压缩空气储能系统及其控制方法

456 编辑：中冶有色技术网来源：西安交通大学

2023-11-06 14:36:20

1.本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统及其控制方法。

背景技术：

2.压缩空气储能系统是一种储存容量大、运行效率高、使用寿命长且运行成本低的电能存储系统。其主要的工作原理为：在用电低谷期，用富余的低价电能驱动压缩机，将空气压缩到储气装置中储存起来；而在用电高峰期，将压缩空气从储气装置中释放，然后通过高压空气带动膨胀机做功，输出高品质电能。由于压缩空气储能技术在压缩空气阶段会产生大量废热，导致热能浪费。并且，由于传热损失的存在，导致释能过程中，膨胀机出口的空气温度低于环境温度，这也会导致冷能的浪费。在现有技术中，中国专利cn105569753a已公开了一种利用有机朗肯循环(orc)回收废弃热能和冷能的发电装置，但有机朗肯循环(orc)系统中有机工质和热源换热阶段，温度跟随性不好，因此存在非常大的损失。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种压缩空气储能系统及其控制方法，通过三角闪蒸循环，对压缩空气阶段产生余热和进行回收发电，提高储能效率。

4.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

5.第一方面，提供一种压缩空气储能系统，包括电能存储系统、热能储释系统、电能释放系统以及三角闪蒸循环系统；所述电能存储系统包括压缩机、级间冷却器和高压储气罐，所述压缩机由电动机驱动，压缩机的排气口与级间冷却器的热侧进口连接，级间冷却器的热侧出口与高压储气罐连接；所述热能储释系统包括储热罐与第一工质泵，在储能阶段，储热罐内的储热工质在第一工质泵的驱动下流经级间冷却器再回到储热罐，在释能阶段，储热罐内的储热工质在第一工质泵的驱动下流经电能释放系统的第一换热器以及三角闪蒸循环系统的第二换热器再回到储热罐；所述电能释放系统包括第一换热器与膨胀机，膨胀机经过第一换热器与高压储气罐相连，膨胀机对外做功带动发电机发电；所述三角闪蒸循环系统包括第二换热器、两相膨胀机、冷凝器以及第二工质泵，冷凝器通入膨胀机做工后的排气，有机工质在第二换热器中被加热到饱和液状态，进入两相膨胀机，两相膨胀机对外做功带动发电机发电，做功后的有机工质进入冷凝器被冷凝，最后通过第二工质泵加压回到第二换热器。

6.作为优选，所述的压缩机包括同轴连接在一起的低压压缩机、中压压缩机以及高压压缩机，低压压缩机与电动机连接；所述级间冷却器包括低压级间冷却器、中压级间冷却器以及高压级间冷却器；所述低压级间冷却器设置在低压压缩机与中压压缩机之间，所述中压级间冷却器设置在中压压缩机与高压压缩机之间，所述高压级间冷却器设置在高压压缩机与高压储气罐之间；所述低压压缩机、中压压缩机以及高压压缩机的排气口分别与低压级间冷却器、中压级间冷却器以及高压级间冷却器的热侧进口连接，所述低压级间冷却器与中压级间冷却器的热侧出口分别与中压压缩机以及高压压缩机的进气口连接。

7.作为优选，所述高压级间冷却器的热侧出口经过第一截止阀与高压储气罐连接。

8.作为优选，所述热能储释系统在储能阶段，所述储热罐内的储热工质在第一工质泵的驱动下分别流经高压级间冷却器、中压级间冷却器以及低压级间冷却器再回到储热罐。

9.作为优选，所述热能储释系统还包括多个控制阀，其中，第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀分别设置在第一工质泵与高压级间冷却器、中压级间冷却器以及低压级间冷却器储热工质入口之间的管路上，第四控制阀设置在高压级间冷却器、中压级间冷却器以及低压级间冷却器储热工质出口与储热罐之间的管路上；第五控制阀设置在第一工质泵与第一换热器储热工质入口之间的管路上，第六控制阀设置在第二换热器储热工质出口与储热罐之间的管路上。

10.作为优选，所述电能释放系统还包括设置在高压储气罐与第一换热器之间管路上的第二截止阀。

11.第二方面，提供一种所述压缩空气储能系统的控制方法，包括：

12.所述热能储释系统在储能阶段，打开第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀以及第四控制阀，关闭第五控制阀以及第六控制阀；并且，所述高压级间冷却器、中压级间冷却器以及低压级间冷却器内储热工质的流量分别通过调节第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀进行调节；

13.所述热能储释系统在释能阶段，关闭第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀以及第四控制阀，打开第五控制阀与第六控制阀，并且，所述储热工质的流量分别通过调节第五控制阀以及第六控制阀进行调节。

