一种压缩空气储能系统进气处理方法及系统与流程

本发明涉及压缩空气储能，具体为一种压缩空气储能系统进气处理方法及系统。

背景技术：

1、新型储能技术中的压缩空气储能技术具有规模大、成本低、寿命长、清洁无污染、储能周期不受限制优势，且其储能/释能过程还伴随着热量的传输和存储，是一种适合大范围推广的规模化新型物理储能技术。压缩空气储能技术的基本原理为在非用电高峰期压缩机通过消耗多余电能(谷电、弃风和弃光等)将空气压缩至高压并储存在空气储罐或地下气穴中；在用电高峰期将高压空气释放，通过一种特殊构造的气轮机将其转变为电能，以实现电网削峰填谷、提高电网稳定性和可靠性的目的。空气是压缩空气储能技术中最重要的能量转化载体，虽然来源广泛便宜环保，但空气的温湿度会随着季节和气候的变化产生波动，也即夏季温度高而冬季温度较低，会使得压缩机出口温度发生季节性波动。此外，由于水蒸气的比热容大于空气的比热容，使得湿度较大的空气压缩后热能和动能不能完全解耦，会对中间换热器的换热效率产生影响。另一方面，空气中的灰尘颗粒也会对压缩机系统产生磨损并污染润滑油，或者附着在换热器表面形成污垢热阻，影响了高效换热和系统的安全性。因此，有必要对压缩空气储能电站的进气口增加进气处理系统，改善入口空气的温度、湿度和洁净程度，从而提升压缩机性能及系统能效水平。

2、现有的压缩空气储能系统直接将简单过滤的空气吸入压缩机工作，空气的温度、湿度、洁净程度受到气候、地域、季节等影响较大，会对压缩机运行产生影响。例如，夏天空气温度和冬天空气温度如相差20℃，会对压缩机出口的空气温度、储热罐的循环流量、空气流量等运行参数的调整产生较大影响，不利于系统的稳定运行；此外，空气中的湿度的大小也会改变压缩机排气温度，以及空气中的颗粒物会造成设备磨损、积垢、污染润滑油等问题。针对上述问题，所以需要一种压缩空气储能系统进气处理方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种压缩空气储能系统进气处理方法及系统。本发明使得空气的温度、湿度和洁净程度可保持在较为合理的范围，且利用系统的余热和乏气为系统配备了滤网清洁和除湿膜再生功能，是一种经济、高效、低成本的空气综合处理和能量回收利用方案。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种适用于压缩空气储能系统的进气处理系统，包括进气处理系统和压缩空气储能系统；

4、所述的进气处理系统包括与空气入口连接的蓄热恒温换热器，所述蓄热恒温换热器连接有空气处理模块，所述的蓄热恒温换热器的入口设置有第一空气温湿度传感器，采集入口环境空气的温度和湿度，所述蓄热恒温换热器的入口还连接有低温进气管道和高温进气管道，所述的蓄热恒温换热器为间接式换热器，内部装有蓄热材料，通过蓄热材料的显热和/或潜热存储热量或冷量，为蓄热装置提供热量和冷量的来源分别为吸收压缩机/膨胀机等冷却系统余热后的高温空气和第四级膨胀机出口的低温空气，两股气流可分别通过余热送气管道和低温进气管道引至蓄热换热器处，所述高温进气管道和低温进气管道上分别设有余热送气开关阀和低温进气开关阀用于控制高温进气和低温进气的开启和关断，所述高温进气管道和低温进气管道上分别设有高温进气调节阀和低温进气调节阀调节向蓄热恒温换热器的进气流量；

5、所述的蓄热恒温换热器可以存储来自两股气流的热量或者冷量，也可直接释放给待处理的入口空气，以保证蓄热换热器处理过的空气温度达到压缩机入口所需理想的温度区间内。需要说明的是，本方案选择利用压缩机/膨胀机等旋转设备冷却系统的余热和最后一级膨胀机出口低温空气进行空气处理，是因为两者不参与压缩空气储能和释能过程，不会对压缩空气储能系统的储能过程产生影响，且可以保证充电容量和放电容量的最大化。理论上，可以选择任何一级的压缩机和/或膨胀机和/或储气库出口空气引至空气处理模块进行空气处理，但会对压缩空气储能和释能过程产生影响，会牺牲一部分充放电容量，且受工况的限制较大，控制系统也比较复杂，本发明的方法可以克服上述缺点，是一种提质增效的能量综合利用的方法。

