一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法与流程

本发明属于储能发电，尤其涉及一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统及方法。

背景技术：

1、由于不同时段发出电能和用户使用电能存在不匹配的问题，造成用电高峰时段用电紧张、电压跟不上，而用电低谷时段电能过度盈余。

2、将太阳能、风能、生物质能等可再生能源的利用比率提高，并将这些可再生能源所转换成的电能并入电网中，已成为缓解用电紧张的主要措施。但是可再生能源发电，特别是风力发电和光伏发电，受环境的影响而处于不断变化之中，具有明显的波动性、周期性和不确定性的缺点，随着风力发电和光伏发电装机容量的不断增加，这些缺点被成倍放大，其大规模并网会给电网系统带来了前所未有的安全挑战，所以有些地区的电网拒绝风力发电和光伏发电的接入或是限制风力发电和光伏发电的发电量，这就造成了“弃光”、“弃风”现象的产生。

3、现有技术中通过压缩空气储能和膨胀空气释能来实现对电网系统的削峰填谷，但这样不仅需要配备储存压缩空气的储气罐，而且需要配备存放高温介质的高温储热罐、存放低温介质的低温蓄热罐，系统较为复杂和庞大，同时复杂的系统结构也使得对储能和释能的响应速度变慢、储能和释能效率低。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，能够高效地对电网不同用电时段的电能供应进行调控。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统，包括压缩子系统、储能子系统、膨胀释能子系统和冷量回收子系统；压缩子系统由两级以上的压缩机组串联构成；储能子系统包括储罐、第一阀门、第二阀门、储罐工质泵、一级以上的蓄热换热器、循环进液管和循环出液管；每级压缩机组包括一个压缩机，各压缩机受电动机驱动压缩空气，第一级压缩机组内的压缩机的进气口吸入常温常压的空气，最后一级压缩机组内的压缩机的出气口与第一阀门的进气口相连通，第一阀门的出气口与储罐的进气口相连通；储罐内设置有液相工质，储罐下部设置有循环进液管和循环出液管，循环出液管靠近储罐的一端上串联设置有储罐工质泵和第二阀门，循环出液管远离储罐的一端与第一级蓄热换热器低温侧的进液管相连通；蓄热换热器的总级数比压缩机组总级数少1，各蓄热换热器高温侧进气管与上一级压缩机组内的压缩机的出气口相连通，各蓄热换热器高温侧出气管与下一级压缩机组内的压缩机的进气口相连通；上一级蓄热换热器低温侧的出液管与下一级蓄热换热器低温侧的进液管相连通，最后一级蓄热换热器低温侧的出液管与循环进液管相连通；储罐的底部设置有与膨胀释能子系统相连通的出液口；冷量回收子系统收集膨胀释能子系统膨胀做功过程中产生的冷量。

4、优选的，储罐内还包括换热盘管，换热盘管为弯延盘绕且内部空心的金属管，换热盘管的上端与储罐进气口相连通，换热盘管的下端浸没在储罐中的液相工质内。

5、优选的，储罐上还包括设置在储罐顶部的第三阀门，第三阀门阀门打开时，储罐内部与外界大气环境相连通。

6、优选的，膨胀释能子系统包括第五阀门、喷射器、闪发器、第六阀门、膨胀发电机组；储罐底部的出液口与第五阀门的进液端相连通，第五阀门的出液端与喷射器的进液口相连通，喷射器的出液口与闪发器的入口相连通，闪发器顶部的第一出口与第六阀门的流入端相连通，第六阀门的流出端与膨胀发电机组连通。

