CN109736909B - 多能联供的压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能领域，提供了一种多能联供的压缩空气储能系统。该系统包括多级压缩机、多级冷却器、多级膨胀机、多级回热器、高压供热器和低压供热器；相邻的各级压缩机通过级间冷却器连通，末级压缩机通过高压供热器与储气室的进口连通；储气室的出口通过初级回热器与初级膨胀机的进口连通，相邻的各级膨胀机通过级间回热器连通；级间冷却器的低温侧进、出口分别与蓄冷器和蓄热器连通；级间回热器和初级回热器的高温侧进口均与蓄热器连通，级间回热器的高温侧出口通过低压供热器与蓄冷器连通，初级回热器的高温侧出口与蓄冷器连通。本发明不仅能实现冷、热、电、气联供，而且还能实现不同品位热能的阶梯利用、满足负荷的动态变化。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种多能联供的压缩空气储能系统。
背景技术
分布式能源系统(Distributed Energy System，简称DES)在许多国家和地区已经发展成一种成熟的能源综合利用技术。DES因具有梯级利用、能源利用效率高、环境友好、供应安全可靠、靠近用户等特点受到各国政府、企业界的广泛关注和青睐。DES的一种重要形式为冷热电三联供(Combined Cooling heating and power，简称CCHP)。
目前，小型多能联供系统例如CCHP在运行时其能量供应和需求具有差异。而产生上述差异的情况可分为两种：一种是由能量需求变化引起的，即外界的需求量超过供应量；另一种由能量供应侧引起的，即外界的供应量超过需求量。但是，现有的多能联供系统缺乏储能支撑，当负荷超出供应时无法起到调节或者缓冲作用，当需求量超过供应量时也不能实现能量的供应均衡。因此，现有的多能联供系统在应对用户侧的负荷需求变化时效率会明显下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种多能联供的压缩空气储能系统，以实现分布式能源系统中的多能联供与储能。
为实现上述目的，本发明提供了一种多能联供的压缩空气储能系统，该系统包括多级压缩机、多级冷却器、多级膨胀机、多级回热器、高压供热器、低压供热器、蓄冷器和蓄热器；相邻的各级压缩机通过级间冷却器的高温侧连通，末级压缩机通过所述高压供热器的高温侧与储气室的进口连通；所述储气室的出口通过初级回热器的低温侧与初级膨胀机的进口连通，相邻的各级膨胀机通过级间回热器的低温侧连通；所述级间冷却器的低温侧进口与所述蓄冷器的出口连通、低温侧出口与所述蓄热器的进口连通；所述级间回热器和所述初级回热器的高温侧进口均与所述蓄热器的出口连通，所述级间回热器的高温侧出口与所述低压供热器的高温侧进口连通，所述低压供热器和所述初级回热器的高温侧出口均与所述蓄冷器的进口连通；所述高压供热器和所述低压供热器的低温侧均与外部热负荷连通，末级膨胀机的出口与外部冷负荷连通，所述储气室的出口与外部压缩空气供应管路连通。
其中，所述蓄热器通过外部热负荷与所述蓄冷器连通。
其中，所述级间冷却器包括多个依次串联的换热器，相邻的两个换热器之间通过气液分离器连通。
其中，还包括备用蓄冷器，所述末级膨胀机的出口与所述备用蓄冷器连通。
其中，除所述末级压缩机以外的各级压缩机均定速运行，除所述末级压缩机以外的各级压缩机的排气温度均为200～500℃。
其中，所述末级压缩机变速运行，所述末级压缩机的排气温度不超过150℃。
其中，所述末级压缩机的排气压力范围为4MPa～12Mpa。
其中，所述末级膨胀机的排气温度为0～10℃。
其中，除所述末级压缩机之外的各级压缩机的设计排气温度相同，所述蓄热器的蓄热温度等于所述级间冷却器低温侧的最大排气温度，所述初级膨胀机的进气温度等于所述初级回热器低温侧的最大排气温度。
