快速响应的储能系统及其使用方法与流程

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种快速响应的储能系统及其使用方法。

背景技术

电力行业作为社会基础产业，是国家发展的命脉产业之一。随着国内经济的高速发展，电力需求也日益增长，而电网的峰谷差也逐渐拉大。储能技术是解决分布式能源系统容量小、负荷波动大等问题的关键技术，对于发展和完善电网储能结构具有重大意义。

压缩空气储能系统是目前广泛应用的一种储能技术，其主要原理利用电力系统负荷低谷时段的剩余电力进行储能，在负荷高峰时段将其释放出来用以驱动膨胀机发电。压缩空气储能系统具有容量大、成本低、安全性高，运行可靠等优点，特别适合为电网提供调峰服务和容量备用。

压缩空气储能系统的主要能量转化设备为压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机中设有承压轴承、高速齿轮箱等部件，而上述部件在运行时需要油润滑和油冷却，因而在系统运行前，必须保证油系统准备完毕。通常情况下，油箱的油温达到30℃以上时，油系统才允许启动，而由于受环境温度的影响，一年中的大部分时间中开机前油箱的油温通常低于允许的开机温度，尤其在冬季，油箱的预热时间长达半小时，甚至更久。但是，在电网调峰、尤其是深度调峰时，一般要求调峰机组的响应时间为数分钟量级，若系统响应速度较慢，则无法为电网提供优质的容量支撑，其技术竞争性和经济性将大打折扣。显然，现有的压缩空气储能系统并不能满足电网调度的响应速度。

技术实现要素：

本发明要解决的是现有技术中压缩空气储能系统响应速度慢的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种快速响应的储能系统，该系统包括储气室、压缩机组、膨胀机组、压缩机组油箱、膨胀机组油箱、压缩机组油冷却器、膨胀机组油冷却器、压缩机组油泵、膨胀机组油泵以及分别与所述压缩机组和所述膨胀机组连接的电动机和发电机，所述压缩机组油箱和所述膨胀机组油箱内均设有加热管和温度传感器；

所述压缩机组的出口通过所述膨胀机组油箱内的加热管与所述储气室的进口连通，所述储气室的出口依次通过调节阀和所述膨胀机组与所述压缩机组油箱内的加热管连通；

所述压缩机组油箱、所述压缩机组油泵、所述压缩机组内部的油路和所述压缩机组油冷却器的高温侧首尾依次连接、以形成第一油循环回路；

所述膨胀机组油箱、所述膨胀机组油泵、所述膨胀机组内部的油路和所述膨胀机组油冷却器的高温侧首尾依次连接、以形成第二油循环回路。

其中，所述压缩机组的出口分别与所述储气室的进口和所述膨胀机组油箱内的加热管的进口连通。

其中，所述膨胀机组油箱内的加热管的进口处设有第一阀门。

其中，还包括空气回热器，所述调节阀通过所述空气回热器的低温侧与所述膨胀机组的进口连通，所述膨胀机组的出口分别与所述空气回热器的高温侧的进口和所述压缩机组油箱内的加热管的进口连通。

其中，所述压缩机组油箱内的加热管的进口处设有第二阀门。

其中，所述压缩机组油冷却器的低温侧的进口与外界大气连通、出口与所述压缩机组的进口连通。

其中，所述调节阀通过所述膨胀机组油冷却器的低温侧与所述膨胀机组的进口连通。

其中，所述储气室的进口处设有单向阀。

其中，还包括第一换热器、第二换热器、储热器、储冷器、第三阀门和第四阀门；所述储冷器、所述第三阀门、所述第一换热器的低温侧、所述储热器、所述第四阀门和所述第二换热器的高温侧首尾依次连接，以形成回热循环回路；所述压缩机组的出口通过所述第一换热器的高温侧与所述膨胀机组油箱内的加热管连通，所述调节阀通过所述第二换热器的低温侧与所述膨胀机组的进口连通。

