CN103016152B - 一种新型流程的超临界空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型流程的超临界空气储能/释能系统，它采用电站低谷（低价）电将空气压缩至超临界状态（同时存储压缩热），利用膨胀机使空气降温同时回收膨胀功驱动一级压缩机提高系统效率，并利用已存储的冷能将超临界空气冷却、液化并存储（储能）；在用电高峰，液态空气经过加压、吸热至超临界（同时回收冷能），并在进一步吸收压缩热或其他工业余热、太阳能集中供热等后通过涡轮驱动发电机发电（释能）。本发明的系统具有能量密度高、效率高、不受储能周期和地理条件限制、适用于各种电站（包括风能等可再生能源电站）、对环境友好、可回收中低温（热值）废热等优点。

Description

一种新型流程的超临界空气储能系统

技术领域

本发明涉及能量储存技术领域，特别是一种新型流程的超临界空气储能/释能系统。 

背景技术

电力储能技术是目前调整电网峰谷、改善电力系统经济性和稳定性的重要手段，是制约不稳定、间歇式的可再生能源大规模利用的最重要瓶颈之一，也是分布式能源和智能电网的关键技术。目前已有电力储能技术包括抽水蓄能电站、压缩空气、蓄电池、超导磁能、飞轮和电容等。但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因，目前已在大型商业系统中运行的只有抽水电站和压缩空气两种。 

传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统。在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高（50%～70%）和单位投资相对较小等优点，但是，传统压缩空气储能系统不是一项独立的技术，它必须同燃气轮机电站配套使用，不能适合其他类型，如燃煤电站、核电站、风能和太阳能等电站，特别不适合我国以燃煤发电为主，不提倡燃气燃油发电的能源战略。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料 逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。更为致命的是，由于储能密度低，压缩空气储能系统也需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，从而大大限制了压缩空气储能系统的应用范围。 

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，特别是对燃气轮机的依赖问题，最近几年国内外学者分别开展了地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)、空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)等，使压缩空气储能系统基本可以脱离化石燃料燃烧热源。但由于不采用化石燃料热源，压缩空气储能系统的能量密度更低，更加凸显了对大型储气室依赖，同时效率也不够高，必须找到合理的解决办法，才能使空气储能系统得到更广泛而又有效地利用。 

近年来，中国科学院工程热物理研究所发展了超临界空气储能系统，它利用空气的超临界条件下的性质，解决传统压缩空气储能存在的主要技术瓶颈。但是超临界空气储能系统仍然存在储存容器体积大占地多、效率不高的问题，单一依赖节流阀液化的不可逆损失较大，系统流程不够合理，能量利用不充分，导致系统效率较低（大约只有65%左右）。 

本发明提出一种新型流程的超临界空气储能/释能系统，进一步提升空气储能系统的性能，同时降低成本。 

发明内容

本发明的目的是公开一种新型流程的超临界空气储能/释能系统，它利用系统流程创新，提升超临界空气储能系统性能，适合于各种类型电站 和电网储能。使用膨胀机或膨胀机与节流阀的组合后，可以有效利用气体的压力能，实现高品位能量的综合梯级利用，有利于提高系统液化率，摆脱外界的冷量补充，从而明显提高系统效率。 

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是： 

新型流程的超临界空气储能/释能系统包括压缩机组、蓄热/换热器组、蓄冷/换热器组、膨胀机组、低温储罐、阀门、低温泵、涡轮机组、发电机、驱动单元及多根管线。它与超临界空气储能系统的显著区别之一在于用膨胀机或膨胀机和节流阀的组合代替节流阀，膨胀机通过齿轮箱或联轴器驱动压缩机，显著提升系统效率，通过蓄热和蓄冷换热器组的应用减少材料消耗，降低系统成本。另一显著区别在于，蓄热/换热器组，至少包括两个处于不同的工作压力下的蓄热/换热器，储存取自压缩系统间冷的热量，并供涡轮机组使用；以及蓄冷/换热器组至少包括两个处于不同的工作压力下的蓄冷/换热器，储存储能和释能过程的冷量，通过不同压力设计，可以节约材料，降低系统造价。 

本发明的压缩机组包括至少两台压缩机，相互串联或集成为整体多级压缩机，至少一台压缩机由膨胀机组直接驱动，以提高系统效率。膨胀机组最后一级的出口接入蓄冷/换热器后进入或直接进入节流阀稍微降温降压即可实现液化。压缩机和膨胀机均可以是活塞式、离心式、轴流式和组合式，其类型和台数视系统参数而定；膨胀机和压缩机可以设计成同轴组合，也可以通过变速箱连接提供压缩机动力，从而提高系统效率和经济性。系统布置如下： 

