采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及压缩空气储能电站的储热技术领域，具体涉及一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法。

背景技术：

2.随着越来越多的大型新能源基地建设，新能源由于风光的波动，对电源输送端的电能质量影响很大。压缩空气储能相比于传统电化学储能，具有安全性高、可调容量大、具有转动惯量等优势，因此，如果在大型新能源基地配套建设压缩空气储能，对整个能源基地的电能外送具有积极意义，能够极大提高新能源的电网消纳能力，减少弃风弃光现象。

3.压缩空气储能处于快速发展阶段，且国内对压缩空气储能的控制策略研究还大多处于理论研究阶段，未能在实际运行中充分解决蓄热式压缩空气储能的控制问题。

4.目前，非补燃压缩空气储能电站主要有两种技术路线，分别称作等温压缩方案和绝热压缩方案。其中等温压缩方案采用120℃低压热水进行储热，绝热压缩方案采用330℃导热油进行储热。随着储热温度的提高，电站整体效率提高。

5.但随着机组容量的增加，若采用高温导热油进行储热，则需要的导热油容量巨大，投资过高。采用120℃低温热水储热，则电站整体效率低。

6.对于采用高温热水进行储热，不仅可以大幅降低储热系统的投资，同时可以保持压缩空气储能电站有较高的效率。采用高温热水进行储热，为确保高温热水处于液态，避免过热，储热罐需要维持较高的压力，若不采用加压措施，则随着热水罐内水位下降，罐内压力降低，热水会沸腾，影响系统安全；若采用外加高压空气维持热水罐内的压力，则会造成较大的高压空气浪费及能量浪费。

7.基于上述情况，本发明提出了一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法，可有效解决以上问题。

技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法。本发明采用180℃高温热水进行储热，解决高温导热油储热系统投资高的问题，同时解决120℃低温热水储热导致压缩空气储能电站效率低的问题。通过气体联通管连通冷水储罐和热水储罐，解决了高压、高温热水储放热系统维持压力的问题。

9.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

10.一方面，本发明提供一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述压缩空气储能系统包括多级压气机、多级膨胀机、分别与多级压气机和多级膨胀机连接的若干换热器以及储气系统，还包括用于储存压气机压缩空气产生的热量、用于释放膨胀机膨胀空气时所需热量的高温热水储放热系统，所述高温热水储放热系统包括

11.至少一个热水储罐，其用于储存高温热水；

12.至少一个冷水储罐，其用于储存低温冷水；

13.所述至少一个冷水储罐与所述至少一个热水储罐之间通过气体联通管互相连通，所述气体联通管的输入端与供气机构连接，所述供气机构用于通过气体联通管向冷水储罐和热水储罐提供首次充装高压气体并在系统运行后维持罐内气压，高压气体优选氮气，也可采用高压空气；

14.所述至少一个冷水储罐与所述至少一个热水储罐之间通过至少一组输水系统连通，每组输水系统均包括输水管和水泵，所述水泵用于通过输水管由热水储罐经换热器向冷水储罐方向抽水和/或由冷水储罐经换热器向热水储罐方向抽水。

15.优选的是，所述至少一个冷水储罐与所述至少一个热水储罐之间的容量相同或所述至少一个冷水储罐的容量略小于所述至少一个热水储罐的容量。

16.优选的是，所述至少一个冷水储罐与所述至少一个热水储罐的最高压力承受值需至少达到1.5mpa，且所述至少一个热水储罐的最高温度承受值需至少达到180℃；所述热水储罐的工作温度为180℃，所述高压气体的气压不低于1mpa。

17.优选的是，所述冷水储罐与热水储罐的数量均设置为多个，多个所述冷水储罐和多个所述热水储罐均采用间隔布置，且均处于同一水平面上。

18.优选的是，所述输水系统的数量设置为两组，其中一组输水系统上的水泵通过输水管由热水储罐向冷水储罐方向抽水，另一组输水系统上的水泵通过输水管由冷水储罐向热水储罐方向抽水。

19.优选的是，所述水泵采用单向水泵或双向水泵。

20.优选的是，靠近冷水储罐和热水储罐的输水管上、靠近水泵的输送管上、靠近供气机构的气体联通管上均安装有阀门。

21.优选的是，所述冷水储罐和热水储罐均采用球罐或c形卧式罐。

22.另一方面，本发明还提供一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统的运行方法，预先组装好上述方案中的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述运行方法包括：

