一种用户侧压缩空气储能的装置系统及其运行方法与流程

本发明涉及压缩空气储能，具体涉及一种用户侧压缩空气储能的装置系统及其运行方法。

背景技术：

1、随着新能源为主体的新型电力系统的加快构建，绿色低碳已经成为目前的经济发展新形势，为了加快新型能源体系转型发展，传统工业面临着低碳转型，需要进一步提高生产过程中的新能源消纳比例。一些高耗能产业在生产过程中需要消耗大量电力的同时还需要大量的压缩空气供应，比如电解铝、钢铁、冶金等行业，压缩空气是该类工业生产中重要的能源消耗品类之一。通常工业生产中需要连续、稳定的电力供应，而新能源发电固有的随机性、波动性和间歇性等特点，导致能源供应和负荷消纳两者难以匹配，新能源往往难以直接给工业生产供电，这也是目前许多传统工业提升绿电消纳比例中遇到的重要难题。

2、目前，用户侧储能已逐渐成为工业生产中错峰用能、削峰填谷的重要技术手段，通过电力优化调度可以有效提升绿电消纳水平。压缩空气储能是一种大规模、长寿命、长时储能技术，常规储能的电效率范围为60-70％，相比锂电池较低，当应用于中小规模的用户侧储能场景下技术性能竞争力不强。压缩空气储能采用空气作为储能载体，系统核心设备之一为压缩机，系统主要工艺介质为压缩空气。将压缩空气储能应用于具有压缩空气工艺需求的高耗能产业，在理论上具有可行性和应用优势：一方面，通过用户侧储能可以有效提升高耗能产业的绿电消纳比例，形成绿色空气供应产品；另一方面，压缩空气储能系统中的压缩机和与工艺空压机具有耦合公用性，或利用工厂原有空压机设备改造作为公用部分，可降低系统投资，从而改善压缩空气储能在用户侧的经济性。

3、例如，cn105736056a公开了一种液态空气储能系统，其包括依次顺序连接的压缩机组、第一低温换热器、节流阀、液体储罐、低温泵、第二低温换热器及膨胀机组，所述第一低温换热器和所述第二低温换热器之间通过储存单温区液体预冷工质的蓄冷器实现连接，形成所述单温区液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。该液态空气储能系统虽然能够实现压缩空气储能，但是无法同时与生产线供气耦合，投资成本较高。

4、因此，提供一种具有供气供电双重功能的用户侧压缩空气储能系统及运行方法具有重要意义。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明的目的在于提供一种用户侧压缩空气储能的装置系统及其运行方法，与现有技术相比，本发明提供的装置系统及其运行方法能够将压缩空气储能和生产线供气耦合，充分发挥储能错峰用电的优势，能够提升高耗能产业对绿电的消纳能力，降低运行成本。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用户侧压缩空气储能的装置系统，所述装置系统包括空气压缩模块、压缩空气发电单元和储气单元；所述空气压缩模块包括沿空气流向依次连接的低压压缩单元、中压压缩单元和高压压缩单元；所述低压压缩单元的出气口分别与中压压缩单元和生产线的供气单元连接；所述高压压缩单元的出气口与储气单元连接；所述储气单元的出气口分别与压缩空气发电单元和生产线的供气单元连接；所述压缩空气发电单元的出气口与生产线的供气单元连接；所述压缩空气发电单元的电量输出端与生产线的供电单元连接。

4、本发明提供的装置系统通过低压压缩单元、中压压缩单元和高压压缩单元进行低压、中压、高压分段处理，通过合理分配工作压力参数，能够使低压压缩单元产生的空气与用户侧生产线工艺用气参数尽量匹配，实现设备共用，减小了独立压缩空气储能系统空气经透平膨胀做功后的排气损失，提高了压缩空气储能综合能源效率；本发明提供的装置系统中，通过设计低压压缩单元的出气口、储气单元的出气口、压缩空气发电单元的出气口均与生产线的供气单元连接，能够实现压缩机中间抽气、储气单元直接减压抽气、透平抽气等三种供气方式，实现了保障连续供应生产线用压缩空气。同时，本发明提供的装置系统还能够实现用电低谷时采用中压压缩单元、高压压缩单元以及储气单元进行储能；当用电高峰时采用压缩空气发电单元进行发电；当新能源或电网低谷电不满足储能功率需求时采用低压压缩单元直供气给生产线使用，且没有储能环节的损失。因此，本发明提供的装置系统能够实现压缩空气供应用电错峰用能，使得工业生产负荷匹配新能源出力可调，降低工业用能成本。

