一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法

1.本发明属于压缩气体储能领域，尤其是涉及一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法。


背景技术：

2.近年来，以风能和太阳能为代表的新能源发电技术得到了广泛的重视和飞速的发展。大部分的新能源发电技术的最大缺陷是发电功率不稳定，因此新能源发电系统需要与合适的储能系统联合运行。相较于传统的锂电池储能技术，压缩气体储能系统具有能量密度高，系统稳定性好，系统寿命长等优点，是解决新能源发电技术发电功率不稳定问题的合理方案。同时，压缩气体储能系统还可与热力电站联合运行，辅助电站实现变负荷调控。
3.目前，压缩气体储能系统根据储气方式的不同主要有恒容储气和恒压储气两种方式。由于恒压储气实现成本较高，恒容储气方式是目前常见的储气方式。采用盐穴、地下巷道等大规模地理结构储气的方式往往受到地理条件的限制。而采用压力容器作为储气装置的储能系统则不受地理条件的限制，应用的前景更为广泛。
4.考虑到压力容器的成本，压力容器的容积往往明显小于盐穴和地下巷道。在实际运行的过程中，为了实现较大的储能密度，压力容器的压力变化范围往往是很大的。在压缩气体储能系统的膨胀放气过程中，压力容器的出口压力，也即空气透平的入口压力则会随着时间推移呈现出逐渐下降的趋势。透平入口压力的下降，将会导致透平功率的下降，无法满足电网或者用户对于稳定电能供给要求。因此，压缩气体储能系统定容放气发电过程的功率调控技术是不可或缺的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法，解决上述技术存在的传统储气方式成本高且易受地理条件限制的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种压缩气体储能系统的运行调控装置，包括电动机、压气机、回热器、储气装置、高温储热装置、低温储热装置、加热器、透平、发电机、辅助电动机和辅助压气机，所述回热器与所述加热器均包括空气侧和与所述空气侧相对设置的热介质侧；所述电动机的主轴与所述压气机的入口连接，所述压气机的出口与所述回热器的空气侧的入口相连，所述回热器的空气侧的出口与所述储气装置的入口相连接，所述储气装置的出口与所述辅助压气机的入口连接，所述辅助压气机的出口与所述加热器的空气侧的入口连接，所述加热器的空气侧的出口与所述透平的入口连接，所述加热器的热介质侧的出口与所述低温储热装置相连接，所述加热器的热介质侧的入口与所述高温储热装置的出口连接，所述高温储热装置的入口与所述回热器的热介质侧的出口相连接，所述回热器的热介质侧的入口与所述低温储热装置相连接。
7.优选的，所述加热器设置有气体侧出口恒温控制。
8.优选的，所述辅助压气机为活塞式压气机、离心式压气机、轴流式压气机的一种，
且所述辅助压气机设置为出口压力恒定的模式运行。
9.优选的，所述辅助电动机由电网直接输入电能驱动或由锂电池、氢燃料电池、超级电容的储能装置元器件储存的能量驱动。
10.一种压缩气体储能系统的运行调控方法，包括压缩气体储能系统压缩储能阶段和压缩气体储能系统膨胀放气阶段，具体步骤如下：
11.a.压缩气体储能系统压缩储能阶段，通过电能驱动压气机，压缩储能的介质气体；
12.b.压缩后的高压高温气体在回热器中被来自低温储热装置的储热介质冷却，并被储存在储气装置中，在回热器中被加热的储热介质被储存在高温储热装置中；
13.c.压缩气体储能系统膨胀放气阶段，空气自储气装置流入辅助压气机，并被辅助压气机压缩，压缩后的压力应与储气装置储满气体时对应的设计压力相等，同时通过改变转速或者其它调节方式保持空气质量流量的恒定；辅助压气机由电网或者辅助储能装置储存的电能驱动，被重新压缩后的空气进入加热器；
