一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统及方法与流程

本发明属于压缩空气储能，尤其涉及一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统及方法。

背景技术：

1、储能技术是在有能量富余时将富余的能量储存起来，并在需要时再释放出来供使用的技术。储能技术分为物理储能与化学储能，物理储能技术中的压缩空气储能和抽水蓄能最适合于建设大规模储能系统。压缩空气储能分为绝热压缩空气储能、非绝热压缩空气储能和等温压缩空气储能。在等温压缩空气储能系统中，根据理想气体状态方程，储能过程中将高压空气储存在高压储气罐的过程理论上可以实现等温压缩但实际上温度会升高，释能过程中将高压空气从高压储气罐中释放的过程理论上可以实现等温过程但实际上温度会降低。因此在等温压缩空气储能系统的运行过程中，很难实现完全的等温过程，储存的高压气体的最高温度和最高压力存在下降，造成温度和压力的损失影响系统效率。

技术实现思路

1、为了解决现有等温压缩空气储能系统中高压空气储气过程和释放过程存在温度的升高和降低，无法实现等温过程的问题，本发明提出了一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，通过将储气罐外壁面设置为中空并在其中通导热油，通过系统的运行，为高压储气罐提供冷热油和冷热水配合高压储气罐中的等温过程实现。

2、本发明通过以下技术方案来实现：一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，包括空气压缩单元、膨胀机发电单元和等温储气与排气单元；等温储气与排气单元包括储气罐、热水罐、冷水罐、冷油罐、热水罐和排水水罐，储气罐中设置有内层的储气仓和储气仓外层的中空换热层，储气仓入口连通空气压缩单元、热水罐和冷水罐，储气仓排水口连通排水水罐；中空换热层的入口和出口均连通冷油罐，中空换热层的出口还连通热水罐；排水水罐通过换热单元分别连通热水罐和冷水罐；储气仓的出口连通膨胀机发电单元的工质入口，膨胀机发电单元的出气口连通换热单元。

3、换热单元包括热水罐换热器和冷水罐换热器，热水罐换热器的冷侧连通热水罐，冷水罐换热器的热侧连接冷水罐；膨胀机发电单元的出气口连通冷水罐换热器的冷侧入口，冷水罐换热器的冷侧出口连通外部环境。

4、储气仓的出口至膨胀机发电单元的工质入口之间设置预热器，预热器的热侧入口连接空气压缩单元的放热端口，预热器的热侧出口连通热水罐换热器的热侧入口，热水罐换热器的热侧出口连通外部环境。

5、空气压缩单元包括依次连接的压缩机、蓄热器的热侧和缓冲罐，蓄热器的冷侧入口连接外部环境，蓄热器的冷侧出口连接预热器，压缩机连接有电动机。

6、膨胀机发电单元包括膨胀机，膨胀机连接发电机，膨胀机的工质入口连接预热器的冷侧出口，膨胀机的工质出口连接冷水换热器。

7、冷油罐和热油罐的出口均设置阀门和油泵；中空换热层的出口设置阀门，储气仓排水口设置阀门。

8、储气仓上部设置喷淋装置，热水罐和冷水罐的出口均设置阀门和水泵，水泵通过管道连通所述喷淋装置。

9、储气仓的外壁面和中空换热层外壁内面设置有交错的环形肋或螺旋形流道，且中空换热层从上往下宽逐渐减小；环形肋之间的水平距离保持在10-20厘米。

10、基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统的运行方法，储能时：空气压缩单元的压缩空气进入储气仓储能，储存过程中储气罐内的温度会不断升高，冷油罐内的常温油从储气罐上部的中空换热层入口进入吸收储气过程中的热量，随后流入热油罐中，冷水罐中的水进入储气仓对压缩空气降温，储气仓底部的水会不断增多，开启排水水罐的入口阀使储气罐储气仓底部的水流至排水水罐中储存，保持储气罐储气仓底部的水位不变；储气仓底部保存有部分水，以构成水的循环，底部水的高度为30至50厘米；

