CN221074569U - 一种模块化配置换热***共用的caes*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模块化配置换热***共用的CAES***，涉及压缩空气储能电站技术领域。它包括换热器模块、空气压缩机、空气透平、储气库、低温储罐和高温储罐，空气压缩机出口和空气透平入口均与换热器模块高温侧的高温压缩空气母管连接；储气库入口与换热器模块低温侧的低温压缩空气母管连接；低温储罐与换热器模块低温侧的低温储热介质母管连接；高温储罐与换热器模块高温侧的高温储热介质母管连接。本实用新型的压缩侧和膨胀侧换热***共用，可以解决换热器设备数量多、占地面积大、投资高的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及压缩空气储能电站技术领域，更具体地说它是一种模块化配置换热***共用的CAES***。
背景技术
储能是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术之一，具有提高新能源消纳比例、保障电力***安全稳定运行、提高发输配电设施利用率、促进多网融合等多方面作用；同时，储能是将随机波动能源变为友好能源的关键技术之一；应用储能技术，可打破原有电力***发输变配用必须实时平衡的瓶颈。
非补燃式压缩空气储能***具有规模大、响应快、效率高、成本低、环保等优点，可实现电力调峰、调频、调相、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力***效率、稳定性、安全性。整体***主要由压缩储能***、膨胀发电***、换热***、储热***及储气***构成，运行分为储能过程和释能过程；储能过程是在电网负荷低谷期间，通过空气压缩机将电能转化为空气内能，并将高温高压空气经换热器冷却后储存在盐穴、洞穴、矿井或压力容器等储气库中；释能过程是在电网负荷高峰期间，放出储气库中的高压空气，经换热器加热后，推动空气透平发电。
换热器作为储能和释能过程中热量交换的工具，是非补燃式压缩空气储能***实现热平衡的核心装备，换热器的设计直接影响***的配置和效率；另外，常规压缩空气储能电站在压缩侧和透平侧分别设置换热器，导致换热器数量多、占地广，费用高。
压缩空气储能电站的主要作用是削峰填谷，促进新能源的消纳，因此其在一个周期内的运行小时数是由当地电网峰谷特性决定，一般储能时长和释能时长并不一致；目前国内已投运或在建的压缩空气储能电站，储能时长均大于释能时长；以储能8h，释能5h为例，由于储气库在一个周期内注入的空气总量和采出的空气总量相等，释能阶段采气流量将是储能阶段注气流量的1.6倍；此时如果压缩侧和膨胀侧的换热回路完整共用，则回路中气流流量在储能和释能阶段的巨大差异将导致换热器内部空气流速相对设计流速过快或过慢，如果流速过慢则会降低换热系数，增大换热端差，降低热能利用率从而降低整套***效率；如果流速过快则会导致气侧压损增加，降低整套***效率，同时流速过快也会导致换热器内部管束振动，影响其安全稳定运行。
专利CN113027734A中提出一种基于蓄热释热共用回路的压缩空气储能***及方法，通过共用回路克服了常规***中两个回路投资成本过高的问题；
专利CN105370408A中提出一种新型蓄热式压缩空气储能***，通过压缩机组和膨胀机组共用换热器，解决了蓄热式压缩空气储能***换热器重复布置、占地多、成本高等问题。
但是，以上两个专利均为换热回路完整共用，适用于储能和释能阶段压缩空气流量差别不大的场景，否则换热器内空气流速将偏离设计工况而导致换热效效果变差，甚至影响换热器安全稳定运行。
因此，研发一种模块化配置换热***共用的CAES***很有必要。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种模块化配置换热***共用的CAES***。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：包括换热器模块、空气压缩机、空气透平、储气库、低温储罐和高温储罐，所述空气压缩机出口和空气透平入口均与换热器模块高温侧的高温压缩空气母管连接；所述储气库入口与换热器模块低温侧的低温压缩空气母管连接；
所述低温储罐与换热器模块低温侧的低温储热介质母管连接；所述高温储罐与换热器模块高温侧的高温储热介质母管连接。
在上述技术方案中，所述空气压缩机出口设置有第一隔离阀，所述空气透平入口设置有第二隔离阀，所述储气库入口设置有第三隔离阀。
在上述技术方案中，所述低温储罐通过第一泵组与低温储热介质母管连接，所述高温储罐通过第二泵组与高温储热介质母管连接。
在上述技术方案中，所述第一泵组上设置有第一旁路阀，所述第二泵组上设置有第二旁路阀。
在上述技术方案中，所述换热器模块包括备用换热器模块、M换热器模块和N换热器模块，所述备用换热器模块的换热器数量为1，M换热器模块的换热器数量为m，N换热器模块的换热器数量为n。