本发明结构简单、成本低，通过在末级压缩机与储气室之间以及级间回热器与蓄冷器之间分别设置高压供热器和低压供热器，并将末级膨胀机和储气室的出口分别与外部冷负荷和外部压缩空气供应管路连通，不仅能实现冷、热、电、气联供，而且还能实现不同品位热能的阶梯利用、提高能源综合利用率。另外，该系统通过储能不仅能够支撑电网峰谷调节，而且还能提供冷热管网的补峰服务。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种多能联供的压缩空气储能系统的结构示意图。
附图标记：
1-1、低压压缩机；1-2、中压压缩机；1-3、高压压缩机；
2-1、低压冷却器；2-2、中压冷却器；2-3、高压供热器；
3、储气室；4-1、中压回热器；4-2、低压回热器；
4-3、低压供热器；5-1、中压膨胀机；
5-2、低压膨胀机；6、蓄冷器；7、蓄热器；A、环境空气；
B-1、供热管网入口；B-2、供热管网出口；C、供冷管网入口；
D、供气管网入口。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种多能联供的压缩空气储能系统，该系统包括多级压缩机、多级冷却器、多级膨胀机、多级回热器、高压供热器2-3、低压供热器4-3、蓄冷器6和蓄热器7；相邻的各级压缩机通过级间冷却器的高温侧连通，末级压缩机通过高压供热器2-3的高温侧与储气室3的进口连通；储气室3的出口通过初级回热器的低温侧与初级膨胀机的进口连通，相邻的各级膨胀机通过级间回热器的低温侧连通；级间冷却器的低温侧进口与蓄冷器6的出口连通，级间冷却器的低温侧出口与蓄热器7的进口连通；级间回热器和初级回热器的高温侧进口均与蓄热器7的出口连通，级间回热器的高温侧出口与低压供热器4-3的高温侧进口连通，低压供热器4-3和初级回热器的高温侧出口均与蓄冷器6的进口连通；高压供热器2-3和低压供热器4-3的低温侧均与外部热负荷连通，末级膨胀机的出口与外部冷负荷连通，储气室3的出口与外部压缩空气供应管路连通。
下面以三级压缩机和两级膨胀机为例，对该系统的使用方法进行说明：其中，位于低压压缩机1-1与中压压缩机1-2之间的级间冷却器为低压冷却器2-1，位于中压压缩机1-2与高压压缩机1-3之间的级间冷却器为中压冷却器2-2。
储能时，例如当电网处于负荷低谷或有可再生能源电力供应时：启动低压压缩机1-1、中压压缩机1-2和高压压缩机1-3，并将蓄冷器6中储存的蓄热工质持续输送至低压冷却器2-1和中压冷却器2-2的低温侧。由此，低压压缩机1-1将环境空气A压缩至高温低压后可直接排入低压冷却器2-1的高温侧。此时，流经低压冷却器2-1高温侧的压缩空气会不断将热量释放给流经其低温侧的蓄热工质。蓄热工质吸热升温后则流入蓄热器7以备发电阶段使用，放热降温后的压缩空气则进入中压压缩机1-2继续进行压缩。中压压缩机1-2将低压冷却器2-1的排气压缩至高温中压后排入中压冷却器2-2的高温侧。此时，流经中压冷却器2-2高温侧的压缩空气会不断将热量释放给流经其低温侧的蓄热工质。蓄热工质吸热升温后会直接流入蓄热器7以备发电阶段使用，放热降温后的压缩空气则进入高压压缩机1-3再次行压缩。高压压缩机1-3将中压冷却器2-2的排气压缩至高温高压后排入高压供热器2-3的高温侧，此时流经高压供热器2-3高温侧的压缩空气会不断将热量释放给外部热负荷，放热降温后的压缩空气则流入储气室3进行储存。需要说明的是，高压供热器2-3既可以是强制对流式换热器，也可以是自流对流式散热器。
发电时，将储气室3中储存的常温高压的空气输送至初级回热器即中压回热器4-1的低温侧，并将蓄热器7中储存的蓄热工质持续输送至低压回热器4-2和中压回热器4-1的高温侧。此时，流经中压回热器4-1低温侧的空气会不断从流经其高温侧的蓄热工质吸收热量，蓄热工质放热降温后则直接流入蓄冷器6以备储能阶段使用，吸热升温后的压缩空气则进入中压膨胀机5-1膨胀做功。中压透平机将膨胀做功后的压缩空气排入级间回热器即低压回热器4-2的低温侧。此时，流经低压回热器4-2低温侧的空气会不断从流经其高温侧蓄热工质吸收热量。放热降温后的蓄热工质通过低压供热器4-3的高温侧流入蓄冷器6以备储能阶段使用，而吸热升温后的压缩空气则直接进入低压膨胀机5-2继续进行膨胀做功。蓄热工质在流经低压供热器4-3的高温侧时会不断将热量释放给外部热负荷，与此同时，低压膨胀机5-2也会将膨胀做功后的低温空气通过供冷管网入口C输送至外部冷负荷、以向外部冷负荷提供冷风。当然，在上述过程中，储气室3也可根据需求通过供气管网入口D向外部压缩空气供应管路提供不同压力等级的压缩空气。需要说明的是，低压供热器4-3既可以是强制对流式换热器，也可以是自流对流式散热器。