6、所述高温进气管道的输出端与所述空气处理模块的输入端连接，与所述空气处理模块输入端连接有两根高温进气管道，两根所述的高温进气管道上均设有进气旁通阀；

7、所述的空气处理模块，从空气来流方向依次包含粗滤网、精滤网、除湿膜和风机，在粗滤网入口设置第二空气温湿度传感器，检测空气处理模块入口，也即蓄热恒温换热器出口处的空气温度和湿度；在风机入口处设置第三温湿度传感器，检测除湿膜出口也即风机的入口处的空气温度和湿度。在粗滤网的入口、精滤网出口和除湿膜的出口处分别设置了第一压力采样点、第二压力采样点和第三压力采样点，并通过压力传感器计算任意两者的压差。采样点1和采样点2的压差大小可用于判断滤网的脏堵情况，作为开启滤网清洁工况的判据；采样点2和采样点3的压差大小可用于判断除湿膜的使用情况，作为开启除湿膜再生工况的判据；采样点1和采样点3的压差表征了空气处理过程的整体压差，可作为空气处理模块设计依据或者用于协助监测采样点1和2的压力传感器是否失效；特别的，采样点3测量的风机入口处的压力，可以作为风机调整频率及转速的判据，使得风机出口处的压力在压缩机高效工作所需的理想区间内。在与未处理空气来流垂直方向上，在粗滤网和精滤网中间，分别设置有第一净化旁通阀和第三净化旁通阀的接入口，所述的第一净化旁通阀和第三净化旁通阀分别连接在余热送气管道的第一旁通支路和低温进气管道旁通的旁通支路上，第一净化旁通阀适用于储能工况中在空气凝露风险较高或者有露水析出时的吹水功能，同时实现凝露水对滤网清洁；第三净化旁通阀适用于释能工况时为滤网清洁功能开启时提供必要的冷源；在与未处理空气来流垂直方向上，在粗除湿膜和风机中间，设置有第二净化旁通阀的接入口，所述的第二净化旁通阀连接在余热输送管道上，用于为除湿膜再生时提供必要的热源。在所述的精滤网和除湿膜中间的底部位置，设置有泄水阀，用于排除两个滤网和/或除湿膜在正常运行、滤网清洁和除湿膜再生工况中疏泄下来的冷凝水。所述的风机用于蓄能工况下向压缩机供风，此工况下第一级压缩机的进气控制阀开启而第四旁通净化阀关闭，风机保持正向旋转将处理后的空气送入第一压缩机内；在滤网清洁工况中，风机保持正向旋转，且需要将第一级压缩机的进气控制阀关闭而第四旁通净化阀开启，从而将湿度较大或者含有大量液滴、固体颗粒物的气体排入大气中；在除湿膜再生工况中，风机保持反向旋转，且需要将第一级压缩机的进气控制阀关闭而第四旁通净化阀开启，使得空气从第四净化旁通阀所在的管道进入，通过反向吹风对除湿膜进行再生。

8、所述空气处理模块与所述压缩空气储能系统连接，压缩空气储能系统包含压缩机组、膨胀机组、中间换热器系统、储气库和储液罐系统组成，所述的压缩机组包含与空气处理模块的输出端连接的一级压缩机，所述一级压缩机连接有二级压缩机，所述二级压缩机连接有三级压缩机，所述三级压缩机连接有四级压缩机；