5、本发明中，所述储气单元可以是任何本领域内常用于储气的装置，例如可以是储气库。

6、本发明提供的装置系统可采用新能源或电网低谷绿电作为充电电源，将电能转化为压缩空气内能与热能存储。

7、优选地，所述低压压缩单元包括至少1条低压空气压缩支路，例如可以是1条、2条或3条，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

8、优选地，所述低压空气压缩支路包括低压压缩机组和至少1台水冷装置，所述水冷装置例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、本发明中，所述水冷装置可以采用任何本领域内常用的水冷装置，例如可以是水冷器。

10、优选地，所述低压压缩机组包括电机和至少1台压缩机，所述压缩机例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、优选地，所述低压压缩单元包括第一低压空气压缩支路和第二低压空气压缩支路。

12、优选地，所述第一低压空气压缩支路包括第一低压压缩机组、第一水冷装置、第二水冷装置和第三水冷装置；所述第一低压压缩机组包括第一电机、第一低压压缩机、第二低压压缩机和第三低压压缩机；所述第一电机、第一低压压缩机、第二低压压缩机和第三低压压缩机依次同轴串联；所述第一低压压缩机、第一水冷装置、第二低压压缩机、第二水冷装置、第三低压压缩机和第三水冷装置沿空气的流动方向依次连接；所述第三水冷装置的出气口分别与供气单元和中压压缩单元的压缩机连接。

13、本发明中，“第一低压压缩机、第一水冷装置、第二低压压缩机、第二水冷装置、第三低压压缩机和第三水冷装置沿空气的流动方向依次连接”指的是空气从压缩机的出气口进入下一台水冷装置的进气口，然后从水冷装置的出气口进入下一台压缩机的进气口。

14、优选地，所述第二低压空气压缩支路包括第二低压压缩机组、第四水冷装置、第五水冷装置和第六水冷装置；所述第二低压压缩机组包括第二电机、第四低压压缩机、第五低压压缩机和第六低压压缩机；所述第二电机、第四低压压缩机、第五低压压缩机和第六低压压缩机依次同轴串联；所述第四低压压缩机、第四水冷装置、第五低压压缩机、第五水冷装置、第六低压压缩机和第六水冷装置沿空气的流动方向依次连接；所述第六水冷装置的出气口分别与供气单元和中压压缩单元的压缩机连接。

15、本发明中，“第四低压压缩机、第四水冷装置、第五低压压缩机、第五水冷装置、第六低压压缩机和第六水冷装置沿空气的流动方向依次连接”指的是空气从压缩机的出气口进入下一台水冷装置的进气口，然后从水冷装置的出气口进入下一台压缩机的进气口。

16、优选地，所述中压压缩单元包括中压压缩机组、至少1台换热装置和至少1台水冷装置，所述换热装置例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，所述水冷装置例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、本发明中，所述换热装置可以采用任何本领域内常用的换热装置，例如可以是换热器。

18、本发明中，通过设置至少1台换热装置能够实现梯级换热，从而回收压缩空气的热量。

19、优选地，所述中压压缩机组包括电机和至少1台压缩机，所述压缩机例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

20、优选地，所述中压压缩单元包括中压压缩机组、第一换热装置、第二换热装置、第七水冷装置和第八水冷装置；所述中压压缩机组包括第三电机、第一中压压缩机和第二中压压缩机；所述第三电机、第一中压压缩机和第二中压压缩机依次同轴连接；所述第一中压压缩机、第一换热装置、第七水冷装置、第二中压压缩机、第二换热装置和第八水冷装置沿空气的流动方向依次连接；所述第八水冷装置的出气口与高压压缩单元的压缩机连接。

