳排放和环境问题，同时由于对天然气等燃料的依赖，限制了系统的应用。

4、近几年实施的实验装置、示范项目或者大型工程，多为无外部热源的压缩空气储能系统，完全利用压缩过程产生的压缩热来加热释能阶段进入空气透平做功的空气。对于一个完整的压缩空气储能工程项目，整个系统通过回收、利用压缩机的级间热后，是一个热量自平衡的系统，空气透平出力受限与透平入口空气温度，限制了空气透平出力的继续增大。

5、如何引入氢气对系统进行补热，期望能进一步提升透平整体出力，摆脱高温压缩机的限制，改进压缩空气储能技术，则是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，与新能源氢气结合，针对现有氢气储运成本高，提供一种消纳氢气的技术方案，同时增大压缩空气储能系统空气透平出力，提高储能系统综合供能效率。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元。

4、该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐相连；

5、该压缩空气释能单元包括与储气库的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机，以及该第二换热器的高温进口和低温出口分别与该高温储热罐和一低温储热罐相连；

6、该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中。

7、作为优选，该空气压缩机至少包括一级空气压缩机和二级空气压缩机，该第一换热器至少包括一级第一换热器和二级第一换热器，其中该一级空气压缩机的进气口与外部空气连通，该一级空气压缩机的出气口与一级第一换热器相连，该一级第一换热器的出气口与二级空气压缩机相连，该二级空气压缩机的出气口与二级第一换热器相连，该二级第一换热器的出气口与储气库相连通；以及，该一级第一换热器和二级第一换热器的高温介质出口均与该高温储热罐相连。

8、作为优选，该第二换热器至少包括一级第二换热器和二级第二换热器，该空气透平至少包括一级空气透平和二级空气透平；其中该一级第二换热器的进气口与该储气库相连通，该一级第二换热器的出气口经过第一阀门与该一级空气透平的进气口相连，该一级空气透平的出气口与该二级第二换热器的进气口相连，该二级第二换热器的出气口经过第二阀门与该二级空气透平的进气口相连，该二级空气透平带动连接发电机。

9、作为优选，该高温储热罐的高温介质出口分别与该一级第二换热器和二级第二换热器的高温空气进口相连，该一级第二换热器和二级第二换热器的低温出口分别与该低温储热罐的低温进口相连，且该低温储热罐的低温出口分别该一级第一换热器和二级第一换热器的低温进口相连。

10、作为优选，该高温储热罐的高温介质出口处设置有高温介质泵，该低温储热罐的低温介质出口处设置有低温介质泵。

11、作为优选，该氢气燃烧器至少包括一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器，该储气库的出气口分别经过第三阀门和第四阀门与一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器的进气口相连，以及还具有一储氢系统，该储氢系统分别与一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器的氢气进口相连，以及该一级氢气燃烧器的排气口经过第一引射器引入连接设置于一级第二换热器和一级空气透平之间的管道中，该二级氢气燃烧器的排气口经过第二引射器引入连接设置于二级第二换热器和二级空气透平之间的管道中。

12、作为优选，该储气库的出气口还分别与第一引射器和第二引射器的进气口相连。

13、作为优选，该一级氢气燃烧器的排气口经过第一引射器引入连接设置于第一阀门和一级空气透平之间的管道中，该二级氢气燃烧器的排气口经过第二引射器引入连接设置于第二阀门和二级空气透平之间的管道中。

14、作为优选，第三阀门和第四阀门均为减压阀。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

16、1、本发明属于一种引入外部热源的压缩空气储能系统，采用多级压缩和热量回收的方案，提高了压缩空气储能系统的效率。

17、2、现有压缩空气储能，透平入口温度受制于压缩机排气温度，因此系统效率进一步提高受到限制，区别于现有压缩空气储能，本方案在回收压缩机排气热量之后，引入外部热源，即设置氢气燃烧器，高温排气与压缩空气混合，进一步提升透平入口空气温度，从而达到更高的空气透平出力和发电效率。提供了一种氢能与压缩空气储能技术综合应用的新思路。