由上可知，该系统结构简单、成本低，通过在末级压缩机与储气室3之间以及级间回热器与蓄冷器6之间分别设置高压供热器2-3和低压供热器4-3，并将末级膨胀机和储气室3的出口分别与外部冷负荷和外部压缩空气供应管路连通，不仅能实现冷、热、电、气联供，而且还能实现不同品位热能的阶梯利用、提高能源综合利用率。另外，该系统通过储能不仅能够支撑电网峰谷调节，而且还能提供冷热管网的补峰服务。
进一步地，为了保证在高压供热器2-3和低压供热器4-3均无法对供热时，该系统还能继续向外部热负荷提供热量，因此可将蓄热器7的出口与供热管网入口B-1连通，同时将蓄冷器6的进口与供热管网出口B-2连通，也就是说，将蓄热器7通过外部热负荷与蓄冷器6连通。可见，在储能阶段、发电阶段和特殊阶段通过分别利用高压供热器2-3、低压供热器4-3和蓄热器7对外供热，该系统就能实现持续对外供热。
优选地，级间冷却器包括多个依次串联的换热器，相邻的两个换热器之间通过气液分离器连通。这样设置的好处在于，由于压缩空气冷却时可能会凝结产生液滴，通过在相邻两个换热器之间设置气液分离器就能在压缩空气进入下一级换热器之前，将上一级换热器冷凝产生的液滴分离出来，进而就可避免冷凝液滴进入下一级换热器而影响其换热效果。
另外，该系统还包括备用蓄冷器，末级膨胀机的出口与备用蓄冷器连通。由此在发电阶段，末级膨胀机的一部分排气可直接输送至外部冷负荷、另一部分排气则可输送至备用蓄冷器，也就是说，末级膨胀机排气的一部分冷量可直接用于向外部冷负荷供冷、剩余冷量则可储存在蓄冷器6中以备膨胀机停机时使用。
优选地，除末级压缩机以外的各级压缩机均定速运行，除末级压缩机以外的各级压缩机的排气温度均为200～500℃。末级压缩机变速运行，末级压缩机的排气温度不超过150℃，末级压缩机的排气压力范围为4MPa～12Mpa，末级膨胀机的排气温度为0～10℃。除末级压缩机以外的各级压缩机的设计排气温度相同，蓄热器7的蓄热温度等于级间冷却器低温侧的最大排气温度，初级膨胀机的进气温度等于初级回热器低温侧的最大排气温度。
由此，储能时，环境空气A经低压压缩机1-1压缩至272℃、7.2bar后排入低压冷却器2-1，高温低压的空气经低压冷却器2-1冷却降温至40℃后进入中压压缩机1-2继续进行压缩；中压压缩机1-2将低压冷却器2-1的排气压缩至272℃、38.9bar后排入中压冷却器2-2，高温中压的空气经中压冷却器2-2冷却降温至40℃后进入高压压缩机1-3再次进行压缩；高压压缩机1-3将中压冷却器2-2的排气压缩至272℃、40～101bar后排入高压供热器2-3，高温高压的空气通过高压供热器2-3将热量释放给外部热负荷后流入储气室3进行储存。在上述过程中，蓄冷器6中储存的常温蓄热工质被分别泵送至低压冷却器2-1和中压冷却器2-2的低温侧、以与流经低压冷却器2-1和中压冷却器2-2高温侧的压缩空气换热，蓄热工质吸热升温至260℃后流入蓄热器7以备发电阶段使用。
发电时，储气室3内储存的常温高压的空气经初级回热器即中压回热器4-1加热升温至250℃后流入中压膨胀机5-1膨胀做功。中压膨胀机5-1将膨胀做功后温度压力降低至61℃、6.5bar的空气排入级间回热器即低压回热器4-2，中压透平机的排气经低压回热器4-2加热升温至160℃后排入低压膨胀机5-2。低压膨胀机5-2将膨胀做功后温度压力降低至3℃、略高于常压的空气通过供冷管网入口C输送至外部冷负荷。在上述过程中，蓄热器7中储存的高温蓄热工质被分别泵送至低压回热器4-2和中压回热器4-1的高温侧、以与流经低压回热器4-2和中压回热器4-1低温侧的压缩空气换热。进入中压回热器4-1的蓄热工质放热降温至常温后直接流回蓄冷器6以备发电阶段使用，进入低压回热器4-2的蓄热工质放热降温至70℃后排入低压供热器4-3，这些蓄热工质通过低压供热器4-3将热量释放给外部热负荷后也流回蓄冷器6以备发电阶段使用。
