CN103244215B - 提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置 - Google Patents
提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置，其方法包括以下步骤：高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流驱动透平膨胀机做功后变为低压乏气；流经复合降压装置中的高压压缩空气对低压乏气进行卷吸，并与其混合形成中压驱动气流对透平膨胀机做功。本发明提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置环保节能，能有效提高压缩空气储能技术的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电能的储存领域，特别是涉及一种提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置。
背景技术
现有的压缩空气储能技术的主要缺点在于压缩空气由高压(7-10Mpa)向透平膨胀机所需要的中压(约4Mpa)这一调压过程存在较大的能量损失。压缩空气压力越高，代表他做功能力越强，而目前的压缩空储能技术均采用压力调节阀门来实现压缩空气由储存高压(如8Mpa)至透平膨胀机所需要的中压作功压力的调节，那么8Mpa至4Mpa这之间的压力能就损失在降压阀门里面，没有得到利用。调压过程出现的能量损失，直接削弱了作功气流在后续透平膨胀机中的作功能力。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术缺陷，提供一种环保、节能、压缩空气储能技术的能量转换效率高的提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法及装置。
其技术方案如下。
一种提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流驱动透平膨胀机做功后变为低压乏气；
流经复合降压装置中的高压压缩空气对低压乏气进行卷吸，并与其混合形成中压驱动气流对透平膨胀机做功。
进一步地，提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，还包括以下步骤：
当选择第n级透平膨胀机作为低压乏气卷吸气源时，关闭其余各级透平膨胀机的截止阀；同时通过调节与第n级透平膨胀机相连接的第n流量调节阀控制复合降压装置的乏气卷吸流量。
进一步地，提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，还包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流经过燃烧室燃烧升温后驱动透平膨胀机做功。
进一步地，复合降压装置为喷射器。
一种压缩空气储能技术能量转换装置，包括压缩机组单元、储气溶洞和透平膨胀机组单元，所述压缩机组单元通过所述储气溶洞与所述透平膨胀机组单元相连接；所述透平膨胀机组单元包括复合降压装置和透平膨胀机，所述复合降压装置将储气溶洞输出的高压压缩空气降压为中压驱动气流以驱动透平膨胀机；所述复合降压装置对透平膨胀机排出的低压乏气进行卷吸。
进一步地，所述复合降压装置为喷射器。
进一步地，所述喷射器包括卷吸室，所述卷吸室设置有高压气体喷筒和乏气卷吸口，所述高压气体喷筒与所述储气溶洞相连接，所述乏气卷吸口连接至所述透平膨胀机的乏气出口。
进一步地，所述透平膨胀机组单元还包括截止阀和流量调节阀，所述截止阀和流量调节阀均设置于所述乏气卷吸口与透平膨胀机的乏气出口之间。
进一步地，所述压缩机组单元包括多个压缩机和一个电动机，多个压缩机串联连接并由电动机驱动；多个透平膨胀机串联连接共用一个发电机。
下面对本技术方案的优点或原理进行说明。
本技术方案通过利用喷射器代替了传统技术中的压力调节阀门，可以回收压缩空气由储存的高压状态(如8Mpa)至作功状态(如4Mpa)这个过程的能量。喷射器有两个入口，其中高压气体喷筒通入高压压缩气体，高压压缩气体在喷射器内部会加速并降低自身压力，这一加速过程使得高压压缩气体的压力下降至低于乏气卷吸口处的压力，因而乏气卷吸口处的乏气在压力差作用下会进入喷射器，在喷射器内部与高速气流混合，最终这两股气流混合形成中压驱动气流，再进入透平膨胀机做功。
很明显，这个依托喷射器来实现高压压缩空气向目标作功压力的调节方法，使得原本作功能力很弱的低压乏气也变成了可以做功的目标作功工质，也就是说以一定的系数增大了作功工质的总量，原本只有储存空间的高压压缩空气能够做功，现在相当于低压乏气与高压压缩空气两部分气体都具有做功能力，因而可以明显提高***的作功气体总量，进而提高***的能量转换效率。
