基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法

本发明属于压缩空气储能，特别涉及一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

1、储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性、间歇性等弊端，可有效解决移峰填谷的难题，近年来受到越来越多的重视；其中，压缩空气储能技术是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储技术。

2、目前，现有的压缩空气储能技术尚存在以下不足之处，具体包括：

3、1)现有技术中，通常设计多台压气机、透平同轴工作对空气进行压缩、膨胀工作，无法根据实际情况调整系统的压缩比，系统灵活性不足，只能适用于特定压缩比范围内的储能系统工作；其中，当压缩比过大时，可能会导致排气温度过高，系统耗功过高，致使系统效率较低；当压缩比过小时，则会存在浪费电能的现象；

4、2)现有技术中，主要以大容量为设计目标，需要借助地下岩穴或废弃矿井等作为储气空间，使得现有压缩空气储能技术极大地受限于地理条件，不利于系统的分布式布置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，能够在不同工况下调整压气机的耦合情况，使系统在整体压缩比变化的情况下适配合适的压气机耦合情况，从而使每个压气机都处于最合理的工作范围之内，能够有效降低整个储能过程中的压气机耗功，有效降低单个压气机的工作压力，从而提高系统储能效率与能量利用率，增加系统使用寿命。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，包括：储气罐、储冷罐、储热罐、n级压缩单元和m级膨胀单元；

4、所述n级压缩单元中的每级压缩单元均包括压气机和换热器；其中，第一级压缩单元中的压气机的出口与第一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口分别与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的出口分别与本级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口相连通，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口相连通；第二级至第n级压缩单元中的压气机分别通过离合器与前一级压缩单元中的压气机相连接；

5、所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元均包括透平和换热器；其中，第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口相连通，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口分别与前一级膨胀单元中的透平的第二出口相连通，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的出口分别与本级膨胀单元中的透平的进口相连通；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通；第二级至第m级膨胀单元中的透平分别通过离合器与前一级膨胀单元的透平相连接。

6、本发明的进一步改进在于，还包括：冷却器；

7、所述储冷罐的进口经所述冷却器的换热通道后与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通。

8、本发明的进一步改进在于，所述n级压缩单元中，第一级压缩单元中的压气机的进口用于与大气连通。

9、本发明的进一步改进在于，所述m级膨胀单元中，每级膨胀单元中的透平的第一出口均用于与大气连通。

10、本发明的进一步改进在于，所述离合器为同步自换档离合器。

11、本发明的进一步改进在于，还包括：

12、电动机，用于驱动所述n级压缩单元的每级压缩单元中的压气机。

13、本发明的进一步改进在于，还包括：

14、发电机，用于在所述m级膨胀单元的驱动下发电。

15、本发明的进一步改进在于，所述储冷罐和所述储热罐中的工质为水、镍化锂和氨水中的一种。

16、本发明的进一步改进在于，

17、第二级至第n级压缩单元中的压气机的进出口与储气罐进口连接的管路之间设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口与所述储气罐的进口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门；

18、第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口与前一级膨胀单元中的透平的第二出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的透平的出口管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门。

19、本发明提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能方法，基于本发明上述的基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统；

20、所述压缩空气储能方法包括：

21、系统开始储能工作时，储气罐内的压力较低，系统的压缩比比较小，此时一级压缩单元进行工作，一级压缩单元中压气机压缩的空气经过换热器冷却后进入储气罐；随着压缩过程的进行，储气罐内压力不断上升，系统的压缩比逐步上升，当系统实际压缩比超过单个压缩单元设计工作范围时，离合器工作将第二级压缩单元与第一级压缩单元耦合进行工作，经过第一级压缩单元的压缩空气进入第二压缩单元中的压气机进行压缩，再进行冷却后进入储气罐中存储；随着储能工作的不断进行，将更多级数的压缩单元投入工作；

22、当系统开始释能工作时，此时系统的膨胀比处于峰值，m级膨胀单元耦合在一起同时进行释能工作，被压缩的空气逐级进入膨胀单元中进行换热膨胀的工作，最终恢复常温常压排入大气之中；在释能过程的进行中，储气罐内的压力逐步下降，系统的膨胀比逐步下降，当系统实际膨胀比低于此时的耦合膨胀单元设计工作范围时，离合器将膨胀单元逐步解耦，直至最终仅有一级膨胀单元进行释能工作。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、针对现有压缩空气储能系统不能灵活调整压缩比以适应不同工况的问题，本发明提供了一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统；本发明通过离合器根据不同工况调整系统中压气机和透平的耦合关系来调整整个系统的压缩比，从而实现系统的变工况运行，一方面可使每个压气机和透平始终处于最佳的工作状态，能够充分利用每个压气机和透平的能力，从而提高系统的储能效率，另一方面可以有效降低每台压气机和透平的工作压力，除了可以降低压气机和透平的设计难度，还可以提高整个系统的使用寿命。另外，由于使用离合器，一组压气机或透平仅需一个发电机辅助工作，简化系统配置的同时提高了整个系统的储能效率以及灵活性。针对现有压缩空气储能系统依赖地理条件、体积较大的问题，本发明的压缩空气储能系统可适用的压缩比范围较大，通过耦合的方式，可以使单个压气机和透平的压比和膨胀比相对较小，因此系统的体积较小，可以实现分布式布置。综上，本发明提供的技术方案，能够在不同工况下调整压气机的耦合情况，使系统在整体压缩比变化的情况下适配合适的压气机耦合情况，从而使每个压气机都处于最合理的工作范围之内，能够有效降低整个储能过程中的压气机耗功，有效降低单个压气机的工作压力，从而提高系统储能效率与能量利用率，增加系统使用寿命。

25、本发明中，压气机与压气机之间、透平与透平之间都设有换热器，保障了进入压气机和透平的压缩空气的温度在其工作范围之内；可以通过调整控制阀开度调节在压气机、透平耦合情况发生变化时由储冷罐进入不同换热器中储能介质的流量，从而保障换热器热流进口和冷流出口的温差达到设计要求。

26、本发明中压气机之间和透平之间可以通过sss离合器(synchro-self-shifting，同步自换档离合器)进行啮合以适配不同压比的工作需求，压气机间的啮合情况与透平之间的啮合情况是对应的以维持系统储能与释能之间的平衡。

27、本发明的控制方法能够实现：在用电低谷时利用低谷电力储存能量时，并在用电高峰时完成能量释放，同时可以根据实际的需求调整压气机和透平的耦合情况调整整个系统的压比，以适用于不同的工况需求，具有较高的储能效率。