为解决上述问题，本发明还提供了一种快速响应的储能系统的使用方法，该方法：

储能时，包括以下步骤：

s1.1、获取压缩机组油箱的油温，并跳转执行步骤s1.2；

s1.2、判断所述压缩机组油箱的油温是否不小于第一温度阈值，若是则执行步骤s1.3，若否则执行步骤s1.1；

s1.3、启动电动机和压缩机组油泵，并跳转执行步骤s1.4；

s1.4、获取膨胀机组油箱的油温，并跳转执行步骤s1.5；

s1.5、判断所述膨胀机组油箱的油温是否大于第二温度阈值，若是则执行步骤s1.6，若否则执行步骤s1.4；其中，所述第一温度阈值小于所述第二温度阈值；

s1.6、关闭第一阀门；

释能时，包括以下步骤：

s2.1、获取膨胀机组油箱的油温，并跳转执行步骤s2.2；

s2.2、判断所述膨胀机组油箱的油温是否不小于第三温度阈值，若是则执行步骤s2.3，若否则执行步骤s2.1；

s2.3、打开调节阀，启动膨胀机组油泵，并跳转执行步骤s2.4；

s2.4、获取压缩机组油箱的油温，并跳转执行步骤s2.5；

s2.5、判断所述压缩机组油箱的油温是否大于第四温度阈值，若是则执行步骤s2.6，若否则执行步骤s2.4；其中，所述第三温度阈值小于所述第四温度阈值；

s2.6、关闭第二阀门。

本发明结构简单、操作便捷，储能时，通过利用压缩机组的排气预热膨胀机组油箱中的润滑油，就可保证释能时膨胀机组油箱的油温能快速满足膨胀机组的开机条件。与此同时，释能时，通过利用膨胀机组的排气预热压缩机组油箱中的润滑油，就可保证储能时压缩机组油箱的油温能快速满足压缩机组的开机条件。可见，该系统不仅能在储能和释能阶段实现快速响应，而且还无需消耗外部热能对膨胀机组油箱和压缩机组油箱进行加热。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种快速响应的储能系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1中另一种快速响应的储能系统的结构示意图；

图3是本发明实施例1中另一种快速响应的储能系统的结构示意图；

图4是本发明实施例2中储能时快速响应的储能系统的使用方法流程图；

图5是本发明实施例2中释能时快速响应的储能系统的使用方法流程图。

附图标记：

1-1、电动机；1-2、压缩机组；1-3、压缩机组油冷却器；

1-4、压缩机组油箱；1-5、压缩机组油泵；2、储气室；

3、调节阀；4-1、发电机；4-2、膨胀机组；

4-3、膨胀机组油冷却器；4-4、膨胀机组油箱；

4-5、膨胀机组油泵；5、第一阀门；6、空气回热器；

7、第二阀门；8、储冷器；9、第三阀门；10、第一换热器；

11、储热器；12、第四阀门；13、第二换热器。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种快速响应的储能系统，该系统包括储气室2、压缩机组1-2、膨胀机组4-2、压缩机组油箱1-4、膨胀机组油箱4-4、压缩机组油冷却器1-3、膨胀机组油冷却器4-3、压缩机组油泵1-5、膨胀机组油泵4-5以及分别与压缩机组1-2和膨胀机组4-2连接的电动机1-1和发电机4-1，压缩机组油箱1-4和膨胀机组油箱4-4内均设有加热管和温度传感器；