各级压缩机经管线分别与蓄热/换热器组相连；按照压力匹配的设计 可以减少材料消耗，降低系统成本。存储压缩热后的高压空气经过管线进入蓄冷换热器组降温后进入膨胀机或先进入膨胀机，降温降压后再经过节流阀（也可以取消）经过管线进入低温储罐，在管线中设有阀门、至少一台低温泵，阀门位于低温泵上游；蓄热/换热器组合过热器经管线分别与涡轮机组相通连。 

其工作流程为：储能时，利用驱动单元驱动组合式压缩机组，将一定量的空气压缩至超临界状态，每级的压缩热被回收并存储在蓄热/换热器中；然后一定参数的空气进入蓄冷/换热器组中冷却，再经过膨胀机组膨胀降温降压后，进一步通过节流阀或直接由膨胀机转变为液态空气进入低温储罐存储；释能时，低温泵对液态空气加压到一定压力，高压液态空气在蓄冷/换热器组中升温至超临界状态并回收冷能，在蓄热/换热器组和过热器中吸收压缩热使空气进一步升温，然后进入涡轮机组做功，带动发电机发电。 

所述的空气储能系统，其所述驱动单元，是以电网或常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、生物质发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种电源带动的电机。 

所述的空气储能系统，其储能过程在电力低谷、可再生能源限电或电能质量不符合上网要求时启用；释能过程在用电高峰、电力事故、可再生能源发电大幅波动时启用。 

所述的空气储能系统，其压缩流程包括至少一台膨胀机，用于使压缩空气降温降压便于液化并回收膨胀功，提高系统效率。 

所述的空气储能系统，低温储罐中储存的介质是液态空气或其他可液 化工质，当工质不为空气时，低压压缩机进口和低压涡轮出口通过一个恒压变容的气囊连接，实现工质循环利用，液态工质在常压或带一定压力状况下储存。 

所述的空气储能系统，其所述蓄热过热器设有管线，该管线与外界热源相通连，外界热源可以是太阳能集热器、工业余热和各类废热。所述余热、废热，为电厂、水泥行业、钢铁冶金行业、化工行业的余热、废热；余热、废热可储存在蓄热/换热器中，也可以存储在专用的蓄热过热器中。 

所述的空气储能系统，其所述压缩机组；当为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机的排气均经过对应的蓄热/换热器冷却降温。 

所述的空气储能系统，其所述涡轮机组，末级涡轮机排气接近常压；当为多台涡轮机时，多台涡轮机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级涡轮机的进气均先经过对应的蓄热/换热器加热升温，或经过蓄热过热器继续升温。 

所述的空气储能系统，其所述压缩机和膨胀机均可以是活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或组合式。 

所述的空气储能系统，其所述在多台压缩机、多台膨胀机时，多台压缩机、多台膨胀机分布在一根驱动轴或多根驱动轴上，通过变速箱连接。 

所述的空气储能系统，其所述蓄热/换热器组的蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种；采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中。 

所述的空气储能系统，其所述蓄冷/换热器，将空气冷却至81K-150K（K为开氏温度单位），是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K之间的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中；空气在蓄冷/换热器中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；储能时，蓄冷/换热器对空气进行进一步冷却便于液化，释能时，蓄冷/换热器回收并储存高压液态空气升温过程中的冷量。 

所述的空气储能系统，其所述低温储罐，为杜瓦储罐或低温储槽，液态空气在常压或带压力状况下储存。 

所述的空气储能系统，其储能时，通过控制第一级压缩机进气量来调节储能能力。所述的空气储能系统，其所述控制第一级压缩机进气量，是通过调节压缩机负载、阀门开度、驱动转速、开停部分压缩机或调节压比来实现进气量的控制。其释能时，通过控制液态空气流量来调节发电能力。 

本发明的优点在于：代替节流阀的膨胀机与压缩机同轴或通过齿轮箱互联传动，储能效率比超临界空气系统提高、系统成本降低10%左右，具有广阔的使用前景。 

附图说明

图1为本发明的新型流程的超临界空气储能系统实施例1结构示意图； 

图2为本发明的新型流程的超临界空气储能系统实施例2结构示意 图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 

本发明的新型流程的超临界空气储能系统，采用电站低谷(低价)电能将空气压缩至超临界状态(同时存储压缩热)，然后利用膨胀机组使空气降温降压同时回收膨胀功提高效率，此过程中膨胀机与压缩机同轴或通过齿轮箱互联，有助于提高效率降低成本，利用已存储的冷能将压缩空气冷却、液化并存储（储能）；在用电高峰，液态空气加压吸热至超临界状态(同时液态空气中的冷能被回收存储)，并进一步吸收存储的压缩热后通过涡轮机组驱动发电机发电(释能)，在此过程中一些工业废热可以被回收以提高系统效率。 

