一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统及方法

1.本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.地下储能常利用枯竭油气藏、含水层、盐穴等进行储能库建设，具有广阔应用前景，是支撑大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术。其中盐穴是通过浸出法完成地下采盐后所留下的洞穴，其空间巨大、结构稳定，气密性好，是作为地下储能的重要形式之一。在诸多储能技术中，压缩空气储能具有大容量、高功率的技术特征，可用于长时间尺度的能量转移，即削峰填谷，从而提高能源利用效率，缓解电力网络堵塞，且压缩空气储能对地理条件要求较低，因此将高压空气存储在地下的废弃盐穴中既能作为能量储备，又能充分利用地下闲置空间，实现多种形式能量的大规模高效存储，是实现可持续发展和绿色发展战略的重要选择之一。
3.现有的压缩空气储能系统普遍效率较低，主要是由于压缩机部分能量转换效率较低，而当采用盐穴储气时，又会带来新的问题。采盐过程中向地下注入水溶解岩盐，利用水不断地循环，逐渐将岩盐开采完毕，留下可供储气的洞穴，虽然后续会通过注气脱除部分盐水，但仍会有大量盐水留存在溶洞底部。另一方面，压缩后的空气通常为高温高压，而盐穴常年为25℃左右的恒温环境，高温的空气在储存入盐穴后会由于温度逐渐降低而不断冷凝出水分，因此，从盐穴中出来的高压空气中会裹挟一定量的水滴。含水的气体在推动膨胀机时，水滴冲击会对叶片造成损伤，若遇到流量较小的情况，温度可能会降低到零下使得液滴结冰，高速运动情况下的小冰块则可能直接损毁叶片。这些问题都对基于盐穴的压缩空气储能带来极大的挑战。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明充分结合盐穴可“储水”的特点，并针对压缩机空气储能系统中能量转换效率低的问题，提供一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统及方法，本发明既适用于盐穴的特色与工况，又能有效提升压缩机与膨胀机部分的能效，使得系统的整体效率得到大幅提升。
5.本发明采用的技术系统如下：
6.一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统，包括压缩机、水喷雾器、第一汽水分离器、盐穴、膨胀做功模块和余热利用循环系统，所述水喷雾器用于向压缩机的气缸内喷水雾；
7.压缩机的压缩空气出口通过第一管路与盐穴的入口连通，第一汽水分离器设置于第一管路上，盐穴的出口通过第二管路与膨胀做功模块的空气入口连接，第二管路上沿着气流方向依次设有第二汽水分离器和干燥器；
8.压缩机的换热循环接口和膨胀做功模块的换热循环接口均与余热利用循环系统
连接。
9.优选的，第一汽水分离器的分离水出口和第二汽水分离器的分离水出口均与水喷雾器连接，第二汽水分离器与水喷雾器连接的管路上设有水过滤器。
10.优选的，本发明基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统还包括控制器，控制器与水喷雾器以及压缩机的电动机连接，控制器用于根据电动机的输入功率控制水喷雾器实时调节喷水量，使水喷雾器的喷水量不能高于压缩机气缸中的水分在气体压缩过程中的蒸发量。
11.优选的，所述干燥器采用脱水时能发热型的干燥器。
12.优选的，所述干燥器中的干燥剂采用生石灰。
13.优选的，所述膨胀做功模块采用膨胀机。
14.优选的，本发明基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统还包括发电机，发电机与膨胀机连接。
15.优选的，余热利用循环系统包括冷却器、再热器、蓄冷器和蓄热器，冷却器的热侧与压缩机的换热循环接口连接；再热器的冷侧与膨胀做功模块的换热循环接口连接；
16.冷却器的冷侧出口与蓄热器的换热介质入口连接，冷却器的冷侧入口与蓄冷器的换热介质出口连接；
17.再热器的热侧出口与蓄冷器的换热介质入口连接，再热器的热侧入口与蓄热器的换热介质出口连接。
18.本发明还提供了一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能的方法，该方法采用本发明如上所述的基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统进行，该方法包括如下过程：
19.储能阶段：将电网的富余电能用来驱动压缩机工作，压缩机对空气进行压缩、通过第一管路将压缩空气输送至盐穴中进行储存，第一汽水分离器对流经第一管路的压缩空气进行汽水分离；压缩机在运行时，通过水喷雾器向压缩机的气缸内喷水雾，喷入的水雾在压缩机中空气压缩的过程中蒸发掉，使压缩机气缸内的温度降低；余热利用循环系统对压缩机进行降温，并将吸收的热量进行存储；
