CN106567748B - 非绝热气体膨胀的压缩空气储能*** - Google Patents

非绝热气体膨胀的压缩空气储能*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，电机连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室的入口，高压储气室的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵的入口，压力泵的出口连接U型管换热器的入口。本发明***运行效率高、运行经济性和环境友好性好。

Description

非绝热气体膨胀的压缩空气储能***
技术领域
本发明涉及物理储能技术领域，特别涉及一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***。
背景技术
压缩空气储能技术被公认为是解决电能大规模储存的最好技术之一，2009年被美国评为未来十大具有发展前景的技术之一。最近几年，西方发达国家(英国、澳大利亚、美国、日本、瑞士等)在该技术的开发方面取得了巨大的成就，其中美国的Light sail energy公司所提出的压缩空气储能技术获得了微软公司的巨额投资(17亿美元)。世界各国期望用该技术解决具有波动性和随机性特点的风电、光伏发电的并网问题，以及电网的“削峰填谷”问题。
压缩空气储能技术在1949年被提出来，1978年在德国建成了世界上第一座商业运营电站，1991年美国建成了第二座商业运营电站；此后，世界各地相继开建了这样的电站和试验电站。压缩空气储能是一种基于燃气轮机的技术，其原理是将燃气轮机机组中的压缩机和透平分开[1]。在储能时，利用电能驱动压缩机将空气压缩并储存在高压容器之内，高压容器内气体的温度一般不超过80℃。在释能时，高压空气从容器内被释放出来，由于气体温度较低需首先进入燃烧室助燃，燃气进入涡轮膨胀并驱动涡轮做功发电，同时消耗大量的天然气[2]。近年来，Giuseppe Grazzini等人[3]提出了绝热压缩空气储能***(AA-CAES)，刘佳、陈海生等人[4]提出了超临界压缩空气储能***，Mehmet 等人[5]提出了超临界CO2储能***，所有研究者的共同目的是为了解决储能***中的加热问题，避免因加热带来的燃料消耗问题；另外，这些***中膨胀空气的加热仍然处于膨胀机的进口之外，膨胀过程仍然属于绝热膨胀过程。综上所述，现有的所有压缩空气储能电站存在的主要问题是：发电过程中需要外界补充热能会引起大量燃料消耗、电转换效率不高、电转换成本高，致使该技术的推广应用受到限制。
[1]Ibrahim H.,Ilinca A.,Perron J.Energy storage systems—Characteristics and comparisons[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(5):1221-1250.
[2]Bazmi A.A.,Zahedi G.Sustainable energy systems:Role ofoptimization modeling techniques in power generation and supply—A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(8):3480-3500.
[3]Liu W.,Lund H.,Mathiesen B.V.Large-scale integration of wind powerinto the existing Chinese energy system[J].Energy,2011,36(8):4753-4760.
[4]Blarke M.B.,Lund H.The effectiveness of storage and relocationoptions in renewable energy systems[J].Renewable Energy,2008,33(7):1499-1507.
[5]Chen H.,Cong T.N.,Yang W.,et al.Progress in electrical energystorage system:A critical review[J].Progress in Natural Science,2009,19(3):291-312.
发明内容
本发明的目的在于提供一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，不但可以降低储能***造价，提高储能装置能量转化效率，而且能够解决储能***电能转换成本高、气体压缩热量利用率低、释能过程中燃料消耗以及干热岩采集过程中阻力大、换热效果差等问题，从而进一步提高***的经济性。
为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现的：