23.1)准备工作：

24.系统运行前，首先在冷水储罐内以及输水管中注入水，然后启动供气机构对冷水储罐和热水储罐内输入高压气体以使得罐内气压达到压力设定值以上；后续系统运行后，气体压力下降时，供气机构自动启动，对系统进行补气，维持气体压力不低于压力设定值；

25.2)储能及储热过程：

26.通电启动第一级压气机将空气压缩至高压，压缩过程中空气温度升高，经换热器冷却后进入下一级压气机进行再次压缩，以此类推，直至完成对空气的多级压缩后将其储存至储气系统中，完成电能到空气压力能的转换；与此同时，启动水泵将冷水储罐内的低温冷水输送至换热器冷却高温空气的过程中被加热至高温设定值后，送至热水储罐进行储存，热水储罐内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管流动至冷水储罐内，储热过程结束时，冷水储罐内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；

27.3)释能及放热过程：

28.将压缩空气从储气系统中释放，压缩空气经换热器加热后进入第一级膨胀机膨胀做功，压缩空气做功完成后再经换热器加热后进入下一级膨胀机膨胀做功，以此类推，直至

完成对压缩空气的多级膨胀后将其排入大气中，完成压力能到电能的转换；与此同时，启动水泵将热水储罐内的高温热水送至换热器加热气体，热水被冷却至低温设定值后，送至冷水储罐进行储存，冷水储罐内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管流动至热水储罐内，放热过程结束时，热水储罐内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；

29.重复上述步骤2)和步骤3)即可循环实现电能和热量的储存和释放。

30.优选的是，冷水储罐内以及输水管中注入的水均采用除盐水或工业水。

31.优选的是，高温设定值为180℃，低温设定值为50℃，压力设定值为1mpa。

32.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

33.1、储能效率较高：额定运行效率可达70％以上，比同等规模的国外压缩空气储能电站高出约10％-20％。单位成本低：系统大规模产业化后的成本可达4000-6000元/kw或1000-1500元/kwh，同抽水蓄能系统单位成本基本相当，低于其他储能技术。系统寿命长：系统寿命为30-50年，其中间无需新增大规模投资。对环境友好：该储能系统不涉及化石燃料的燃烧，不排放任何有害物质。系统运行所产生多余热量及冷能可实现综合能源供给，同时可以回收工业余热再利用。

34.2、综合考虑投资和电站效率，根据水和蒸汽的物性，本发明提出了采用180℃高温热水进行储热的方案，不仅可以大幅降低储热系统的投资(热水储罐和冷水储罐的最高压力承受值达到1.5mpa以上即可)，同时可以保持压缩空气储能电站有较高的效率，解决储热系统投资高以及采用低温热水储热导致压缩空气储能电站效率低的问题，兼顾了投资和电站效率。

35.3、本发明通过将热水储罐、冷水储罐通过上部空气管道连通，在系统运行初期，注入高压空气，使系统内维持一定压力。热水罐向冷水罐输水时，则将高压空气驱赶至热水罐，热水罐内同样还是高压状态，反之亦然。避免采用外加高压空气维持压力造成较大的能量浪费，解决高压、高温热水储放热系统维持压力的问题。

附图说明

36.图1是本发明实施例一的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统结构示意图。

37.图2是图1中高温热水储放热系统的详细结构示意图。

38.图3是本发明实施例二的压缩空气储能系统的高温热水储放热系统结构示意图。

39.图4是本发明实施例三的压缩空气储能系统的高温热水储放热系统结构示意图。

40.图5是本发明实施例三的压缩空气储能系统结构示意图。

41.图6是本发明实施例四的压缩空气储能系统的高温热水储放热系统结构示意图。

42.图7是本发明实施例五的压缩空气储能系统的高温热水储放热系统结构示意图。

43.图8是本发明实施例六的压缩空气储能系统的高温热水储放热系统结构示意图。

44.图9是本发明实施例水的饱和压力值随温度上升的变化曲线图。

45.附图标记：1-压气机；2-膨胀机；3-换热器；4-储气系统；5-高温热水储放热系统；51-热水储罐；52-冷水储罐；53-气体联通管；54-供气机构；55-输水系统；551-输水管；552-水泵；5521-单向水泵；5522-双向水泵；56-阀门；6-空气冷却器；7-冷却塔。