实施例： 

图1为本发明的新型流程的超临界空气储能系统实施例1。包括压缩组C1、C2，蓄热/换热器组2、5，膨胀机组E1、E2、蓄冷/换热器组8、10，低温储罐15，阀门13、17，低温泵19，涡轮机组T1、T2，发电机29，驱动电机32，管线A、1、3、4、6、7、9、11、12、14、16、18、20、21、22、23、24、25、27、28等。 

驱动电机32与压缩机组C1、C2的共有传动轴固接，发电机29与涡轮机组T1、T2的共有传动轴固接。压缩机组C1、C2经管线1、3、4、6分别与蓄热/换热器组2、5相连。低压压缩机C1入口接空气。经过蓄热/换热器5的超临界空气经管线6、7、9、11通过蓄冷/换热器组8、10和膨 胀机组E1、E2降温降压，再经过节流阀13液化。蓄热/换热器组2、5和蓄热过热器26经管线22、23、24、25、27分别与膨胀机组T1、T2相连，低压涡轮T1的气体出口通大气。蓄热过热器26经管线30、31与外界热源相通连。 

储能时，利用驱动单元32驱动压缩机组C1、C2，将一定量的空气压缩至超临界状态，每级的压缩热被回收并存储在蓄热/换热器组2、5的相应罐体中；然后一定参数的空气进入蓄冷/换热器组8、10中冷却，再经过膨胀机组E1、E2膨胀降温降压后，进一步经过蓄冷换热器组或直接通过节流阀13或直接由膨胀机转变为液态空气进入低温储罐存储15；释能时，低温泵19对液态空气加压到一定压力，高压液态空气在蓄冷/换热器组8、10中升温至超临界状态并回收冷能，在蓄热/换热器组2、5和过热器26中吸收压缩热使空气进一步升温，然后进入涡轮机组T1、T2做功，带动发电机29发电。 

图2为本发明的新型流程的超临界空气储能系统实施例2。其结构同实施例1基本相同，但膨胀机均位于蓄冷/换热器8、10之前，经过膨胀机组后的低温空气进入蓄冷/换热器组冷却后进入节流阀13进一步液化。其他工作流程同实施例1类似。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。 

Claims (12)

1.一种新型流程超临界空气储能/释能系统，包括动力驱动单元(32)、压缩机组(C1、C2)、低温储罐(15)、低温泵(19)、涡轮机组(T1、T2)、发电机(29)，其特征在于：

所述系统还包括蓄热/换热器组(2、5)，所述蓄热/换热器组(2、5)与压缩机组(C1、C2)和涡轮机组(T1、T2)相配套，至少包括两个蓄热/换热器，分别处于不同的工作压力下，系统储能时储存取自压缩机组(C1、C2)间冷的热量和末级排气热量，系统释能时用以加热涡轮机组(T1、T2)的工作气体；

所述系统还包括蓄冷/换热器组(8、10)，所述蓄冷/换热器组(8、10)与膨胀机组(E1、E2)和涡轮机组(T1、T2)相配套，至少包括两个蓄冷/换热器，分别处于不同的工作压力下，储存系统储能和释能过程的冷量；

所述系统还包括膨胀机组(E1、E2)，系统储能时所述压缩机组(C1、C2)将空气压缩至超临界状态后，通过所述膨胀机组(E1、E2)或所述膨胀机组(E1、E2)与节流阀(13)的组合将超临界空气降温降压至液态，液态空气储存至所述低温储罐(15)中；所述膨胀机组(E1、E2)与压缩机组(C1、C2)中的至少一台压缩机同轴连接，或通过变速箱(33)连接提供动力，或为其他设备供电或提供动力；

所述系统分为储能子系统和释能子系统：所述储能子系统中，所述驱动单元(32)、压缩机组(C1、C2)、蓄热/换热器组(2、5)、膨胀机组(E1、E2)、蓄冷/换热器组(8、10)、低温储罐(15)经一管线组(1、3、4、6、7、9、11、12、14)依次顺序联通；所述释能子系统中，所述低温储罐(15)、调节阀(17)、低温泵(19)、蓄冷/换热器组(8、10)、蓄热/换热器组(2、5)、涡轮机组(T1、T2)、发电机(29)经另一管线组(16、18、20、21、22、23、24、25、27、28)依次顺序联通；