压缩机组1-2的出口通过膨胀机组油箱4-4内的加热管与储气室2的进口连通，储气室2的出口依次通过调节阀3和膨胀机组4-2与压缩机组油箱1-4内的加热管连通；

压缩机组油箱1-4、压缩机组油泵1-5、压缩机组1-2内部的油路和压缩机组油冷却器1-3的高温侧首尾依次连接、以形成第一油循环回路；

膨胀机组油箱4-4、膨胀机组油泵4-5、膨胀机组4-2内部的油路和膨胀机组油冷却器4-3的高温侧首尾依次连接、以形成第二油循环回路。

由此，储能时，先检测压缩机组油箱1-4的油温，当压缩机组油箱1-4的油温满足压缩机组1-2的开机条件时，即当压缩机组油箱1-4的油温不小于最低温度阈值时，启动电动机1-1和压缩机组油泵1-5。此时，压缩机组油泵1-5会不断将压缩机组油箱1-4中的润滑油泵送到压缩机组1-2内部的油路中，使其对压缩机组1-2内的各个部件进行冷却润滑。升温后的润滑油从压缩机组1-2流出后便流入压缩机组油冷却器1-3的高温侧进行冷却，润滑油经压缩机组油冷却器1-3冷却降温后又会流回压缩机组油箱1-4。与此同时，在电动机1-1的驱动下，压缩机组1-2会不断将从其进口流入的空气压缩成高温高压的压缩空气，压缩空气从压缩机组1-2排出后便通过膨胀机组油箱4-4内的加热管流入储气室2。由于，膨胀机组油箱4-4的油温远低于压缩空气的温度，因此当压缩空气流经膨胀机组油箱4-4时，压缩空气会不断通过导热、对流等方式将热量传递给膨胀机组油箱4-4中的润滑油，以使释能时膨胀机组油箱4-4的油温能快速满足膨胀机组4-2的开机条件。

释能时，先检测膨胀机组油箱4-4的油温，由于储能时，压缩机组1-2的排气对膨胀机组油箱4-4中的润滑油进行了预热，因此膨胀机组油箱4-4的油温很容易满足膨胀机组4-2的开机条件，即膨胀机组油箱4-4的油温可快速位于最低温度阈值以上，从而当接到发电指令，打开调节阀3后，该系统能快速启动膨胀机组油泵4-5进入释能阶段。由此，膨胀机组油泵4-5会不断将膨胀机组油箱4-4中的润滑油泵送到膨胀机组4-2内部的油路中，使其对膨胀机组4-2内的各个部件进行冷却润滑。升温后的润滑油从膨胀机组4-2流出后便流入膨胀机组油冷却器4-3的高温侧进行冷却，润滑油经膨胀机组油冷却器4-3冷却降温后又会流回膨胀机组油箱4-4。与此同时，打开调节阀3后，储气室2内存储的压缩空气会不断流入膨胀机组4-2进行做功，而膨胀机组4-2中膨胀升温后的乏气会直接排入压缩机组油箱1-4内的加热管。由于，压缩机组油箱1-4的油温远低于膨胀机组4-2的乏气温度，因此当膨胀机组4-2的乏气流经压缩机组油箱1-4时，膨胀机组4-2的乏气会不断通过导热、对流等方式将热量传递给压缩机组油箱1-4中的润滑油，以使储能时压缩机组油箱1-4的油温能快速满足压缩机组1-2的开机条件。

由上可知，本发明结构简单、操作便捷，储能时，通过利用压缩机组1-2的排气预热膨胀机组油箱4-4中的润滑油，就可保证释能时膨胀机组油箱4-4的油温能快速满足膨胀机组4-2的开机条件。与此同时，释能时，通过利用膨胀机组4-2的排气预热压缩机组油箱1-4中的润滑油，就可保证储能时压缩机组油箱1-4的油温能快速满足压缩机组1-2的开机条件。可见，该系统不仅能在储能和释能阶段实现快速响应，而且还无需消耗外部热能对膨胀机组油箱4-4和压缩机组油箱1-4进行加热。

优选地，如图2所示，压缩机组1-2的出口分别与储气室2的进口和膨胀机组油箱4-4内加热管的进口连通，也就是说，压缩空气从压缩机组1-2排出后分为两路：一路直接流入储气室2，另外一路则通过膨胀机组油箱4-4内的加热管流入储气室2。

进一步地，为了避免储能时膨胀机组油箱4-4的油温过高，膨胀机组油箱4-4内的加热管的进口处设有第一阀门5。由此，启动电动机1-1和压缩机组油泵1-5后，当膨胀机组油箱4-4的油温大于最高温度阈值时，就可关闭第一阀门5，使压缩机组1-2的排气全部直接流入储气室2而不再进入膨胀机组油箱4-4。