具体实施方式

46.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

47.下面结合附图1-9以及实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

48.实施例一

49.如图1所示，本实施例提供一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述压缩空气储能系统包括压气机1、膨胀机2、换热器3、储气系统4和高温热水储放热系统5，本发明采用多级压缩系统和多级膨胀系统，即本实施例优选采用4个压气机1和3个膨胀机2，其中，4个压气机1依次串联后与储气系统4入口连接，并在各压气机1出口均连接有一个换热器3；3个膨胀机2依次串联后与储气系统4出口连接，并在各膨胀机2进口均连接有一个换热器3。所述高温热水储放热系统5用于储存空气压缩时产生热量、释放空气膨胀时所需热量。

50.如图2所示，所述高温热水储放热系统5包括一个热水储罐51和一个冷水储罐52，一个冷水储罐52与一个热水储罐51之间通过气体联通管53互相连通，所述气体联通管53的输入端与供气机构54连接，所述供气机构54用于通过气体联通管53向冷水储罐52和热水储罐51提供高压气体并维持罐内气压；一个冷水储罐52与一个热水储罐51之间通过两组输水系统55连通，两组输水系统55均包括输水管551和水泵552，本实施例中水泵552采用单向水泵5521，即其中一个单向水泵5521由热水储罐51经一组换热器3向冷水储罐52方向抽水，另一个单向水泵5521由冷水储罐52经另一组换热器3向热水储罐51方向抽水。图2中换热器3数量仅展现出一部分，仅作为示例说明，其具体数量可根据实际情况需要进行确定。

51.其中，热水储罐51及冷水储罐52均采用容量相同的大容量承压结构，优选采用球罐。在热水储罐51及冷水储罐52上部配置有安全阀，确保储水罐内压力在安全值以下。高压气体优选氮气，也可采用高压空气。

52.其中，气体联通管53的输出端分别与热水储罐51和冷水储罐52的顶部连接，输水管551的进出水口分别与热水储罐51和冷水储罐52的底部连接。

53.具体的，本实施例中供气机构54采用空压机，空压机能够根据热水储罐51和冷水储罐52内的气压下降对罐内进行充气从而维持罐内气压，气压实时数据可采用压力传感器(图中未示出，采用本领域的常规选择即可)进行监测。

54.具体的，本实施例中靠近冷水储罐52和热水储罐51的输水管551上、靠近水泵552的输送管上、靠近供气机构54的气体联通管53上均安装有阀门566。

55.如图9所示，在50-180℃区间内，随着温度的上升，对应饱和压力值变化很小；超过180℃后，对应饱和压力值急剧上升，对于储罐的承压要求很高。综合考虑投资和电站效率，根据水和蒸汽的物性，本发明提出了采用180℃高温热水进行储热的方案，180℃热水对应的饱和压力为1mpa，此时经济性最佳，且可确保热水不沸腾。本实施例中，为了确保系统设备的安全运行，将冷水储罐52与热水储罐51的最高压力承受值达到1.6mpa，且热水储罐51

的最高温度承受值达到180℃以上。

56.本实施例还提供一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统的运行方法，预先组装好上述方案中的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述运行方法包括：

57.1)准备工作：

58.系统运行前，首先在冷水储罐52内以及输水管551中注入水，然后启动供气机构54对冷水储罐52和热水储罐51内输入高压气体以使得罐内气压达到压力设定值1mpa以上；后续系统运行后，气体压力下降时，供气机构54自动启动，对系统进行补气，维持气体压力不低于压力设定值1mpa；

59.2)储能及储热过程：

60.通电启动第一级压气机1将空气压缩至高压，压缩过程中空气温度升高，经换热器3冷却后进入下一级压气机1进行再次压缩，以此类推，直至完成对空气的多级压缩后将其储存至储气系统4中，完成电能到空气压力能的转换；与此同时，启动水泵552将冷水储罐52内的低温冷水输送至换热器3冷却高温空气的过程中被加热至高温设定值180℃后，送至热水储罐51进行储存，热水储罐51内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管53流动至冷水储罐52内，储热过程结束时，冷水储罐52内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；

61.3)释能及放热过程：

62.将压缩空气从储气系统4中释放，压缩空气经换热器3加热后进入第一级膨胀机2膨胀做功，压缩空气做功完成后再经换热器3加热后进入下一级膨胀机2膨胀做功，以此类推，直至完成对压缩空气的多级膨胀后将其排入大气中，完成压力能到电能的转换；与此同时，启动水泵552将热水储罐51内的高温热水送至换热器3加热气体，热水被冷却至低温设定值50℃后，送至冷水储罐52进行储存，冷水储罐52内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管53流动至热水储罐51内，放热过程结束时，热水储罐51内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；