14.第三方面，提供一种所述压缩空气储能系统的控制方法，包括：

15.所述电能释放系统在释能阶段，打开第二截止阀，释能结束关闭第二截止阀。

16.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

17.本发明的热能储释系统在储能阶段，储热罐内的储热工质在第一工质泵的驱动下流经级间冷却器再回到储热罐，在释能阶段，储热罐内的储热工质在第一工质泵的驱动下流经电能释放系统的第一换热器以及三角闪蒸循环系统的第二换热器再回到储热罐，由于本发明的系统中设置了三角闪蒸循环系统，三角闪蒸循环系统热源来自储热罐的储热工质，冷源来自电能释放系统释能阶段在膨胀机内做功后的冷排气，有机工质在第二换热器中被加热到饱和液状态，换热过程不存在相变，有机工质与热源的跟随性好，因此可以有效提高换热效率，被加热到饱和液状态的有机工质进入两相膨胀机，推动两相膨胀机完成对外做功。本发明压缩空气储能系统通过三角闪蒸循环回收储热，改善了有机工质和热源的换热匹配度，提高了换热效率，降低了损。通过压缩机将空气被压缩至高温高压状态，再经过级间冷却器的冷却作用，使空气达到高压低温状态被压入高压储气罐储存，膨胀机经过第一换热器与高压储气罐相连，高压压缩空气在第一换热器中被储热工质加热，然后通过膨胀机对外带动发电机发电，输出电能。三角闪蒸循环系统的冷凝器通入膨胀机做工后的排气，使用做功后的冷空气作为冷源，回收了部分冷量。热能储释系统的储能和释能分布运行，系统结构简单。

18.进一步的，本发明的热能储释系统还包括多个控制阀，且高压级间冷却器的热侧出口经过第一截止阀与高压储气罐连接，电能释放系统还包括设置在高压储气罐与燃烧室

之间管路上的第二截止阀，系统结构简单，在分布运行储能和释能过程中，能够实现流量调节。

19.进一步的，本发明的压缩机包括同轴连接在一起的低压压缩机、中压压缩机以及高压压缩机，低压压缩机与电动机连接，同时级间冷却器包括低压级间冷却器、中压级间冷却器以及高压级间冷却器，使用多级压缩和级间冷却器，能够使压缩过程更接近等温压缩。

附图说明

20.图1本发明实施例压缩空气储能系统的结构示意图；

21.附图中：1-低压压缩机；2-低压级间冷却器；3-中压压缩机；4-中压级间冷却器；5-高压压缩机；6-高压级间冷却器；7-第一截止阀；8-高压储气罐；9-第二截止阀；10-第一换热器；11-膨胀机；21-储热罐；22-第一工质泵；23-第一控制阀；24-第二控制阀；25-第三控制阀；26-第四控制阀；27-第五控制阀；28-第六控制阀；31-第二换热器；32-两相膨胀机；33-冷凝器；34-第二工质泵。

具体实施方式

22.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

23.请参阅图1，本发明的一种压缩空气储能系统，主要结构包括电能存储系统、热能储释系统、电能释放系统以及三角闪蒸循环系统。

24.其中，电能存储系统包括压缩机、级间冷却器和高压储气罐8，所述压缩机由电动机驱动，低价电能带动电动机，压缩机的排气口与级间冷却器的热侧进口连接，级间冷却器的热侧出口与高压储气罐8连接。在压缩机的工作过程中，空气被压缩至高温高压状态，然后通过级间冷却器的冷却作用，使空气达到高压低温状态被压入高压储气罐8储存。

25.在一种可能的实施方式中，所述的压缩机包括同轴连接在一起的低压压缩机1、中压压缩机3以及高压压缩机5，低压压缩机1与电动机连接；所述级间冷却器包括低压级间冷却器2、中压级间冷却器4以及高压级间冷却器6。更进一步的，低压级间冷却器2设置在低压压缩机1与中压压缩机3之间，中压级间冷却器4设置在中压压缩机3与高压压缩机5之间，高压级间冷却器6设置在高压压缩机5与高压储气罐8之间。本实施例中的低压压缩机1、中压压缩机3以及高压压缩机5的排气口分别与低压级间冷却器2、中压级间冷却器4以及高压级间冷却器6的热侧进口连接，低压级间冷却器2与中压级间冷却器4的热侧出口分别与中压压缩机3以及高压压缩机5的进气口连接。高压级间冷却器6的热侧出口经过第一截止阀7与高压储气罐8连接。多级压缩机与级间冷却器使整个过程更接近等温压缩过程。

