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CN116292201A - 一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统 - Google Patents

一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统 Download PDF

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CN116292201A
CN116292201A CN202310376491.9A CN202310376491A CN116292201A CN 116292201 A CN116292201 A CN 116292201A CN 202310376491 A CN202310376491 A CN 202310376491A CN 116292201 A CN116292201 A CN 116292201A
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heat exchanger
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gas
heat
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CN202310376491.9A
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谢宁宁
钟声远
丁若晨
蔺新星
郑志美
林志华
钟舸宇
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Original Assignee
China Three Gorges Corp
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Abstract

本发明提供一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其包括汽轮发电系统、压缩机组、膨胀机组、储气装置、换热器组和蓄热装置。储能系统释能时，压缩空气进入最后一级膨胀机做功发电，最后一级膨胀机的出气口连接汽气换热器的低温侧入口，经最后一级膨胀机排出的低温乏汽进入汽气换热器，汽气换热器中汽轮机排出的高温低压蒸汽与低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽再经汽水循环组件转换为高温高压蒸汽后进入汽轮机循环发电。无需额外的冷源，系统直接通过最后一级膨胀机排出的低温乏汽冷却从汽轮机排出的高温低压蒸汽，提高分级压缩空气储能系统的能量利用率。同时，储能系统可同时通过膨胀机和汽轮机做功发电，发电效率高。

Description

一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及空气储能技术领域，具体涉及一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统。
背景技术
现有技术中有些压缩空气储能系统采用分级压缩方式，以防止大压比准绝热压缩导致压缩过程功耗增大、系统效率低。该压缩空气储能系统包括多级压缩机、多级换热器、储气装置、低温储罐和高温储罐。储能时，空气依次经一级压缩机压缩后进入一级换热器换热，换热后的空气再进入下一级压缩机压缩，如此循环，直至压缩空气流入最后一级换热器换热后存储至储气装置中。释能时，压缩空气从储气装置进入最后一级换热器换热后进入一级膨胀机做功，做功后的空气再进入上一级换热器换热后进入下一级膨胀机做功，如此循环，直至空气进入最后一级膨胀机做功发电，发明人发现，在此过程中，经最后一级膨胀机做功后排出的低温空气直接排入大气，导致压缩空气储能系统能量利用率低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中采用分级压缩方式的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统能量利用率低的缺陷。
为此，本发明提供一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，包括：