63.重复上述步骤2)和步骤3)即可循环实现电能和热量的储存和释放。

64.其中，冷水储罐52内以及输水管551中注入的水均采用除盐水或自来水，输水管551内的空气需排空，且冷水储罐52内水位不低于保护水位。

65.其中，在靠近各换热器的进出口处安装有阀门，当任意一个换热器在进行工作时，其它换热器的进出口处阀门均处于关闭状态。

66.实施例二

67.如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的高温热水储放热系统5设置有三个热水储罐51和三个冷水储罐52，适当增加热水储罐51和冷水储罐52的数量可以提高系统整体的储能量和储热量，提高储能和储热效率。具体的，为了供应三个热水储罐51和三个冷水储罐52之间的输水量，在每组输水管551上均设置三个单向水泵5521，提高输水效率，即每个热水储罐51和每个冷水储罐52分别对应设置一个单向水泵5521。

68.实施例三

69.如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的高温热水储放热系统5仅设置有一组输水系统55，具体的，本实施例中水泵552采用双向水泵5522，其可用于通过输水管551由热水储罐51经换热器3向冷水储罐52方向抽水和由冷水储罐52经换热器3向热

水储罐51方向抽水，可切换输水方向。

70.如图5所示，相应地，本实施例压缩空气储能系统中的压气机1和膨胀机2并联且共用一组换热器3，即：压气机1工作时，膨胀机2的进出口关闭；膨胀机2工作时，压气机1的进出口关闭；压气机1和膨胀机2的进出口均安装有阀门。

71.实施例四

72.如图6所示，本实施例与实施例三的区别在于：本实施例的高温热水储放热系统5设置有三个热水储罐51和三个冷水储罐52，三个热水储罐51和三个冷水储罐52分别间隔布置，且均处于同一水平面上，这个可适当增加热水储罐51和冷水储罐52的数量可以提高系统整体的储能量和储热量，提高储能及储热效率。具体的，为了供应三个热水储罐51和三个冷水储罐52之间的输水量，在输水管551上设置三个双向水泵5522，提高输水效率，即每个热水储罐51分别对应设置一个双向水泵5522。

73.实施例五

74.如图7所示，本实施例与实施例二的区别在于：本实施例的冷水储罐52和热水储罐51均采用c形卧式罐，适用于体量需求较小的储热系统。

75.实施例六

76.如图8所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的在多级压缩系统上配置有空冷系统，空冷系统包括空气冷却器6和与其连通的冷却塔7，空气冷却器连接于换热器出口和下一个压气机进口中间，用于进一步降低从换热器出来空气的温度，使得每一级高温排气经冷水冷却后进入下一级，从而提高压缩效率。

77.依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

78.除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“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，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。

