CN115450721A - 适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***及方法，在储能阶段，确定离心式压缩机的流量，通过控制模块调节气路阀的开闭，使得在小流量的工作场合下，开启往复式压缩机作为增压设备；当流量适中时，使用离心式压缩机对空气进行增压；当流量过大时，开启离心式圧缩机与往复式压缩机的串联模式，使用离心式压缩机进行初步增压，再利用往复式压缩机进行进一步增压。并且***中利用换热器与蓄热/冷装置对压缩余热进行了循环与利用。本发明巧妙结合往复式压缩机与离心式压缩机适用的工况特点，在不改变任何压缩机结构的情况下，对两种压缩机的应用进行了组合，使得***在较大储能波动情况下，仍能保持较高的运行效率。

Description

适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行*** 及方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***及方法。
背景技术
储能技术是解决可再生能源大规模接入、提高常规电力***的迫切需要，是能源革命的支撑技术和战略性新兴技术，并得到世界各国广泛关注。压缩空气储能***成本也与抽水蓄能相似，并且储能容量大，技术可靠，运行寿命长，是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一，是解决我国普遍存在的弃风、弃光、弃水问题，实现智能电网削峰填谷、提升综合能源***灵活性的重要手段之一。
当储存能量时，对空气进行压缩，将能量转换为空气的势能进行存储；释放能量时，压缩空气膨胀，将势能转化为有用功。因此***部件主要包括压缩机、膨胀机、储气设备和储热***等。在现有设计、加工水平下，压缩机性能对***整体性能影响最为明显，其能量转换效率直接决定了***整体效率和经济性。根据工作原理不同，工程上常用的压缩机大致可分为往复式压缩机和离心式压缩机。往复式压缩机的效率高、使用范围广，但受限于活塞直径不能做到很大，因此无法适用于大流量需求的压缩，主要应用于MW级压缩空气储能***；离心式压缩机适用于大中流量范围，其中单轴离心式压缩机适用于较高的排气压力，多轴离心式压缩机适用于稍低的排气压力如10MW级压缩空气储能***。
现有的装机容量较大(如10MW级到500MW级)的压缩空气储能***中通常使用离心式压缩机作为气体增压设备，但由于风电、太阳能发电等新能源发电出力随机性、波动性强，因此在“削峰”过程中可供储存的电量也存在较大的不稳定性，当需储存的电量较少时，离心压缩机内叶轮流动情况变差，效率大幅下降，严重时还可能出现喘振，导致压缩机在短时间内受到严重破坏，造成巨大经济损失，该种情况下离心式压缩机不及往复式压缩机表现好；而当需储存的富余电量过大时，离心压缩机的流量迅速增加，完全使用离心压缩机实现所有气体的增压也会使得压缩机***效率较低。因此，在压缩空气储能***中，单独使用离心式压缩机作为空气增压设备并不是最高效的方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***及方法，本发明巧妙结合往复式压缩机与离心式压缩机适用的工况特点，在不改变任何压缩机结构的情况下，对两种压缩机的应用进行了组合，能够适用于较大装机容量工况，并能大幅提升变工况条件下压缩空气储能***中空气压缩部分的效率，保障压缩机的安全稳定性，促进整个***的高效平稳运行。
本发明采用的技术方案如下：
适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，包括离心式压缩机、往复式压缩机、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、储气库、膨胀做功模块和余热利用循环***；
第一电磁三通阀的第一端口作为进气口，第一电磁三通阀的第二端口通过第一管路与离心式压缩机的进气口连通，第一电磁三通阀的第三端口通过第二管路与往复式压缩机的进气口连通，往复式压缩机的出气口与储气库入口连通；
第二电磁三通阀的第一端口通过第三管路与离心式压缩机的出气口连通，第二电磁三通阀的第二端口通过第四管路与往复式压缩机的进气口连通，第二电磁三通阀的第三端口通过第五管路与储气库入口连通；
膨胀做功模块与储气库出口连通；
离心式压缩机的换热循环接口、往复式压缩机的换热循环接口和膨胀做功模块的换热循环接口均与余热利用循环***连接。