21、本发明中，“第一中压压缩机、第一换热装置、第七水冷装置、第二中压压缩机、第二换热装置和第八水冷装置沿空气的流动方向依次连接”指的是空气从压缩机的出气口进入换热装置的进气口，然后从换热装置的出气口进入水冷装置的进气口，之后从水冷装置的出气口进入下一台压缩机的进气口。

22、优选地，所述高压压缩单元包括高压压缩机组和水冷装置。

23、优选地，所述高压压缩机组包括电机和压缩机。

24、优选地，所述高压压缩单元包括高压压缩机组和第九水冷装置；所述高压压缩机组包括第四电机和第一高压压缩机；所述第四电机和第一高压压缩机依次同轴串联；所述第一高压压缩机和第九水冷装置沿空气的流动方向依次连接；所述第九水冷装置的出气口与储气单元连接。

25、本发明中，“所述第一高压压缩机和第九水冷装置沿空气的流动方向依次连接”指的是空气从第一高压压缩机的出气口进入第九水冷装置的进气口。

26、优选地，所述压缩空气发电单元包括透平发电机组、至少1台加热装置和水冷装置，所述加热装置例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

27、本发明中，所述加热装置可以采用任何本领域内常用的加热装置，例如可以是加热器。

28、优选地，所述透平发电机组包括发电机和至少1台透平机，所述透平机例如可以是1台，2台或3台，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

29、优选地，所述压缩空气发电单元包括透平发电机组、第一加热装置、第二加热装置和第十水冷装置；所述透平发电机组包括第一发电机、第一透平机和第二透平机；所述第一透平机、第二透平机和第一发电机依次同轴串联；所述第一加热装置的进气口与储气单元连接；所述第一加热装置、第一透平机、第二加热装置、第二透平机和第十水冷装置沿空气的流动方向依次连接；所述第十水冷装置的出气口与供气单元连接。

30、本发明中，“所述第一加热装置、第一透平机、第二加热装置、第二透平机和第十水冷装置沿空气的流动方向依次连接”指的是空气从第一加热装置的出气口进入第一透平机的进气口，然后从第一透平机的出气口进入第二加热装置的进气口，之后从第二加热装置的出气口进入第二透平机的进气口，最后从第二透平机的出气口进入第十水冷装置。

31、优选地，所述装置系统还包括储热单元。

32、优选地，所述储热单元包括高温储热罐和低温储热罐。

33、优选地，所述高温储热罐的介质出口与压缩空气发电单元所含加热装置的热媒入口连接；所述高温储热罐的介质入口与中压压缩单元所含换热装置的冷媒出口连接。

34、优选地，所述低温储热罐的介质出口与中压压缩单元所含换热装置的冷媒入口连接；所述低温储热罐的介质入口与压缩空气发电单元所含加热装置的热媒出口连接。

35、优选地，所述压缩空气发电单元所含加热装置的热媒出口经第十一水冷装置与低温储热罐的介质入口连接。

36、本发明中，低温储热罐内用于存储低温储热介质，例如可以是水、导热油或熔盐等储热介质，其作为冷媒对压缩空气在换热装置中进行冷却后，收集于高温储热罐；高温储热罐内存储的储热介质作为热媒对压缩空气在加热装置中进行加热后，返回低温储热罐内收集。

37、第二方面，本发明提供一种如本发明第一方面所述用户侧压缩空气储能的装置系统的运行方法，所述运行方法包括：

38、当所述装置系统处于储能储气工况时，空气经低压压缩单元进行第一阶段压缩，得到第一压缩空气，所述第一压缩空气达到生产线用气要求；部分所述第一压缩空气供生产线使用，剩余所述第一压缩空气经中压压缩单元进行第二阶段压缩得到第二压缩空气，所述第二压缩空气再经过高压压缩单元进行第三阶段压缩得到第三压缩空气，所述第三压缩空气存储于储气单元；所述储气单元内的第三压缩空气部分用于释能工况，部分作为生产线备用供气；