14.d.来自辅助压气机的恒质量流量、恒压气体，经过加热器加热后达到设计温度，并流入透平推动发电机发电。
15.优选的，所述压缩气体储能系统工质的气体为空气、二氧化碳。
16.优选的，所述储热介质为水、导热油、相变介质。
17.因此，本发明采用上述一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法，具有以下有益效果：
18.a.与滑压模式相比，最大的优势是实现了放气过程的恒定功率运行模式，发电机可直接并入电网。滑压模式下，透平处于变工况状态，随着储气装置压力的下降，透平的运行工况将偏离设计工况，透平的效率会有一定程度的下降。而本发明所述运行模式透平均处于设计工况下，均有更高的绝热膨胀效率。
19.b.与节流模式相比，本发明所述模式的透平入口压力处于更高压力，避免了节流所带来的压力势能的损失。且由于透平入口压力更高，欲实现相同的输出功率，本发明的模式所需要的压缩气体的质量流量更小，一方面可以降低透平的体积，另一方面相同的放气时间条件下，本发明的模式所需要的储气装置的体积将更小。
20.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
21.图1为本发明一种压缩气体储能系统的运行调控装置的结构示意图；
22.附图标记说明：
23.1、电动机；2、压气机；3、回热器；4、高温储热装置；5、低温储热装置；6、储气装置；7、辅助压气机；8、辅助电动机；9、加热器；10、透平；11、发电机。
具体实施方式
24.实施例
25.以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1，一种压缩气体储能系统的运行调控装置，包括电动机1、压气机2、回热器3、储气装置6、高温储热装置4、低温储热装置5、加热器9、透平10、发电机11、辅助电动机8和辅助压气机7，回热器3与加热器9均包括空气侧和与空气侧相对设置的热介质侧；电动机1的主轴与压气机2的入口连接，压气机2的出口与回热器3的空气侧的入口相连，回热器3的空气侧的出口与储气装置6的入口相连接，储气装置6的出口与辅助压气机7的入口连接，辅助压气机7的出口与加热器9的空气侧的入口连接，加热器9的空气侧的出口与透平10的入口连接，加热器9的热介质侧的出口与低温储热装置5相连接，加热器9的热介质侧的入口与高温储热装置4的出口连接，高温储热装置4的入口与回热器3的热介质侧的出口相连接，回热器3的热介质侧的入口与低温储热装置5相连接。加热器9设置有气体侧出口恒温控制，控制被加热空气的出口温度。辅助压气机7为活塞式压气机、离心式压气机、轴流式压气机的一种，且辅助压气机设置为出口压力恒定的模式运行。辅助电动机8由电网直接输入电能驱动或由锂电池、氢燃料电池、超级电容的储能装置元器件储存的能量驱动。
27.一种压缩气体储能系统的运行调控方法，包括压缩气体储能系统压缩储能阶段和压缩气体储能系统膨胀放气阶段，具体步骤如下：
28.a.压缩气体储能系统压缩储能阶段，通过电能驱动压气机2，压缩储能的介质气体；
29.b.压缩后的高压高温气体在回热器3中被来自低温储热装置5的储热介质冷却，并被储存在储气装置6中，在回热器3中被加热的储热介质被储存在高温储热装置4中；
30.c.压缩气体储能系统膨胀放气阶段，空气自储气装置6流入辅助压气机7，并被辅助压气机7压缩，压缩后的压力应与储气装置6储满气体时对应的设计压力相等，同时通过改变转速或者其它调节方式保持空气质量流量的恒定；辅助压气机7由电网或者辅助储能装置储存的电能驱动，被重新压缩后的空气进入加热器9；
31.d.来自辅助压气机7的恒质量流量、恒压气体，经过加热器9加热后达到设计温度，并流入透平10推动发电机11发电。
32.压缩气体储能系统工质的气体为空气、二氧化碳。储热介质为水、导热油、相变介质具有流体形态且能够储存热量的介质材料。