18、3、现有压缩空气储能系统，采用天然气作为燃料，增加了二氧化碳温室气体排放，区别于现有压缩空气储能，本发明采用氢气作为燃料，氢气燃烧产物为水蒸气，清洁无污染。

19、4、本发明设置引射器，氢气燃烧器高温排气被压缩空气储气库的高压气体引射，在引射器内混合后，再与透平入口的压缩空气混合，提高了空气透平入口的气体温度，避免了使用再热器而造成的压力损失和传热损失，同时摆脱了高温压缩机的限制。

20、5、本发明中压缩空气储能子系统根据系统热力参数，可选取水、导热油、熔盐等作为储热介质，充分回收和利用压缩热，提高系统工作效率。

技术特征：

1.一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元；

2.根据权利要求1所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该空气压缩机至少包括一级空气压缩机(1)和二级空气压缩机(2)，该第一换热器至少包括一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)，其中该一级空气压缩机(1)的进气口与外部空气连通，该一级空气压缩机(1)的出气口与一级第一换热器(3)相连，该一级第一换热器(3)的出气口与二级空气压缩机(2)相连，该二级空气压缩机(2)的出气口与二级第一换热器(4)相连，该二级第一换热器(4)的出气口与储气库(8)相连通；以及，该一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)的高温介质出口均与该高温储热罐(6)相连。

3.根据权利要求2所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该第二换热器至少包括一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)，该空气透平至少包括一级空气透平(11)和二级空气透平(13)；其中该一级第二换热器(10)的进气口与该储气库(8)相连通，该一级第二换热器(10)的出气口经过第一阀门(20)与该一级空气透平(11)的进气口相连，该一级空气透平(11)的出气口与该二级第二换热器(12)的进气口相连，该二级第二换热器(12)的出气口经过第二阀门(21)与该二级空气透平(13)的进气口相连，该二级空气透平(13)带动连接发电机(14)。

4.根据权利要求3所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该高温储热罐(6)的高温介质出口分别与该一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)的高温空气进口相连，该一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)的低温出口分别与该低温储热罐(5)的低温进口相连，且该低温储热罐(5)的低温出口分别该一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)的低温进口相连。

5.根据权利要求4所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该高温储热罐(6)的高温介质出口处设置有高温介质泵(9)，该低温储热罐(5)的低温介质出口处设置有低温介质泵(7)。

6.根据权利要求4所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该氢气燃烧器至少包括一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)，该储气库(8)的出气口分别经过第三阀门(22)和第四阀门(23)与一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)的进气口相连，以及还具有一储氢系统(15)，该储氢系统(15)分别与一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)的氢气进口相连，以及该一级氢气燃烧器(16)的排气口经过第一引射器(17)引入连接设置于一级第二换热器(10)和一级空气透平(11)之间的管道中，该二级氢气燃烧器(18)的排气口经过第二引射器(19)引入连接设置于二级第二换热器(12)和二级空气透平(13)之间的管道中。

7.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该储气库(8)的出气口还分别与第一引射器(17)和第二引射器(19)的进气口相连。

8.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，该一级氢气燃烧器(16)的排气口经过第一引射器(17)引入连接设置于第一阀门(20)和一级空气透平(11)之间的管道中，该二级氢气燃烧器(18)的排气口经过第二引射器(19)引入连接设置于第二阀门(21)和二级空气透平(13)之间的管道中。

9.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，其特征在于，第三阀门(22)和第四阀门(23)均为减压阀。

技术总结
本发明公开了一种与氢能耦合的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元。该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐相连；该压缩空气释能单元包括与储气库的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机，该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中。本发明引入氢气燃烧器，高温排气与压缩空气混合，进一步提升透平入口空气温度，从而达到更高的空气透平出力和发电效率。

技术研发人员：吴云,牛苗任,赵耀华,孙永斌,宋玉文,聂会建,杨易凡
受保护的技术使用者：中国能源建设股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17