一种全时段供热式压缩空气储能系统及其使用方法与流程

本发明涉及压缩空气储能，尤其是一种全时段供热式压缩空气储能系统及其使用方法。

背景技术：

1、可再生能源现今已成为公认能够大规模开发的清洁能源，要降低发电企业碳排量，必须大力发展可再生能源发电。但可再生能源具有间歇性、波动性及非周期性的特点，电能产生的高峰值与用电高峰值时常不符，造成电量浪费。压缩空气储能可以对多余能量适时地利用，尽可能多的将谷电有效利用，避免弃风弃光的现象存在，还避免化石燃料的消耗，对环境保护也起到积极作用。

2、非绝热压缩无补燃压缩空气储能发电系统属于一种典型的非补燃式系统，由于摒弃了燃料补燃，减少了对燃料的依赖，实现了有害气体零排放的目的，是最低碳环保的新型储能方式之一。其基本原理为储能过程中，多余的电力直接用来驱动压缩机，产生高压空气并存储在储气空间内；释能过程中，产生的高压空气直接推动空气透平膨胀机向外输出机械功。由于在释能过程中，没有外加热源的热量补充，系统向外输出机械功能量密度较低。为了进一步提高系统储能效率，提出蓄热式压缩无补燃压缩空气储能系统，利用级间换热器将高温压缩气体冷却，并且利用储热介质将热量储存利用；在释能过程中，储存的热量通过级间换热器加热进入膨胀机的气体。

3、目前压缩空气储能项目综合能源的利用效率为70%～80%，转换效率相对较低、运行成本较高。压缩空气储能系统的综合效率已成为制约其快速发展的因素之一。太阳能虽然具有取之不尽、安全环保的特点，但太阳光热能量密度低，变化波动大。将太阳能应用于压缩空气储能系统时如遇阴天或阳光连续不足期间，无法及时储存系统所需热量，常常导致蓄热量不足，影响压缩空气储能电站正常运行，并无法满足全时段供热要求。为了解决上述问题，提出了耦合供热系统的一种新方式。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种全时段供热式压缩空气储能系统及其使用方法，利用电网谷电时期风、光弃电带动热泵、太阳能集热系统完成储热、储能系统压缩热三种储热技术的互补，不但能提供压缩空气储能系统膨胀热源，同时还能满足全时段供热要求。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种全时段供热式压缩空气储能系统，包括压缩空气子系统、膨胀子系统、太阳能集热子系统、热泵、高温蓄热罐和低温蓄热罐；

4、所述高温储热罐与低温蓄热罐分别与压缩空气子系统、膨胀子系统的气水换热器连接；

5、所述太阳能集热子系统包括太阳能集热器和分别设置在太阳能集热器两端的热水罐、冷水罐；所述热水罐与冷水罐之间设置热泵；所述热水罐出口与热网换热器入口连接，热网换热器出口分别与冷水罐、低温热储罐连接；所述热水罐出口与膨胀子系统的气水换热器入口连接。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：所述压缩空气子系统包括依次设置的一级压缩机、二级压缩机和三级压缩机；每两级压缩机之间均设置气水换热器，所述三级压缩机出口与储气库入口之间设置气水换热器。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述膨胀子系统包括依次设置的透平机高压缸、透平机中压缸、透平机低压缸和发电机；每两级透平机压缩缸之间均设置气水换热器；所述透平机高压缸入口与储气库出口之间设置气水换热器。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：所述高温储热罐入口与压缩空气子系统处的气水换热器的出口连接；所述高温储热罐出口与膨胀子系统处的气水换热器的入口连接；所述低温蓄热罐入口与膨胀子系统处的气水换热器的出口连接；所述低温蓄热罐出口与压缩空气子系统处的气水换热器的入口连接。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述热网换热器分别与热用户和冷却水连接。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：所述高温储热罐外侧设置预热回路，低温蓄热罐外侧设置伴热回路，伴热回路入口连接至热水罐，伴热回路出口连接至冷水罐。

11、一种全时段供热式压缩空气储能系统的使用方法，包括以下步骤：

12、s1、谷电储能阶段，压缩空气子系统储能，热泵工作；

13、s2、太阳能蓄热阶段，太阳能集热子系统启动，加热冷水罐中低温介质，存储至热水罐；

14、s3、峰电释能阶段，膨胀子系统释能，高温储热罐中的热水为高压气体加热后，通过热网换热器为热用户提供高温热能。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：s1具体包括以下步骤：