在上述技术方案中，所述备用换热器模块、M换热器模块和N换热器模块均设置第一空气接口、第二空气接口、第一储热介质接口和第二储热介质接口；所述第一空气接口和第二储热介质接口位于换热器模块的高温侧，所述第二空气接口和第一储热介质接口位于换热器模块的低温侧，所述第一空气接口通过第四隔离阀与高温压缩空气母管连接，所述第二空气接口通过第五隔离阀与低温压缩空气母管连接，所述第一储热介质接口通过第六隔离阀与低温储热介质母管连接，所述第二储热介质接口通过第七隔离阀与高温储热介质母管连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1)本实用新型的压缩侧和膨胀侧换热***共用，可以解决换热器设备数量多、占地面积大、投资高的问题。
2)本实用新型通过换热器模块化设计，提高设备使用率，减少换热器类型，降低制造成本。
3)本实用新型通过换热器模块在储能和发电阶段的灵活配置，匹配电站当地储发电时长，解决常规换热回路共用，储发电时长不一致时换热器偏离设计工况，影响电站安全稳定运行，导致全厂电电转化效率降低的问题；换热器运行更安全稳定经济。
4)本实用新型通过配置备用换热器模块，解决换热***检修时电站需停运的问题，保证电站的持续生产，提高电站运行可靠性。
5)本实用新型通过制定换热器年度投运计划，实现所有换热器年度运行小时数基本相同，提高换热器的使用寿命，解决常规换热***换热器运行小时数不同导致的换热器使用寿命不一致问题。
附图说明
图1为本实用新型的储气侧结构示意图。
图2为本实用新型的储热侧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：包括换热器模块1、空气压缩机2、空气透平3、储气库4、低温储罐5和高温储罐6，所述空气压缩机2出口和空气透平3入口均与换热器模块1高温侧的高温压缩空气母管11连接；所述储气库4入口与换热器模块1低温侧的低温压缩空气母管12连接；
所述低温储罐5与换热器模块1低温侧的低温储热介质母管13连接；所述高温储罐6与换热器模块1高温侧的高温储热介质母管14连接。换热器模块1指管壳式、发卡式、翅片管式、缠绕管式、集箱管式换热器等多种形式或其组合；储热介质是指水、导热油、熔融盐等；储气库4是指盐穴、人工硐室、管线钢、矿洞、压力容器等；高温储罐6和低温储罐5是指球罐、C型储罐、筒型储罐等。
所述空气压缩机2出口设置有第一隔离阀21，所述空气透平3入口设置有第二隔离阀31，所述储气库4入口设置有第三隔离阀41。
所述低温储罐5通过第一泵组51与低温储热介质母管13连接，所述高温储罐6通过第二泵组61与高温储热介质母管14连接。
所述第一泵组51上设置有第一旁路阀52，所述第二泵组61上设置有第二旁路阀62。
所述换热器模块1包括备用换热器模块15、M换热器模块16和N换热器模块17，所述备用换热器模块15的换热器数量为1或2，M换热器模块16的换热器数量为M，N换热器模块17的换热器数量为N。
所述备用换热器模块15、M换热器模块16和N换热器模块17均设置第一空气接口181、第二空气接口182、第一储热介质接口183和第二储热介质接口184；所述第一空气接口181和第二储热介质接口184位于换热器模块1的高温侧，所述第二空气接口182和第一储热介质接口183位于换热器模块1的低温侧，所述第一空气接口181通过第四隔离阀191与高温压缩空气母管11连接，所述第二空气接口182通过第五隔离阀192与低温压缩空气母管12连接，所述第一储热介质接口183通过第六隔离阀193与低温储热介质母管13连接，所述第二储热介质接口184通过第七隔离阀194与高温储热介质母管14连接。
图1-2所示的为单段压缩和单段膨胀，当采用多段压缩和多段膨胀时，可在每段压缩机(低压-高压)后和每段膨胀机(高压-低压)前共用换热器模块，换热器模块的设计压力可根据本段最高工作压力确定。
换热器按照模块化设计分成三部分，备用换热器模块15、M换热器模块16和N换热器模块17；换热器数量m+n根据电站储发电时长确定；通过打开或关闭第四隔离阀191和第五隔离阀192实现换热器模块1投入数量的增减，当***中某一换热器模块维修或保养时可以启用备用换热器模块15，保证电站生产不受影响；实际运行时，可根据情况设置任意一个换热器作为备用换热器；储气库4入口的第三隔离阀41在储能和释能阶段打开，其它时段关闭。
低温储罐5通过第一泵组51将低温储热介质输送至换热器模块1的低温储热介质母管13；第一泵组51设置第一旁路阀52，通过第一旁路阀52接收换热器模块1的低温储热介质母管13的低温储热介质；高温储罐6通过第二泵组61将低温储热介质输送至换热器模块1的高温侧的高温储热介质母管14，通过第二旁路阀62接收换热器模块1的高温侧的高温储热介质母管14的高温换热介质；通过第六隔离阀193和第七隔离阀194的打开或关闭实现换热器投入数量的增减，与空气侧换热器投运保持一致。
上述模块化配置换热***共用的CAES***的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：空气侧在储能阶段，M换热器模块16投入使用，关闭第二隔离阀31，打开空气压缩机2和第一隔离阀21，当空气压缩机2出口压力达到注气压力后打开第三隔离阀41向储气库4注气，此时投入的换热器数量有m个，备用换热器模块15和N换热器模块17关闭；
