CN211573739U - 一种压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压缩空气储能系统，包括低品位热能输入单元、压缩空气储能单元及燃气轮机高温利用单元。通过增加低品位热能输入单元，使用低品位热源加热储能压缩机组中的空气入口温度，提高压缩机的出口温度，将低品位热能转化为高品位热能利用，实现了低品位能量的高效利用。通过在现有压缩空气储能单元中耦合燃气轮机高温热能利用单元，通过换热提高了燃气轮机空气入口温度，并通过设置回热器充分利用燃气轮机的排气余热，减少了燃气轮机耗功，实现了燃气轮机的排气余热的梯级利用。此外，该实用新型通过释放储能过程的热量，使膨胀机排气接近常温，实现了零火用排放，进一步提高了系统的能量利用率。

Description

一种压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及压缩空气储能技术领域，涉及一种压缩空气储能系统，特别涉及一种储能系统，是一种可以实现低品位热能高效利用，并可提高系统效率、实现燃气轮机余热梯级利用的压缩空气储能系统。

背景技术

能源和环境问题的可持续发展是国民经济发展的基础，而解决电力行业中的能源环境问题是保证我国经济可持续发展的重要组成部分。电力储能是调整我国能源结构、大规模发展可再生能源、提高能源安全的关键技术之一，大规模储能技术的研究具有重要理论和实践价值。

目前的储能系统有抽水蓄能、压缩空气储能、燃料电池等，抽水蓄能和压缩空气储能具有储能密度大、输出功率大等特点，已被大规模利用。但抽水蓄能电站必须建设大坝，耗水量大，对生态也会造成一定得破坏。而压缩空气储能系统不耗水，对生态环境基本没有影响，具有初始投资成本低、效率高、无毒、寿命长等优点，具有较大的发展前景。此外，目前低品位热源如工业余热等的利用率低，燃气轮机的燃料消耗多，效率低，能源的梯级利用率低。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本实用新型旨在提供一种压缩空气储能系统，通过在现有压缩空气储能单元中增加低品位热能输入单元，利用低品位热能加热进入储能压缩机组入口前的空气，实现了低品位能量的高效利用，并通过在现有压缩空气储能单元中耦合燃气轮机高温热能利用单元，将压缩空气储能系统与燃气轮机相结合，通过换热提高了燃气轮机空气入口温度，并通过设置回热器充分利用燃气轮机的排气余热，减少了燃气轮机燃料的消耗，提高了系统的能量利用效率、实现了燃气轮机的排气余热的梯级利用，本实用新型是一种可以实现低品位热能高效利用的耦合储能系统，该系统具有节能、高效等特点。

本实用新型为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种压缩空气储能系统，包括低品位热能输入单元、压缩空气储能单元和燃气轮机高温热能利用单元，所述压缩空气储能单元包括一储能压缩机组、一储能膨胀机组和一高压储气室，其中，所述储能压缩机组的低压进气管线与大气连通，所述储能压缩机组的高压排气管线与所述高压储气室的进气口连通，所述储能膨胀机组的高压进气管线与所述高压储气室的排气口连通，其特征在于，

--所述低品位热能输入单元，包括一低温蓄热装置和一第一换热器，所述低温蓄热装置中还设置有换热盘管，所述第一换热器的热侧通过管路与低温蓄热装置中的换热盘管连通形成一低温热能循环回路，所述第一换热器的冷侧设置在所述储能压缩机组的低压进气管线上；

--所述燃气轮机高温热能利用单元，包括一燃气轮机压缩机、一燃气轮机燃烧室、一燃气轮机涡轮、一第二换热器、一回热器和一高温蓄热装置，其中，

所述储能压缩机组的高压排气管线依次经所述第二换热器的热侧、所述高温蓄热装置的第一换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，

所述燃气轮机压缩机的进气口与大气连通，所述燃气轮机压缩机的排气口通过管路依次经所述回热器的冷侧、第二换热器的冷侧后与所述燃气轮机燃烧室的空气进口连通，所述高温蓄热装置的第二换热盘管与所述高压储气室的进气口之间的连通管路上至少设置一压力调节阀，

