一种压缩空气储能发电系统的制作方法

本发明属于电力存储，具体涉及一种压缩空气储能发电系统。

背景技术：

1、压缩空气储能电站简称caes系统，即compressedairenergystorage，具有储能规模大、放电时间长、使用寿命长、安全性较高、热冷电综合利用面广等优点。1949年，压缩空气储能的概念首先由美国学者stallaval提出，此后国内外学者展开了大量的研究和实践。我国对压缩空气储能系统的研究开发起步比较晚，但近些年技术发展较快，相关科研院所、电力企业和政府部门高度重视，是当前大规模储能技术的研究热点。目前，国内已有多个先进绝热压缩空气储能验证平台以及大规模电站已建设完成或进入实施阶段。国内外已建或在建压缩空气储能项目均选用在大型地下洞室进行储存，地下洞室围岩除承受岩体自身应力外，还需承受洞室内压缩空气传递的内压。

2、目前，常规的洞库基本采用定容方式储气，洞库空气容积固定。压缩储气时段，随着空气进入，库内压力逐渐升高；膨胀发电时段，随着空气排出，库内压力逐渐降低。当库内气压降低较多时，压缩机和膨胀机运行工况明显偏离设计工况，造成绝热效率明显下降，影响电站综合转换效率。因此洞库内压力变幅不宜过大，压力上限与变幅比例大致在2：1至4：1之间。另外，洞库反复承受压力交变，对其结构疲劳破坏作用明显，目前暂无成熟的分析计算方法和防止措施。此外，洞库进排气都会发生流动功转化为热能的损耗，造成系统效率进一步下降，特别当压力变幅较大的更加明显。

3、中国发明专利授权公告号cn104005802b公开了一种压缩空气储能系统，利用储气装置中的水量控制储气装置内部压力恒定，使得储能系统在储能过程和释能过程中压气机组和膨胀机组一直工作在恒压环境下。但是膨胀发电时，在外送电量的同时还需要水泵耗电以维持压力，水泵耗电量占外送电量的大部分，造成系统实际输出功率较低。同时，在压缩储气时段，压缩机耗功大部分被外排水损耗，造成系统效率较低。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种压缩空气储能发电系统，采用定压方式储气，利用上水库和地下储气库之间的高差作为地下储气库的定压来源，没有额外的耗电，综合转化效率较高。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种压缩空气储能发电系统，包括上水库、地下储气库、压缩机组和膨胀机组；所述地下储气库设置在上水库下方，所述地下储气库与上水库通过第一通道相连通；所述地下储气库的顶部设有第二通道，所述第二通道向上延伸至地面；所述压缩机组至少包括一台压缩机，压缩机与第二通道顶部相连通，所述压缩机组用于将空气压入地下储气库内进行存储；所述膨胀机组至少包括一台膨胀机，膨胀机与第二通道顶部相连通，所述地下储气库内的压缩空气通过膨胀机组做功发电。

4、上水库露天布置，地下储气库选点可以增加软岩地质、废弃矿洞、小型洞穴、天然盐穴等作为选择对象，充分利用这些洞库深度较深的地理优势。如有现有的洞库，则需对洞库进行密封处理，以及根据地下储气库所需承压对洞库进行承压补强，使得现有洞库可以满足作为地下储气库使用的要求。如没有现有的洞库，则需要开挖出地下储气库。第一通道和第二通道分别作为水和空气的通道，可以采用竖井、钢管等。利用上水库与地下储气库之间的水位高差来维持地下储气库内空气压力，空气压力变化与水位差变化相同。当压缩储气时段，随着压缩空气进入地下储气库，地下储气库内的存水被空气压力向上顶至上水库，空气对水体作的功转换成水体的重力势能；膨胀发电时段，地下储气库内高压空气排至膨胀机工作发电，上水库高位水靠自身重力流回地下储气库对空气压缩，水体的重力势能转化为空气的压力势能，整个循环没有大的能量损耗浪费。地下储气库内空气气压等于上水库与地下储气库之间水面高差造成的液柱静压，在整个循环中基本维持不变。地下储气库储气压力可按下式计算：p＝(h1-h2)×(ρwater-ρair)×g，其中h1-h2为上水库与地下储气库的液面高差。虽然在膨胀发电时段，上水库与地下储气库之间水面高差会发生变化，但是高差的变化量相对较小，使得地下储气库内空气压力几乎维持恒定。与中国发明专利授权公告号cn104005802b公开的一种压缩空气储能系统相比，本技术的电－电综合转换效率可达到70％以上，输出功率可达到300mw以上，具备工程化实施的可行性。本技术的储气压力几乎恒定，地下储气库荷载与原始静荷载基本相同，变形破坏风险小。本技术的地下储气库压力由上水库与地下储气库的水位差确定，全工况维持高压，相同容积储能电量为常规方案的2～5倍。本技术的压缩/膨胀机组压力变幅极小，机组始终运行在高效率区，综合效率可提高3％以上。本技术的地下储气库内空气压力变化极小，避免了压缩产热、膨胀温降，无“热阻尼”损失。