本技术方案中的被卷吸的低压气源，取自透平膨胀机排出的低压乏气，这部分低压乏气本身已经经过透平膨胀机做功，自身压力出现了下降，作功能力也出现了下降。在喷射器作用下，这部分低压乏气与高压压缩空气混合后，再次变成了具有全额作功能力的新工质。同时，低压乏气和高压压缩空气混合使得高压压缩空气降压，使其降压耗能减少，也有利于提高***的能量转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例所述的压缩空气储能技术能量转换装置的结构原理图；
图2为本发明实施例所述的喷射器的结构原理图；
附图标记说明：
10、压缩机，20、储气溶洞，310、第一级透平膨胀机，311、第一燃烧室，312、第一截止阀，313、第一流量调节阀，320、第二级透平膨胀机，321、第二燃烧室，322、第二截止阀，323、第二流量调节阀，330、第三级透平膨胀机，331、第三燃烧室，332、第三截止阀，333、第三流量调节阀，340、喷射器，341、卷吸室，342、高压气体喷筒，343、乏气卷吸口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细的说明。
提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流驱动透平膨胀机做功后变为低压乏气；
流经复合降压装置中的高压压缩空气对低压乏气进行卷吸，并与其混合形成中压驱动气流对透平膨胀机做功。
提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，还包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流经过燃烧室燃烧升温后驱动透平膨胀机做功。
当选择第n级透平膨胀机作为低压乏气卷吸气源时，关闭其余各级透平膨胀机的截止阀；同时通过调节与第n级透平膨胀机相连接的第n流量调节阀控制复合降压装置的乏气卷吸流量。在本实施例中，选取3级透平膨胀机，包括第一级透平膨胀机、第二级透平膨胀机和第三级透平膨胀机。
其中，复合降压装置为喷射器340，亦可以为具有喷射器同等功用的其它装置。
如图1至2所示，压缩空气储能技术能量转换装置包括压缩机组单元、储气溶洞20和透平膨胀机组单元，压缩机组单元通过储气溶洞20与透平膨胀机组单元相连接。透平膨胀机组单元包括复合降压装置和透平膨胀机，复合降压装置将储气溶洞20输出的高压压缩空气降压为中压驱动气流驱动透平膨胀机。复合降压装置对透平膨胀机排出的低压乏气进行卷吸。
其中，复合降压装置为喷射器340。喷射器340包括卷吸室341，卷吸室341设置有高压气体喷筒342和乏气卷吸口343，高压气体喷筒342与储气溶洞20相连接，乏气卷吸口343连接至透平膨胀机的乏气出口。透平膨胀机组单元还包括截止阀和流量调节阀，截止阀和流量调节阀均设置于乏气卷吸口与透平膨胀机的乏气出口之间。压缩机组单元包括多个压缩机10和一个电动机，多个压缩机10串联连接并由电动机驱动。多个透平膨胀机串联连接共用一个发电机。
在能源储存阶段，电动机驱动压缩机10对空气进行多级压缩并冷却储存在储气溶洞20中。
在能量释放阶段，储气溶洞20中的高压压缩空气经过喷射器降压变为中压驱动气流后，再经过第一燃烧室311加热后进入第一级透平膨胀机310.
当以第一级透平膨胀机310排出的低压乏气为喷射器340的卷吸气源时，储能***的运行方式如下：关闭储能***中的第二截止阀322与第三截止阀332，切断第二级透平膨胀机320和第三级透平膨胀机330排出的低压乏气与喷射器340的乏气卷吸口343相连的通道。开启第一截止阀312，联通第一级透平膨胀机310的乏气出口与喷射器340的乏气卷吸口343的通道，低压乏气通过第一流量调节阀313控制卷吸流量，第一透平膨胀机310排出的低压乏气与储气溶洞20释放出的高压压缩空气在喷射器340内部混合后形成新的中压驱动气流进入第一透平膨胀机310做功。第一级透平膨胀机310排出的剩余低压乏气经过第二燃烧室321升温后，分别进入第二级透平膨胀机320和第三级透平膨胀机330做功，膨胀功带动发电机输出稳定电力。
当以第二级透平膨胀机320排出的低压乏气为喷射器340卷起的低压气源来源，切断第一级透平膨胀机310、第三级透平膨胀机330的乏气出口与喷射器340之间的通道。具体运行方式如下：中压驱动气流经过第一级透平膨胀机310后，排出的低压乏气经过第二燃烧室321提升温度并进入第二级透平膨胀机320做功。在第一截止阀312与第三截止阀332关闭的情况下，开启第二截止阀322，第二级透平膨胀机320排出的低压乏气的一部分经过第二流量调节阀323后作为卷吸气流进入喷射器340，低压乏气与来自储气溶洞20的高压压缩空气在喷射器340内混合后，进入第一级透平膨胀机310。剩余的第二级透平膨胀机320排出的低压乏气经过第三燃烧室331提升温度后，进入第三级透平膨胀机330做功，透平膨胀机输出的膨胀功带动发电机输出电力。