26.在一种可能的实施方式中，热能储释系统包括储热罐21与第一工质泵22，在储能阶段，储热罐21内的储热工质在第一工质泵22的驱动下流经级间冷却器再回到储热罐21，在释能阶段，储热罐21内的储热工质在第一工质泵22的驱动下流经电能释放系统的第一换热器10以及三角闪蒸循环系统的第二换热器31再回到储热罐21。在本实施例中，热能储释系统在储能阶段，储热罐21内的储热工质在第一工质泵22的驱动下分别流经高压级间冷却器6、中压级间冷却器4以及低压级间冷却器2再回到储热罐21。更进一步的，热能储释系统还包括多个控制阀，其中，第一控制阀23、第二控制阀24以及第三控制阀25分别设置在第一工质泵22与高压级间冷却器6、中压级间冷却器4以及低压级间冷却器2储热工质入口之间

的管路上，第四控制阀26设置在高压级间冷却器6、中压级间冷却器4以及低压级间冷却器2储热工质出口与储热罐21之间的管路上，第五控制阀27设置在第一工质泵22与第一换热器10储热工质入口之间的管路上，第六控制阀28设置在第二换热器31储热工质出口与储热罐21之间的管路上。在可能的实施方案中，储热工质可以选择水或油等液态储热介质。

27.在一种可能的实施方式中，电能释放系统包括第一换热器10与膨胀机11，膨胀机11经过第一换热器10与高压储气罐8相连，膨胀机11对外做功带动发电机发电；电能释放系统还包括设置在高压储气罐8与第一换热器10之间管路上的第二截止阀9。在用电需求量大时，开始释放电能，打开第二截止阀9，使高压储气罐8中的高压低温压缩空气在第一换热器10中被储热工质加热，然后通过膨胀机11对外带动发电机发电，输出电能。

28.在一种可能的实施方式中，三角闪蒸循环系统包括第二换热器31、两相膨胀机32、冷凝器33以及第二工质泵34，冷凝器33通入膨胀机11做工后的排气，有机工质在第二换热器31中被加热到饱和液状态，进入两相膨胀机32，两相膨胀机32对外做功带动发电机发电，做功后的有机工质进入冷凝器33被冷凝，最后通过第二工质泵34加压回到第二换热器31。

29.本实施例的三角闪蒸循环系统热源来自储热罐21的储热工质，冷源来自在膨胀机11内做功后的冷空气。有机工质在第二换热器31中被加热到饱和液状态。三角闪蒸循环系统换热过程不存在相变，有机工质与热源的跟随性好，可以有效提高换热效率。

30.本发明另一实施例还提出一种所述的压缩空气储能系统的控制方法，包括：

31.热能储释系统在储能阶段，打开第一控制阀23、第二控制阀24、第三控制阀25以及第四控制阀26，关闭第五控制阀27以及第六控制阀28；

32.并且，高压级间冷却器6、中压级间冷却器4以及低压级间冷却器2内储热工质的流量分别通过调节第一控制阀23、第二控制阀24以及第三控制阀25进行调节；

33.热能储释系统在释能阶段，关闭第一控制阀23、第二控制阀24、第三控制阀25以及第四控制阀26，打开第五控制阀27与第六控制阀28，并且，储热工质的流量分别通过调节第五控制阀27以及第六控制阀28进行调节。

34.本发明另一实施例压缩空气储能系统的控制方法，包括：

35.电能释放系统在释能阶段，打开第二截止阀9，释能结束关闭第二截止阀9。

36.本发明压缩空气储能系统的储能和释能分布运行，系统整体结构简单，并且在分布运行储能和释能过程中，能够实现流量调节。

37.本发明压缩空气储能系统使用多级压缩机并配合设置相应的级间冷却器，使压缩过程更接近等温压缩。通过三角闪蒸循环回收储热，改善了有机工质和热源的换热匹配度，提高了换热效率，降低了损；三角闪蒸循环系统的冷凝器通入膨胀机做工后的排气，使用做功后的冷空气作为冷源，回收了部分冷量。热能储释系统的储能和释能分布运行，系统结构简单。