汽轮发电系统，包括汽轮机、汽气换热器和汽水循环组件，所述汽轮机的出气端连接所述汽气换热器的高温侧入口，所述汽水循环组件的两端分别连接所述汽气换热器的低温侧出口和所述汽轮机的进气口，所述汽水循环组件用于将从所述汽气换热器换热后流出的低温乏汽转换为高温高压蒸汽；
压缩机组，包括至少两级同轴依次连接的压缩机；
膨胀机组，包括至少两级同轴依次连接膨胀机；最后一级所述膨胀机的出气口连接所述汽气换热器的低温侧入口；
储气装置；
换热器组，包括至少两级换热器，所述换热器、所述膨胀机的级数均与所述压缩机的级数相同；各级所述压缩机依次与各级所述换热器串联，各级所述换热器依次与各级所述膨胀机串联；
蓄热装置，连接所有所述换热器的第一介质口和第二介质口。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述汽水循环组件包括依次串联的冷凝器、气水换热器和蒸汽发生器，所述汽气换热器的低温侧出口连接所述冷凝器的入口，所述蒸汽发生器的出气口连接所述汽轮机的进气口。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述汽水循环组件还包括连接于所述气水换热器与所述蒸汽发生器之间的储水罐。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述蓄热装置为斜温层储罐，每个所述换热器的第一介质口通过第一管路连接所述斜温层储罐的第一进出口、每个所述换热器的第二介质口通过第二管路连接所述斜温层储罐的第二进出口，所述第一管路上设有第一循环泵，所述第二管路上设有第二循环泵。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述第一管路包括第一总管和第一支管，所述第二管路包括第二总管和第二支管；
所述第一总管连接所述斜温层储罐的第一进出口，所述第一支管与所述换热器一一对应设置并连通所述第一总管，所述第一循环泵设于所述第一总管上；
所述第二总管连接所述斜温层储罐的第二进出口，所述第二支管与所述换热器一一对应设置并连通所述第二总管，所述第二循环泵设于所述第二总管上。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述换热器的第一气侧口连接相邻两级压缩机中的前一级所述压缩机的出气口、所述换热器的第二气侧口连接后一级所述压缩机的进气口，最后一级所述换热器的第二气侧口连接所述储气装置的进气口；所述储气装置的出气口连接最后一级所述换热器的第二气侧口，最后一级所述换热器的第一气侧口连接第一级所述膨胀机的进气口，其余所述换热器的第一气侧口连接相邻两级膨胀机中前一级膨胀机的出气口、其余所述换热器的第二气侧口连接后一级所述膨胀机的进气口。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所有所述压缩机与所有所述膨胀机同轴连接，所述压缩机与所述换热器通过压缩通道管路连接，所述膨胀机与所述换热器通过膨胀通道管路连接，连接同一个所述换热器的同侧气侧口的膨胀通道管路远离所述膨胀机的一端连接所述压缩通道管路。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，还包括光热集热装置，所述光热集热装置的第一端口通过第三管路与所有所述换热器的第一介质口并联，所述光热集热装置的第二端口通过第四管路与所有所述换热器的第二介质口并联。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述光热集热装置的第一端口通过第五管路连接所述斜温层储罐的第二进出口，所述光热集热装置的第二端口通过第六管路连接所述斜温层储罐的第二进出口，所述第五管路和第六管路上设有阀门。
可选地，上述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，所述汽水循环组件包括蒸汽发生器，所述光热集热装置的第一端口通过第七管路连接所述蒸汽发生器加热侧入口，所述光热集热装置的第二端口通过第八管路连接所述蒸汽发生器加热侧出口；和/或