11、释能时，储气罐内高压空气排出，排水水罐的出口和入口均开通，水从排水水罐流出在换热单元中放热后进入冷水罐储存，水从排水水罐流出在换热单元中吸热后进入热水罐储存，同时储气罐在高压气体流出时温度下降，热水罐中的热水进入储气仓，储气仓底部的水流入排水水罐中，热油从中空换热层入口进入为放气过程补热，随后流入冷油罐中；储气罐中排出的高压空气进入膨胀机发电单元中膨胀做功，控制膨胀比使膨胀机出口的空气的压力为常压，温度低于常温，做功后的乏气进入换热单元吸热。

12、储气仓的出口至膨胀机发电单元的工质入口之间设置预热器，蓄热器的冷侧入口连接外部环境，蓄热器的冷侧出口连接预热器，预热器的热侧出口连通热水罐换热器的热侧入口，热水罐换热器的热侧出口连通外部环境；储气罐中排出的高压空气经预热后进入膨胀机发电单元中膨胀做功；空气吸收空气压缩单元压缩热进入预热器加热高压空气，空气携带余热进入换热单元进一步放热后排出。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

14、本发明将储气罐分为为储气仓和中空换热层两层，中空换热层底部设置出口，顶部设置入口，储气仓顶部设置入口同时也为出口，中空换热层中通过导热油的流动分别吸收储气过程中的热量和为放气过程补热，并设置有冷油罐和热油罐，实现了导热油的循环；同时还采用冷水对压缩空气降温，吸热后形成热水在换热单元放热后再进入冷水罐进行循环；在释能时，储气仓内温度降低，热水和热油能够在释能阶段为高压空气补热，热水和热油降温后回到各自储罐继续循环。

15、进一步的，本发明设计的新型储气罐中，中空换热层的宽度从顶部至底部逐渐缩小，导热油通过泵进入中空换热层入口的流量保持不变，中空换热层的界面面积从顶部到底部逐渐减小，流速也不断增加，增强了导热油与壁面的换热；储气仓的外壁面和中空换热层外壁内面设置有交错的环形肋，环形肋的高度也随中空换热层的宽度的减小而减小，储气仓的外壁面的环形肋和中空换热层外壁内面的环形肋之间的水平距离保持在10-20厘米，保证导热油顺畅流动，交错的环形肋在增大换热面积的同时也增强了对换热的扰动从而增强了导热油与壁面的换热。

16、进一步的，水分别在被预热的仍有余热的空气后加热以及被来自膨胀机的低温空气冷却后，分别储存在热水罐和冷水罐中，并利用喷淋管道和排水水罐形成喷淋水的循环。

技术特征：

1.一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，包括空气压缩单元、膨胀机发电单元和等温储气与排气单元；等温储气与排气单元包括储气罐(4)、热水罐(9)、冷水罐(10)、冷油罐(11)、热水罐(12)和排水水罐(13)，储气罐(4)中设置有内层的储气仓和储气仓外层的中空换热层，储气仓入口连通空气压缩单元、热水罐(9)和冷水罐(10)，储气仓排水口连通排水水罐(13)；中空换热层的入口和出口均连通冷油罐(11)，中空换热层的出口还连通热水罐(12)；排水水罐(13)通过换热单元分别连通热水罐(9)和冷水罐(10)；储气仓的出口连通膨胀机发电单元的工质入口，膨胀机发电单元的出气口连通换热单元。

2.根据权利要求1所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，换热单元包括热水罐换热器(7)和冷水罐换热器(8)，热水罐换热器(7)的冷侧连通热水罐(9)，冷水罐换热器(8)的热侧连接冷水罐(10)；膨胀机发电单元的出气口连通冷水罐换热器(8)的冷侧入口，冷水罐换热器(8)的冷侧出口连通外部环境。