优选的，本发明适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***还包括控制模块，第一电磁三通阀和第二电磁三通阀均与控制模块连接。
优选的，往复式压缩机的出气口与储气库入口连通的管路上设有油气分离器。
优选的，余热利用循环***包括第一换热器、第二换热器、蓄冷器和蓄热器，第一换热器的热进口与离心式压缩机的换热循环出口以及往复式压缩机的换热循环出口连接，第一换热器的冷出口与离心式压缩机的换热循环入口以及往复式压缩机的换热循环入口连接；
第一换热器的热出口通过导热介质连通蓄热器，第一换热器的冷进口通过导热介质连通蓄冷器；
第二换热器的热进口通过导热介质连通蓄热器，第二换热器的热出口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环进口，第二换热器的冷出口通过导热介质连通蓄冷器，第二换热器的冷进口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环出口。
优选的，所述膨胀做功模块包括膨胀机。
优选的，所述膨胀做功模块还包括发电机，发电机与所述膨胀机连接。
本发明还提供了适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行方法，该方法通过本发明如上所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***实现，包括如下过程：
储能阶段：将电网的富余电能用来驱动离心式压缩机和往复式压缩机工作，计算离心式压缩机的运行流量；
当所述运行流量低于离心式压缩机设计流量的30％时，控制第一电磁三通阀，使往复式压缩机的进气通路打开，离心式压缩机的进气通路关闭，第二电磁三通阀的第一端口、第二端口和第三端口关闭，通过往复式压缩机对空气进行压缩并储存于储气库内；
当所述运行流量为离心式压缩机设计流量的70％到150％时，控制第一电磁三通阀打开离心式压缩机的进气通路，关闭往复式压缩机的进气通路，第二电磁三通阀的第一端口和第三端口均打开，第二电磁三通阀的第二端口关闭，通过离心式压缩机对空气进行压缩并储存于储气库内；
当所述运行流量高于离心式压缩机设计流量的150％时，控制第一电磁三通阀打开离心式压缩机的进气通路，关闭往复式压缩机的进气通路，同时控制第二电磁三通阀打开离心式压缩机排气端通往往复式压缩机的进气端通路，并关闭第二电磁三通阀的第三端口，使离心式压缩机与往复式压缩机串连，先通过离心式压缩机对空气进行压缩，到达预设压力后再进入往复式压缩机内进行压缩并储存于储气库内；
余热利用循环***将离心式压缩机和往复式压缩机压缩空气过程中的压缩热进行储存；
释能阶段：膨胀做功模块利用储气库中压缩空气进行做功，同时，余热利用循环***对膨胀做功模块的膨胀气体进行加热，回收膨胀做功模块膨胀过程中产生的冷量并进行储存。
优选的，余热利用循环***包括第一换热器、第二换热器、蓄冷器和蓄热器，第一换热器的热进口与离心式压缩机的换热循环出口以及往复式压缩机的换热循环出口连接，第一换热器的冷出口与离心式压缩机的换热循环入口以及往复式压缩机的换热循环入口连接；
第一换热器的热出口通过导热介质连通蓄热器，第一换热器的冷进口通过导热介质连通蓄冷器；
第二换热器的热进口通过导热介质连通蓄热器，第二换热器的热出口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环进口，第二换热器的冷出口通过导热介质连通蓄冷器，第二换热器的冷进口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环出口；
在储能阶段，蓄冷器中储存的导热介质流经通过第一换热器后进入往复式压缩机和离心式压缩机的换热循环入口，吸收往复式压缩机和离心式压缩机压缩产生的热量，导热介质从往复式压缩机和离心式压缩机的换热循环出口流出并经第一换热器后储存入蓄热器中；
在释能阶段，蓄热器中储存的导热介质经第二换热器后进入膨胀做功模块加热膨胀气体，换热后的导热介质经膨胀做功模块的换热循环出口、第二换热器进入蓄冷器中储存。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过设置第一电磁三通阀、第二电磁三通阀及相关管路，能利用往复式压缩机和离心式压缩机单独或者两者以串联的方式对空气进行压缩，本发明适用于10MW级到500MW级的大规模压缩空气储能***，巧妙结合往复式压缩机与离心式压缩机适用的工况特点，在不改变任何压缩机结构的情况下，对两种压缩机的应用进行了组合。当出现大幅变工况运行时，通过切换气路，使得适用于当前工况特点的压缩机进行工作，或是形成两种压缩机串联组合的形式，大幅提高***效率。本发明回收储能阶段压缩机运行时释放的热量，将其储存起来，用于加热释能阶段膨胀机中的气体，该方法既对压缩机进行了降温提升了压缩机效率，又很好的提升了膨胀机的运行效率，从而使得整个***的储能效率大幅提升。