所述燃气轮机燃烧室的高温燃气出口通过管路依次经所述燃气轮机涡轮、所述第二换热器的热侧后与大气环境连通。

本实用新型的压缩空气储能系统中，通过在所述压缩空气储能单元的所述储能压缩机组的低压进气管路上设置第一换热器，利用所述第一换热器与所述低温蓄热装置进行热量交换，吸收低品位热源的热量，从而对进入所述储能压缩机组的空气进行加热，有利于提高所述储能压缩机组的压缩效率。

本实用新型的压缩空气储能系统中，通过在所述燃气轮机燃烧室的空气进口管路上设置第二换热器，并利用所述第二换热器与从所述储能压缩机组排出的高温高压的压缩空气进行换热，提高所述燃气轮机燃烧室的空气入口温度，提高了燃烧室的燃烧效率，同时降低了进入所述高温蓄热装置进而降低了进入高压储气室的存储空气的温度。

本实用新型的压缩空气储能系统中，通过在所述第二换热器热侧进口管路或出口管路上设置旁通管路，利用该旁通管路部分高温高压空气抽送至高压储气室中，用于储存更多的用电低谷电能。

优选的，所述系统还包括一电动机，所述电动机的输出轴与所述储能压缩机组的第一动力输入端传动连接。

进一步的，所述电动机的电能来自风力发电、太阳能发电、电网等的一种或多种组合。

优选的，所述燃气轮机涡轮至少包括两个动力输出轴，其中，第一动力输出轴与所述燃气轮机压缩机的动力输入端传动连接，第二动力输出轴通过一离合器与所述储能压缩机组的第二动力输入端传动连接。所述离合器连接压缩空气储能系统中的压缩机和燃气轮机，用于空气系统对外输出的电能和存储的电能大小。

优选的，所述燃气轮机涡轮的第一动力输出轴及所述储能膨胀机组的动力输出轴分别传动连接一发电机。

优选的，所述低品位热能输入单元中的低品位热能来自于太阳能低温蓄热、工业余热，跨季节蓄热等。

优选的，所述低温蓄热装置、高温蓄热装置中设置的蓄热材料可为水、土壤等工质。

优选的，所述储能空气压缩机组、储能膨胀机组为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式中的一种或几种的组合。

优选的，所述第一换热器、第二换热器、回热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式回热器中的一种或几种的组合。

优选的，所述第二换热器的冷侧进口管路或冷侧出口管路上引出一旁通管路，所述旁通管路经所述高温蓄热装置的第二换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，所述旁通管路上至少设置一控制阀门。

优选的，所述低温蓄热装置中设置有蓄热材料及用以引入低品位热能的结构。

本实用新型的压缩空气储能系统，其工作原理为：

储能时，空气在在第一换热器中吸收低品位热能后进入储能压缩机组，储能压缩机组在多余电能的驱动下，将空气压缩到高温高压状态，被压缩后的高温高压气体在第二换热器中释放热量，用以加热通入所述燃气轮机燃烧室的空气流，冷却后的空气在高温蓄热装置中再次冷却，最终以常温高压形式存储于高压储气室。同时，在燃气轮机高温利用单元，空气经燃气轮机压缩机加压后，压缩气体经回热器预热后，在第二换热器与储能压缩机组排出的高温高压空气进行换热后进一步升温，进入燃烧室与燃料混合燃烧，膨胀做功。燃烧做功后的烟气进入回热器对进入燃气轮机压缩机空气进行预热。

释能时，高压储气室中的气体经过高温蓄热装置被加热后，被输送至储能膨胀机膨胀做功。

通过上述技术方案可以看出，与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：系统在现有压缩空气储能系统的基础上，通过增加低品位热能输入单元，利用低品位热能加热进入储能压缩机组入口前的空气，实现了低品位能量的高效利用，并通过将压缩空气储能单元与燃气轮机相结合，通过换热提高了燃气轮机燃烧室的空气入口温度，减少了燃气轮机燃料的消耗，并通过设置回热器充分利用燃气轮机的排气余热，提高了系统的能量利用效率，实现了燃气轮机的排气余热的梯级利用。