20.释能阶段：盐穴中的压缩空气经第二管路进入膨胀做功模块并对外做功；压缩空气在第二管路中流动时依次被第二汽水分离器进行汽水分离以及被干燥器干燥；余热利用循环系统对膨胀做功模块的膨胀气体进行加热。
21.优选的，余热利用循环系统包括冷却器、再热器、蓄冷器和蓄热器，冷却器的热侧与压缩机的换热循环接口连接；再热器的冷侧与膨胀做功模块的换热循环接口连接；
22.冷却器的冷侧出口与蓄热器的换热介质入口连接，冷却器的冷侧入口与蓄冷器的换热介质出口连接；
23.再热器的热侧出口与蓄冷器的换热介质入口连接，再热器的热侧入口与蓄热器的换热介质出口连接；
24.在储能阶段，压缩机压缩过程中产生的热量经冷却器热侧的换热介质循环导出，蓄冷器中的换热介质流经冷却器的冷侧并吸收冷却器热侧的热量，然后再进入蓄热器储存；
25.在释能阶段，蓄热器中的换热介质流经再热器的热侧，再热器冷侧的换热介质吸收再热器热侧的热量，然后加热膨胀做功模块的膨胀气体，再热器热侧的换热降温后的换
热介质进入蓄冷器储存。
26.本发明具有如下有益效果：
27.本发明提供的基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统，适用于盐穴储气。盐穴中残存水分，且常年维持20～35℃，使得存储的高温高压气体会不断析出水分，从而气体流出时会裹挟水滴，可能会对膨胀做功模块(如膨胀机)造成损坏。盐穴中本身有水，储气过程中又会析出水，考虑到盐穴结构不会因为水的存在而遭到破坏，因此进入的高压气体中允许更多的水存在。本发明设置水喷雾器能够向压缩机的气缸内喷水雾，在压缩机压缩空气过程中水雾蒸发吸收热量，使得压缩机的气缸内的温度实现一定程度的降低，提高压缩机的压缩效率。由于压缩机中水雾的蒸发导致压缩空气中携带有水分，本发明的巧妙利用盐穴“储水”的特点，为喷水压缩后析出的水滴提供存留空间，使得压缩机的“湿压缩”能够得以在储能系统中应用，并通过第二汽水分离器和干燥器确保膨胀做功模块能够安全工作，从整体上提升了系统的经济性与可靠性。本发明能够利用喷水“湿压缩”和余热利用循环系统的双重作用实现了压缩机近乎等温运行的效果，并利用回收的压缩机余热对膨胀做功模块中的气体进行增温，能极大的提高系统的效率，提高经济性。
附图说明
28.图1为本发明基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统的整体结构图。
29.图中：11-压缩机，12-电动机，21-膨胀机，22-发电机，33-盐穴，41-控制器，42-水喷雾器，43-第一汽水分离器，44-第二汽水分离器，45-干燥器，46-水过滤器，51-冷却器，52-再热器，53-蓄热器，54-蓄冷器，55-第一管路，56-第二管路。
具体实施方式
30.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
31.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“中”、“内”、“外”、“靠近”、“远离”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个原件内部的连通或两个原件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
34.现有压缩空气储能系统中能量转换效率低，主要是因为气体增压过程中缸内气体温度不断升高使得压缩机需要消耗更多压缩功，且压缩机产生的热量直接耗散掉而造成能量的损失。对于盐穴储气库，其常年处于与地表相近的较低的恒温温度，且因浸出法采盐而导致盐穴底部残存较多水分，混合水滴的高压气体在膨胀机中做功时会不断降温，当流量较小时，会凝结出冰晶，对膨胀机叶片造成破坏。有鉴于此，本发明提供了以下一种基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统。
35.具体的，如图1所示，本发明的基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统主要包括压缩机11，压缩机11工作时依靠其电动机12进行驱动；压缩机11通过第一管路55与盐穴33的入口连接，第一管路55上设有第一汽水分离器43，第一汽水分离器43的气路端口接入第一管路55，第一汽水分离器43的上端为分离水出口，第一汽水分离器43的分离水出口与水喷雾器42连接，经第一汽水分离器43干燥后的压缩空气通入盐穴33中进行储存；水喷雾器42通过线路与控制器41相连，水喷雾器42还与压缩机11相连，能够向压缩机11的气缸中喷入水雾。
36.盐穴33右侧设置压缩空气出口，盐穴33的压缩空气出口通过第二管路56与膨胀机的进气口连通，第二管路56上沿着气流方向依次设有第二汽水分离器44和干燥器45；第二汽水分离器44的上端口为分离水出口，第二汽水分离器44的分离水出口通过管路与水过滤器46相连，水过滤器46上端为净化水出口，水过滤器46的净化水出口通过管路与水喷雾器42连接；膨胀机21的出气口直接通入大气中；膨胀机21通过线路连接发电机22。
