基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，具体涉及一种基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能的基本原理是：在储能过程中，通过电能驱动压缩机，产生高压空气并存储在储气装置中；在释能过程中，由储气装置中的空气膨胀推动发电机发电。压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资小等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。

压缩空气储能系统主要的技术路线有：补燃式压缩空气储能、绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能、液态压缩空气储能。等温压缩空气储能路线的优点是运行参数低、理论效率较高，摒弃蓄热蓄冷，蓄热/蓄冷存在相变材料贵、储热介质难以存储及传热热阻高等问题。目前，等温压缩技术主要由液体活塞或固体活塞机构带动压缩和膨胀过程，在压缩期间喷射水雾(预混合水泡沫)或液体活塞进行大面积的热交换实现等温压缩，这部分热量储存在水或水泡沫中，在膨胀过程中再释放利用。由于需要充分的换热过程，无法高频率运转，单机单级容积流量有限，且喷液量影响活塞行程，而喷液量难以精确控制，导致其余隙容积大，效率下降，同时为实现周期性吸排气，需配有气阀易损件，导致可靠性下降。同时，采用喷水减温方式的活塞式等温压缩空气装置，由于压缩初期气缸底部喷出的水雾不能完全占据气缸容积，水雾与空气接触面积有限，不利于空气和水雾的两相换热，换热效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统及方法，降低压缩机的运行参数，提高储能系统的效率，可以接入余热提高系统的效率，增大系统的储能密度，通过两种运行模式使整个系统耗能降低，节约成本。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统，包括由多个压缩机连接组成的压缩机组，以及由多个膨胀机连接组成的膨胀机组；第一级压缩机的进气口通入从外界环境吸入的空气，压缩机组的排气口连接油分离器，油分离器得到的高压空气经第一气路阀门输送至储气罐，储气罐的排气口再经第二气路阀门连接膨胀机组的进气口；膨胀机组的级数与压缩机组的级数相等，且最后一级的膨胀机组由三通阀分为两个分支，第一分支的膨胀机通入冷空气作为换热工质，第二分支的膨胀机与其它各级膨胀机均通入油分离器得到的热油作为换热工质，三通阀向上打开时，各膨胀机内不通入热油，实现等熵膨胀，而三通阀向下打开时，各膨胀机内通入热油，实现近等温膨胀；第二分支的膨胀机与其它各级膨胀机的排气口连接油分离器，油分离器将分离得到油液再输送至压缩机组。

作为一种优选方案，所述第一级压缩机的进气口设置有第一空气过滤器，每一级压缩机的排气口均与油分离器相连，油分离器将分离得到的油液输送至第二储油罐进行存储，第二储油罐的出口管路经第二油路阀门和第二油泵连接膨胀机组中最后一级第二分支的膨胀机与其它各级膨胀机。

作为一种优选方案，所述第二储油罐的出口管路上设置有换热器，换热器与余热接通。

作为一种优选方案，最后一级压缩机所连接的油分离器与第一气路阀门之间设置有最小压力阀、止回阀以及干燥器。

作为一种优选方案，所述压缩机组中的各压缩机连接电动机，电动机通过第一开关连接电源；所述膨胀机组中的各膨胀机连接发电机，发电机通过第二开关连接电源。

作为一种优选方案，所述膨胀机组中最后一级第二分支的膨胀机与其它各级膨胀机的排气口均与油分离器相连，油分离器将分离得到的油液输送至第一储油罐进行存储，第一储油罐的出口管路经第一油路阀门和第一油泵连接压缩机组中的各压缩机。

作为一种优选方案，所述膨胀机组中第一级的膨胀机与第二气路阀门之间设置有第二空气过滤器。

一种基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统的控制方法：

根据用电的高峰期和低谷期来选择不同的系统工作模式；

所述的系统工作模式包括压缩储能模式和能量利用模式；

在压缩储能模式下，外界环境中的空气通入压缩机组，并经过压缩机组进行压缩，成为常温高压的空气储存到储气罐内；

在能量利用模式下，储存在储气罐内的常温高压空气进入膨胀机组进行释能，当需要冷量时，根据所需冷量多少控制三通阀选择膨胀机组的接通方式，三通阀向上打开时，各膨胀机内不通入热油，实现等熵膨胀，而三通阀向下打开时，各膨胀机内通入热油，实现近等温膨胀；经过膨胀机组释能之后得到的冷空气通入需冷场所。

作为一种优选的方案，在压缩储能模式下，将压缩机连接电源的第一开关闭合，将膨胀机连接电源的第二开关断开，将第一气路阀门打开，将第二气路阀门关闭，将第一储油罐连接压缩机组的第一油泵打开，将第二储油罐连接膨胀机组的第二油泵关闭，将第一储油罐出口的第一油路阀门打开，将第二储油罐出口的第二油路阀门关闭。