还包括储气管路，所述储气管路的两端分别连接最后一级所述压缩机与所述换热器之间的压缩通道管路和所述储气装置的进气口，所述储气管路上设有阀门。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统储能时，空气依次经一级压缩机压缩后进入一级换热器换热，换热后的空气再进入下一级压缩机压缩，如此循环，直至压缩空气流入最后一级换热器换热后存储至储气装置中。释能时，压缩空气从储气装置进入最后一级换热器换热后进入一级膨胀机做功，做功后的空气再进入上一级换热器换热后进入下一级膨胀机做功，如此循环，直至空气进入最后一级膨胀机做功发电，最后一级膨胀机的出气口连接汽气换热器的低温侧入口，经最后一级膨胀机排出的低温乏汽进入汽气换热器，汽气换热器中汽轮机排出的高温低压蒸汽与低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽再经汽水循环组件转换为高温高压蒸汽后进入汽轮机循环发电。无需额外的冷源，系统直接通过最后一级膨胀机排出的低温乏汽冷却从汽轮机排出的高温低压蒸汽，提高与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统的能量利用率。同时，储能系统可同时通过膨胀机和汽轮机做功发电，发电效率高。
2.通过第一管路和第二管路的连接，储能系统通过一个斜温层储罐同时储存低温传热介质和高温传热介质，以减少设备数量、简化储能系统结构、降低系统成本和占地空间。
3.通过管路的连接使储能系统的储能和释能过程共用一套换热器单元，以减少设备数量、简化储能系统结构、降低系统成本和占地空间。
4.为使各换热器在储热和释能过程高效使用，本系统通过管路的连接使储能压缩过程中空气由一级换热器依次流向最后一级换热器，通过一级换热器的压力最小、通过最后一级压缩机的压力最大；释能膨胀过程中相反，储气装置中的空气由最后一级换热器依次流向一级换热器，通过最后一级换热器的压力最大、通过一级换热器的压力最小，以使各级换热器可由一级至最后一级的设计压力逐渐增大，在保证储能系统结构紧凑性的前提下降低换热器的制作成本。
5.光热集热装置将光能转化为热能存储；释能过程，传热介质经光热集热装置的第二端口、第四管路和第二介质口进入换热器以进一步加热高压空气，采用高温光热进一步提高进入膨胀机的空气温度，可允许压缩机压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低压缩机的功耗，提升系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统的示意图。
附图标记说明：
101、汽轮机；102、汽气换热器；1031、冷凝器；1032、气水换热器；1033、蒸汽发生器；1034、储水罐；1035、增压泵；
201、一级压缩机；202、二级压缩机；
301、一级膨胀机；302、二级膨胀机；
40、储气装置；
501、一级换热器；502、二级换热器；51、第一气侧口；52、第二气侧口；53、第一介质口；54、第二介质口；
60、蓄热装置；601、第一进出口；602、第二进出口；
701、第一总管；702、第一支管；
801、第二总管；802、第二支管；
901、第一连接管线；902、第二连接管线；903、第三连接管线；
1001、第四连接管线；1002、第五连接管线；1003、第六连接管线；
110、光热集热装置；
1201、第三管路；1202、第四管路；1203、第五管路；1204、第六管路；1205、第七管路；1206、第八管路；1207、储气管路；
1301、第一循环泵；1302、第二循环泵；1303、第三循环泵；
1401、第一阀门；1402、第二阀门；1403、第三阀门；1404、第四阀门；1405、第五阀门；1406、第六阀门；1407、第七阀门；1408、第八阀门；1409、第九阀门；14010、第十阀门；14011、第十一阀门；14012、第十二阀门；14013、第十三阀门；14014、第十四阀门；14015、第十五阀门；14016、第十六阀门；14017、第十七阀门；
150、发电电动机；160、发电机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
本实施例提供一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，如图1和图2所示，其包括汽轮发电系统、压缩机组、膨胀机组、储气装置40、换热器组和蓄热装置60，其中，汽轮发电系统包括汽轮机101、汽气换热器102和汽水循环组件，汽轮机101的出气端连接汽气换热器102的高温侧入口，汽水循环组件的两端分别连接汽气换热器102的低温侧出口和汽轮机101的进气口，汽水循环组件用于将从汽气换热器102换热后流出的低温乏汽转换为高温高压蒸汽；压缩机组包括至少两级同轴依次连接的压缩机；膨胀机组包括至少两级同轴依次连接膨胀机；最后一级膨胀机的出气口连接汽气换热器102的低温侧入口；换热器组包括至少两级换热器，换热器、膨胀机的级数均与压缩机的级数相同；各级压缩机依次与各级换热器串联，各级换热器依次与各级膨胀机串联；蓄热装置60连接所有换热器的第一介质口53和第二介质口54。