步骤2：空气侧在释能阶段，打开第二隔离阀31和第三隔离阀41，关闭第一隔离阀21，打开M换热器模块16和N换热器模块17进出口的第四隔离阀191和第五隔离阀192，高压空气通过换热器模块1加热后冲转透平发电，此时参与换热的换热器数量有m+n个，备用换热器模块15的第四隔离阀191和第五隔离阀192均关闭；
步骤3：换热介质侧在储能阶段中，关闭第一旁路阀52，打开第二旁路阀62，通过第一泵组51将低温储热介质从低温储罐5中输送到换热器模块1中吸收压缩热，升温后流入高温储罐6；
步骤4：换热介质侧在在发电阶段，打开第一旁路阀52，关闭第二旁路阀62，通过第二泵组61将高温储热介质从高温储罐6中输送到换热器释热降温后流入低温储罐5；第一储热介质接口183和第二储热介质接口184的第六隔离阀193和第七隔离阀194与第一空气接口181和第二空气接口182的第四隔离阀192和第五隔离阀193开关状态保持一致。
根据压缩空气储能的特点和国内电网峰谷特性现状，在一个储能释能周期内，一般储能时长均不小于释能时长，因此释能时空气流量也不小于储能时空气流量；换热器模块1数量可依据释能时空气流量开展设计，在储能时通过切除部分换热器模块1来达到空气量与换热器数量匹配的效果；另外，储能阶段，投入的换热器模块数量为m，其余n+1(或2)个换热器模块均可作为备用换热器13，通过换热器进出口隔离阀的开关实现在线切换，可显著提高储能阶段换热***可靠性；实际运行时，投入的m个换热器模块可根据年度计划进行周期性切换，保证每个换热器年运行小时基本相当，提高换热器的使用寿命。
以国内已投产某压缩空气储能电站的储发电时长为例，储能时长为8h，发电时长为5h；此时，可设m＝5，m+n＝8。在储能阶段，投入5组换热器模块，运行8小时；在发电阶段，投入8组换热器模块，运行5小时。这样可以完美匹配空气和储热介质的流量，保证换热器模块运行在最佳工况，提高设备运行稳定性和效率。此时低温储罐5的第一泵组51的流量要比高温储罐6的第二泵组61的流量低，两者流量比例应为5:8。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (6)
1.一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：包括换热器模块(1)、空气压缩机(2)、空气透平(3)、储气库(4)、低温储罐(5)和高温储罐(6)，所述空气压缩机(2)出口和空气透平(3)入口均与换热器模块(1)高温侧的高温压缩空气母管(11)连接；所述储气库(4)入口与换热器模块(1)低温侧的低温压缩空气母管(12)连接；
所述低温储罐(5)与换热器模块(1)低温侧的低温储热介质母管(13)连接；所述高温储罐(6)与换热器模块(1)高温侧的高温储热介质母管(14)连接。
2.根据权利要求1所述的一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：所述空气压缩机(2)出口设置有第一隔离阀(21)，所述空气透平(3)入口设置有第二隔离阀(31)，所述储气库(4)入口设置有第三隔离阀(41)。
3.根据权利要求2所述的一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：所述低温储罐(5)通过第一泵组(51)与低温储热介质母管(13)连接，所述高温储罐(6)通过第二泵组(61)与高温储热介质母管(14)连接。
4.根据权利要求3所述的一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：所述第一泵组(51)上设置有第一旁路阀(52)，所述第二泵组(61)上设置有第二旁路阀(62)。
5.根据权利要求4所述的一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：所述换热器模块(1)包括备用换热器模块(15)、M换热器模块(16)和N换热器模块(17)，所述备用换热器模块(15)的换热器数量为1，M换热器模块(16)的换热器数量为m，N换热器模块(17)的换热器数量为n。
6.根据权利要求5所述的一种模块化配置换热***共用的CAES***，其特征在于：所述备用换热器模块(15)、M换热器模块(16)和N换热器模块(17)均设置第一空气接口(181)、第二空气接口(182)、第一储热介质接口(183)和第二储热介质接口(184)；所述第一空气接口(181)和第二储热介质接口(184)位于换热器模块(1)的高温侧，所述第二空气接口(182)和第一储热介质接口(183)位于换热器模块(1)的低温侧，所述第一空气接口(181)通过第四隔离阀(191)与高温压缩空气母管(11)连接，所述第二空气接口(182)通过第五隔离阀(192)与低温压缩空气母管(12)连接，所述第一储热介质接口(183)通过第六隔离阀(193)与低温储热介质母管(13)连接，所述第二储热介质接口(184)通过第七隔离阀(194)与高温储热介质母管(14)连接。
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