附图说明

图1为本实用新型的压缩空气储能系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

图1示出了本实用新型的压缩空气储能系统的一个实例。如图1所示，该系统在现有压缩空气储能单元的基础上，耦合设置了一低品位热能输入单元和一燃气轮机高温热能利用单元。压缩空气储能单元，包括一储能压缩机组3、一储能膨胀机组15和一高压储气室13。低品位热能输入单元，包括一低温蓄热装置TS1和一第一换热器H1。燃气轮机高温热能利用单元，包括一燃气轮机压缩机8、一燃气轮机燃烧室9、一燃气轮机涡轮10、一第二换热器H2、一回热器H3和一高温蓄热装置TS2。

具体地，如图1所示，压缩空气储能单元中，储能压缩机组3的低压进气管线2与大气1连通，储能压缩机组3的高压排气管线5与高压储气室13的进气口连通，储能膨胀机组15的高压进气管线14与高压储气室13的排气口连通，储能膨胀机组15的排气口与大气16连通。

低品位热能输入单元中，低温蓄热装置TS1中设置有蓄热材料及用以引入低品位热能的结构，蓄热材料可为水、土壤等工质,低品位热能来自于太阳能低温蓄热、工业余热，跨季节蓄热等。低温蓄热装置TS1中还设置有换热盘管，第一换热器H1的热侧通过管路与低温蓄热装置TS1中的换热盘管连通形成一低温热能循环回路，第一换热器H1的冷侧设置在储能压缩机组3的低压进气管线上。系统还包括一电动机4，电动机4的输出轴L1与储能压缩机组3的第一动力输入端传动连接。电动机4的电能来自风力发电、太阳能发电、电网等的一种或多种组合。储能空气压缩机组3、储能膨胀机组15为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式中的一种或几种的组合。储能膨胀机组15的动力输出轴L6传动连接发电机G2。

燃气轮机高温热能利用单元中，储能压缩机组3的高压排气管线5首先与第二换热器H2的热侧进口连通，第二换热器H2的热侧出口通过管路6与高温蓄热装置TS2的第一换热盘管的进口连通，第一换热盘管的出口与高压储气室13的进气口连通。燃气轮机压缩机8的进气口与大气7连通，燃气轮机压缩机8的排气口通过管路与回热器H3的冷侧进口连通，回热器H3的冷侧出口通过管路18经第二换热器H2的冷侧后与燃气轮机燃烧室9的空气进口连通，且第二换热器H2的冷侧进口管路或冷侧出口管路上引出一旁通管路19，旁通管路19经高温蓄热装置TS2的第二换热盘管后与高压储气室13的进气口连通，旁通管路19上至少设置一控制阀门(图中未示出)，高温蓄热装置TS2的第二换热盘管与高压储气室13的进气口之间的连通管路上至少设置一压力调节阀20；燃气轮机燃烧室9的高温燃气出口通过管路11依次经燃气轮机涡轮10、第二换热器H2的热侧后与大气环境12连通。燃气轮机涡轮10至少包括两个动力输出轴L3、L4，其中，第一动力输出轴L4与燃气轮机压缩机8的动力输入端传动连接，此外还通过传动轴L5进一步传动连接发电机G1，第二动力输出轴通过一离合器17与储能压缩机组3的第二动力输入端L2传动连接，离合器17连接压缩空气储能系统中的压缩机和燃气轮机，用于空气系统对外输出的电能和存储的电能大小。

