高效补燃型压缩空气储能系统的制作方法

本发明涉及电力储能领域，具体用于电网电能的大规模储能，实现电网负荷的削峰填谷，也可以用于新能源电能并网以及电能规模化存储的高效补燃型压缩空气储能系统。

背景技术：

压缩空气储能技术是一种大规模物理储能技术，在电网处于负荷低谷期间，利用波谷期间的廉价电能驱动空气压缩机单元做功，将廉价的低谷电能转变为压缩空气的压力能进行储存，在电网处于用电高峰时释放储罐内的高压力压缩空气，经过换热器或者燃烧器提升温度后，进入空气膨胀机内膨胀做功，输出旋转轴功，驱动发电机输出稳定电能。

现有的压缩空气储能技术分为两类，其一为无补燃式压缩空气储能技术，电能储能过程中，电能转变为压缩空气的压力能进行储存，这一过程压缩机单元产生的排气温度不高，排气温度通常低于150℃，使得进入空气膨胀机单元的入口气流能够被加热温度更低，限制了压缩空气对外做功的能力；另外需要配置大容量的蓄热器来储存低品位的压缩热，蓄热器硬件设施成本大，增大了压缩空气储能系统的硬件投资成本。

其二为补燃式压缩空气储能技术，释放压缩空气进行做功环节中，在每一级空气膨胀机单元的入口都配置燃烧器，设备投入成本太高，第一级空气膨胀机单元入口的压力较高，燃料在高压下直接与高压空气参混燃烧，产生高压力的高温烟气直接进入第一台膨胀机单元，此类燃烧器需要在较高的压力环境下进行燃烧，国内高压燃烧器技术不成熟，每一级空气膨胀机入口都设置燃烧器，导致天然气消耗量过大，致使最后一级空气膨胀机排烟温度过高，降低了整个压缩空气储能系统的效率。

此外现有的补燃式压缩空气储能系统的带压燃烧器燃烧所需空气直接采用储气空间储存的压缩空气，储气空间内高压力空气节流降压到燃烧器所需要的压力，降压后的空气供应燃烧器燃烧，然而这种方式存在较大的空气节流压力损失，同时储气空间内压缩空气温度较低即供应燃烧器的空气温度较低，增大了燃烧器的燃料消耗量。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷，提供一种减少了燃烧器燃料消耗量、大幅度提高能量转换效率的高效型压缩空气储能系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：高效补燃型压缩空气储能系统，包括电能储存系统及电能释放系统，其特征在于：电能储存系统包括若干数量的空气压缩单元、若干数量的第一换热器、储气空间及储能系统储热罐，所述电能释放系统包括若干数量的燃烧器、若干数量的燃烧器空气供应系统、若干数量的第二换热器、若干数量的膨胀机单元、储能系统废热再利用换热器、气体混合装置及发电机，所述空气压缩单元排气与第一换热器的空气入口端连接，所述第一换热器的液态介质流出端与所述储能系统储热罐连接，第一台所述燃烧器配置在所述首级膨胀机单元入口的第二换热器处，所述气体混合装置的出口与所述膨胀机单元连接，若干数量的所述膨胀机单元的传动轴串联连接，所述发电机与所述末级膨胀机单元传动轴连接。

进一步的，一个数量的所述空气压缩单元与一个数量的所述第一换热器形成一个组合，多级的空气压缩单元-第一换热器的组合串联，单级空气压缩单元-第一换热器组合的第一换热器的空气入口端及液态介质流出端分别与所述空气压缩单元及储能系统储热罐连接，多级空气压缩单元-第一换热器组合之间的第一换热器与所述空气压缩单元连接，末级所述的空气压缩单元-第一换热器组合内的第一换热器与所述储气空间连接。