37.压缩机11的换热循环接口连接冷却器51的热侧，冷却器51热侧的换热介质在压缩机11与冷却器51热侧中进行内循环；冷却器51中冷侧的换热介质经过管路从冷却器51冷侧出口出来后进入蓄热器53中，蓄热器53出口通过管路与再热器52的热侧入口连接，再热器52的热侧流出的换热介质通过管路进入到蓄冷器54中储存，从蓄冷器54出口出来的换热介质继续进入冷却器51冷侧中进行吸热，如此形成换热介质在冷却器
→
蓄热器
→
再热器
→
蓄冷器
→
冷却器间的循环；再热器52冷侧的换热介质在膨胀机21与再热器52中进行内循环，对膨胀机21中的膨胀气体加热。
38.本发明基于盐穴储气的高效压缩空气储能系统应用时，在储能与释能过程中，具体的工作过程如下：
39.储能时，前端电网所输送过来的富余电量带动电动机12工作，电动机12驱动压缩机11对吸入的环境空气进行增压，压缩机11压缩后的高温高压的空气储存在盐穴33中；在释能阶段，盐穴33中的高压空气驱动膨胀机21做功，膨胀机21驱动发电机进行发电，发电机输出电能并入用户电网。
40.具体的，在储能阶段，压缩机11在运行时，压缩机11采用喷水湿压缩法，该过程中根据电动机12的输入功率，通过控制器41实时调节水喷雾器42的喷水量，使得水喷雾器42喷入压缩机11的水分能在气体压缩过程中迅速蒸发掉，以防止留存的液滴对压缩机叶片产生腐蚀与破坏，并且水分在气化过程中吸收热量，使得压缩机11的气缸内的温度实现一定程度的降低。
41.压缩机11排气端的高温高压气体通过第一管路55向盐穴33流动，在流动过程中，第一管路55中不断冷凝出液态水，因此高压气体需在注入盐穴前经过第一汽水分离器43进
行除水，第一汽水分离器43通常采用机械式结构的汽水分离器，除去水分的高压空气注入盐穴33进行储存，经第一汽水分离器43分离出来的水分返回水喷雾器42中进行循环利用。
42.在储能过程中，压缩机11运行时会产生大量热量，通过冷却器51的热侧循环吸收压缩机11压缩过程产生的热量，冷却器51的热侧将吸收的热量传递给冷却器51的冷侧，冷却器51的冷侧将吸收的热量存储在蓄热器53中，冷却器51与水喷雾器42的共同作用基本可使得压缩机11实现等温运行，大幅提升压缩机效率；
43.盐穴33通常与地层等温，常年维持在20～35℃。通常从压缩机11中排出的高压气体具有较高的温度，即使经过冷却，其温度也会维持在40℃左右，将该高压气体注入盐穴33后，会逐渐降低到25℃左右，冷却后的气体会继续析出部分水分，并与盐穴中原有残存的水分混合。
44.释能时，盐穴33中的高压气体流出，高压气体在流动过程中会扰动水层，从而裹挟盐穴中的水滴流出。盐穴中排出的混合流先经过第二汽水分离器44去除液态水，再经过干燥器45脱除高压空气中的水蒸气。第二汽水分离器44中脱除的水分经水过滤器46去除其中的杂质成分后，重新注入水喷雾器42中循环利用。
45.经第二汽水分离器44初步分离液态水后的高压空气进入干燥器45中进一步干燥。所选干燥器45中优先选用生石灰这些干燥物质，所应用的反应为放热反应，能避免气体进一步降温。经过脱水与干燥后的高压气体中几乎已经不含任何水分，在经过膨胀机21时，即使流量较小，也不会再出现低温凝结出水滴或冰晶的现象。
46.高压空气在膨胀机21中膨胀做功，膨胀机21驱动发电机22发电，将发电机22发出的电并入用户电网。高压空气在膨胀机21中做功后，温度不断降低，此时将蓄热器53中的换热介质引入再热器52的热侧来对再热器52的冷侧加热，再热器52的冷侧吸热后，进入膨胀机21并对膨胀机21的膨胀气体加热，提升气体温度，进而提高膨胀机21的效率，同时，再热器52热侧中释放热量后的换热介质温度降低，之后进入蓄冷器54中进行存储，用于后续冷却压缩机11时使用。
47.从上述方案可以看出，本发明具有以下特点：1.本发明提供的高效压缩空气储能系统，适用于盐穴储气。盐穴中残存水分，且常年维持20～35℃，使得存储的高温高压气体会不断析出水分，从而气体流出时会裹挟水滴，可能会对膨胀机造成损坏。本发明的系统巧妙利用盐穴可“储水”的特点，为喷水压缩后析出的水滴提供存留空间，使得“湿压缩”能够得以在储能系统中应用，并通过后方的除水与干燥环节确保膨胀机能够安全工作，从整体上提升了系统的经济性与可靠性。
48.2.该压缩空气储能系统中利用喷水“湿压缩”和冷却器的双重作用实现了压缩机近乎等温运行的效果，并利用回收的压缩机余热对膨胀机中的气体进行增温，能极大的提高系统的效率，提高经济性。
49.3.该压缩空气储能系统中，在盐穴的入口端对部分析出的水分进行分离与回收，又在盐穴的排气端对裹挟的水滴进行脱除与干燥，并将两汽水分离器中的水分返回压缩机中的水喷雾器中，这样整个系统中，水分能够有效的循环利用，且各个部分的含水量几乎都处于平衡状态，保证了系统的稳定性。