当以第三级透平膨胀机330排出的低压乏气作为喷射器340卷吸的低压气源来源。具体运行方式如下：关闭第一截止阀312与第二截止阀322，开启第三截止阀332，中压驱动气流连续经过第一级、第二级和第三级透平膨胀机310-330后，排出的低压乏气经第三流量调节阀333后，作为喷射器340的卷吸气源。第三级透平膨胀机330排出的低压乏气与储气溶洞20释放的高压压缩空气在喷射器340内混合后进入第一级透平膨胀机310，增加***的总体作功能力，提升储能***能量转换效率。
以上仅表示本发明实施例中实施的操作方式，但是并不排除同时以两级或者三级透平膨胀机作为喷射器的卷吸气源的情况。
本发明重点关注适合水资源匮乏区域新能源电力的规模化储存难题，对具有风电与太阳能发电良好匹配能力的压缩空气储能技术进行改进，提升此项新技术工程化应用于我国可再生能源开发领域的潜力。
本发明有别于传统压缩空气储能技术依托压力调节阀实现储气溶洞高压压缩空气的降压工艺，以喷射器340或者具备喷射器同等功效的设备替代压力调节阀，减小了压力调节过程中的能量损失。
本发明依托喷射器或者具备喷射器同等功效的设备进行储气溶洞高压空气的降压调节，既实现了高压空气的降压调节，又实现了透平膨胀机排出的低压乏气的再利用，增大了可作功工质的总量，提升了压缩空气储能技术的能量转换效率。
下面对本发明实施例的优点或原理进行说明。
本实施例通过利用喷射器340代替了传统压缩空气储能技术中的压力调节阀门，可以回收压缩空气由储存的高压状态(如8Mpa)至作功状态(如4Mpa)这个过程的能量。喷射器340有两个入口，其中高压气体喷筒342通入高压压缩气体，高压压缩气体在喷射器340内部会加速并降低自身压力，这一加速过程使得高压压缩气体的压力下降至低于乏气卷吸口处的压力，因而乏气卷吸口处的乏气在压力差作用下会进入喷射器340，在喷射器340内部与高速气流混合，最终这两股气流混合形成中压驱动气流，再进入透平膨胀机做功。
很明显，这个依托喷射器340来实现高压压缩空气向目标作功压力的调节方法，使得原本作功能力很弱的低压乏气也变成了可以做功的目标作功工质，也就是说以一定的系数增大了作功工质的总量，原本只有储存空间的高压压缩空气能够做功，现在相当于低压乏气与高压压缩空气两部分气体都具有作功能力，因而可以明显提高***的作功气体总量，进而提高***的能量转换效率。
本实施例中的被卷吸的低压气源，取自透平膨胀机排出的低压乏气，这部分低压乏气本身已经经过透平膨胀机做功，自身压力出现了下降，作功能力也出现了下降。在喷射器作用下，这部分低压乏气与高压压缩空气混合后，再次变成了具有全额作功能力的新工质。同时，低压乏气和高压压缩空气混合使得高压压缩空气降压，使其降压耗能减少，也有利于提高***的能量转换效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流驱动透平膨胀机做功后变为低压乏气；
流经复合降压装置中的高压压缩空气对低压乏气进行卷吸，并与其混合形成中压驱动气流对透平膨胀机做功；
在复合降压装置与各级透平膨胀机的乏气出口之间设置截止阀和流量调节阀，当选择第n级透平膨胀机出口乏气作为低压乏气卷吸气源时，关闭其余各级透平膨胀机的截止阀；同时通过调节与第n级透平膨胀机相连接的第n流量调节阀控制复合降压装置的乏气卷吸流量。
2.根据权利要求1所述的提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
高压压缩空气通过复合降压装置降压变为中压驱动气流，中压驱动气流经过燃烧室燃烧升温后驱动透平膨胀机做功。
3.根据权利要求1至2任一项所述的提升压缩空气储能技术能量转换效率的方法，其特征在于，所述复合降压装置为喷射器。
4.一种压缩空气储能技术能量转换装置，其特征在于，包括压缩机组单元、储气溶洞和透平膨胀机组单元，所述压缩机组单元通过所述储气溶洞与所述透平膨胀机组单元相连接；所述透平膨胀机组单元包括复合降压装置和多级透平膨胀机，所述复合降压装置将储气溶洞输出的高压压缩空气降压为中压驱动气流以驱动各级透平膨胀机；在复合降压装置与各级透平膨胀机的乏气出口之间均设置有截止阀和流量调节阀；所述复合降压装置对某一级透平膨胀机排出的低压乏气进行卷吸。
5.根据权利要求4所述的压缩空气储能技术能量转换装置，其特征在于，所述复合降压装置为喷射器。
6.根据权利要求5所述的压缩空气储能技术能量转换装置，其特征在于，所述喷射器包括卷吸室，所述卷吸室设置有高压气体喷筒和乏气卷吸口，所述高压气体喷筒与所述储气溶洞相连接，所述乏气卷吸口连接至所述透平膨胀机的乏气出口。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能技术能量转换装置，其特征在于，所述截止阀和流量调节阀均设置于所述乏气卷吸口与透平膨胀机的乏气出口之间。
8.根据权利要求4至7任一项所述的压缩空气储能技术能量转换装置，其特征在于，所述压缩机组单元包括多个压缩机和一个电动机，多个压缩机串联连接并由电动机驱动；多个透平膨胀机串联连接共用一个发电机。
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