进一步地，该系统还包括空气回热器6，调节阀3通过空气回热器6的低温侧与膨胀机组4-2的进口连通，膨胀机组4-2的出口分别与空气回热器6的高温侧的进口和压缩机组油箱1-4内的加热管的进口连通，也就是说，乏气从膨胀机组4-2排出后分为两路：一路流入空气回热器6的高温侧，用于加热膨胀机组4-2的进气；另外一路则流入压缩机组油箱1-4内的加热管。需要说明的是，该系统也可不设置空气回热器6，膨胀机组4-2排出的乏气中除了用于加热压缩机组油箱1-4的那部分乏气以外，剩余的乏气可以直接排入环境。

进一步地，为了避免释能时压缩机组油箱1-4的油温过高，压缩机组油箱1-4内的加热管的进口处设有第二阀门7。由此，打开调节阀3，启动膨胀机组油泵4-5后，当压缩机组油箱1-4的油温大于最高温度阈值时，就可关闭第二阀门7，使膨胀机组4-2的排气全部流入空气回热器6的高温侧而不再进入压缩机组油箱1-4。

优选地，如图3所示，考虑到流经压缩机组油冷却器1-3的低温侧的空气对流经其高温侧的润滑油冷却后，其自身的温度会显著提高，因此可利用压缩机组油冷却器1-3来预热压缩机组1-2的进气，具体地，将压缩机组油冷却器1-3的低温侧的进口与外界大气连通、出口与压缩机组1-2的进口连通。需要说明的是，压缩机组1-2的进口除了与压缩机组油冷却器1-3连通以外，还可以同时直接与外界大气连通，也就是说，压缩机组1-2的进气可分为两路：一路直接来气外界大气，另外一路则是经过压缩机组油冷却器1-3。

优选地，调节阀3通过膨胀机组油冷却器4-3的低温侧与膨胀机组4-2的进口连通，即膨胀机组油冷却器4-3的低温侧的进口与调节阀3连通、出口与膨胀机组4-2的进口连通。由此，释能时，从储气室2中流出的压缩空气先流入膨胀机组油冷却器4-3的低温侧，压缩空气与流经膨胀机组油冷却器4-3的高温侧的润滑油换热升温后才会流入膨胀机组4-2。可见，通过将膨胀机组油冷却器4-3的进出口分别与调节阀3和膨胀机组4-2连接后，就可利用膨胀机组油冷却器4-3来预热膨胀机组4-2的进气。需要说明的是，调节阀3的出口除了与膨胀机组油冷却器4-3连通以外，还可以同时直接与膨胀机组4-2连通，也就是说，储气室2的排气分为两路：一路直接进入膨胀机组4-2，另外一路则是经过膨胀机组油冷却器4-3加热后再进入膨胀机组4-2。

优选地，为了避免储气室2内的压缩空气倒流回膨胀机组油箱4-4，储气室2的进口处设有单向阀。

另外，该系统还包括第一换热器10、第二换热器13、储热器11、储冷器8、第三阀门9和第四阀门12；储冷器8、第三阀门9、第一换热器10的低温侧、储热器11、第四阀门12和第二换热器13的高温侧首尾依次连接，以形成回热循环回路；压缩机组1-2的出口通过第一换热器10的高温侧与膨胀机组油箱4-4内的加热管连通，调节阀3通过第二换热器13的低温侧与膨胀机组4-2的进口连通。

储能时，打开第三阀门9，关闭第四阀门12，由此，当回热工质从储冷器8中流入第一换热器10的低温侧时，回热工质会不断吸收流经第一换热器10的压缩空气的热量，升温后的回热工质从第一换热器10流出后便直接存储在储热器11中，以备释能阶段使用。释能时，打开第四阀门12，关闭第三阀门9，当高温的回热工质从储热器11流入第二换热器13的高温侧时，回热工质会不断将自身热量释放给流经第二换热器13的压缩空气，降温后的回热工质从第二换热器13流出后便存储在储冷器8中，以备储能阶段使用。