非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，包括压缩机机组、电机、膨胀机机组、高压储气室、压力泵和U型管换热器；电机连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室的入口，高压储气室的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵的入口，压力泵的出口连接U型管换热器的入口。
进一步的，U型管换热器的出口设有第一阀门；间冷器与高压储气室的入口之间设有第二阀门；高压储气室的出口与第一再热器的第一流体入口之间设有第三阀门和节流阀。
进一步的，U型管换热器包括外管和设置于外管内的内管；外管为顶部设有入口的盲管；内管为中空的管道，内管的下端靠近外管的底部；外管的上端入口和内管之间的间隙作为U型管换热器的入口；内管的上端出口作为U型管换热器的出口。
进一步的，U型管换热器埋于地下干热岩中，用于采集地热。
进一步的，U型管金属换热器的内管的管壁涂有绝热材料层，防止热量散失；内管的管壁空腔内被抽真空。
进一步的，膨胀机包括轴，轴上设有若干动叶，轴和动叶外周设有壳体，壳体的内壁中设有地热水换热流道，壳体外侧设有连接地热水换热流道的地热水入口和地热水出口；膨胀机的地热水入口连接前一个再热器的第二流体入口，地热水出口连接后一个再热器的第二流体出口；最后一个膨胀机的地热水出口连接最后一个再热器的第二流体出口。
进一步的，膨胀机内气体的膨胀过程为非绝热膨胀。
进一步的，在电能过剩时段，打开第二阀门，电能驱动电机旋转，此时电机作为电动机使用；电机通过旋转轴和联轴器驱动压缩机机组做功，压缩机机组将空气压缩至一定温度压力后，进入间冷器进行冷却至环境温度；同时间冷器产生的热量被直接供给给用户或进入溴化锂机组制冷为用户提供冷量；压缩机机组和高压储气室的入口温度相等。
进一步的，在电网电能负荷高峰期，开启第三阀门、第一阀门，高压空气从高压储气室中流出，经过节流阀，气体压力降低到设定值后进入第一再热器，此时压力泵开始工作，作为第二流体的冷却水被压入U型金属换热管，冷却水从地面逐渐流向地下，同时进行换热，冷却水被加热为热流体；加热后的流体最终进入第一再热器和第一膨胀机的壳体内对空气进行加热，其中再热器内两种流体的流动为逆流式，膨胀机内为顺流式；被加热后的高压空气在膨胀机机组内进行非绝热膨胀做功，最后一个膨胀机的尾气直接排入大气。
本发明一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，压缩机组是通过电机带动旋转，将空气压缩成为高压空气被储存在储气室内；间冷器被安装在压缩机之间，用来冷却高压空气，使空气进入下级压缩机时的温度和环境温度基本相同；该***中间冷器产生的热量将直接提供给用户或通过溴化锂机组转变为冷量之后供用户使用，避免了空气压缩产生热量的存储问题以及高温压缩空气热量利用率低的问题；
再热器被安装在膨胀机组之间，用来加热膨胀后的高压空气，使空气进入下段膨胀机时的温度保持在一个特定的温度值；膨胀机为非绝热膨胀机，被干热岩加热后的水通过气体透平膨胀机的机壳和级间加热器，对流经透平膨胀机内部的气体进行加热，气体的整个膨胀过程为非绝热膨胀，与传统绝热膨胀机相比，具有较高的膨胀效率和输出功；另外，传统压缩空气储能***膨胀机组由高压端和低压端组成，且都为绝热膨胀，而本发明中的膨胀机组由多段非绝热膨胀机串联而成；
U管换热器用来提取干热岩所产生的热量，并将其提供给再热器和膨胀机。U管换热器为套管形式，底部口为封闭形式；内部小直径管为壳式结构，内管壳式空腔内被抽真空，底端中心开口；液体从内管和外管的环形空间流经内管底端开口，并流入内管，最终将地热能供给再热器和膨胀机。
膨胀机膨胀后的尾气温度较低，直接被排入大气；所述压力泵和膨胀机在释能过程中将同时运行，并同时停止运行。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1、将压缩机组压缩产生的热量直接进行利用，提高储能过程的运行效率，减少***能量的浪费；2、将干热岩与压缩空气储能结合起来，解决了高压空气膨胀过程中的热量消耗问题、***电能转换效率低以及干热岩热量提取效率低的问题，提高了整个储能***的运行经济性和环境友好性。3、采用U管金属换热器解决了目前地热采集投资成本高、难度大以及热量损耗大的问题。4、膨胀机内气体非绝热膨胀提高了储能***的输出功和发电效率。
本发明用干热岩作为压缩空气储能***释能发电时所需的加热热源，该热源与传统的燃气加热热源相比，主要存在以下不同：来自干热岩的热源属于连续可再生能源，清洁，无任何碳排放，通常热源温度低于350度；而天然气燃烧热源的温度大于500度，需要有稳定的天然气气源，存在碳排放问题。因此，为使压缩空气储能***更好的利用干热岩热源，必须将现有适用于天然气加热热源的压缩空气储能***中的释能发电阶段进行重新设计，改传统的气体绝热膨胀机为非绝热膨胀机，即地热水通过带有真空管的地下“U”型金属换热器将干热岩的热量从地下深处带向地面，被加热的水通过气体透平膨胀机的机壳和级间加热器，对流经透平膨胀机内部的气体加热，气体进行非绝热膨胀。