此结构的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，储能时，空气依次经一级压缩机201压缩后进入一级换热器501换热，换热后的空气再进入下一级压缩机压缩，如此循环，直至压缩空气流入最后一级换热器换热后存储至储气装置40中。释能时，压缩空气从储气装置40进入最后一级换热器换热后进入一级膨胀机301做功，做功后的空气再进入上一级换热器换热后进入下一级膨胀机功，如此循环，直至空气进入最后一级膨胀机做功发电，最后一级膨胀机的出气口连接汽气换热器102的低温侧入口，经最后一级膨胀机排出的低温乏汽进入汽气换热器102，汽气换热器102中汽轮机101排出的高温低压蒸汽与低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽再经汽水循环组件转换为高温高压蒸汽后进入汽轮机101循环发电。无需额外的冷源，系统直接通过最后一级膨胀机排出的低温乏汽冷却从汽轮机101排出的高温低压蒸汽，提高与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统的能量利用率。同时，储能系统可同时通过膨胀机和汽轮机101做功发电，发电效率高。
参见图1，汽水循环组件包括依次串联的冷凝器1031、气水换热器1032和蒸汽发生器1033，汽气换热器102的低温侧出口连接冷凝器1031的入口，蒸汽发生器1033的出气口连接汽轮机101的进气口。汽气换热器102中汽轮机101排出的高温低压蒸汽与膨胀机排出的低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽经冷凝器1031凝结后形成凝结水，凝结水通过气水换热器1032换热后形成高温凝结水，高温凝结水进入蒸汽发生器1033后形成高温高压蒸汽进入汽轮机101做功发电。可在冷凝器1031与气水换热器1032之间的连接管路上设置增压泵1035，以将冷凝水泵送至气水换热器1032。
参见图1，优选地，汽水循环组件还包括连接于气水换热器1032与蒸汽发生器1033之间的储水罐1034，增压泵1035将高温凝结水由气水换热器1032泵送至储水罐1034，可根据需求将储罐管中的水泵送至蒸汽发生器1033以供汽轮机101发电。
蓄热装置60为斜温层储罐，每个换热器的第一介质口53通过第一管路连接斜温层储罐的第一进出口601、每个换热器的第二介质口54通过第二管路连接斜温层储罐的第二进出口602，第一管路上设有第一循环泵1301，第二管路上设有第二循环泵1302。储能时，在第一循环泵1301的作用下，斜温层储罐下部的低温传热介质经第一进入口、第一管路和第一介质口53流入所有换热器，低温传热介质与换热器中的高温气体换热后成为高温传热介质，高温传热介质经第二介质口54、第二管路和第二进出口602流入斜温层储罐上部，以储存压缩空气热能，斜温层储罐中的斜温层下移。在第二循环泵1302的作用下，斜温层储罐上部的高温传热介质通过第二进出口602、第二管路和第二介质口54流入所有换热器，高温传热介质与换热器中的低温空气换热后的低温传热介质经第一介质口53、第一管路和第一进出口601流入斜温层储罐底部，斜温层上移。通过第一管路和第二管路的连接，储能系统通过一个斜温层储罐同时储存低温传热介质和高温传热介质，以减少设备数量、简化储能系统结构、降低系统成本和占地空间。
可选地，第一管路包括第一总管701和第一支管702，第二管路包括第二总管801和第二支管802；第一总管701连接斜温层储罐的第一进出口601，第一支管702与换热器一一对应设置并连通第一总管701，第一循环泵1301设于第一总管701上；第二总管801连接斜温层储罐的第二进出口602，第二支管802与换热器一一对应设置并连通第二总管801，第二循环泵1302设于第二总管801上。通过多个第一支管702与第一总管701并联、多个第二支管802与第二总管801并联，使系统通过一条第一总管701和第二总管801即可连通所有换热器和斜温层储罐，以简化系统管路，利于保证储能系统的整洁度和减少系统占地空间。
换热器的第一气侧口51连接相邻两级压缩机中的前一级压缩机的出气口、换热器的第二气侧口52连接后一级压缩机的进气口，最后一级换热器的第二气侧口52连接储气装置40的进气口；储气装置40的出气口连接最后一级换热器的第二气侧口52，最后一级换热器的第一气侧口51连接一级膨胀机301的进气口，其余换热器的第一气侧口51连接相邻两级膨胀机中前一级膨胀机的出气口、其余换热器的第二气侧口52连接相邻两级膨胀机中后一级膨胀机的进气口。通过管路的连接使储能系统的储能和释能过程共用一套换热器单元，以减少设备数量、简化储能系统结构、降低系统成本和占地空间。