进一步的，储能系统储热罐储存空气压缩单元排出的压缩空气热量，所述储能系统储热罐的储热介质为具有大比热容的液态物质。

进一步的，燃烧器燃烧空气供应系统供应燃烧器的空气来自膨胀机单元带压力排气，膨胀机单元带压力排气作为燃烧器燃烧的压缩空气来源。

进一步的，燃烧器空气供应系统的空气来源于与气体混合装置入口连接的膨胀机单元带压力排气。

进一步的，燃烧器布置在与首级膨胀机单元入口连接的所述第二换热器的入口处，所述燃烧器燃烧产生带压力烟气经过所述第二换热器对首级膨胀机单元入口气流进行加热，换热后的带压力烟气与气体混合装置入口连接的膨胀机单元带压力排气在气体混合装置内混合，混合后带压力烟气进入与气体混合装置出口连接的膨胀机单元做功。

进一步的，膨胀机单元乏气出口布置有第二换热器，所述第二换热器前设有燃烧器，所述燃烧器燃烧产生带压力烟气经过所述第二换热器换热后与首级膨胀机单元入口连接的第二换热器前的燃烧器产生带压力烟气汇合，汇合后的带压力烟气在气体混合装置内与气体混合装置入口连接的的膨胀机单元带压力排气混合得到均一的做功气流，做功气流进入与气体混合装置出口连接的膨胀机单元做功。

进一步的，气体混合装置为三通管件、压力匹配器、喷射器、气体混合罐及带喷嘴的气体混合设备当中的一种。

进一步的，储能系统废热再利用换热器布置在首级所述膨胀机单元入口处的第二换热器之前，储能系统废热再利用换热器对进入第二换热器的压缩空气进行初步加热。

进一步的，储能系统废热再利用换热器布置在第一台膨胀机单元入口处的第二换热器之前，储能系统废热再利用换热器对进入第二换热器的压缩空气进行初步加热。

进一步的，膨胀机单元的乏气出口布置有第二换热器，安装在首级膨胀机单元入口处的第二换热器前的燃烧器产生两股带压力烟气，一股带压力烟气经过安装在所述储能系统废热再利用换热器出口的第二换热器加热首级膨胀机单元入口处的气流后进入气体混合装置，另一股带压力烟气进入安装在膨胀机单元乏气出口的第二换热器对膨胀机单元带压力排气换热后进入气体混合装置，两股带压力烟气混合后经气体混合装置进入与气体混合装置出口连接的膨胀机单元做功。

进一步的，储能系统废热再利用换热器的废热来源于所述电能储能系统中空气压缩单元排出压缩空气热量、电能释放系统中膨胀机单元及发电机等设备做功过程中轴承润滑油携带的热量当中的一种或者两者兼有。

本发明提供的高效补燃型压缩空气储能系统设计科学简单，结构紧凑合理，其具有以下功能：

(1)本发明采用的燃烧器工作压力区间较低(0.2-2.5mpa)，燃烧器燃烧所需要的带压力空气直接从膨胀机单元带压力排气抽取，膨胀机单元带压力排气的空气已经经过部分做功，回收了部分能量，同时膨胀机单元带压力排气具有一定的温度，减少了燃烧器内加热冷气空所需要的燃料量，节省了燃烧器的燃料耗量；

(2)本发明采用燃烧器产生带压力烟气，以带压力烟气作为加热工质对膨胀机单元的入口气流进行加热，避免了在最初阶段燃料与进入膨胀机单元的高压力压缩空气气流的直接混合燃烧，降低了燃烧器承受的压力参数，降低了燃烧器的造价，燃烧过程更加容易实现。

(3)本发明的技术方案中通过气体混合装置将带压力烟气与膨胀机单元做功排出的带压气流进行了混合，混合后的烟气进入后续膨胀机单元做功，最大限度的回收了烟气携带的热量，同时回收了烟气携带的压力能，使得整个压缩空气储能系统的热耗低，效率高。