作为一种优选的方案，在能量利用模式下，将压缩机连接电源的第一开关断开，将膨胀机连接电源的第二开关闭合，将第一气路阀门关闭，将第二气路阀门打开，将第一储油罐连接压缩机组的第一油泵关闭，将第二储油罐连接膨胀机组的第二油泵打开，将第一储油罐出口的第一油路阀门关闭，将第二储油罐出口的第二油路阀门打开。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

通过使油与空气充分混合，增大其接触面积，换热较充分，储能系统效率有明显提升。由于该储能循环采用的工质为空气，空气是一种无毒无害无污染的天然工质，可以直接从环境中获取，取之不尽用之不竭。以空气作为载冷介质，可以直接通入需冷场所，不需要回收。本发明系统安全无污染，节能高效。本发明系统有两种工作模式，在用电低谷期时，采用压缩储能模式，在用电高峰期时，采用能量利用模式。根据所需冷量多少控制三通阀选择膨胀机组的接通方式，三通阀向上打开时，各膨胀机内不通入热油，实现等熵膨胀，而三通阀向下打开时，各膨胀机内通入热油，实现近等温膨胀；经过膨胀机组释能之后得到的冷空气通入需冷场所，如此实现了电能的削峰填谷，达到了节能降成本的效果。总体来说，本发明系统的结构简单，耗电部件少，通过两种运行模式可以使整个系统耗能低，节约成本。

进一步的，本发明系统可以利用目前已经十分成熟的双螺杆的喷油技术，双螺杆压缩机变工况性能较好，可大大改善目前压缩空气储能所使用的压缩机组变工况性能差的缺点。

进一步的，本发明系统第二储油罐的出口管路上设置有换热器，当此系统所处地段有余热时，可以接入余热提高系统的效率，增大系统的储能密度。

进一步的，本发明系统在用电低谷期时，采用压缩储能模式，气路系统：将通过压缩机组压缩后的高压常温空气储存在储气罐内，油路系统：将压缩热吸收后储存在第一储油罐内。而在用电高峰期时，采用能量利用模式，气路系统：储气罐内高压常温空气进入膨胀机组进行释能发电。油路系统：吸收的压缩热来保证膨胀过程的近等温。

附图说明

图1本发明实施例1基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统结构示意图；

图2本发明实施例2基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统结构示意图；

图3本发明基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统无废热源接入时P-T图；

图4本发明基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统有冷量产生时P-T图；

图5本发明基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统废热源接入时P-T图；

图6本发明实施例基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统的控制方法流程图；

附图中：1-第一空气过滤器；2-压缩机；3-油分离器；4-最小压力阀；5-止回阀；6-干燥器；7-第一气路阀门；8-储气罐；9-第二气路阀门；10-第二空气过滤器；11-膨胀机；12-第一三通阀；13-第一开关；14-电源；15-电动机；16-发电机；17-第二开关；18-第一油泵；19-第一油路阀门；20-第一储油罐；21-第二储油罐；22-第二油路阀门；23-换热器；24-第二油泵；25-第二三通阀；26-第三液路阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明实施例基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统包括由多个压缩机2连接组成的压缩机组、由多个膨胀机11连接组成的膨胀机组、第一空气过滤器1、第二空气过滤器10、油分离器3、最小压力阀4、止回阀5、储气罐8、膨胀机11、换热器23以及若干阀门。压缩机组的进气口通入从外界环境吸入的空气，压缩机组的每一级压缩机2排气口都与油分离器3相连，经过油分离器3的高压空气通过最小压力阀4、止回阀5、干燥器6、第一气路阀门7连接储气罐8的进气口，储气罐8的排气口经过第二气路阀门9以及空气过滤器10连接膨胀机组的进气口，膨胀机组的每一级膨胀机11的排气口都与油分离器3相连接。膨胀机组的级数与压缩机组的级数相等，压缩机组的级次根据压比确定，且最后一级的膨胀机组由第一三通阀12分为两个分支，第一分支的膨胀机通入冷空气作为换热工质，第二分支的膨胀机11与其它各级膨胀机11均通入油分离器3得到的热油作为换热工质。根据是否需要冷量来确定第一三通阀12的开启状态，当需要冷量时，第一三通阀12向上开启，油路不接入膨胀机组，膨胀过程产生的冷量供给需冷场所。第一三通阀12向下开启时，正常发电模式。根据是否有余热可以选择将换热器23接入油路系统，进一步提高进入膨胀机组前的油的温度，提高发电量。换热器23与余热接通，从第二储油罐21中流出的油经过与余热换热后进入膨胀机组。电源14通过第一开关13连接电动机15，电动机15连接并带动压缩机组进行工作，将空气压缩。膨胀机组连接并带动发电机16工作，发电机16以供电的方式进行能量回收。

参见图2，本发明实施例2给出的系统结构中所喷的液体为油，此时压缩机的出口温度较高，因此在压缩机排气端通过第三液路阀门26再通入冷油进行冷却，吸收压缩热。

如图3、图4和图5所示，按照本发明基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统无废热源接入、有冷量产生以及废热源接入三种工作模式，图中a点到g点代表压缩储能模式，h点到n点为有冷量释出的能量利用模式，h点到o点为正常能量利用模式。