38.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。技术特征：

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于：包括电能存储系统、热能储释系统、电能释放系统以及三角闪蒸循环系统；所述电能存储系统包括压缩机、级间冷却器和高压储气罐(8)，所述压缩机由电动机驱动，压缩机的排气口与级间冷却器的热侧进口连接，级间冷却器的热侧出口与高压储气罐(8)连接；所述热能储释系统包括储热罐(21)与第一工质泵(22)，在储能阶段，储热罐(21)内的储热工质在第一工质泵(22)的驱动下流经级间冷却器再回到储热罐(21)，在释能阶段，储热罐(21)内的储热工质在第一工质泵(22)的驱动下流经电能释放系统的第一换热器(10)以及三角闪蒸循环系统的第二换热器(31)再回到储热罐(21)；所述电能释放系统包括第一换热器(10)与膨胀机(11)，膨胀机(11)经过第一换热器(10)与高压储气罐(8)相连，膨胀机(11)对外做功带动发电机发电；所述三角闪蒸循环系统包括第二换热器(31)、两相膨胀机(32)、冷凝器(33)以及第二工质泵(34)，冷凝器(33)通入膨胀机(11)做工后的排气，有机工质在第二换热器(31)中被加热到饱和液状态，进入两相膨胀机(32)，两相膨胀机(32)对外做功带动发电机发电，做功后的有机工质进入冷凝器(33)被冷凝，最后通过第二工质泵(34)加压回到第二换热器(31)。2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述的压缩机包括同轴连接在一起的低压压缩机(1)、中压压缩机(3)以及高压压缩机(5)，低压压缩机(1)与电动机连接；所述级间冷却器包括低压级间冷却器(2)、中压级间冷却器(4)以及高压级间冷却器(6)；所述低压级间冷却器(2)设置在低压压缩机(1)与中压压缩机(3)之间，所述中压级间冷却器(4)设置在中压压缩机(3)与高压压缩机(5)之间，所述高压级间冷却器(6)设置在高压压缩机(5)与高压储气罐(8)之间；所述低压压缩机(1)、中压压缩机(3)以及高压压缩机(5)的排气口分别与低压级间冷却器(2)、中压级间冷却器(4)以及高压级间冷却器(6)的热侧进口连接，所述低压级间冷却器(2)与中压级间冷却器(4)的热侧出口分别与中压压缩机(3)以及高压压缩机(5)的进气口连接。3.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述高压级间冷却器(6)的热侧出口经过第一截止阀(7)与高压储气罐(8)连接。4.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述热能储释系统在储能阶段，所述储热罐(21)内的储热工质在第一工质泵(22)的驱动下分别流经高压级间冷却器(6)、中压级间冷却器(4)以及低压级间冷却器(2)再回到储热罐(21)。5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述热能储释系统还包括多个控制阀，其中，第一控制阀(23)、第二控制阀(24)以及第三控制阀(25)分别设置在第一工质泵(22)与高压级间冷却器(6)、中压级间冷却器(4)以及低压级间冷却器(2)储热工质入口之间的管路上，第四控制阀(26)设置在高压级间冷却器(6)、中压级间冷却器(4)以及低压级间冷却器(2)储热工质出口与储热罐(21)之间的管路上；第五控制阀(27)设置在第一工质泵(22)与第一换热器(10)储热工质入口之间的管路上，第六控制阀(28)设置在第二换热器(31)储热工质出口与储热罐(21)之间的管路上。6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述电能释放系统还包括设置在高压储气罐(8)与第一换热器(10)之间管路上的第二截止阀(9)。7.一种如权利要求5所述的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于，包括：所述热能储释系统在储能阶段，打开第一控制阀(23)、第二控制阀(24)、第三控制阀(25)以及第四控制阀(26)，关闭第五控制阀(27)以及第六控制阀(28)；并且，所述高压级间

冷却器(6)、中压级间冷却器(4)以及低压级间冷却器(2)内储热工质的流量分别通过调节第一控制阀(23)、第二控制阀(24)以及第三控制阀(25)进行调节；所述热能储释系统在释能阶段，关闭第一控制阀(23)、第二控制阀(24)、第三控制阀(25)以及第四控制阀(26)，打开第五控制阀(27)与第六控制阀(28)，并且，所述储热工质的流量分别通过调节第五控制阀(27)以及第六控制阀(28)进行调节。8.一种如权利要求6所述的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于，包括：所述电能释放系统在释能阶段，打开第二截止阀(9)，释能结束关闭第二截止阀(9)。

技术总结

一种压缩空气储能系统及其控制方法，压缩空气储能系统包括电能存储系统、热能储释系统、电能释放系统及三角闪蒸循环系统；电能存储系统包括压缩机、级间冷却器和高压储气罐，压缩机由电动机驱动，压缩机的排气口与级间冷却器的热侧进口连接，级间冷却器的热侧出口与高压储气罐连接；热能储释系统包括储热罐与第一工质泵；电能释放系统包括第一换热器与膨胀机，膨胀机经过第一换热器与高压储气罐相连；三角闪蒸循环系统包括第二换热器、两相膨胀机、冷凝器以及第二工质泵，冷凝器通入膨胀机做工后的排气。本发明的三角闪蒸循环系统热源来自储热罐的储热工质，冷源来自电能释放系统释能阶段在膨胀机内做功后的冷排气，具有较高的换热效率。效率。效率。

技术研发人员：吴伟烽李晓然李程翊张寅

受保护的技术使用者：西安交通大学

技术研发日：2022.02.09

技术公布日：2022/5/17

声明：

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我是此专利(论文)的发明人(作者)