CN221195145U - 一种与氢能耦合的压缩空气储能*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种与氢能耦合的压缩空气储能***，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元。该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐相连；该压缩空气释能单元包括与储气库的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机，该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中。本实用新型引入氢气燃烧器，高温排气与压缩空气混合，进一步提升透平入口空气温度，达到更高的空气透平出力和发电效率。
Description
所属技术领域
本实用新型属于新能源储能技术领域，具体涉及一种与氢能耦合的压缩空气储能***，是对现有压缩空气储能增大出力的一种方式。
背景技术
储能技术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。压缩空气储能是以压缩空气为载体进行储能，是一种低成本、大容量的新型电力储能技术。压缩储能时，通过对弃风、弃光、低谷电等电能的利用来驱动压缩机，从而将空气压缩成高压空气并储存在储气库中。同时压缩过程中的压缩热被换热器及储热介质回收，存储在蓄热***中，完成解耦存储。膨胀释能时，通过透平膨胀***将高压空气释放进行发电，同时利用所回收的压缩热能对膨胀过程进行补热，完成空气压力势能和压缩热能的耦合释能。
氢能具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等优点，是未来极具前景的能源形式。氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的重要纽带。氢气储运是氢能产业的中间环节，联结着产业链前端的制氢和后端的氢能应用环节。目前，氢气储运环节受制于氢储运效率较低的问题，一直是制约氢能产业发展的瓶颈所在，提高氢能储运效率，降低氢能储运成本，是氢能储运技术的发展重点。
目前已有补燃式大型压缩空气储能商业电站，都是利用高压空气和天然气混合燃烧，产生的高温高压烟气在燃气轮机中膨胀做功对外发电。这种流程需要天然气补燃，从而产生碳排放和环境问题，同时由于对天然气等燃料的依赖，限制了***的应用。
近几年实施的实验装置、示范项目或者大型工程，多为无外部热源的压缩空气储能***，完全利用压缩过程产生的压缩热来加热释能阶段进入空气透平做功的空气。对于一个完整的压缩空气储能工程项目，整个***通过回收、利用压缩机的级间热后，是一个热量自平衡的***，空气透平出力受限与透平入口空气温度，限制了空气透平出力的继续增大。
如何引入氢气对***进行补热，期望能进一步提升透平整体出力，摆脱高温压缩机的限制，改进压缩空气储能技术，则是亟需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种与氢能耦合的压缩空气储能***，与新能源氢气结合，针对现有氢气储运成本高，提供一种消纳氢气的技术方案，同时增大压缩空气储能***空气透平出力，提高储能***综合供能效率。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种与氢能耦合的压缩空气储能***，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元。
该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐相连；
该压缩空气释能单元包括与储气库的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机，以及该第二换热器的高温进口和低温出口分别与该高温储热罐和一低温储热罐相连；
该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中。
作为优选，该空气压缩机至少包括一级空气压缩机和二级空气压缩机，该第一换热器至少包括一级第一换热器和二级第一换热器，其中该一级空气压缩机的进气口与外部空气连通，该一级空气压缩机的出气口与一级第一换热器相连，该一级第一换热器的出气口与二级空气压缩机相连，该二级空气压缩机的出气口与二级第一换热器相连，该二级第一换热器的出气口与储气库相连通；以及，该一级第一换热器和二级第一换热器的高温介质出口均与该高温储热罐相连。
作为优选，该第二换热器至少包括一级第二换热器和二级第二换热器，该空气透平至少包括一级空气透平和二级空气透平；其中该一级第二换热器的进气口与该储气库相连通，该一级第二换热器的出气口经过第一阀门与该一级空气透平的进气口相连，该一级空气透平的出气口与该二级第二换热器的进气口相连，该二级第二换热器的出气口经过第二阀门与该二级空气透平的进气口相连，该二级空气透平带动连接发电机。
作为优选，该高温储热罐的高温介质出口分别与该一级第二换热器和二级第二换热器的高温空气进口相连，该一级第二换热器和二级第二换热器的低温出口分别与该低温储热罐的低温进口相连，且该低温储热罐的低温出口分别该一级第一换热器和二级第一换热器的低温进口相连。
作为优选，该高温储热罐的高温介质出口处设置有高温介质泵，该低温储热罐的低温介质出口处设置有低温介质泵。
作为优选，该氢气燃烧器至少包括一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器，该储气库的出气口分别经过第三阀门和第四阀门与一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器的进气口相连，以及还具有一储氢***，该储氢***分别与一级氢气燃烧器和二级氢气燃烧器的氢气进口相连，以及该一级氢气燃烧器的排气口经过第一引射器引入连接设置于一级第二换热器和一级空气透平之间的管道中，该二级氢气燃烧器的排气口经过第二引射器引入连接设置于二级第二换热器和二级空气透平之间的管道中。