本发明实施例基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统的控制方法：

根据用电高峰时段和用电低谷时段对应选择系统工作模式。

系统工作模式包括压缩储能模式和能量利用模式。其中，在压缩储能模式下，大气中的空气，经过第一空气过滤器1过滤排除杂质后由压缩机组的吸气口吸入并经过压缩为常温高压的空气，经过最小压力阀4、止回阀5、干燥器6储存到储气罐8内。在能量利用模式下，储存在储气罐8内的常温高压空气经过第二空气过滤器10进入膨胀机组进行释能，通过连接发电机16以供电的方式回收能量。当需要冷量时，根据所需冷量多少，膨胀机组的末尾几级膨胀机11不接入油系统，进行膨胀制冷，冷空气通入需冷场所。

如图1所示，图中a点到b点到c点代表压缩储能模式，c点到e点为有冷量释出的能量利用模式，c点到d点为正常能量利用模式。如图2所示，本发明的控制方法根据用电高峰和用电低谷来分别控制储能系统所处的工作模式，压缩机组为本发明系统中的主要耗电部件，而用电低谷时的电价较低，用电高峰时的电价较高，故该系统的控制原则就是使压缩机组2在用电低谷时开启，用电高峰时停机。膨胀机组11开启进行释能。

本发明解决了机组无法连续运转的问题，实现高流量，消除了余隙容积，实现了高效率，以及高可靠性。但同时，由于腔内换热不充分问题，压比太高泄漏较高，采用多级压缩，级间喷液换热与回收高温液体的方式，增强膨胀过程输出功，同时充分利用换热热量。

如图1所示，第一开关13控制驱动电动机15的启停从而控制压缩机2的启停，压缩机2起压缩气体的作用，油分离器3负责将压缩的高压空气中的油滤出；最小压力阀4建立机组内压；止回阀5防止储气罐8内的高压气体回流进入压缩机组。储气罐8负责储存高压气体，膨胀机组起气体膨胀发电以及制冷的作用，发电机16负责把膨胀功转换成电能；第一气路阀门7和第二气路阀门9控制管路中气体的通断。第一油路阀门19和第二油路阀门22控制管道中油路的通断。在压缩储能模式中，第一开关13闭合，第二开关17断开，将第一气路阀门7打开，第二气路阀门9关闭，第一油泵18打开，第二油泵24关闭，第一油路阀门19打开，第二油路阀门22关闭。此时电动机15、压缩机组处于工作状态，大气中的空气通过压缩机组压缩成常温高压的空气后，储存在储气罐8中。在能量利用模式中，第一开关13断开，第二开关17闭合，将第一气路阀门7关闭，第二气路阀门9打开，第一油泵18关闭，第二油泵24打开，第一油路阀门19关闭，第二油路阀门22打开。此时发电机16、膨胀机组处于工作状态，膨胀机组所产生的膨胀功经过发电机16进行发电。

图1中a点为大气中的空气，b点为压缩机组的出口状态，c点为膨胀机组的进口状态，d点为膨胀机组的出口状态，e点为有冷量需求时膨胀机组的出口状态，f点为油进入压缩机组的状态。g点为油离开压缩机组的状态；h点为油进入膨胀机组的状态。i点为油离开膨胀机组的状态；理想情况下，a点到b点为等温压缩，此过程中空气的温度不变，压力增高。c点到d点为等温膨胀，此过程中空气的压力降低，温度不变。c点到e点的一部分为等温膨胀、一部分为等熵膨胀，此过程中空气的压力和温度下降，温度下降到环境温度以下，可用来制冷。由a点到b点到c点代表压缩储能模式，c点到d点和c点到e点为能量利用模式。

如图6所示，用电高峰指电价最高时段，用电低谷指电价最低时段。本发明考虑到压缩机为该系统中主要耗电部件，该系统的控制方法为：

用电高峰时系统采用能量利用模式，用电低谷时系统采用压缩储能模式。

在压缩储能模式下，将第一开关13闭合，第二开关17断开，将第一气路阀门7打开，第二气路阀门9关闭，第一油泵18打开，第二油泵24关闭，第一油路阀门19打开，第二油路阀门22关闭。

在能量利用模式下，将第一开关13断开，第二开关17闭合，将第一气路阀门7关闭，第二气路阀门9打开，第一油泵18关闭，第二油泵24打开，第一油路阀门19关闭，第二油路阀门22打开。

可以看出，本发明基于近等温压缩及余热利用的压缩空气储能系统及控制方法，利用目前已经十分成熟的双螺杆的喷油技术，使油与空气充分混合，增大其接触面积，换热较充分，可以实现压缩以及膨胀过程以近等温进行，提高了压缩空气储能的系统效率，减少了能量损耗。还可通过膨胀制冷，提供一定制冷能力。且系统简单，耗电部件少，可以根据电价进行两种模式的切换，最终达到节约能源和成本的效果。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。