在空气压缩过程中因经不同级压缩机压缩后空气的压力不一样，不同级换热器的设计压力也不一样，随着级数增加，空气压力越高换热器材质所需耐压性越高、换热器制作成本越高；而在膨胀过程中，随着级数增加，通过换热器的压力越来越低。为使各换热器在储热和释能过程高效使用，本系统通过管路的连接使储能压缩过程中空气由一级换热器501依次流向最后一级换热器，通过一级换热器501的压力最小、通过最后一级压缩机的压力最大；释能膨胀过程中相反，储气装置40中的空气由最后一级换热器依次流向一级换热器501，通过最后一级换热器的压力最大、通过一级换热器501的压力最小，以使各级换热器可由一级至最后一级的设计压力逐渐增大，在保证储能系统结构紧凑性的前提下降低换热器的制作成本。
所有压缩机与所有膨胀机同轴连接，压缩机与换热器通过压缩通道管路连接，膨胀机与换热器通过膨胀通道管路连接，连接同一个换热器的同侧气侧口的膨胀通道管路远离膨胀机的一端连接压缩通道管路，以简化管路结构。
优选地，与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统还包括光热集热装置110，光热集热装置110的第一端口通过第三管路1201与所有换热器的第一介质口53并联，光热集热装置110的第二端口通过第四管路1202与所有换热器的第二介质口54并联。
储能过程，光热集热装置110将光能转化为热能存储；释能过程，传热介质经光热集热装置110的第二端口、第四管路1202和第二介质口54进入换热器以进一步加热高压空气，采用高温光热进一步提高进入膨胀机的空气温度，可允许压缩机压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低压缩机的功耗，提升系统效率。与空气换热后的传热介质经第一介质口53、第一支管702、第一总管701和第三管路1201和第一端口流回光热集热装置110。
例如，光热集热装置110为光热集热器。光热集热装置110除槽式集热器外，还可为塔式、菲涅尔式、碟式等任何形式的光热集热器。
参见图1，第三管路1201上设有阀门，通过控制第一总管701与第三管路1201上阀门的通断，可选择只通过斜温层储罐上部的高温传热介质或者光热集热装置110中的传热介质加热换热器中的压缩空气，也可同时通过斜温层储罐上部的高温传热介质和光热集热装置110的传热介质加热换热器中的压缩空气。
光热集热装置110的第一端口通过第五管路1203连接斜温层储罐的第二进出口602，光热集热装置110的第二端口通过第六管路1204连接斜温层储罐的第二进出口602，第五管路1203和第六管路1204上设有阀门。以通过第五管路1203、第一总管701、第六管路1204和第四管路1202在斜温层储罐与光热集热器之间形成循环回路。具备光照条件时，斜温层储罐下部的低温传热介质经第一总管701、第六管路1204和第四管路1202流入光热集热器加热后，再通过第五管路1203流至斜温层储罐上部，并多次循环，以提高斜温层储罐的储热密度。
参见图1，第三管路1201的两端分别连接第五管路1203和第一总管701，以使光热集热装置110以第五管路1203和第三管路1201为桥梁通过第一总管701和各个第一支管702连接各个换热器的第一介质口53。第四管路1202远离管热集热装置的一端连接第二总管801，以使光热集热装置110通过第二总管801和各个第二支管802连接换热器的第二介质口54。光热集热装置110和斜温层储罐共用第一总管701、第二总管801、第一支管702和第二支管802完成各自的循环过程，管路布置简洁，减少连接点位置和连接件数量，以降低系统成本。
可选地，储气装置40为储气罐、管线钢束储气库(即多个大型管道并列集合形成的能够储存压缩空气的容器)、地下盐穴、人造地下硐室、巷道和水下柔性气囊等中的一种或多种的组合。储气装置40除上述形式外还可为任意具有承压性及密封性的装置。
参见图1，与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统还包括储气管路1207，储气管路1207的两端分别连接最后一级压缩机与换热器之间的连接管路和储气装置40的进气口，储气管路1207上设有阀门。当储气装置40为人造地下硐室或地下盐穴等具有保温功能的储气装置40时，可打开储气管路1207上的阀门，经最后一级压缩机压缩后的空气直接经储气管路1207流向储气装置40存储，以减少高温空气换热损耗。