16、s11压缩空气子系统使用电能将空气压缩至储气库，压缩空气子系统处设置的气水换热器将压缩空气储能过程中的高温压缩气体冷却，并将热量储存至高温储热罐；

17、s12启动热泵，将太阳能集热子系统中冷水罐中的冷水并储存至热水罐；

18、s13热水罐中的热能一路用于给高温储热罐预热或低温蓄热罐伴热，减少罐体蓄热的散热损失；

19、s14热水罐中的热能一路通过热网换热器为热用户提供高温热能。

20、本发明技术方案的进一步改进在于：s2具体包括以下步骤：

21、s21热水罐储存热量提供给热网换热器，用于满足除储能阶段及释能阶段外热用户所需要的热量要求；

22、s22遇阴天或阳光连续不足的情况，混合高温蓄热罐中的剩余热量，达到热用户所需要的热量要求。

23、本发明技术方案的进一步改进在于：s3具体包括以下步骤：

24、s31、膨胀子系统释能阶段，高温储热罐中的热水通过膨胀子系统处的气水换热器加热高压空气，提高透平机做功效率；

25、s32、经气水换热器换热后的低温热水通过热网换热器为热用户提供高温热能；

26、s33、进一步换热后低温热水分别储存至低温蓄热罐及冷水罐。

27、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

28、1、本发明能够实现错峰运行，将压缩热、光热集热与热泵联合运行，实现三种储能方式的互补。

29、2、本发明储能效率高、经济性好、节能环保等。

30、3、本发明能够实现热能多源梯级利用，弥补供热缺口，及时稳定的实现全时段热能供应。

31、4、本发明减少高温蓄热罐的散热损失，进一步提高综合效率。

技术特征：

1.一种全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：包括压缩空气子系统、膨胀子系统、太阳能集热子系统、热泵（10）、高温蓄热罐（5）和低温蓄热罐（6）；

2.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩空气子系统包括依次设置的一级压缩机（1）、二级压缩机（2）和三级压缩机（3）；每两级压缩机之间均设置气水换热器（4），所述三级压缩机（3）出口与储气库（11）入口之间设置气水换热器（4）。

3.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：所述膨胀子系统包括依次设置的透平机高压缸（13）、透平机中压缸（14）、透平机低压缸（15）和发电机（16）；每两级透平机压缩缸之间均设置气水换热器（4）；所述透平机高压缸（13）入口与储气库（11）出口之间设置气水换热器（4）。

4.根据权利要求2或3所述的全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：所述高温储热罐（5）入口与压缩空气子系统处的气水换热器（4）的出口连接；所述高温储热罐（5）出口与膨胀子系统处的气水换热器（4）的入口连接；所述低温蓄热罐（6）入口与膨胀子系统处的气水换热器（4）的出口连接；所述低温蓄热罐（6）出口与压缩空气子系统处的气水换热器（4）的入口连接。

5.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：所述热网换热器（12）分别与热用户和冷却水连接。

6.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统，其特征在于：所述高温储热罐（5）外侧设置预热回路，低温蓄热罐（6）外侧设置伴热回路，伴热回路入口连接至热水罐（7），伴热回路出口连接至冷水罐（8）。

7.一种全时段供热式压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于：应用于如权利要求1～6任一项所述的全时段供热式压缩空气储能系统，包括以下步骤：

8.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于：s1具体包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于：s2具体包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的全时段供热式压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于：s3具体包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种全时段供热式压缩空气储能系统及其使用方法，属于压缩空气储能技术领域，包括压缩空气子系统、膨胀子系统、太阳能集热子系统、热泵、高温蓄热罐和低温蓄热罐；高温储热罐与低温蓄热罐分别与气水换热器连接；太阳能集热子系统包括太阳能集热器和分别设置在太阳能集热器两端的热水罐、冷水罐；热水罐与冷水罐之间设置热泵；热水罐出口与热网换热器入口连接，热网换热器出口分别与冷水罐、低温热储罐连接；热水罐出口与膨胀子系统的气水换热器入口连接。本发明利用电网谷电时期风、光弃电带动热泵、太阳能集热系统完成储热、储能系统压缩热三种储热技术的互补，不但能提供膨胀热源，还能满足全时段供热要求。技术研发人员：池冉,张蕊,范晓颖,郝文广,刘全亮,陈圆圆,刘诗尧,李双江,史志杰,董舟,阎占良受保护的技术使用者：中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18