79.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。技术特征：

1.一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述压缩空气储能系统包括多级压气机(1)、多级膨胀机(2)、分别与多级压气机(1)和多级膨胀机(2)连接的若干换热器(3)以及储气系统(4)，其特征在于，还包括用于储存压气机(1)压缩空气产生的热量、用于释放膨胀机(2)膨胀空气时所需热量的高温热水储放热系统(5)，所述高温热水储放热系统(5)包括：至少一个热水储罐(51)，其用于储存高温热水；至少一个冷水储罐(52)，其用于储存低温冷水；所述至少一个冷水储罐(52)与所述至少一个热水储罐(51)之间通过气体联通管(53)互相连通，所述气体联通管(53)的输入端与供气机构(54)连接，所述供气机构(54)用于通过气体联通管(53)向冷水储罐(52)和热水储罐(51)提供首次充装高压气体并在系统运行后维持罐内气压；所述至少一个冷水储罐(52)与所述至少一个热水储罐(51)之间通过至少一组输水系统(55)连通，每组输水系统(55)均包括输水管(551)和水泵(552)，所述水泵(552)用于通过输水管(551)由热水储罐(51)经换热器(3)向冷水储罐(52)方向抽水和/或由冷水储罐(52)经换热器(3)向热水储罐(51)方向抽水。2.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述至少一个冷水储罐(52)与所述至少一个热水储罐(51)之间的容量相同或所述至少一个冷水储罐(52)的容量略小于所述至少一个热水储罐(51)的容量。3.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述至少一个冷水储罐(52)与所述至少一个热水储罐(51)的最高压力承受值需至少达到1.5mpa，且所述至少一个热水储罐(51)的最高温度承受值需至少达到180℃；所述热水储罐(51)的工作温度为180℃，所述高压气体的气压不低于1mpa。4.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述冷水储罐(52)与热水储罐(51)的数量均设置为多个，多个所述冷水储罐(52)和多个所述热水储罐(51)均采用间隔布置，且均处于同一水平面上。5.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述输水系统(55)的数量设置为两组，其中一组输水系统(55)上的水泵(552)通过输水管(551)由热水储罐(51)向冷水储罐(52)方向抽水，另一组输水系统(55)上的水泵(552)通过输水管(551)由冷水储罐(52)向热水储罐(51)方向抽水。6.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述水泵(552)采用单向水泵(5521)或双向水泵(5522)。7.根据权利要求1所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：靠近冷水储罐(52)和热水储罐(51)的输水管(551)上、靠近水泵(552)的输送管上、靠近供气机构(54)的气体联通管(53)上均安装有阀门(56)。8.一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，预先组装好权利要求1～7任一项所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统，所述运行方法包括：1)准备工作：系统运行前，首先在冷水储罐(52)内以及输水管(551)中注入水，然后启动供气机构

(54)对冷水储罐(52)和热水储罐(51)内输入高压气体以使得罐内气压达到压力设定值以上；后续系统运行后，气体压力下降时，供气机构(54)自动启动，对系统进行补气，维持气体压力不低于压力设定值；2)储能及储热过程：通电启动第一级压气机(1)将空气压缩至高压，压缩过程中空气温度升高，经换热器(3)冷却后进入下一级压气机(1)进行再次压缩，以此类推，直至完成对空气的多级压缩后将其储存至储气系统(4)中，完成电能到空气压力能的转换；与此同时，启动水泵(552)将冷水储罐(52)内的低温冷水输送至换热器(3)冷却高温空气的过程中被加热至高温设定值后，送至热水储罐(51)进行储存，热水储罐(51)内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管(53)流动至冷水储罐(52)内，储热过程结束时，冷水储罐(52)内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；3)释能及放热过程：将压缩空气从储气系统(4)中释放，压缩空气经换热器(3)加热后进入第一级膨胀机(2)膨胀做功，压缩空气做功完成后再经换热器(3)加热后进入下一级膨胀机(2)膨胀做功，以此类推，直至完成对压缩空气的多级膨胀后将其排入大气中，完成压力能到电能的转换；与此同时，启动水泵(552)将热水储罐(51)内的高温热水送至换热器(3)加热气体，热水被冷却至低温设定值后，送至冷水储罐(52)进行储存，冷水储罐(52)内的高压气体则随着水位上升通过气体联通管(53)流动至热水储罐(51)内，放热过程结束时，热水储罐(51)内水位下降至保护水位，上部则置换为高压气体；重复上述步骤2)和步骤3)即可循环实现电能和热量的储存和释放。9.根据权利要求8所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于：冷水储罐(52)内以及输水管(551)中注入的水均采用除盐水或软化水。10.根据权利要求8所述的采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于：高温设定值为180℃，低温设定值为50℃，压力设定值为1mpa。

技术总结

本发明公开一种采用高压高温热水蓄热的压缩空气储能系统及其运行方法，压缩空气储能系统包括多级压气机、多级膨胀机、若干换热器、储气系统和高温热水储放热系统，高温热水储放热系统包括热水储罐、冷水储罐和供气机构，供气机构用于通过气体联通管向冷水储罐和热水储罐提供首次充装高压气体并在系统运行后维持罐内气压；冷水储罐与热水储罐之间通过至少一组输水系统连通，每组输水系统均包括输水管和水泵，水泵用于通过输水管由热水储罐经换热器向冷水储罐方向抽水和/或由冷水储罐经换热器向热水储罐方向抽水。本发明采用180℃高温热水进行储热，解决储热系统投资高的问题，同时解决了高压、高温热水储放热系统维持压力的问题。问题。问题。

技术研发人员：张春琳 李峻 韩亮 阮刚 陈牧

受保护的技术使用者：中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司

技术研发日：2021.12.22

技术公布日：2022/4/12