9、所述换热器系统包括设在一级压缩机和二级压缩机之间并与一级压缩机和二级压缩机连接的第一中间换热器，设在二级压缩机和三级压缩机之间并与二级压缩机和三级压缩机连接的第二中间换热器，设在三级压缩机和四级压缩机之间并与三级压缩机和四级压缩机连接的第三中间换热器第三中间换热器、所述四级压缩机的输出端连接有第四中间换热器，其中第一至第四换热器并联放置在压缩侧将空气压缩过程的压缩热传递给储热介质，第五至第七换热器并联放置在膨胀侧将储热介质存储的压缩热释放给空气；所述的储气库上游与压缩机组相连，下游与膨胀机组相连，用于存储和释放空气；所述的储液罐系统包含高温储液罐和低温储液罐，高温储液罐用于存储吸收空气的压缩热后升温的储热介质，低温储液罐用于存储释放空气的压缩热后降温的储热介质。所述的压缩机、膨胀机、换热器、储液罐、储气库的个数均可以随工况进行设计和变更。所述的压缩机组和膨胀机组分别与电动机和发电机相连，用于从电网消纳电量或者向电网输出电量；所述的第一至第七中间换热器均配置了调节阀，用于调节各换热器的流量均衡或者出口空气温度一致；所述的储气库进口和出口均设置开关阀，用于切换储气或者放气工况；所述的高温储液罐和低温储液罐均设置有循环泵、流量计和温度计，用于提供储热介质的循环动力并测量储热介质的温度和流量。

10、所述第四中间换热器的输出端连接有储气库，所述储气库连接有一级膨胀机，所述一级膨胀机通过第五中间换热器连接有二级膨胀机，所述二级膨胀机通过第六中间换热器连接有三级膨胀机，所述三级膨胀机通过第七中间换热器连接有四级膨胀机，所述第五中间换热器、第六中间换热器和第七中间换热器的输出端连接有低温储热罐，所述低温储热罐的输出端分别与所述第一中间换热器、第二中间换热器、第三中间换热器和第四中间换热器的输入端连接，所述第一中间换热器、第二中间换热器、第三中间换热器和第四中间换热器的输出端连接有高温储热罐，所述高温储热罐的输出端分别与所述第五中间换热器、第六中间换热器和第七中间换热器的输入端连接。

11、所述高温储热罐上设有第一温度计，所述低温储热罐上设有第二温度计，与所述高温储热罐分别连接的第五中间换热器、第六中间换热器和第七中间换热器的支管上分别设有第五调节阀、第六调节阀和第七调节阀，所述低温储热罐分别连接第一中间换热器、第二中间换热器、第三中间换热器和第四中间换热器的支管上分别设有第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀和第四调节阀，低温储热罐连接第一中间换热器、第二中间换热器、第三中间换热器和第四中间换热器的主管上设有第二循环泵，高温储热罐与第五中间换热器、第六中间换热器和第七中间换热器连接的主管上设有第一循环泵。

12、所述四级膨胀机上设有发电机，所述四级膨胀机通过低温进气管道与所述蓄热恒温换热器的输入端连接，所述低温进气管道上设有低温进气开关阀和低温进气调节阀，所述低温进气管道与所述控制处理模块之间连接的管道上设有第三净化旁通阀，所述低温进气管道设有排至大气的排气管道，所述排气管道上设有第一开关阀，所述第四中间换热器与所述储气库之间的管道上设有第四开关阀，所述储气库与一级膨胀机之间的管道上设有第五开关阀。

13、所述蓄热恒温交换器和空气处理模块的输入端与所述压缩空气储能系统连接有余热送气管道，所述余热送气管道上设有余热送气开关阀，所述余热送气开关阀与蓄热恒温换热器之间设有高温进气调节阀，所述空气处理模块与余热送气管道之间通过两根支管连接，两根所述的支管上分别设有第一净化旁通阀和第二净化旁通阀。

14、所述的空气处理模块从空气来流方向依次包含粗滤网、精滤网、除湿膜和风机，在粗滤网入口设置第二空气温湿度传感器，检测空气处理模块入口蓄热恒温换热器出口处的空气温度和湿度；在风机入口处设置第三温湿度传感器，检测除湿膜出口风机的入口处的空气温度和湿度，在粗滤网的入口、精滤网出口和除湿膜的出口处分别设置了第一压力采样点、第二压力采样点和第三压力采样点，并通过压力传感器计算任意两者的压差，采样点1和采样点2的压差大小用于判断滤网的脏堵情况，作为开启滤网清洁工况的判据；采样点2和采样点3的压差大小可用于判断除湿膜的使用情况，作为开启除湿膜再生工况的判据；采样点1和采样点3的压差表征了空气处理过程的整体压差，可作为空气处理模块设计依据或者用于协助监测采样点1和2的压力传感器是否失效；特别的，采样点3测量的风机入口处的压力。