5、优选的，所述地下储气库与上水库之间的高差至少为500m。通过估算，地下储气库与上水库之间的高差超过500m以上则效益比较显著，如高差过小则储气压力太小，不经济。

6、具体的，压缩机与第二通道通过管路一相连通，膨胀机与第二通道通过管路二相连通；所述管路一和管路二汇合成一条主管路，所述主管路与第二通道顶部相连，所述主管路上设有隔断阀。隔断阀主要起到安全隔断作用，当遇到紧急情况或储气过程时，关闭隔断阀，其他时候为常开。

7、具体的，所述管路一上设有储气阀，所述管路二上设有放气阀。

8、优选的，所述膨胀机组包括多台膨胀机，多台膨胀机共轴联接；多台膨胀机之间通过管路相串联，相邻两台膨胀机之间以及膨胀机与放气阀之间的管路上均设有第一换热器。膨胀机采用集中驱动，膨胀机的缸体之间采用一根轴直接联接。

9、优选的，所述压缩机组包括多组压缩机，每组压缩机至少包括两台并列设置的压缩机，相邻两组压缩机之间通过管路相串联，相邻两组压缩机之间的管路上均设有第二换热器。压缩机目前国内外单机容量不超过60mw，需要并联以达到总容量需求。

10、优选的，多个第一换热器通过管路相并联，所述第一换热器通过管路分别与储热罐和冷水罐相连，储热罐中的水通过热水泵泵送至第一换热器进行热交换后回到冷水罐中。透平膨胀发电过程中，通过第一换热器对进入到膨胀机组的空气进行回热。

11、优选的，多个第二换热器通过管路相并联，所述第二换热器通过管路分别与储热罐和冷水罐相连，冷水罐中的水经冷却塔冷却后通过冷水泵泵送至第二换热器进行热交换后回到储热罐中。压缩储气过程中，通过第二换热器对压缩机排气进行冷却，同时回收压缩热。

12、优选的，所述储气阀和与之相邻的压缩机之间的管路上设有第三换热器。由于与储气阀相邻的压缩机出口空气温度偏低且不稳定，单独设置第三换热器对空气热量进行回收，可预热余热回收利用和近区供暖等方式进行综合利用。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

14、1、本发明的压缩空气储能发电系统，电－电综合转换效率可达到70％以上，输出功率可达到300mw以上，具备工程化实施的可行性。

15、2、本发明的压缩空气储能发电系统，储气压力几乎恒定，地下储气库荷载与原始静荷载基本相同，变形破坏风险小。

16、3、本发明的压缩空气储能发电系统，地下储气库压力由上水库与地下储气库的水位差确定，全工况维持高压，相同容积储能电量为常规方案的2～5倍。

17、4、本发明的压缩空气储能发电系统，压缩/膨胀机组压力变幅极小，机组始终运行在高效率区，综合效率可提高3％以上。

18、5、本发明的压缩空气储能发电系统，地下储气库内空气压力变化极小，避免了压缩产热、膨胀温降，无“热阻尼”损失。