7、优选的，膨胀释能子系统包括一级以上的膨胀发电机组，膨胀发电机组包括膨胀机和发电机，膨胀机内的工质膨胀做功驱动发电机发电。

8、优选的，冷量回收子系统包括一级及以上的蓄冷换热器、蓄冷泵和蓄冷罐；蓄冷换热器的总级数与膨胀发电机组总级数相同，第六阀门的流出端与第一级膨胀发电机组的膨胀机入口相连通，各蓄冷换热器的低温侧进气管与上一级膨胀发电机组的膨胀机的出气口相连通，各蓄冷换热器的低温侧出气管与下一级膨胀发电机组的膨胀机的进气口相连通，最后一级蓄冷换热器的低温侧出气管与乏汽回收管路的一端相连通，乏汽回收管路的另一端与喷射器上的乏汽回收口相连通；蓄冷罐的出液管与蓄冷泵的进液端相连通，蓄冷泵的出液端与第一级蓄冷换热器高温侧进液管相连通，上一级蓄冷换热器高温侧出液管与下一级蓄冷换热器高温侧进液管相连通，最后一级蓄冷换热器高温侧出液管与蓄冷罐的进液管相连通。

9、优选的，或者，当工质为纯水时，最后一级蓄冷换热器低温侧出气管与外界大气环境相连通。

10、优选的，闪发器底部的第二出口与储罐上设置的工质回收口之间通过工质回收管路相连通，且工质回收管路上还串联设置有闪发器工质泵和第七阀门。

11、优选的，各电动机的电力来源于盈余电量，盈余电量包括电网系统用电低谷时的电量、风力发电量、光伏发电量、生物能发电量中的一个或多个。

12、本发明还提供一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电方法，该储能发电方法应用于如上述的一种耦合冷量回收的压缩空气储能发电系统中：

13、当有盈余电量时，进行储能：打开第一阀门、第二阀门，关闭第三阀门、第五阀门，经上一级压缩机组内的压缩机所压缩后的空气，流经对应的蓄热换热器高温侧后进入下一级压缩机组内的压缩机内，最后一级压缩机组内的压缩机压缩形成的高温高压空气进入储罐内，储罐内的高温高压空气与液相工质进行热量交换，同时储罐内的压力增大使得储罐内液相工质的压力也获得了提升；同时储罐内液相工质由储罐工质泵提供动力，循环流经各级蓄热换热器低温侧吸收热量后回到储罐内，储罐内的液相工质压力和温度升高，盈余电量最终转化成储罐内液相工质的内能，存储待用；

14、在用电高峰时，释能发电，同时进行冷量回收以制冷：打开第五阀门、第六阀门、第七阀门，关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门，储罐内的高温高压液相工质从储罐底部出液口流出，流入喷射器内，经喷射器引射后，进入闪发器内变为高温高压的气相工质，闪发器内的气相工质从闪发器顶部的第一出口处流出，进入各级膨胀发电机组内，气相工质在各级膨胀发电机组内的膨胀机膨胀做功，带动对应的发电机发电；同时，经上一级膨胀发电机组内的膨胀机膨胀做功后的气相工质，流经对应的蓄冷换热器低温侧后进入下一级膨胀发电机组内的膨胀机内，从最后一级蓄冷换热器低温侧出气管流出的乏汽通过乏汽回收管路回到喷射器内，闪发器内的液相工质由闪发器工质泵提供动力，重新送回储罐内；同时，而蓄冷罐内的液态蓄冷介质由蓄冷泵提供动力，流经各级蓄冷换热器高温侧，将蓄冷换热器低温侧传递来的冷量带回蓄冷罐内；

15、释能发电结束后，关闭第五阀门，打开第三阀门，使储罐内部与外界大气环境相连通。

16、本发明的有益效果在于：

17、（1）储能发电系统中，压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，储能子系统中将高温高压空气中的能量转化成高温高压液相工质的内能以存储备用，在用电高峰时，膨胀释能子系统通过高温高压液相工质经闪发为气相工质后膨胀做功发电，缓解用电紧张，本发明的储能发电系统对电网不同用电时段的电能供应进行调控。本发明的储能发电系统可以将风力发电、光伏发电作为盈余电量统一转化成高温高压液相工质的内能，在用电高峰时，再通过高温高压液相工质膨胀做功发电并统一送入电网，解决了直接使用风力发电、光伏发电缓解用电高峰所存在的电源波动性、周期性和不确定性的问题；本发明还通过冷量回收子系统收集释能发电过程中产生的冷量以供冷，充分地利用储能子系统中液相工质的内能。

