压缩空气储能系统及其工作方法

本发明涉及储能设备，尤其涉及一种压缩空气储能系统及其工作方法。

背景技术：

1、风光结合的新能源技术的高速发展带来了波动性电能接入消纳的技术难题，由于波动性电能的大量接入会给电网带来电压和频率波动的风险，需要借助储能等技术手段来实现风光电源出力波动的直接或间接平抑。同时，针对电网传统的负荷峰谷差问题，储能也可通过可控的电能吸收、释放进行有效的调控。

2、绝热压缩空气储能作为一种有效的大容量长时储能技术，对于风光电源出力波动平抑、电网峰谷负荷调节具有支撑作用，该技术在储能过程中，通过压缩机消耗电能、生产压缩气体实现电能的吸收存储；在释能过程中，则通过释放压缩气体膨胀做功驱动透平发电机实现电能的再生。作为大容量长时储能技术，绝热压缩空气储能系统空气压缩一般采用大型速度式压缩机，受压力差驱动，这种压缩机在工作过程中会通过转子轴端密封件向外泄露高压空气，即使采用先进的密封结构，也会存在一定的泄露率；同时，对于高温轴端密封结构，一般还会采用引气冷却的方式防止密封结构超温，这部分气体也会通过压力管道排放进入环境。以常用干气密封为例，大型离心式压缩机每个轴封处的泄漏率约为主气流的2‰，若主气流量为20万m3/h，则泄漏量可达200m3/h，该部分高温高压气体排至环境中，该部分气体造成能量浪费，降低了能源转化率；另外，绝热压缩空气储能是一种典型的热力学储能技术，包括：流体传输、热能交换等热力学过程，而这些热力学过程的时间尺度一般为数十秒至分钟级别，因而，在绝热压缩空气储能系统启动时，需要经过较长的时间使系统各设备、管路逐渐由常温升温至额定工作温度，然后才能进入正常工作状态，响应速度慢，这与电力系统所需要快速响应要求不符，削弱了绝热压缩空气储能技术的调节效果。

技术实现思路

1、本发明提供一种压缩空气储能系统及其工作方法，用以解决现有技术中绝热压缩空气储能设备存在的气体泄漏，能量浪费，能源转化率低，响应速度慢的缺陷，利用空气压缩机。

2、本发明提供一种压缩空气储能系统，包括：空气压缩支路、空气膨胀支路、热循环回路和释热旁路。

3、空气压缩支路，包括依次连接的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧及储气装置；

4、空气膨胀支路，包括依次连接的所述储气装置、回热换热器的低温侧及空气膨胀机；

5、热循环回路，包括首尾依次连接的所述蓄热换热器的低温侧、所述回热换热器的高温侧及第一蓄热器；

6、释热旁路，包括依次串联的所述空气压缩机的轴端排气侧、所述回热换热器的低温侧及所述空气膨胀机。

7、根据本发明提供的压缩空气储能系统，还包括：热循环旁路，包括首尾依次连接的所述蓄热换热器的低温侧、第二蓄热器、所述回热换热器的高温侧及所述第一蓄热器。

8、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述空气压缩支路还包括：气液分离器，所述气液分离器设于所述蓄热换热器的高温侧与所述储气装置之间。

9、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述空气压缩支路还包括：第一阀门，所述第一阀门设于所述气液分离器与所述储气装置之间。

10、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述空气膨胀支路还包括：第二阀门，所述第二阀门设于所述储气装置与所述回热换热器的低温侧之间。

11、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述热循环旁路还包括：第一循环泵和第三阀门，所述第一循环泵和所述第三阀门依次设置在所述第二蓄热器与所述回热换热器的高温侧之间。

12、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述热循环回路还包括：第二循环泵和第四阀门，所述第二循环泵设于所述第一蓄热器与所述蓄热换热器的低温侧之间，所述第四阀门设于所述蓄热换热器的低温侧与所述回热换热器的高温侧之间。

13、根据本发明提供的压缩空气储能系统，所述释热旁路还包括：第五阀门，所述第五阀门设于所述空气压缩机的轴端排气侧与所述回热换热器的低温侧之间。

14、本发明还提供一种根据本发明上述实施例中的压缩空气储能系统的工作方法，包括：在第一模式下，空气压缩机启动，空气通过空气压缩支路压缩和换热后储存在储气装置中，同时，空气压缩机通过其轴端排气侧将排气通入释热旁路经换热后进入空气膨胀机，热循环介质在热循环回路中通过蓄热换热器与空气压缩支路中的压缩空气换热升温后经过回热换热器与释热旁路中的空气进行换热，以对释热旁路中的空气加热。