在工作过程中，本实用新型的压缩空气储能系统中，压缩空气储能单元的工作流程为：储能时，空气1在第一换热器H1中吸收低品位热能后进入储能压缩机组3被压缩，被压缩后的高温高压气体在第二换热器H2中释放热量后进入高温蓄热装置TS2，高温高压空气冷却后以接近常温状态储存在高压储气室13中；释能时，高压储气室13中的压缩空气首先进入高温蓄热装置TS2直接吸热后进入储能膨胀机组15膨胀做功。燃气轮机高温热能利用单元的工作流程为：空气7在燃气轮机压缩机8中被压缩，被压缩后的气体在回热器H3中被烟气余热预热后，进入第二换热器H2，在第二换热器H2中进一步吸收热量后温度提升，高温高压的空气进入燃气轮机燃烧室9与其中的燃料混合燃烧形成高温燃气，高温燃气排出后通过燃气轮机涡轮10膨胀对外做功，做功后的烟气被回收至回热器H3，用于给高压空气预热。

图1中，在第二换热器H2处设置旁通管路19，利用旁通管路19将部分高温高压空气与高温蓄热装置TS2相连，用于将高温利用侧的空气抽取至高压储气室13中储存，使压缩空气储能系统能存储更多的能量，从而满足负荷需求。

与现有技术相比，本实用新型在现有压缩空气储能系统的基础上，通过增加低品位热能输入单元，利用低品位热能加热进入储能压缩机组入口前的空气，实现了低品位能量的高效利用，并通过将压缩空气储能单元与燃气轮机相结合，通过换热提高了燃气轮机燃烧室的空气入口温度，减少了燃气轮机燃料的消耗，并通过设置回热器充分利用燃气轮机的排气余热，提高了系统的能量利用效率，实现了燃气轮机的排气余热的梯级利用。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims (8)

1.一种压缩空气储能系统，包括低品位热能输入单元、压缩空气储能单元和燃气轮机高温热能利用单元，所述压缩空气储能单元包括一储能压缩机组、一储能膨胀机组和一高压储气室，其中，所述储能压缩机组的低压进气管线与大气连通，所述储能压缩机组的高压排气管线与所述高压储气室的进气口连通，所述储能膨胀机组的高压进气管线与所述高压储气室的排气口连通，其特征在于，

--所述低品位热能输入单元，包括一低温蓄热装置和一第一换热器，所述低温蓄热装置中设置有换热盘管，所述第一换热器的热侧通过管路与低温蓄热装置中的换热盘管连通形成一低温热能循环回路，所述第一换热器的冷侧设置在所述储能压缩机组的低压进气管线上；

--所述燃气轮机高温热能利用单元，包括一燃气轮机压缩机、一燃气轮机燃烧室、一燃气轮机涡轮、一第二换热器、一回热器和一高温蓄热装置，其中，

所述储能压缩机组的高压排气管线依次经所述第二换热器的热侧、所述高温蓄热装置的第一换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，

所述燃气轮机压缩机的进气口与大气连通，所述燃气轮机压缩机的排气口通过管路依次经所述回热器的冷侧、第二换热器的冷侧后与所述燃气轮机燃烧室的空气进口连通，所述高温蓄热装置的第二换热盘管与所述高压储气室的进气口之间的连通管路上至少设置一压力调节阀，

所述燃气轮机燃烧室的高温燃气出口通过管路依次经所述燃气轮机涡轮、所述第二换热器的热侧后与大气环境连通。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述系统还包括一电动机，所述电动机的输出轴与所述储能压缩机组的第一动力输入端传动连接。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述燃气轮机涡轮至少包括两个动力输出轴，其中，第一动力输出轴与所述燃气轮机压缩机的动力输入端传动连接，第二动力输出轴通过一离合器与所述储能压缩机组的第二动力输入端传动连接。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述燃气轮机涡轮的第一动力输出轴及所述储能膨胀机组的动力输出轴分别传动连接一发电机。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能压缩机组、储能膨胀机组为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热器、第二换热器、回热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第二换热器的冷侧进口管路或冷侧出口管路上引出一旁通管路，所述旁通管路经所述高温蓄热装置的第二换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，所述旁通管路上至少设置一控制阀门。

8.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述低温蓄热装置中设置有蓄热材料及用以引入低品位热能的结构。

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