3.根据权利要求2所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，储气仓的出口至膨胀机发电单元的工质入口之间设置预热器(5)，预热器(5)的热侧入口连接空气压缩单元的放热端口，预热器(5)的热侧出口连通热水罐换热器(7)的热侧入口，热水罐换热器(7)的热侧出口连通外部环境。

4.根据权利要求3所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，空气压缩单元包括依次连接的压缩机(1)、蓄热器(2)的热侧和缓冲罐(3)，蓄热器(2)的冷侧入口连接外部环境，蓄热器(2)的冷侧出口连接预热器(5)，压缩机(1)连接有电动机。

5.根据权利要求3所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，膨胀机发电单元包括膨胀机(6)，膨胀机(6)连接发电机，膨胀机(6)的工质入口连接预热器(5)的冷侧出口，膨胀机(6)的工质出口连接冷水换热器(8)。

6.根据权利要求1所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，冷油罐(11)和热油罐(12)的出口均设置阀门和油泵；中空换热层的出口设置阀门，储气仓排水口设置阀门。

7.根据权利要求1所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，储气仓上部设置喷淋装置，热水罐(9)和冷水罐(10)的出口均设置阀门和水泵，水泵通过管道连通所述喷淋装置。

8.根据权利要求1所述的基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统，其特征在于，储气仓的外壁面和中空换热层外壁内面设置有交错的环形肋或螺旋形流道，且中空换热层从上往下宽逐渐减小；环形肋之间的水平距离保持在10-20厘米。

9.权利要求1-8任一项所述基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统的运行方法，其特征在于，储能时：空气压缩单元的压缩空气进入储气仓储能，储存过程中储气罐(4)内的温度会不断升高，冷油罐(11)内的常温油从储气罐(4)上部的中空换热层入口进入吸收储气过程中的热量，随后流入热油罐(12)中，冷水罐(10)中的水进入储气仓对压缩空气降温，储气仓底部的水会不断增多，开启排水水罐(13)的入口阀使储气罐(4)储气仓底部的水流至排水水罐(13)中储存，保持储气罐(4)储气仓底部的水位不变；储气仓底部保存有部分水，以构成水的循环，底部水的高度为30至50厘米；

10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，储气仓的出口至膨胀机发电单元的工质入口之间设置预热器(5)，蓄热器(2)的冷侧入口连接外部环境，蓄热器(2)的冷侧出口连接预热器(5)，预热器(5)的热侧出口连通热水罐换热器(7)的热侧入口，热水罐换热器(7)的热侧出口连通外部环境；储气罐(4)中排出的高压空气经预热后进入膨胀机发电单元中膨胀做功；空气吸收空气压缩单元压缩热进入预热器(5)加热高压空气，空气携带余热进入换热单元进一步放热后排出。

技术总结
本发明公开一种基于等温储气与排气高压储气罐的储能系统及方法，包括空气压缩单元、膨胀机发电单元和等温储气与排气单元；等温储气与排气单元包括储气罐、热水罐、冷水罐、冷油罐、热水罐和排水水罐，储气罐中设置有内层的储气仓和储气仓外层的中空换热层，储气仓入口连通空气压缩单元、热水罐和冷水罐，储气仓排水口连通排水水罐；中空换热层的入口和出口均连通冷油罐，中空换热层的出口还连通热水罐；排水水罐通过换热单元分别连通热水罐和冷水罐；储气仓的出口连通膨胀机发电单元的工质入口，膨胀机发电单元的出气口连通换热单元；通过将储气罐外壁面设置为中空并在其中通导热油，在储气罐内冷热油和冷热水配合实现储气罐中高压空气储存和释放的等温过程。

技术研发人员：陈晓文,黄勇,黄研,刘鹏虎,金鹏,李瑞雄,王焕然
受保护的技术使用者：青海黄河上游水电开发有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15