压缩机单元的输入轴连接发电电动机150，储能时，发电电动机150作为电动机驱动压缩机工作；释能时，发电电动机150使用其发电功能。汽轮机101的输出轴连接发电机160。
光热集热装置110的第一端口通过第七管路1205连接蒸汽发生器1033加热侧入口，光热集热装置110的第二端口通过第八管路1206连接蒸汽发生器1033加热侧出口，第八管路1206远离蒸汽发生器1033的一端连接第一总管701。通过第七管路1205、蒸汽发生器1033、第八管路1206、第一总管701、第六管路1204和第四管路1202形成循环回路。储水罐1034内的高温凝结水输送至蒸汽发生器1033内，光热集热装置110内的超高温传热介质输送至蒸汽发生器1033内，高温凝结水与超高温传热介质换热后，高温凝结水形成高温高压的蒸汽，超高温传热介质形成低温传热介质，低温传热介质经第八管路1206、第一总管701、第六管路1204和第四管路1202流回光热集热装置110加热。通过光热集热装置110作为热源加热蒸汽发生器1033，换热后的低温传热介质可进入光热集热装置110循环加热，以充分利用可再生能源辅助汽轮机101发电，提高系统利用效率。通过加热斜温层储罐中的介质，该系统可直接输入太阳能光热进行存储，拓宽了传统单一的电输入模式，增加了可再生能源的消纳途径和消纳能力。
例如，压缩机单元设有一级压缩机201和二级压缩机202，膨胀机单元设有一级膨胀机301和二级膨胀机302，换热器单元设有一级换热器501和二级换热器502。两个压缩机与两个膨胀机同轴连接。发电电动机150设置在一级压缩机201的输入轴端，发电电动机150的输入轴连接压缩机的输入轴。储能时，发电电动机150作为电机使用，压缩机的输入轴与发电电动机150的输出轴保持同步转动，膨胀机输出轴与发电电动机150的输出轴断开连接；释能时，压缩机的输入轴与发电电动机150的输出轴断开连接，膨胀机的输出轴与发电电动机150的输出轴连接以使两者保持同步转动。发电电动机150也可设置在压缩机单元与膨胀机单元之间。
一级压缩机201与一级换热器501之间的压缩通道管路为第一连接管线901，一级换热器501与二级压缩机202之间的压缩通道管路为第二连接管线902，二级压缩机202与二级换热器502之间的压缩通道管路为第三连接管线903，进入一级膨胀机301的膨胀通道管路为第四连接管线1001，进入二级膨胀机302的膨胀通道管路为第五连接管线1002，从一级膨胀机301引出的膨胀通道管路为第六连接管线1003。第四连接管线1001的远离一级膨胀机301的一端连接第三连接管线903，第五连接管线1002远离二级膨胀机302的一端连接第二连接管线902，第六连接管线1003远离一级膨胀机301的一端连接第一连接管线901，以通过第一连接管线901同时连接一级压缩机201和一级换热器501、以及二级膨胀机302和一级换热器501，第二连接管线902同时连接二级压缩机202和一级换热器501、以及二级膨胀机302和一级换热器501，第三管线同时连接二级压缩机202和二级换热器502、以及一级膨胀机301与二级换热器502，实现储能和释能过程换热器的共用，以简化系统结构。
参见图1，第一总管701一侧连接斜温层储罐的第一进出口601、另一侧朝向第一支管702延伸，第一连接管线901、第二连接管线902、第三连接管线903、第四连接管线1001、第五连接管线1002、第六连接管线1003上的阀门依次为第一阀门1401、第二阀门1402、第三阀门1403、第四阀门1404、第五阀门1405和第六阀门1406，第三管线靠近二级换热器502一侧还设有第七阀门1407，第四连接管线1001设置在第三阀门1403后侧，第五连接管线1002设置在第二阀门1402后侧，第六管线设置在第一阀门1401后侧。储气管路1207上的阀门为第八阀门1408，第四管路1202上的阀门为第九阀门1409，第二总管801上的阀门为第十阀门14010，第五管路1203上的阀门为第十一阀门14011，第六管路1204上的阀门为第十二阀门14012，第一总管701上设有两个阀门，其中靠近二级换热器502的为第十三阀门14013、靠近斜温层储罐的为第十五阀门14015，连接第二支管802与第二总管801的管路上的阀门为第十四阀门14014，第三管路1201上的阀门为第十六阀门14016。参见图1，还包括冷凝管路，冷凝管路的两端分别连接汽轮机101出气端管路和冷凝器1031的入口端管路，冷凝管路上设有第十七阀门14017。