15、进一步，本发明提供一种压缩空气储能系统进气处理方法，其特征在于，具体按以下步骤执行：

16、s1:所述的空气处理系统包含蓄热恒温换热器和空气处理模块两部分，空气处理系统与储能过程同时进行，在该运行模式下，第一空气温湿度传感器、第二空气温湿度传感器、第三空气温湿度传感器、第一采样点、第二采样点和第三采样点均持续运行并保持数据的记录、传输和计算，其中空气温湿度传感器测量值分别为ti和φi(i＝1,2,3)，采样点i和采样点j测量并计算得到的压差为△pij(i,j＝1,2,3)；

17、s2:在空气处理模块运行时，需要设定第一级压缩机入口空气温度范围和湿度上限，并设定蓄热恒温换热器的温度范围，第三采样点处空气的压力范围和风量；

18、s3:判断第三采样点处空气压力是否在设定范围内，若满足压力区间则根据根据风机性能曲线调整风机转速或频率，直至满足设定压力和风量；

19、s4:判断蓄热换热器温度是否低于设定温度，如低于设定温度，则在储能或释能工况下开启余热送气开关阀和高温进气调节阀，回收余热给蓄热换热器加热，如非储能或释能工况则需等待满足工况条件时再开始给蓄热恒温换热器蓄热，直至蓄热恒温换热器达到合适的温度范围；

20、s5:判断蓄热换热器温度是否高于设定温度，如高于设定温度，则在释能工况下开启低温进气开关阀和低温进气调节阀，回收排气冷量给蓄热换热器蓄冷，如非释能工况则需等待满足工况条件时再开始给蓄热恒温换热器蓄冷，直至蓄热恒温换热器达到合适的温度范围；

21、需持续监控并记录△p12、△p23、△p13、t1、t2、t3、φ1、φ2和φ3，并判断是否满足滤网清洁条件、滤网防凝露条件和除湿膜再生条件；

22、进一步，在储能子模式下，低温储气罐出口的第三开关阀和第二循环泵开启运行，确保低温储液罐的储热介质在循环泵的推动下并联分流入中间第一换热器至中间第四换热器回收空气释放的压缩热，并流回至高温储液罐；

23、第一调节阀-第四调节阀全部启动运行，用于调节各个中间换热器的储热介质流量，用于回收更多的压缩热或调节各换热器的流量均衡或保证各换热器换热后的储热介质温度相近；

24、第四开关阀开启，将高压空气回收至储气库中；

25、打开电动机吸收电网多余的电量用于带动压缩机做功，多个压缩机串联布置逐级做功将空气压缩至指定压力，低温储热介质流经第一中间换热器-第四中间换热器对空气进行冷却以回收压缩热，换热后的高温储热介质最终储存于高温储液罐中，完成储能过程；

26、在释能子模式下，第二开关阀和第一循环泵开启运行，确保高温储液罐的储热介质在循环泵的推动下并联分流入第五中间换热器-第七中间换热器释放热量给空气提高膨胀机空气进口温度，并流回至低温储液罐；

27、第五调节阀-第七调节阀全部启动运行，调节各个中间换热器的储热介质流量，释放更多热量给空气或调节各换热器的流量均衡或保证各换热器换热后的储热介质温度相近；第五开关阀开启，释放储气库中的高压空气；

28、将储气库空气释放带动膨胀机做功，多个膨胀机串联布置，空气流经后做功并带动发电机发电，高温储热介质流经第五中间换热器-第七中间换热器对空气进行加热以提高膨胀机进口空气温度，换热后的低温储热介质储存于低温储液罐中，完成释能过程；

