一种压缩空气储能、ORC和太阳能耦合装置及运行方法与流程

本发明属于储能，涉及一种压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置及运行方法。

背景技术：

1、压缩空气储能系统中大多储气室采用技术成本较低的定容储气装置，而释能过程中采用滑压工况运行比采用节流阀后的定压工况运行做功能力更高，而滑压工况下随着释能过程逐渐进行，压力逐渐下降导致入口压力低于空气透平的设计工况压力，导致空气透平做功能力下降。而滑压工况一般采取全周进气加补气阀维持100％负荷运行，因此需要在空气透平高压缸级间进行补气，由此会产生较高的节流损失。

2、有机朗肯循环(organic rankine cycle，简称orc)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。orc系统能够回收采用一级压缩机压缩比较小时产生的低品位热能，同时能够减少压缩功的消耗。

3、太阳能集热系统利用导热工质吸收太阳能集热器中的热量，储存在储热罐中，可以提高高压空气透平进口空气的温度。

4、压缩空气储能耦合orc和太阳能能够解决压缩空气储能系统的稳定性和效率低的问题，但目前针对压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置的内容相对较少。

5、现有已公开的专利名称为“耦合orc的太阳能光热补热式压缩空气储能系统及方法”(公开号为cn 115773215a)，公开了“一种耦合orc的太阳能光热补热式压缩空气储能系统及方法，包括压缩空气储能系统、气-水加热器、空气高温加热器、空气透平机组、发电机、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统、orc低温发电系统以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统的出气口依次连接气-水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；空气透平机组连接发电机；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；orc低温发电系统连接第二水储热系统；第二水储热系统为orc低温发电系统供热，太阳能光热系统连接高温储热系统；采用太阳能光热补热，抬高了透平各级进口温度，提高系统的整体效率。”此专利未具体说明空气透平运行方式，若采取全周进气加补气阀的滑压运行方式进行膨胀，只能通过储气室内部的空气进行补气，由此产生较高的补气节流损失。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置及运行方法，高压储气室内的高压空气进入高压空气透平滑压运行，等高压储气室内空气压力下降到中压储气室内空气压力，中压储气室内的空气与高压储气室内被降压的空气一起进入中压空气透平做功，此种运行方法能够降低采用定容储气室的装置滑压工况下进行级间补气的节流损失，同时因采用中、高压储气室相对于只采用高压储气室的装置可以减少压缩功的消耗。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、一方面，本技术提供一种压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置，包括多级压缩系统、换热系统、orc系统、多级膨胀系统和太阳能集热系统；

4、多级压缩系统与orc系统通过第一换热器连接，多级压缩系统与换热系统通过第二换热器连接，多级压缩系统与多级膨胀系统通过中压储气室、高压储气室连接，换热系统与多级膨胀系统通过第四换热器连接；太阳能集热系统与多级膨胀系统通过第五换热器连接；

5、多级膨胀系统包括第二发电机、二级空气透平、一级空气透平和第三发电机；一级空气透平同轴连接第三发电机，二级空气透平同轴连接第二发电机。

6、进一步地，多级压缩系统包括驱动电机、一级压缩机、二级压缩机、中压抽气泵和高压抽气泵；

7、驱动电机同轴连接一级压缩机、二级压缩机；空气从一级压缩机进口输入，一级压缩机出口连接第一换热器进口，第一换热器出口连接中压抽气泵进口，中压抽气泵出口连接中压储气室进口。

8、进一步地，第一换热器出口连接二级压缩机进口，二级压缩机出口连接第二换热器进口，第二换热器出口连接高压抽气泵进口，高压抽气泵出口连接高压储气室进口。

9、进一步地，换热系统包括储热库、储热库出口泵、储冷库和储冷库出口泵；

10、储冷库出口连接第二换热器进口，第二换热器出口连接储热库出口泵进口，储热库出口泵出口连接储热库进口，储热库出口连接储热库出口泵进口，储热库出口泵出口连接储冷库出口泵进口，储冷库出口泵出口连接储冷库进口。

11、进一步地，orc系统包括orc工质泵、第三换热器、orc汽轮机、第一发电机和水泵；

12、orc工质泵出口连接第一换热器进口，第一换热器出口连接orc汽轮机进口，orc汽轮机出口连接第三换热器进口，第三换热器出口连接orc工质泵进口；

13、orc汽轮机同轴连接第一发电机。

14、进一步地，外界环境中的水通过水泵进入第三换热器。

15、进一步地，多级膨胀系统还包括第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀；

16、高压储气室出口连接第五换热器进口，第五换热器出口连接第二调节阀进口，第二调节阀出口连接二级空气透平进口；

17、第五换热器出口连接第一调节阀进口，第一调节阀出口连接一级空气透平进口，一级空气透平出口连接外界环境。

18、进一步地，中压储气室出口连接第四换热器进口，第四换热器出口连接第三调节阀进口，第三调节阀出口连接二级空气透平进口，二级空气透平出口连接外界环境；

19、第三调节阀出口连接第四调节阀进口，第四调节阀出口连接一级空气透平进口。

20、进一步地，太阳能集热系统包括储热罐进口泵、储热罐、储冷罐、储冷罐进口泵和太阳能集热器；

21、太阳能集热器出口连接储热罐进口泵进口，储热罐进口泵出口连接储热罐进口，储热罐出口连接第五换热器进口，第五换热器出口连接储冷罐进口泵进口，储冷罐进口泵出口连接储冷罐进口，储冷罐出口连接太阳能集热器进口。

22、另一方面，本技术提供一种压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置的运行方法，当电网低峰用电时，压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置为储能运行；

23、当电网高峰用电时，压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置为发电运行。

24、进一步地，当压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置采取储能运行时：

25、多级压缩系统压缩来自外界环境的空气，并将空气冷却；冷却后的空气一部分通过抽取进入中压储气室；另一部分空气进行压缩、冷却，通过抽取储存在高压储气室内；

26、换热系统抽取工质，工质通过第二换热器冷却后，进行存储；

27、orc系统带动工质进入第一换热器冷却空气后，对工质进行膨胀做功，并冷却膨胀做功后的工质；

28、太阳能集热系统将太阳能转化为工质的内能，对工质进行抽取并存储。

29、进一步地，当压缩空气储能、orc和太阳能耦合装置采取发电运行时：

30、太阳能集热系统对工质进行抽取并储存；

31、多级膨胀系统通过打开第一调节阀、第三调节阀和第四调节阀，中压储气室中的空气经过第四换热器吸收热量到达一级空气透平补气，高压储气室中的空气经过第五换热器吸收热量到达一级空气透平膨胀做功，带动第三发电机工作。

32、进一步地，当高压储气室内的空气压力降低到和中压储气室内的空气压力一样时，多级膨胀系统关闭第一调节阀和第四调节阀，打开第二调节阀；空气进入二级空气透平膨胀做功，带动第二发电机工作；

33、换热系统通过储冷库出口泵抽取工质，并经过第四换热器加热空气后储存；

34、多级膨胀系统通过打开第三调节阀，中压储气室内的空气通过第四换热器被加热后与高压储气室内降压后的空气一起进入二级空气透平膨胀做功。

35、本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

36、(1)通过中压储气室内部的空气对高压空气透平进行级间补气维持装置100％负荷运行，能够降低节流损失。

37、(2)一级压缩机采用的压缩比较小时，可以使用orc装置冷却压缩时产生的热量，既可以减少压缩功，又可以回收低品位热能。

38、(3)采用中、高压两种储气室比只采用高压储气室的装置，能够减少压缩空气时产生的压缩功的消耗。