本发明主要创新点：水作为提取干热岩热量的载体。热水直接通入气体膨胀机的机壳和级间加热器对膨胀空气进行加热。采用带有真空结构的地下“U”型金属换热器来提取干热岩的热量，通过真空结构最大限度减少冷水与热水之间的传热，减少不可逆损耗。膨胀机内气体膨胀过程为非绝热膨胀。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***的结构示意图。图1中：1、第一压缩机；2、第二压缩机；3、第一膨胀机；4、第二膨胀机；7、第三膨胀机；5、电机；6、高压储气室；8、第一间冷器；9、第二间冷器；10、第一阀门；20、第二阀门；21、第三阀门；11、节流阀；12、第一再热器；13、第二再热器；17、第三再热器；14、压力泵；15、套管管接；16、U型管换热器；18、第一联轴器；19、第二联轴器。
图2为图1中U型管换热器剖面图。图中：22、内管；23、外管。
图3是膨胀机单级壳式结构示意图。
图4是图3所示膨胀机单级壳式结构另一视角的视图；图中：24、壳体；25、地热水出口；26、动叶；27、地热水入口；28、轴。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，包括压缩机机组、电机5、膨胀机机组、高压储气室6、再热器组、压力泵14和U型管换热器16。
压缩机机组包括相互连接的第一压缩机1和第二压缩机2；膨胀机机组包括一次连接的第一膨胀机3、第二膨胀机4和第三膨胀机7；再热器组包括第一再热器12、第二再热器13和第三再热器17。电机5通过第一联轴器18连接压缩机机组，通过第二联轴器19连接膨胀机机组。第一压缩机1的气体出口通过第一间冷器8连接第二压缩机2的气体入口，第二压缩机2的气体出口通过依次连接的第二间冷器9和第二阀门20连接高压储气室6的入口，高压储气室6的出口通过依次连接的第三阀门21和节流阀11连接第一再热器12的第一流体入口，第一再热器12的第一流体出口连接第一膨胀机3的气体入口，第一膨胀机3的气体出口连接第二再热器13的第一流体入口，第二再热器13的第一流体出口连接第二膨胀机4的气体入口，第二膨胀机4的气体出口连接第三再热器17的第一流体入口，第三再热器17的第一流体出口连通大气。
第一再热器12、第二再热器13和第三再热器17的第二流体出口连接压力泵14的入口，压力泵14的出口连接套管管接15的入口，套管管接15的入口连通U型管换热器16的入口，U型管换热器16的出口连通套管管接15的出口，套管管接15的出口通过第一阀门10连接第一再热器12、第二再热器13和第三再热器17的第二流体入口。
U型管换热器16包括外管23和设置于外管23内的内管22；外管23为顶部设有入口的盲管；内管22为中空的管道，内管22的下端靠近外管23的底部；外管23的上端入口和内管22之间的间隙作为U型管换热器16的入口；内管22的上端出口作为U型管换热器16的出口。
本发明一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，电机5驱动第一压缩机1和第二压缩机2，电机5由第一膨胀机3、第二膨胀机4和第三膨胀机7带动发电。
在电能过剩时段，打开第二阀门20，电能驱动电机5旋转，此时电机5作为电动机使用；电机5通过旋转轴和联轴器驱动第一压缩机1和第二压缩机2做功，第一压缩机1将空气压缩至一定温度压力后，空气进入第一间冷器8，被冷却至环境温度后进第二压缩机2被再次压缩升温，然后进入第二间冷器9进行冷却至环境温度；同时第一间冷器8、第而间冷器9产生的热量被直接供给给用户或进入溴化锂机组制冷为用户提供冷量。第二压缩机2和高压储气室6的入口温度相等且接近大气温度。
在电网电能负荷高峰期，开启第三阀门21、第一阀门10，高压空气从高压储气室6中流出，经过节流阀11，气体压力降低到设定值后进入第一再热器12，此时压力泵14开始工作，作为第二流体的冷却水被压入U型金属换热管16的内管22和外管23的环形空间中，冷却水从地面逐渐流向地下，同时与外管23进行换热，冷却水被加热为热流体；加热后的流体从内管22底端开口处进入内管中，并最终进入第一再热器12和第一膨胀机3的壳体内对空气进行加热，其中再热器内两种流体的流动为逆流式，膨胀机内为顺流式；被加热后的高压空气在第一膨胀机3内膨胀做功，同时热水被冷却进行下次循环；高压空气在第一膨胀机3内进行非绝热膨胀后，进入第二再热器13加热至一定温度后进入第二膨胀机4再次进行非绝热膨胀做功，第二膨胀机4排出的尾气被第三再热器17再次进行加热，并进入第三膨胀机7非绝热膨胀做功；由于被加热后的地热水温度不高，所以第三膨胀机7的尾气温度不高，将其直接排入大气。第二再热器13和第三再热器17的工作方式与第一再热器12的工作方式相同。释能过程中，第一膨胀机3、第二膨胀机4和第三膨胀机7带动电机5发电，并将电能供给给电网，电机5作为发电机使用。另外，第一膨胀机3、第二膨胀机4和第三膨胀机7的膨胀比较小，使整个膨胀释能过程接近等温膨胀。