(4)本发明的技术方案考虑了废热再利用，通过储能系统废热再利用换热器将电能储能系统中空气压缩单元排出压缩空气热量、电能释放系统中膨胀机单元及发电机等设备做功过程中轴承润滑油携带的热量充分回收再利用，在充分回收储能系统废热的基础上进行适当补燃，提高电能释放系统对外输出电能的电力，提高了电能储能系统效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图2为本发明实施例二提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图3为本发明实施例三提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图4为本发明实施例四提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图5为本发明实施例五提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图6为本发明实施例六提供的高效型压缩空气储能系统的结构示意图。

图7为现有技术中可调式喷射器的结构示意图。

图8为现有技术中一种接受室为缩放喷管的喷射器的结构示意图。

图9为现有技术中可调式多喷嘴蒸汽压力匹配器的结构示意图。

图1至图6中：1-空气压缩单元；2-第一换热器；3-储气空间；4-储能系统储热罐；5-燃烧器；6-膨胀机单元；7-气体混合装置；8-发电机；9-第二换热器；10-储能系统废热再利用换热器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。请参阅图1，为本发明所述的高效补燃型压缩空气储能系统，在夜间电价低谷时段进行电能储能过程，利用波谷期间的廉价电能驱动空气压缩单元1，制备高压力的压缩空气存储于储气空间3，波谷电能转变为压缩空气的压力能。

波谷电能驱动多台空气压缩单元1工作，空气被吸入空气压缩单元1后压力提升，空气压缩单元1排出的空气温度升高，压缩空气携带的热量经过第一换热器2传递给水，被加热的水存储在储能系统储热罐4当中。经过第一台的第一换热器2冷却后的压缩空气，经过第二台空气压缩单元1进行压缩，然后再经过第二台的第一换热器2冷却后，流入储气空间3进行储存备用。在实际运用中，一台空气压缩单元1与一台换热器2形成一个组合，电能储存过程中可以配置多级组合，以制备不同压力的压缩空气气流。

白天电价高峰时段进行电能释放，高压力的压缩空气从储气空间3释放出来，经过储能系统废热再利用换热器10加热后进入多台膨胀机单元6做功，驱动发电机8输出稳定的电能。在本实施例中，在第二换热器9的入口处布置独立的燃烧器5，带压力的压缩空气气流及燃料在燃烧器5中燃烧，产生高温烟气，燃烧器5燃烧所需要的带压力空气来自首台膨胀机单元6排气，燃烧器产生的高温烟气经过第二换热器9进一步加热后直接进入气体混合装置7；储能系统废热再利用换热器10加热储气空间3流出的压缩空气气流进而提升压缩空气气流的温度，燃烧器5流出的带压力烟气与储能系统废热再利用换热器10加热后的压缩空气不混合，储气空间3流出的压缩空气经过储能系统废热再利用换热器10加热后，经过第二换热器9提升温度进入第一台膨胀机单元6内膨胀做功，输出轴功，压缩空气自身的压力下降后继续流入第二台膨胀机单元6内做功，第二台膨胀机单元6入口不布置第二换热器9。第二换热器9排出的带压力烟气经过气体混合装置7，与第二台膨胀机单元6排出的带压力烟气进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机单元6做功，输出轴功，排出做功乏气。

此处的气体混合装置7是一种能够实现多股气流汇合，形成同一股气流的装置或者设备，可以包括三通、压力匹配器、喷射器、气体混合罐以及由喷嘴组成的气体混合部件等，其中压力匹配器可以为可调式压力匹配器，也可以是固定式压力匹配器，当为可调式压力匹配器时，在通过膨胀机单元6的压缩空气的质量流量改变时，可调式压力匹配器的性能也可以进行相应调节，以适应膨胀机单元6的变负荷运行需求。

在此过程中，本发明有别于常规燃烧器采用常压燃烧的方式，在本发明技术方案中采用了带压力燃烧方式产生带压力的烟气，在经过换热器回收烟气热量后，采用气体混合装置7实现带压力烟气与压缩空气气流的混合，混合气流进入最后一台膨胀机单元6做功，最大程度利用了烟气携带的热量；此外，燃烧器5燃烧所使用的空气来自某一台膨胀机单元6的排气，压缩空气在进入燃烧器5之前已经在膨胀机单元6内进行做功，回收了大部分压力能，实现了能量的梯级利用，同时供应燃烧器燃烧的压缩空气具有较高的初始温度，节省了燃烧消耗量。