实施例2

本发明还提供了一种快速响应的储能系统的使用方法，该方法：

如图4所示，储能时，包括以下步骤：

s1.1、获取压缩机组油箱1-4的油温，并跳转执行步骤s1.2；

s1.2、判断压缩机组油箱1-4的油温是否不小于第一温度阈值，其中，当压缩机组油箱1-4的油温不小于第一温度阈值时，说明压缩机组油箱1-4的油温满足压缩机组1-2的开机条件，此时可进行开机即执行步骤s1.3；当压缩机组油箱1-4的油温小于第一温度阈值时，则继续检测压缩机组1-2的油温即执行步骤s1.1；

s1.3、启动电动机1-1和压缩机组油泵1-5，此时，在电动机1-1的驱动下，压缩机组1-2会不断将从其进口流入的空气压缩成高温高压的压缩空气，压缩空气从压缩机组1-2排出后便通过膨胀机组油箱4-4内的加热管流入储气室2。由于，膨胀机组油箱4-4的油温远低于压缩空气的温度，因此当压缩空气流经膨胀机组油箱4-4时，压缩空气会不断通过导热、对流等方式将热量传递给膨胀机组油箱4-4中的润滑油。而为了避免膨胀机组油箱4-4的油温过高，启动电动机1-1和压缩机组油泵1-5后需实时检测膨胀机组油箱4-4的油温，即跳转执行步骤s1.4；

s1.4、获取膨胀机组油箱4-4的油温，并跳转执行步骤s1.5；

s1.5、判断膨胀机组油箱4-4的油温是否大于第二温度阈值，若是则执行步骤s1.6，若否则执行步骤s1.4；其中，第一温度阈值小于第二温度阈值；

s1.6、关闭第一阀门5；由此，当膨胀机组油箱4-4的油温大于第二温度阈值时，就可关闭第一阀门5，使压缩机组1-2的排气全部直接流入储气室2而不再进入膨胀机组油箱4-4。

如图5所示，释能时，包括以下步骤：

s2.1、获取膨胀机组油箱4-4的油温，并跳转执行步骤s2.2；

s2.2、判断膨胀机组油箱4-4的油温是否不小于第三温度阈值，其中，当膨胀机组油箱4-4的油温不小于第三温度阈值时，说明膨胀机组油箱4-4的油温满足开机条件，此时可进行开机即执行步骤s2.3；当膨胀机组油箱4-4的油温小于第三温度阈值时，则继续检测膨胀机组4-2的油温即执行步骤s2.1；

s2.3、打开调节阀3，启动膨胀机组油泵4-5，此时，储气室2内存储的压缩空气会不断流入膨胀机组4-2进行做功，而膨胀机组4-2中膨胀升温后的乏气会直接排入压缩机组油箱1-4内的加热管。由于，压缩机组油箱1-4的油温远低于膨胀机组4-2的乏气温度，因此当膨胀机组4-2的乏气流经压缩机组油箱1-4时，膨胀机组4-2的乏气会不断通过导热、对流等方式将热量传递给压缩机组油箱1-4中的润滑油。而为了避免压缩机组油箱1-4的油温过高，打开调节阀3，启动膨胀机组油泵后需实时检测压缩机组油箱1-4的油温，即跳转执行步骤s2.4；

s2.4、获取压缩机组油箱1-4的油温，并跳转执行步骤s2.5；

s2.5、判断压缩机组油箱1-4的油温是否大于第四温度阈值，若是则执行步骤s2.6，若否则执行步骤s2.4；其中，第三温度阈值小于第四温度阈值；

s2.6、关闭第二阀门7，由此，当压缩机组油箱1-4的油温大于最高温度阈值时，就可关闭第二阀门7，使膨胀机组4-2的排气全部流入空气回热器6的高温侧而不再进入压缩机组油箱1-4。

需要说明的是，其中，第一温度阈值和第三温度阈值可为同一值，例如30℃；第二温度阈值和第四温度阈值也可为同一值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。