附图说明
图1为本发明实施例中适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***的结构示意图。
图中：11-往复式压缩机，111-油气分离器，12-离心式压缩机，21-控制模块，22-第一电磁三通阀，22-1-第一管路，22-2-第二管路，23-第二电磁三通阀，23-1-第三管路，23-2-第四管路，23-3-第五管路，31-第一换热器，32-第二换热器，33-蓄冷器，34-蓄热器，44-储气库，55-膨胀机，56-发电机。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
本发明中对于描述流量、压比时使用的“较大”、“较小”、“较高”、“较低”、“低于”、“高于”、“接近”、“适中”等词语，主要是指相较于最原始的设计工况而言的波动范围，本领域的技术人员可根据具体的应用工况与环境自行定义临界转换的参数。
现有压缩空气储能***中能量转换效率低，主要是因为现有储能***中单一使用特定形式的压缩机组，使得***面对变工况时，压缩机组整体效率较低；另一方面，气体增压过程中缸内气体温度不断升高使得压缩机需要消耗更多压缩功，而压缩机产生的热量直接耗散掉而造成能量的损失。有鉴于此，本发明提供了以下适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***及方法。
如图1所示，本发明的***主要包括储能阶段装置、释能阶段装置与压缩机余热利用循环装置。
储能阶段装置主要包括离心式压缩机12、往复式压缩机11、气路的控制模块21及第一电磁三通阀22和第二电磁三通阀23。第一电磁三通阀22左侧端口为其第一端口，作为环境空气的入口，第一电磁三通阀22通过线路与控制模块21相连，第一电磁三通阀22的上下两侧端口(即第二端口和第三端口)分别通过第一管路22-1和第二管路22-2连接到离心式压缩机12与往复式压缩机11的空气入口。控制模块21通过线路连接第二电磁三通阀23。离心式压缩机12的压缩空气出口通过第三管路23-1与第二电磁三通阀23的上的端口(即其第一端口)连接。第二电磁三通阀23左侧端口(即其第二端口)通过第四管路23-2与往复式压缩机11的入口连通，第二电磁三通阀23下侧端口(即其第三端口)通过第五管路23-3连接到储气库44的入口。往复式压缩机11的压缩空气出口与储气库44入口通过管路连接，且该管路上设有油气分离器111。
释能阶段装置主要有储气库44、膨胀机55和发电机56。储气库44通过管路连接膨胀机55的气路入口，膨胀机55的气路出口直接连通大气。膨胀机55通过线路连接发电机56。
压缩机余热利用循环装置主要有第一换热器31、第二换热器32、蓄冷器33和蓄热器34。第一换热器31上方的入口(即其热进口)通过管路连接往复式压缩机11的换热循环出口与离心式压缩机12的换热循环出口，第一换热器31右侧的出口(即其冷出口)通过管路连接往复式压缩机11的换热循环入口与离心式压缩机12的换热循环入口。第一换热器31下方的出口(即其热出口)通过导热介质连通蓄热器34，第一换热器31左侧的入口(即其冷进口)通过导热介质连通蓄冷器33。第二换热器32右侧的入口(即其冷入口)通过管路连接膨胀机55的换热循环出口，第二换热器32下方的出口(即其热出口)通过管路连接膨胀机55的换热循环入口。第二换热器32左侧的出口(即其冷出口)通过导热介质连通蓄冷器33，第二换热器32上方的入口(即其热进口)通过导热介质连通蓄热器34。
本发明适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行方法，具体的实施过程如下：
储能阶段：电网输入风、光等分布式新能源所产生的富余电能，根据驱动压缩机的电动机的输入功率以及储气库44的充气时间、体积流量这些参数计算离心式压缩机12的运行流量；