所述压缩机组(C1、C2)包括至少两台压缩机，单台压比在2～4之间，相互串联或集成为整体多级压缩机组，其中第一级压缩机(C1)的进气口接空气源(A)，上一级压缩机出口经管线穿过对应压力的蓄热/换热器(2)后与下一级压缩机的进气口相连，最后一级压缩机的出气口经管线(4)穿过所述蓄热/换热器组的高压蓄热/换热器(5)，先后进入膨胀机组(E1、E2)和蓄冷/换热器组(8、10)后经过管线(12、14)进入低温储罐(15)；所述涡轮机组(T1、T2)包括至少一台涡轮机，单台压比在2～6之间，相互串联或集成为整体多级涡轮机组，所述低温储罐(15)中的液态空气经管线依次通过调节阀(17)、低温泵(19)、蓄冷/换热器组(10、8)、蓄热/换热器组(5、2)转变为超临界状态的空气后通入涡轮机组，各级涡轮机中，上一级涡轮机的出气口经管线穿过所述蓄热/换热器组中的一个吸热后与下一级涡轮机的进气口相联通，最后一级涡轮机(T1)的出气口通大气；

所述低温储罐(15)为杜瓦储罐或低温储槽，储存的介质是液态空气或其他可液化工质，当工质不为空气时，涡轮机组(T1、T2)的出气口管线(28)和压缩机组(C1、C2)的进气口管线(A)通过一个恒压变容的气囊连接，实现工质循环利用，液态工质在常压或带一定压力状况下储存。

2.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述膨胀机组(E1、E2)包括至少一台膨胀机，用于使压缩空气降温降压便于液化并回收膨胀功，提高系统效率；所述膨胀机组(E1、E2)可通过变速箱(33)直接驱动所述压缩机组(C1、C2)中的某一级；所述驱动单元(32)与压缩机组(C1、C2)的传动轴固接；所述发电机(29)与涡轮机组(T1、T2)的传动轴固接。

3.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器组(2、5)为绝热保温容器，蓄热介质储存在容器中，超临界空气在其中与蓄热介质直接接触换热或非直接接触换热，蓄热方式为显热、潜热蓄热中的一种或组合；储能时，蓄热/换热器组(2、5)回收并储存压缩机产生的压缩热，释能时，加热进各级涡轮机前的压缩空气。

4.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄冷/换热器组(8、10)为绝热保温容器，蓄冷介质存储在容器中，超临界空气或液态空气在其中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热，其蓄冷形式是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；储能时，蓄冷/换热器(8、10)将超临界空气冷却至81K-150K，释能时，回收并储存液态空气升温过程中释放的冷量。

5.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于，其工作流程为：储能时，利用驱动单元(32)驱动压缩机组(C1、C2)，将一定量的空气压缩至超临界状态，压缩热被回收并存储在蓄热/换热器组(2、5)中；压缩空气先后进入膨胀机组(E1、E2)和蓄冷/换热器组(8、10)中降温降压并回收膨胀功，低温空气通过节流阀(13)后完全或绝大部分液化，液态空气进入低温储罐(15)存储；释能时，低温泵(19)对液态空气加压至超临界压力，高压液态空气在蓄冷/换热器组(8、10)中升温至超临界状态并回收冷能，在蓄热/换热器组(2、5)中吸收压缩热将超临界空气加热，或再经过一个蓄热过热器(26)进一步升温，进入涡轮机组(T1、T2)膨胀做功，带动发电机(29)发电。

6.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述驱动单元(32)，是以电网或常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、生物质发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种电源带动的电机。

7.根据权利要求5所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热过热器(26)还设有与外界热源相联通的管线(30、31)，外界热源为太阳能集热器、工业余热或各种废热。

8.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器组(2、5)，采用蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、岩石或混凝土。

9.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄冷/换热器组(8、10)，采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K之间的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种。

10.根据权利要求2所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述膨胀机组(E1、E2)包括多台膨胀机，每级膨胀机进口均与对应压力的蓄冷/换热器的出口相连，最后一级膨胀机的出口与节流阀(13)相连。

11.根据权利要求2所述的空气储能/释能系统，其特征在于：所述膨胀机组(E1、E2)包括多台膨胀机，每级膨胀机进口均与对应压力的蓄冷/换热器的出口相连，最后一级膨胀机的出口经管线(12)穿过所述蓄冷/换热器组的低压蓄/换热器(10)后与节流阀(13)相连。

12.根据权利要求1所述的空气储能/释能系统，其特征在于：在涡轮机组的某些级，上一级涡轮机出气经过所述蓄热/换热器组(5、2)中的一个后还经过一个蓄热过热器(26)进入下一级涡轮机进口，进一步提高温度，增加做功能力。