U型管金属换热器16的内管22的管壁涂有绝热材料层，防止热量散失；外管材质为铜或其它廉价、导热性强且具有一定硬度的材料。内管22壳式结构的腔体内被抽为真空可有效阻止热量的耗散，内管22底部为开口结构；U型换热器内的工质为水；释能过程中压力泵14所需的电能由电机5所发出的电能提供。地热采集装置由大量U管换热器组装而成，每段U管换热器为工厂直接加工的标准件；该地热采集装置长度一般为2～3km(不同地区地热资源的深度不同，所以地热采集装置的长度可根据当地的实际地质条件来确定)，热量采集一般主要在2km以下。
U型管金属换热器16的外管23直径可根据当地地质条件和储能***所需热流体流量来确定，而内管直径可通过流体流量和流体流动阻力最小的原则来确定。
请参阅图3和图4所示，第一膨胀机3、第二膨胀机4和第三膨胀机7结构相同，均采用单级壳式结构，包括轴28，轴28上设有若干动叶26，轴28和动叶26外周设有壳体24，壳体的内壁中设有地热水换热流道，壳体24外侧设有连接地热水换热流道的地热水第一入口27、第二入口29、第三入口30和地热水出口25，第二入口热水和第三入口热水的进入可以对膨胀气体进行再次加热，提高气体膨胀做功的能力。壳体24的通流面积逐渐递增，以保证地热循环水在壳体内部流动过程中所受阻力不会太大。
本发明中的阀门都为电控阀门，通过自动控制台来控制阀门和设备的启停。在实际工业应用中，可根据实际需求来确定压缩机组和膨胀机组所需的级数，本发明以两级压缩和三级膨胀来说明该***的工作过程。

Claims (4)

1.非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，其特征在于，包括压缩机机组、电机(5)、膨胀机机组、高压储气室(6)、压力泵(14)和U型管换热器(16)；
电机(5)连接压缩机机组和膨胀机机组；
膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；
压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室(6)的入口，高压储气室(6)的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；
U型管换热器(16)的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出口连接压力泵(14)的入口，压力泵(14)的出口连接U型管换热器(16)的入口；
U型管换热器(16)包括外管(23)和设置于外管(23)内的内管(22)；外管(23)为顶部设有入口的盲管；内管(22)为中空的管道，内管(22)的下端靠近外管(23)的底部；外管(23)的上端入口和内管(22)之间的间隙作为U型管换热器(16)的入口；内管(22)的上端出口作为U型管换热器(16)的出口；
U型管换热器(16)埋于地下干热岩中，用于采集地热；
U型管换热器(16)的内管(22)的管壁涂有绝热材料层，防止热量散失；内管(22)的管壁空腔内被抽真空；
膨胀机包括轴(28)，轴(28)上设有若干动叶(26)，轴(28)和动叶(26)外周设有壳体(24)，壳体的内壁中设有地热水换热流道，壳体(24)外侧设有连接地热水换热流道的地热水入口(27)和地热水出口(25)；膨胀机的地热水入口(27)连接前一个再热器的第二流体入口，地热水出口(25)连接后一个再热器的第二流体出口；最后一个膨胀机的地热水出口(25)连接最后一个再热器的第二流体出口；
膨胀机内气体的膨胀过程为非绝热膨胀。
2.根据权利要求1所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，其特征在于，U型管换热器(16)的出口设有第一阀门(10)；间冷器与高压储气室(6)的入口之间设有第二阀门(20)；高压储气室(6)的出口与第一再热器的第一流体入口之间设有第三阀门(21)和节流阀(11)。
3.根据权利要求2所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，其特征在于，在电能过剩时段，打开第二阀门(20)，电能驱动电机(5)旋转，此时电机(5)作为电动机使用；电机(5)通过旋转轴和联轴器驱动压缩机机组做功，压缩机机组将空气压缩至一定温度压力后，进入间冷器进行冷却至环境温度；同时间冷器产生的热量被直接供给给用户或进入溴化锂机组制冷为用户提供冷量；压缩机机组和高压储气室(6)的入口温度相等。
4.根据权利要求2所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能***，其特征在于，在电网电能负荷高峰期，开启第三阀门(21)、第一阀门(10)，高压空气从高压储气室(6)中流出，经过节流阀(11)，气体压力降低到设定值后进入第一再热器，此时压力泵(14)开始工作，作为第二流体的冷却水被压入U型换热管(16)，冷却水从地面逐渐流向地下，同时进行换热，冷却水被加热为热流体；加热后的流体最终进入第一再热器和第一膨胀机的壳体内对空气进行加热，其中再热器内两种流体的流动为逆流式，膨胀机内为顺流式；被加热后的高压空气在膨胀机机组内进行非绝热膨胀做功，最后一个膨胀机的尾气直接排入大气。
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