当计算的运行流量低于离心式压缩机12设计流量的30％时，通过控制模块21控制第一电磁三通阀22打开往复式压缩机11的进气通路，关闭离心式压缩机12的进气通路，通过控制模块21控制第二电磁三通阀23关闭第二电磁三通阀23的第一端口、第二端口和第三端口，使得环境空气进入往复式压缩机11内进行增压，随后进入油气分离器111中去除润滑油，然后进入储气库44储存；
当计算的运行流量为离心式压缩机12设计流量的70％到150％时，通过控制模块21控制第一电磁三通阀22打开离心式压缩机12的进气通路，关闭往复式压缩机11的进气通路，同时通过控制模块21控制第二电磁三通阀23打开第一端口和第三端口、关闭第二端口，使得环境空气进入离心式压缩机12中进行增压并进入储气库44储存；
当计算的运行流量高于离心式压缩机12设计流量的150％时，通过控制模块21控制第一电磁三通阀22打开离心式压缩机12的进气通路，关闭往复式压缩机11的进气通路，同时通过控制模块21控制第二电磁三通阀23打开离心式压缩机12排气端通往往复式压缩机11的进气通路，并关闭第二电磁三通阀23直接通往储气库44的气体通路(即关闭第二电磁三通阀23的第三端口)，形成离心式压缩机12与往复式压缩机11的串联通路，使得空气先进入离心式压缩机12内进行压缩，到达一定压力后再进入往复式压缩机11内完成气体增压过程，之后经过油气分离器111净化并进入储气库44中进行存储，直到完成整个储能过程。
释能阶段，储气库44中的高压气体流出，进入膨胀机55中做功，并带动发电机56发电，输出电能并入用户电网；
在储能阶段，离心式压缩机12和往复式压缩机11运行而产生大量压缩热，通过第一换热器31对离心式压缩机12和往复式压缩机11进行冷却，提高压缩机的效率，并将吸收的压缩热储存入蓄热器34中；在释能阶段，高压气体在膨胀机55中做功时产生大量冷量，利用蓄热器34中储存的热量经第二换热器32后加热膨胀气体，提升膨胀机55的效率，并通过第二换热器32回收膨胀过程中产生的冷量，储存在蓄冷器33中，用于给储能阶段工作的离心式压缩机12和往复式压缩机11降温。
从上述方案可以看出，本发明在储能阶段，电网输入风、光等分布式新能源所产生的富余电能，通过控制模块控制第一、第二电磁三通阀的启闭，能够形成适应工况下压缩机的联合形式。

Claims (8)

1.适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，包括往复式压缩机(11)、离心式压缩机(12)、第一电磁三通阀(22)、第二电磁三通阀(23)、储气库(44)、膨胀做功模块和余热利用循环***；
第一电磁三通阀(22)的第一端口作为进气口，第一电磁三通阀(22)的第二端口通过第一管路(22-1)与离心式压缩机(12)的进气口连通，第一电磁三通阀(22)的第三端口通过第二管路(22-2)与往复式压缩机(11)的进气口连通，往复式压缩机(11)的出气口与储气库(44)入口连通；
第二电磁三通阀(23)的第一端口通过第三管路(23-1)与离心式压缩机(12)的出气口连通，第二电磁三通阀(23)的第二端口通过第四管路(23-2)与往复式压缩机(11)的进气口连通，第二电磁三通阀(23)的第三端口通过第五管路(23-3)与储气库(44)的入口连通；
膨胀做功模块与储气库(44)出口连通；
离心式压缩机(12)的换热循环接口、往复式压缩机(11)的换热循环接口和膨胀做功模块的换热循环接口均与余热利用循环***连接。
2.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，还包括控制模块(21)，第一电磁三通阀(22)和第二电磁三通阀(23)均与控制模块(21)连接。
3.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，往复式压缩机(11)的出气口与储气库(44)入口连通的管路上设有油气分离器(111)。
4.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，余热利用循环***包括第一换热器(31)、第二换热器(32)、蓄冷器(33)和蓄热器(34)，第一换热器(31)的热进口与离心式压缩机(12)的换热循环出口以及往复式压缩机(11)的换热循环出口连接，第一换热器(31)的冷出口与离心式压缩机(12)的换热循环入口以及往复式压缩机(11)的换热循环入口连接；
第一换热器(31)的热出口通过导热介质连通蓄热器(34)，第一换热器(31)的冷进口通过导热介质连通蓄冷器(33)；