储能系统储能时，第一阀门1401、第二阀门1402、第三阀门1403、第七阀门1407打开，发电电动机150驱动一级压缩机201工作，压缩空气先经一级压缩机201压缩成高温中压气体，高温中压气体进入一级换热器501换热降温后进入二级压缩机202升压增温后再进入二级换热器502换热降温进入储气装置40储存。同时，第十五阀门14015、第十三阀门14013、第十四阀门14014、第十阀门14010打开，斜温层储罐下部的低温传热介质经第一总管701和两个第一支管702分别流入一级换热器501和二级换热器502，低温传热介质与换热器中的高温气体换热后成为高温传热介质，高温传热介质经第二支管802和第二总管801流回斜温层储罐上部。
释能时，储气装置40中的低温高压空气先流入二级换热器502换热升温后成为高温高压空气，高温高压空气进入一级膨胀机301膨胀做功，做功后从一级膨胀机301流出的低温低压空气进入一级换热器501换热升温后成高温高压空气，高温高压空气再进入二级膨胀机302膨胀做功以驱动发电电动机150发电。同时，第十阀门14010、第十三阀门14013、第十四阀门14014、第十五阀门14015打开，斜温层储罐上部的高温传热介质经第二总管801、两个第二支管802分别流入两个换热器，高温传热介质与换热器中的低温空气换热后的低温传热介质经第一支管702和第一总管701流入斜温层储罐底部；也可第九阀门1409、第十六阀门14016打开，光热集热装置110中的高温传热介质经第四管路1202、第十四阀门14014所在的管路和第二支管802流入换热器换热，换热后的低温传热介质再经第一支管702、第一总管701、第三管路1201、第五管路1203和第七管路1205流回光热集热装置110。
光照充足时，第十五阀门14015、第十二阀门14012、第九阀门1409、第十一阀门14011打开，斜温层储罐下部的低温传热介质经第一总管701、第六管路1204和第四管路1202流入光热集热器加热后，再通过第七管路1205和第五管路1203流至斜温层储罐上部，并多次循环，以加热斜温层储罐中的传热介质。同时，光热集热装置110中的超高温传热介质可流向蒸汽发生器1033以加热其中的高温凝结水，高温凝结水与超高温传热介质换热后形成高温高压蒸汽进入汽轮机101做功发电。换热后的低温传热介质在第三循环泵1303的作用下经第八管路1206、第六管路1204和第四管路1202流回光热集热装置110加热。当二级膨胀机302排出的低温低压空气含量较小时，第十七管路打开，汽轮机101排出的乏汽直接通过冷凝管路输送至冷凝器1031内冷凝。
作为可替换实施方式，蓄热装置60还可包括低温储罐和高温储罐，低温储罐连接所有换热器的第一介质口53，高温储罐连接所有换热器的第二介质口54。
汽水循环组件还可不设置储水罐1034，汽气换热器中汽轮机排出的高温低压蒸汽与低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽通过冷凝器冷凝成凝结水，凝结水经气水换热器预热后直接进入蒸汽发生器后产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入汽轮机做功发电后在通过汽气换热器102、冷凝器转化为冷凝水进入气水换热器和蒸汽发生器，如此循环。
汽水循环组件还可包括冷凝器和蒸汽锅炉，汽气换热器中汽轮机排出的高温低压蒸汽与低温乏汽换热后形成低温低压蒸汽，低温低压蒸汽通过冷凝器冷凝成凝结水后直接进入蒸汽锅炉形成高温高压蒸汽后进入汽轮机。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
汽轮发电系统，包括汽轮机(101)、汽气换热器(102)和汽水循环组件，所述汽轮机(101)的出气端连接所述汽气换热器(102)的高温侧入口，所述汽水循环组件的两端分别连接所述汽气换热器(102)的低温侧出口和所述汽轮机(101)的进气口，所述汽水循环组件用于将从所述汽气换热器(102)换热后流出的低温乏汽转换为高温高压蒸汽；
压缩机组，包括至少两级同轴依次连接的压缩机；
膨胀机组，包括至少两级同轴依次连接膨胀机；最后一级所述膨胀机的出气口连接所述汽气换热器(102)的低温侧入口；
储气装置(40)；
换热器组，包括至少两级换热器，所述换热器、所述膨胀机的级数均与所述压缩机的级数相同；各级所述压缩机依次与各级所述换热器串联，各级所述换热器依次与各级所述膨胀机串联；
蓄热装置(60)，连接所有所述换热器的第一介质口(53)和第二介质口(54)。