29、进一步，空气处理系统运行过程具体按以下步骤执行；

30、s7.1:将吸收压缩机/膨胀机的冷却系统余热后的高温空气通向余热送气管道，并在余热送气管道上设有高温进气调节阀调节高温进气流量；

31、s7.2:在第四级膨胀机的出口处设一三通管道，三通出口分别接低温进气管道和排气管单，低温进气管道与蓄热恒温换热器相连，在低温进气管道上设有高温进气调节阀用于调节低温进气流量，在排气管道上设有的第一开关阀，开启或关断气体向大气排放；

32、s7.3:在高温进气调节阀的上游又旁通出两个支路，两个支路上分别装有第一净化旁通阀和第三净化旁通阀，两个旁通阀可以调节余热送气管道向空气处理模块提供的高温气体流量；

33、s7.4:在低温进气调节阀的上游旁通出一个支路，并在此之路上装有第三净化旁通阀，调节低温进气管道向空气处理模块提供的低温气体；

34、s7.5:未处理的空气以此通过第一空气温湿度传感器、蓄热恒温换热器、空气处理模块，所述的第一空气温湿度传感器用于检测未处理空气的温度和湿度，所述的蓄热恒温换热器为间接式换热器，内部装有蓄热材料，可以通过蓄热材料的显热和/或潜热来存储热量或冷量，为蓄热装置提供热量和冷量的来源分别为吸收压缩机/膨胀机等冷却系统余热后的高温空气和第四级膨胀机出口的低温空气；

35、s7.6:所述的空气处理模块在空气流动方向上以此为粗滤网、精滤网、除湿膜和风机，在空气处理过程中，粗滤网和精滤网分别过滤较大的固体颗粒物和较小的固体颗粒物，除湿膜用于吸附空气中的水分，以便为压缩机提供清洁、干燥且温度适宜的空气，所述的第二空气温湿度传感器和第三温湿度传感器分别检测粗滤网前和风机前的空气温度、湿度，以判断空气处理模块对空气温度和湿度的改善情况。

36、s7.7:判断温度是否达到设定温度区间，通过改变高温进气调节阀和低温进气调节阀的流量来对空气进行预热或冷却，从而使其达到设定的温度区间内；如果除湿膜的除湿效果逐渐变差，不能满足除湿需求，则需要对除湿膜进行加热再生。进一步地，在粗滤网前、精滤网后和除湿膜后，依次设置有第一压力采样点、第二压力采样点和第三压力采样点，用于监测空气压差，以判断是否需要启动滤网清洁和/或除湿膜再生等工况。在粗滤网前、精滤网后和除湿膜后，依次设置有第一压力采样点、第二压力采样点和第三压力采样点，所述的第一压力采样点和第二压力采样点的压差大小可用于判断滤网的脏堵情况，作为开启滤网清洁工况的判据；第二压力采样点和第三压力采样点的压差大小可用于判断除湿膜的使用情况，作为开启除湿膜再生工况的判据；采样点1和采样点3的压差表征了空气处理过程的整体压差，可作为空气处理模块设计依据或者用于协助监测采样点1和2的压力传感器是否失效；特别的，采样点3测量的风机入口处的压力，可以作为风机调整频率及转速的判据，使得风机出口处的压力在压缩机高效工作所需的理想区间内。

37、进一步，空气处理模块滤网清洁运行具体按以下步骤：

38、s8.1:首先要判断是否满足触发滤网清洁程序的条件，也即△p12>第一阈值△p12(1)时，判断需要在下一次释能工况中进入自清洁运行程序；

39、s8.2:在所述的滤网清洁运行过程中，保持低温进气开关阀、第三净化旁通阀和第四净化旁通阀开启，其他阀门关闭，风机停止工作或者低频正转。该过程是为了让冷空气和少量热空气在滤网处交汇并凝结出水滴，如空气温度进一步降低，凝结水会进一步冻结在粗滤网和精滤网表面。由于凝结水冻结过程会在滤网孔洞内轻微膨胀并裹挟固体颗粒，从而将颗粒物从滤网表面剥离，此阶段为清洁阶段；

40、s8.3:达到预设清洁时间后，关闭第三净化旁通阀和低温进气开关阀，开启泄水阀，停止冷空气输入后，已经冻结的凝结水会逐渐吸热融化，融化过程中伴随着凝结水对滤网的冲刷，并带走了滤网表面固体颗粒物，此阶段为静置阶段；