需要说明的是，为了维持该系统中各部分流体的平稳持续流动，该系统中还设有多个增压泵和/或循环泵(图中未示出)。基于公知常识，本实施例对增压泵和/或循环泵的设置位置和使用方法不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，包括多级压缩机、多级冷却器、多级膨胀机、多级回热器、高压供热器、低压供热器、蓄冷器和蓄热器；相邻的各级压缩机通过级间冷却器的高温侧连通，末级压缩机通过所述高压供热器的高温侧与储气室的进口连通；所述储气室的出口通过初级回热器的低温侧与初级膨胀机的进口连通，相邻的各级膨胀机通过级间回热器的低温侧连通；所述级间冷却器的低温侧进口与所述蓄冷器的出口连通、低温侧出口与所述蓄热器的进口连通；所述级间回热器和所述初级回热器的高温侧进口均与所述蓄热器的出口连通，所述级间回热器的高温侧出口与所述低压供热器的高温侧进口连通，所述低压供热器和所述初级回热器的高温侧出口均与所述蓄冷器的进口连通；所述高压供热器和所述低压供热器的低温侧均与外部热负荷连通，末级膨胀机的出口与外部冷负荷连通，所述储气室的出口与外部压缩空气供应管路连通；
储能时：流经所述级间冷却器高温侧的压缩空气将热量释放给流经其低温侧的蓄热工质，流经所述级间冷却器的蓄热工质吸热后流入所述蓄热器以备发电阶段使用；流经所述高压供热器高温侧的压缩空气将热量释放给外部热负荷；
释能时：所述蓄热器将存储的蓄热工质分别输送至所述初级回热器和所述级间回热器的高温侧，流经所述初级回热器高温侧的蓄热工质将热量释放给流经其低温侧的空气后回到所述蓄冷器；流经所述级间回热器高温侧的蓄热工质将一部分热量释放给流经其低温侧的空气后，再通过所述低压供热器将剩余热量释放给外部热负荷并回到所述蓄冷器。
2.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热器通过外部热负荷与所述蓄冷器连通。
3.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，所述级间冷却器包括多个依次串联的换热器，相邻的两个换热器之间通过气液分离器连通。
4.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括备用蓄冷器，所述末级膨胀机的出口与所述备用蓄冷器连通。
5.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，除所述末级压缩机以外的各级压缩机均定速运行，除所述末级压缩机以外的各级压缩机的排气温度均为200～500℃。
6.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，所述末级压缩机变速运行，所述末级压缩机的排气温度不超过150℃。
7.根据权利要求6所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，所述末级压缩机的排气压力范围为4MPa～12Mpa。
8.根据权利要求1所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，所述末级膨胀机的排气温度为0～10℃。
9.根据权利要求1至8任一项所述的多能联供的压缩空气储能系统，其特征在于，除所述末级压缩机以外的各级压缩机的设计排气温度相同，所述蓄热器的蓄热温度等于所述级间冷却器低温侧的最大排出温度，所述初级膨胀机的进气温度等于所述初级回热器低温侧的最大排出温度。
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