15、根据本发明提供的压缩空气储能系统的工作方法，还包括：在第一模式下，一部分热循环介质在热循环旁路中通过第二蓄热器储热；在第二模式下，空气压缩机关闭，储气装置中的空气以第一流量进入空气膨胀支路经换热后进入空气膨胀机，通过第二蓄热器储热的热循环介质以第二流量在热循环旁路中流动，并通过回热换热器对空气膨胀支路中的空气进行加热。

16、根据本发明提供的压缩空气储能系统的工作方法，还包括：在第三模式下，空气压缩机关闭，储气装置中的空气以第三流量进入空气膨胀支路经换热后进入空气膨胀机，通过第二蓄热器储热的热循环介质以第四流量在热循环旁路中流动，并通过回热换热器对空气膨胀支路中的空气进行加热；其中，所述第一流量大于所述第三流量，所述第二流量大于所述第四流量。

17、本发明提供的一种压缩空气储能系统，其包括：空气压缩支路、空气膨胀支路、热循环回路和释热旁路；空气压缩支路包括依次连接的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧及储气装置；空气膨胀支路包括依次连接的储气装置、回热换热器的低温侧及空气膨胀机；热循环回路包括首尾依次连接的蓄热换热器的低温侧、回热换热器的高温侧及第一蓄热器；释热旁路包括依次串联的空气压缩机的轴端排气侧、回热换热器的低温侧及空气膨胀机。本发明提供的一种压缩空气储能系统，除了可以利用空气压缩支路进行压缩空气储能，利用空气膨胀支路进行膨胀空气做功发电以外，还利用了热循环回路通过热循环介质在回路中换热，以提高通入空气膨胀机中空气的温度，还利用了空气压缩机的轴端排气侧排出的带压气体经过换热后通入空气膨胀机中，一方面能够充分利用空气压缩机的轴端排气，减少能量浪费，从而提高了能源转化率，另一方面由于轴端排气侧排出的为带压气体，其携带了大量热能和压缩能，经过换热后能够快速达到额定温度，保持空气膨胀支路为热态，从而快速进入工作状态，提高了系统响应速度。

18、进一步地，本发明提供的一种压缩空气储能系统的工作方法，其利用热循环介质在热循环回路中换热，以提高通入空气膨胀机中空气的温度，还利用了空气压缩机的轴端排气侧排出的带压气体经过换热后通入空气膨胀机中，一方面能够充分利用空气压缩机的轴端排气，减少能量浪费，从而提高了能源转化率，另一方面由于轴端排气侧排出的为带压气体，经过换热后能够保持空气膨胀支路为热态，从而具备快速进入工作状态的条件，提高了系统响应速度。

技术特征：

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：热循环旁路，包括首尾依次连接的所述蓄热换热器(2)的低温侧、第二蓄热器(9)、所述回热换热器(5)的高温侧及所述第一蓄热器(7)。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩支路还包括：气液分离器(3)，所述气液分离器(3)设于所述蓄热换热器(2)的高温侧与所述储气装置(4)之间。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩支路还包括：第一阀门(11)，所述第一阀门(11)设于所述气液分离器(3)与所述储气装置(4)之间。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀支路还包括：第二阀门(12)，所述第二阀门(12)设于所述储气装置(4)与所述回热换热器(5)的低温侧之间。

6.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述热循环旁路还包括：第一循环泵(10)和第三阀门(13)，所述第一循环泵(10)和所述第三阀门(13)依次设置在所述第二蓄热器(9)与所述回热换热器(5)的高温侧之间。

7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述热循环回路还包括：第二循环泵(8)和第四阀门(14)，所述第二循环泵(8)设于所述第一蓄热器(7)与所述蓄热换热器(2)的低温侧之间，所述第四阀门(14)设于所述蓄热换热器(2)的低温侧与所述回热换热器(5)的高温侧之间。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述释热旁路还包括：第五阀门(15)，所述第五阀门(15)设于所述空气压缩机(1)的轴端排气侧与所述回热换热器(5)的低温侧之间。

9.一种根据权利要求1至8中任意一项所述的压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，还包括：

11.根据权利要求10所述的压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，还包括：

技术总结本发明涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能系统及其工作方法，其包括：空气压缩支路、空气膨胀支路、热循环回路和释热旁路。本发明利用热循环介质在热循环回路中换热，以提高通入空气膨胀机中空气的温度，还利用了空气压缩机的轴端排气侧排出的带压气体经过换热后通入空气膨胀机中，一方面能够充分回收利用空气压缩机的轴端固有泄露排气，减少能量浪费，从而提高了能源转化率，另一方面由于轴端排气侧排出的为带压气体，经过换热后通入膨胀支路，能够保持空气膨胀支路为热态，从而具备快速进入工作状态的能力，提高了系统响应速度。技术研发人员：薛小代,张通,周煜受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17