实施例二

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。与实施例一的区别，如图2所示，在本发明的实施例二所提供的技术方案中，采用了两台数量的燃烧器5，以及两台数量的第二换热器9，第二台的第二换热器9布置在第二台膨胀机单元6的入口处，第二台燃烧器5布置在第二台第二换热器9的入口处，燃烧器5产生的带压力烟气各自流经两台第二换热器9后汇合，汇合之后的两路带压力烟气经过气体混合装置7，与第二台膨胀机单元6排出的带压力烟气进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机单元6做功，输出轴功，排出做功乏气。

此实施例中的提供给燃烧器5的压缩空气来源为进入气体混合装置7的膨胀机单元6排气的支路气流，此支路气流分别供应两台燃烧器5。

实施例三

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。如图3所示，与实施例二相比的区别，本发明所提供的实施例三中采用了一台燃烧器5，燃烧器5产生的带压力烟气可以分为多股分别流向不同的第二换热器9，多股带压力烟气在完成第二换热器9内压缩空气气流加热后汇合，汇合之后的两路烟气经过气体混合装置7，与第二台膨胀机单元6排出的压缩空气气流进行混合，形成同一股均匀的做功气流，进入第三台膨胀机单元6做功，输出轴功，排出做功乏气。燃烧器5使用的压缩空气来自第二台膨胀机单元6的排气。

储气空间3内流出的压缩空气经过储能系统废热再利用换热器10初步加热后，流经第二换热器9进一步加热，之后流入第一台膨胀机单元6做功。

实施例四

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。如图4所示，在本发明所提供的实施例四中，与实施例一、实施例二及实施例三相比，储能系统储热罐4内的储热介质为导热油，空气被吸入空气压缩单元1后压力提升，空气压缩单元1排出的空气温度升高，压缩空气携带的热量经过第一换热器2传递给导热油，被加热的导热油存储在储能系统储热罐4当中。

与实施例一相比，实施例四配置了两台膨胀机单元6，燃烧器5燃烧所用的带压力空气来自第一台膨胀机单元6排气，燃烧器5燃烧产生的带压力烟气流经第二换热器9对膨胀机单元6入口空气加热后，进入气体混合装置7，在气体混合装置7中与第一台膨胀机单元6排气混合，两股气流混合形成同一股均匀气流后，进入第二台膨胀机单元6做功，输出轴功，驱动发电机8发出稳定电能。

储气空间3内流出的压缩空气经过储能系统废热再利用换热器10的初步加热后，流经换热器9进一步加热，之后流入第一台膨胀机单元6做功。第一台膨胀机单元6的排气进入气体混合装置7。

实施例五

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。如图5所示，在本发明所提供的实施例五中，与实施例四相比增加了一台数量的膨胀机单元6，燃烧器5所需燃烧空气来源于第二台膨胀机单元带压力排气。

实施例六

本实施例在夜间电价低谷时段进行储能，白天电价高峰时段进行释放电能。如图6所示，在本发明所提供的实施例六中，与实施例四相比增加了两台数量的膨胀机单元6，燃烧器5所需燃烧空气来源于第三台膨胀机单元带压力排气。

如图7至图9所示，气体混合装置7是一种能够实现多股气流汇合，形成同一股气流的装置或者设备，可以为三通管件、压力匹配器、喷射器、气体混合罐以及由喷嘴组成的气体混合部件等当中的一种，本发明所采用的的气体混合装置可以为专利cn201610321926.x-可调式喷射器、cn201510200413.9-一种接受室为缩放喷管的喷射器及cn200310105298.4-可调式多喷嘴蒸汽压力匹配器当中的一种，通过带喷嘴的气体混合部件实现多股气流的混合形成单股均一气流进入膨胀机单元6输出轴功。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。