41、s8.4:达到预设的静置时间后，提高风机频率使空气流量达到滤网清洁前的空气流量水平，再次判断△p12>第一阈值△p12(1)，如仍不满足则需在下一次释能工况继续启动滤网清洁功能，直至△p12<第一阈值△p12(1)。

42、进一步，空气处理模块滤网防凝露运行过程具体按以下步骤执行：

43、s9.1:首先要判断是否满足触发滤网防凝露程序的条件，在储能工况下，也即△p12>第二阈值△p12(2)但△p12<第一阈值△p12(1)时，或者当第二温湿度传感器测得的空气湿度大于第一预设湿度且持续时长大于第一预设时间时，判断当前运行状态具有较高的凝露风险；

44、s9.2:开启余热送气开关阀和第一净化旁通阀，该过程是将吸收压缩机/膨胀机等冷却系统余热后的高温空气引至空气处理模块，以此来缓解空气的凝露风险或者吹除烘干已经形成的凝结液，实现降低空气湿度，防止进气过程大量凝露从而堵塞滤网的现象发生；

45、s9.3:持续监控△p12和φ2，当满足△p12<第二阈值△p12(2)或储能工况结束时，可停止滤网防凝露运行过程。

46、进一步，空气处理模块除湿膜再生运行具体按以下步骤：

47、s10.1:首先要判断是否满足触发除湿膜再生程序的条件，第二空气温湿度传感器和第三空气温湿度测得的湿度测得的湿度差△φ23小于第一预设湿度差△φ(1)时和/或第三空气温湿度传感器的测量湿度值φ3大于第二预设湿度φ(2)时，判断当前除湿膜饱和程度较高，需要进行再生运行；

48、s10.2:开启余热送气开关阀、第二净化旁通阀与第四净化旁通阀，第一级压缩机的进气控制阀关闭，同时使风机反向旋转，该过程是将吸收了压缩机/膨胀机等冷却系统余热后的高温空气引流至除湿膜区域，通过高温气体加热将除湿膜中的水分与膜分离，并通过风机反转将分离后的高湿空气从空气处理模块的入口排出，完成除湿膜的再生；

49、s10.3:持续监控△φ23和φ3，达到了预设的再生时间和/或者△φ23>第一预设湿度差△φ(1)和/或φ3大于第二预设湿度φ(2)，停止除湿膜再生运行过程。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、1、本发明解决了压缩空气储能系统入口空气温度、湿度和洁净程度会随着季节和气候的变化而产生波动的问题，进而减缓或者消除其不利影响。本发明可以保持压缩空气储能系统入口空气的温度、湿度和洁净程度均能在满足系统高效运行的合理范围内，通过增加低成本的蓄热换热器、高温及低温进气引流管道、除湿膜、滤网等常见耗材既可以对空气温度、湿度和洁净程度的处理需求；另一方面，本发明提供的滤网清洁和除湿膜再生功能保障空气处理功能的日常维护和长效运行，仅通过增加旁通管路、阀门、温湿度传感器、压差传感器等简单装置既可以满足再生和清洁功能，无需增加其他耗材或停机处理，是一种可持续性、长效的、经济的空气处理功能。

52、2、本发明不仅提供了空气处理方案，还一并提出了实现空气处理功能所需的滤网清洁和除湿膜再生功能，是有一种长效的、可持续的、可再生的、经济环保的空气品质处理功能，具有很强的应用性；本发明提出的各种方案所需的能源均来自于系统的余热或者是最后一级膨胀机排除的乏气，各个功能独立性较强，且实现上述功能不会对压缩空气储能系统本体运行产生影响，也不会降低压缩空气储能系统本体的电-电效率，起到提质增效的能源综合利用的进步。

53、3、利用压缩空气储能系统中的余热和最后一级膨胀机出口的低温排气用于压缩机入口的空气处理，为压缩机提供了清洁，温度区间合理的空气，提高压缩机运行稳定性及运行效率；进一步地，本发明结合压缩空气储能系统间歇运行特性，还为空气处理模块增加了滤网清洁、除湿膜再生、防凝露功能，保障了空气处理模块的日常维护和长效运行。