39、当所述装置系统处于释能工况时，所述储气单元内的第三压缩空气进入压缩空气发电单元进行做功发电，得到的电能供生产线使用，做功发电后的空气供生产线使用；

40、当所述装置系统处于直供气工况时，空气经低压压缩单元进行第一阶段压缩，得到第一压缩空气，所述第一压缩空气仅供生产线使用。

41、本发明提供的运行方法中，当处于用电低谷时运行储能储气工况；当处于用电高峰时运行释能工况；当处于新能源或电网低谷电不满足储能功率需求时运行直供气工况。本发明提供的运行方法能够实现三种工况切换，达到压缩空气供应用电错峰用能，降低工业用能成本的效果。

42、优选地，所述第一压缩空气的压力为0.3-1.6mpa，例如可以是0.3mpa、0.4mpa、0.6mpa、1mpa、1.2mpa、1.4mpa或1.6mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

43、优选地，所述第二压缩空气的压力为2.5-5mpa，例如可以是2.5mpa、3mpa、3.5mpa、4mpa、4.5mpa或5mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

44、优选地，所述第三压缩空气的压力为6-14mpa，例如可以是6mpa、7mpa、8mpa、9mpa、10mpa、11mpa、12mpa、13mpa或14mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

45、作为本发明第二方面的优选技术方案，所述运行方法包括：

46、当所述装置系统处于储能储气工况时，空气分别进入第一低压空气压缩支路和第二低压空气压缩支路，在每个低压空气压缩支路内空气进行第一阶段压缩，所述第一阶段压缩的过程包括：空气依次经过第一压缩、水冷、第二压缩、水冷、第三压缩和水冷，得到第一压缩空气，所述第一压缩空气达到生产线用气要求；部分所述第一压缩空气供生产线使用，剩余所述第一压缩空气进入中压压缩单元，在中压压缩单元内空气进行第二阶段压缩，所述第二阶段压缩的过程包括：空气依次经过第四压缩、换热冷却、水冷、第五压缩、换热冷却和水冷，得到第二压缩空气，所述中压压缩单元中换热冷却采用的低温储热介质来源于低温储热罐，所述低温储热介质进行换热冷却后流入高温储热罐内进行收集；所述第二压缩空气进入高压压缩单元，在高压压缩单元内进行第三阶段压缩，所述第三阶段压缩的过程包括：空气依次经过第六压缩和水冷，得到第三压缩空气，所述第三压缩空气存储于储气单元；所述储气单元内的第三压缩空气部分用于释能工况，部分作为生产线备用供气；

47、当所述装置系统处于释能工况时，所述储气单元内的第三压缩空气进入压缩空气发电单元做功发电，所述做功发电的过程包括：第三压缩空气依次经加热、第一膨胀做功、加热和第二膨胀做功，产生的电能供生产线使用，做功发电后的空气经过水冷后供生产线使用，所述压缩空气发电单元中加热采用的高温储热介质来源于高温储热罐，所述高温储热介质进行加热后经水冷流入低温储热罐进行收集；

48、当所述装置系统处于直供气工况时，空气分别进入第一低压空气压缩支路和第二低压空气压缩支路，在每个低压空气压缩支路内空气进行第一阶段压缩，得到第一压缩空气，所述第一压缩空气仅供生产线使用。

49、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

50、(1)本发明提供的装置系统将用户侧压缩空气储能和生产线用压缩空气供应耦合，减小了独立压缩空气储能系统空气经透平膨胀做功后的排气损失，提高了压缩空气储能综合能源效率至70％以上。

51、(2)本发明提供的装置系统能够采用新能源或电网低谷绿电作为储能储气工况的供电电源，充分发挥储能错峰用电的优势，储能储气工况存储的压缩空气为绿色产品，提升了高耗能产业对绿电的消纳能力。

52、(3)本发明提供的装置系统及其运行方法能够根据依据峰谷平电价水平选择储能储气工况、释能工况和直供气工况，具有灵活性和经济性。