18、（2）本发明的压缩子系统利用盈余电量压缩空气得到高温高压空气，并将高温高压空气与液相工质一并存储在储罐内，通过将盈余电量转化为压缩空气内能，并且从开始压缩空气、到压缩空气存储于储罐内的过程中，通过多种途径并行将高温高压空气的内能转化成储罐中液相工质的内能，即实现将盈余电量最终转化成储罐中高温高压液相工质的内能来进行存储，相较于通过压缩空气储能和膨胀空气释能的现有技术而言，本发明的储能发电系统，无需单独设置配备存放高温液相介质的高温储热罐、存放高压空气的高压储罐、存放低温介质的低温蓄热罐。同时本发明在释能过程，直接将储罐中高温高压的液相工质作为膨胀做功的工作介质，无需借助多级换热装置进行热量的回收和再利用来提高进入膨胀机前的空气温度，避免了空气与换热装置中液相蓄热工质的再次换热过程，省去了多个间壁式换热设备，大大简化了整个储能发电系统的结构，降低了系统成本和系统㶲损，提升了整个系统的储能和释能响应速度，提高了储能和释能效率。

19、（3）本发明储罐内液相工质的升温升压过程从开始逐级压缩空气、到压缩空气存储于储罐内的过程中，通过多个途径同步进行的，所以储罐内液相工质升温升压十分迅速，即本发明的储能发电系统进一步提高了储能过程响应速度和效率。

20、（4）本发明将最后一级压缩机组所排出的高温高压空气通过换热盘管直接鼓入储罐中的液相工质内，实现直接接触换热的同时，储罐中液相工质内的压缩空气气泡浮动上升至储罐上部的气体空间内，增强了储罐中液相工质扰动，强化了换热效果。

21、（5）本发明在膨胀释能子系统中配备了喷射器和闪发器，在释能发电过程中，从最后一级膨胀发电机组内的膨胀机出口流出的乏汽，进入喷射器内，与从储罐底部出液口流如喷射器内的液相工质混合后，在调节喷射器出液口压力的同时，补给了进入后续闪发器中的总工质流量，以及调节经闪发器闪发气化后的气相工质进入各级膨胀发电机组的压力。进一步提高工质在膨胀机的做功能力，使膨胀机输出更多的机械功，带动发电机发出更多的电能，即本发明实现了乏汽的回收再利用。

22、（6）冷量回收子系统在回收膨胀过程产生冷量的同时维持了进入下一级膨胀发电机组内气相工质温度，使得最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会过低，当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽直接进入大气环境中时，使最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽温度不会太低，避免形成冷凝液滴，对膨胀机叶片造成损坏；当最后一级膨胀发电机组所排出的乏汽被乏汽回收管路回收到喷射器内时，避免了部分乏汽因温度过低而形成冷凝水，减少被喷射器所回收的乏汽损失。冷量回收子系统所回收的冷量可给冰库供冷，或在夏日供居民降温解暑等。

23、（7）本发明的压缩子系统通过将常温常压下的空气经过多级压缩转化成高温高压空气，将盈余电量转化成了空气内能；并且两级及以上的压缩机组串联的结构形式实现增大压缩子系统工质流量，在降低了对各台压缩机的性能要求的同时提升了压缩子系统的整体压比，避免了因单台压缩机压比过大而引起爆震的情况，延长了压缩机的使用寿命。

24、（8）闪发器在工作过程中可能会因为闪发气化不充分，导致部分液相工质未变为气相工质，而是积存于闪发器的底部，本发明打开闪发器底部工质回收管路上的第七阀门，由闪发器工质泵提供动力，将积存于闪发器底部的液相工质重新送回储罐内，不仅减少了闪发器内被液相工质占用的空间，同时也及时地补充了释能发电过程中，储罐内不断减少的液相工质。