2.根据权利要求1所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述汽水循环组件包括依次串联的冷凝器(1031)、气水换热器(1032)和蒸汽发生器(1033)，所述汽气换热器(102)的低温侧出口连接所述冷凝器(1031)的入口，所述蒸汽发生器(1033)的出气口连接所述汽轮机(101)的进气口。
3.根据权利要求2所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述汽水循环组件还包括连接于所述气水换热器(1032)与所述蒸汽发生器(1033)之间的储水罐(1034)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热装置(60)为斜温层储罐，每个所述换热器的第一介质口(53)通过第一管路连接所述斜温层储罐的第一进出口(601)、每个所述换热器的第二介质口(54)通过第二管路连接所述斜温层储罐的第二进出口(602)，所述第一管路上设有第一循环泵(1301)，所述第二管路上设有第二循环泵(1302)。
5.根据权利要求4所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一管路包括第一总管(701)和第一支管(702)，所述第二管路包括第二总管(801)和第二支管(802)；
所述第一总管(701)连接所述斜温层储罐的第一进出口(601)，所述第一支管(702)与所述换热器一一对应设置并连通所述第一总管(701)，所述第一循环泵(1301)设于所述第一总管(701)上；
所述第二总管(801)连接所述斜温层储罐的第二进出口(602)，所述第二支管(802)与所述换热器一一对应设置并连通所述第二总管(801)，所述第二循环泵(1302)设于所述第二总管(801)上。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述换热器的第一气侧口(51)连接相邻两级压缩机中的前一级所述压缩机的出气口、所述换热器的第二气侧口(52)连接后一级所述压缩机的进气口，最后一级所述换热器的第二气侧口(52)连接所述储气装置(40)的进气口；所述储气装置(40)的出气口连接最后一级所述换热器的第二气侧口(52)，最后一级所述换热器的第一气侧口(51)连接第一级所述膨胀机的进气口，其余所述换热器的第一气侧口(51)连接相邻两级膨胀机中前一级膨胀机(301)的出气口、其余所述换热器的第二气侧口(52)连接后一级所述膨胀机的进气口。
7.根据权利要求6所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所有所述压缩机与所有所述膨胀机同轴连接，所述压缩机与所述换热器通过压缩通道管路连接，所述膨胀机与所述换热器通过膨胀通道管路连接，连接同一个所述换热器的同侧气侧口的膨胀通道管路远离所述膨胀机的一端连接所述压缩通道管路。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，还包括光热集热装置(110)，所述光热集热装置(110)的第一端口通过第三管路(1201)与所有所述换热器的第一介质口(53)并联，所述光热集热装置(110)的第二端口通过第四管路(1202)与所有所述换热器的第二介质口(54)并联。
9.根据权利要求8所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热装置(60)为斜温层储罐,所述光热集热装置(110)的第一端口通过第五管路(1203)连接所述斜温层储罐的第二进出口(602)，所述光热集热装置(110)的第二端口通过第六管路(1204)连接所述斜温层储罐的第二进出口(602)，所述第五管路(1203)和第六管路(1204)上设有阀门。
10.根据权利要求8所述的与发电系统耦合的分级压缩空气储能系统，其特征在于，所述汽水循环组件包括蒸汽发生器(1033)，所述光热集热装置(110)的第一端口通过第七管路(1205)连接所述蒸汽发生器(1033)加热侧入口，所述光热集热装置(110)的第二端口通过第八管路(1206)连接所述蒸汽发生器(1033)加热侧出口；和/或
还包括储气管路(1207)，所述储气管路(1207)的两端分别连接最后一级所述压缩机与所述换热器之间的压缩通道管路和所述储气装置(40)的进气口，所述储气管路(1207)上设有阀门。
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