33.因此，本发明采用上述一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法，以解决现有的传统储气方式成本高且易受地理条件限制的问题。本发明所提供的方法，通过在恒容模式运行的压缩气体储能系统中引入辅助电动机和辅助压气机，以电功补偿的方式保证进入透平的高压气体的压力恒定，进而实现压缩气体储能系统膨胀放气过程的恒定功率运行。
34.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种压缩气体储能系统的运行调控装置，其特征在于：包括电动机、压气机、回热器、储气装置、高温储热装置、低温储热装置、加热器、透平、发电机、辅助电动机和辅助压气机，所述回热器与所述加热器均包括空气侧和与所述空气侧相对设置的热介质侧；所述电动机的主轴与所述压气机的入口连接，所述压气机的出口与所述回热器的空气侧的入口相连，所述回热器的空气侧的出口与所述储气装置的入口相连接，所述储气装置的出口与所述辅助压气机的入口连接，所述辅助压气机的出口与所述加热器的空气侧的入口连接，所述加热器的空气侧的出口与所述透平的入口连接，所述加热器的热介质侧的出口与所述低温储热装置相连接，所述加热器的热介质侧的入口与所述高温储热装置的出口连接，所述高温储热装置的入口与所述回热器的热介质侧的出口相连接，所述回热器的热介质侧的入口与所述低温储热装置相连接。2.根据权利要求1所述的一种压缩气体储能系统的运行调控装置，其特征在于：所述加热器设置有气体侧出口恒温控制。3.根据权利要求1所述的一种压缩气体储能系统的运行调控装置，其特征在于：所述辅助压气机为活塞式压气机、离心式压气机、轴流式压气机的一种，且所述辅助压气机设置为出口压力恒定的模式运行。4.根据权利要求1所述的一种压缩气体储能系统的运行调控装置，其特征在于：所述辅助电动机由电网直接输入电能驱动或由锂电池、氢燃料电池、超级电容的储能装置元器件储存的能量驱动。5.一种压缩气体储能系统的运行调控方法，其特征在于，包括压缩气体储能系统压缩储能阶段和压缩气体储能系统膨胀放气阶段，具体步骤如下：a.压缩气体储能系统压缩储能阶段，通过电能驱动压气机，压缩储能的介质气体；b.压缩后的高压高温气体在回热器中被来自低温储热装置的储热介质冷却，并被储存在储气装置中，在回热器中被加热的储热介质被储存在高温储热装置中；c.压缩气体储能系统膨胀放气阶段，空气自储气装置流入辅助压气机，并被辅助压气机压缩，压缩后的压力应与储气装置储满气体时对应的设计压力相等，同时通过改变转速或者其它调节方式保持空气质量流量的恒定；辅助压气机由电网或者辅助储能装置储存的电能驱动，被重新压缩后的空气进入加热器；d.来自辅助压气机的恒质量流量、恒压气体，经过加热器加热后达到设计温度，并流入透平推动发电机发电。6.根据权利要求5所述的一种压缩气体储能系统的运行调控方法，其特征在于：所述压缩气体储能系统工质的气体为空气、二氧化碳。7.根据权利要求5所述的一种压缩气体储能系统的运行调控方法，其特征在于：所述储热介质为水、导热油、相变介质。

技术总结
本发明公开了一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法，属于压缩气体储能领域，包括电动机、压气机、回热器、储气装置、高温储热装置、低温储热装置、加热器、透平、发电机、辅助电动机和辅助压气机。本发明采用上述结构的一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法，在恒容模式运行的压缩气体储能系统中引入辅助电动机和辅助压气机，以电功补偿的方式保证进入透平的高压气体的压力恒定，进而实现压缩气体储能系统膨胀放气过程的恒定功率运行。体储能系统膨胀放气过程的恒定功率运行。体储能系统膨胀放气过程的恒定功率运行。


技术研发人员：陈伟
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/12