第二换热器(32)的热进口通过导热介质连通蓄热器(34)，第二换热器(32)的热出口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环进口，第二换热器(32)的冷出口通过导热介质连通蓄冷器(33)，第二换热器(32)的冷进口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环出口。
5.根据权利要求1所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，所述膨胀做功模块包括膨胀机(55)。
6.根据权利要求5所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***，其特征在于，所述膨胀做功模块还包括发电机(56)，发电机(56)与所述膨胀机(55)连接。
7.适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行方法，其特征在于，该方法通过权利要求1-6任意一项所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行***实现，包括如下过程：
储能阶段：将电网的富余电能用来驱动往复式压缩机(11)和离心式压缩机(12)工作，计算离心式压缩机(12)的运行流量；
当所述运行流量低于离心式压缩机(12)设计流量的30％时，控制第一电磁三通阀(22)，使往复式压缩机(11)的进气通路打开，离心式压缩机(12)的进气通路关闭，第二电磁三通阀(23)的第一端口、第二端口和第三端口关闭，通过往复式压缩机(11)对空气进行压缩并储存于储气库(44)内；
当所述运行流量为离心式压缩机(12)设计流量的70％到150％时，控制第一电磁三通阀(22)打开离心式压缩机(12)的进气通路，关闭往复式压缩机(11)的进气通路，第二电磁三通阀(23)的第一端口和第三端口均打开，第二电磁三通阀(23)的第二端口关闭，通过离心式压缩机(12)对空气进行压缩并储存于储气库(44)内；
当所述运行流量高于离心式压缩机(12)设计流量的150％时，控制第一电磁三通阀(22)打开离心式压缩机(12)的进气通路，关闭往复式压缩机(11)的进气通路，同时控制第二电磁三通阀(23)打开离心式压缩机(12)排气端通往往复式压缩机(11)的进气端通路，并关闭第二电磁三通阀(23)的第三端口，使离心式压缩机(12)与往复式压缩机(11)串连，先通过离心式压缩机(12)对空气进行压缩，到达预设压力后再进入往复式压缩机(11)内进行压缩并储存于储气库(44)内；
余热利用循环***将离心式压缩机(12)和往复式压缩机(11)压缩空气过程中的压缩热进行储存；
释能阶段：膨胀做功模块利用储气库(44)中压缩空气进行做功，同时，余热利用循环***对膨胀做功模块的膨胀气体进行加热，回收膨胀做功模块膨胀过程中产生的冷量并进行储存。
8.根据权利要求7所述的适用于压缩空气储能***变工况运行的压缩机联合运行方法，其特征在于，余热利用循环***包括第一换热器(31)、第二换热器(32)、蓄冷器(33)和蓄热器(34)，第一换热器(31)的热进口与离心式压缩机(12)的换热循环出口以及往复式压缩机(11)的换热循环出口连接，第一换热器(31)的冷出口与离心式压缩机(12)的换热循环入口以及往复式压缩机(11)的换热循环入口连接；
第一换热器(31)的热出口通过导热介质连通蓄热器(34)，第一换热器(31)的冷进口通过导热介质连通蓄冷器(33)；
第二换热器(32)的热进口通过导热介质连通蓄热器(34)，第二换热器(32)的热出口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环进口，第二换热器(32)的冷出口通过导热介质连通蓄冷器(33)，第二换热器(32)的冷进口通过管路连接膨胀做功模块的换热循环出口；
在储能阶段，蓄冷器(33)中储存的导热介质流经通过第一换热器(31)后进入往复式压缩机(11)和离心式压缩机(12)的换热循环入口，吸收往复式压缩机(11)和离心式压缩机(12)压缩产生的热量，导热介质从往复式压缩机(11)和离心式压缩机(12)的换热循环出口流出并经第一换热器(31)后储存入蓄热器(34)中；
在释能阶段，蓄热器(34)中储存的导热介质经第二换热器(32)后进入膨胀做功模块加热膨胀气体，换热后的导热介质经膨胀做功模块的换热循环出口、第二换热器(32)进入蓄冷器(33)中储存。
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