作为优选，该储气库的出气口还分别与第一引射器和第二引射器的进气口相连。
作为优选，该一级氢气燃烧器的排气口经过第一引射器引入连接设置于第一阀门和一级空气透平之间的管道中，该二级氢气燃烧器的排气口经过第二引射器引入连接设置于第二阀门和二级空气透平之间的管道中。
作为优选，第三阀门和第四阀门均为减压阀。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
1、本实用新型属于一种引入外部热源的压缩空气储能***，采用多级压缩和热量回收的方案，提高了压缩空气储能***的效率。
2、现有压缩空气储能，透平入口温度受制于压缩机排气温度，因此***效率进一步提高受到限制，区别于现有压缩空气储能，本方案在回收压缩机排气热量之后，引入外部热源，即设置氢气燃烧器，高温排气与压缩空气混合，进一步提升透平入口空气温度，从而达到更高的空气透平出力和发电效率。提供了一种氢能与压缩空气储能技术综合应用的新思路。
3、现有压缩空气储能***，采用天然气作为燃料，增加了二氧化碳温室气体排放，区别于现有压缩空气储能，本实用新型采用氢气作为燃料，氢气燃烧产物为水蒸气，清洁无污染。
4、本实用新型设置引射器，氢气燃烧器高温排气被压缩空气储气库的高压气体引射，在引射器内混合后，再与透平入口的压缩空气混合，提高了空气透平入口的气体温度，避免了使用再热器而造成的压力损失和传热损失，同时摆脱了高温压缩机的限制。
5、本实用新型中压缩空气储能子***根据***热力参数，可选取水、导热油、熔盐等作为储热介质，充分回收和利用压缩热，提高***工作效率。
附图说明
图1是本实用新型的***结构示意图。
图1中：1一级空气压缩机，2二级空气压缩机，3一级第一换热器，4二级第一换热器，5低温储热罐，6高温储热罐，7低温介质泵，8储气库，9高温介质泵，10一级第二换热器，11一级空气透平，12二级第二换热器，13二级空气透平，14发电机，15储氢***，16一级氢气燃烧器，17第一引射器，18二级氢气燃烧器，19第二引射器，20第一阀门，21第二阀门，22第三阀门，23第四阀门。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行详细阐述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：如图1所示，一种与氢能耦合的压缩空气储能***，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元。
该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库8相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐6相连；该压缩空气释能单元包括与储气库8的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机14，以及该第二换热器的高温进口和低温出口分别与该高温储热罐6和一低温储热罐5相连；该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中，以引入外部热源，使高温排气与压缩空气混合，进一步提升透平入口空气温度。
其中，该空气压缩机至少包括一级空气压缩机1和二级空气压缩机2，该第一换热器至少包括一级第一换热器3和二级第一换热器4，其中该一级空气压缩机1的进气口与外部空气连通，该一级空气压缩机1的出气口与一级第一换热器3相连，该一级第一换热器3的出气口与二级空气压缩机2相连，该二级空气压缩机2的出气口与二级第一换热器4相连，该二级第一换热器4的出气口与储气库8相连通；以及，该一级第一换热器3和二级第一换热器4的高温介质出口均与该高温储热罐6相连，回收的热量通过储热介质储存在高温储罐内。
该第二换热器至少包括一级第二换热器10和二级第二换热器12，该空气透平至少包括一级空气透平11和二级空气透平13；其中该一级第二换热器10的进气口与该储气库8相连通，该一级第二换热器10的出气口经过第一阀门20与该一级空气透平11的进气口相连，该一级空气透平11的出气口与该二级第二换热器12的进气口相连，该二级第二换热器12的出气口经过第二阀门21与该二级空气透平13的进气口相连，该二级空气透平13带动连接发电机14。
该高温储热罐6的高温介质出口分别与该一级第二换热器10和二级第二换热器12的高温空气进口相连，该一级第二换热器10和二级第二换热器12的低温出口分别与该低温储热罐5的低温进口相连，释放热量后的低温介质储存在低温储罐内，且该低温储热罐5的低温出口分别该一级第一换热器3和二级第一换热器4的低温进口相连。
该高温储热罐6的高温介质出口处设置有高温介质泵9，该低温储热罐5的低温介质出口处设置有低温介质泵7。
以及，如图1所示，该氢气燃烧器至少包括一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18，该储气库8的出气口分别经过第三阀门22和第四阀门23与一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18的进气口相连，优选第三阀门22和第四阀门23均为减压阀。以及还具有一储氢***15，该储氢***15分别与一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18的氢气进口相连，以及该一级氢气燃烧器16的排气口经过第一引射器17引入连接设置于一级第二换热器10和一级空气透平11之间的管道中，该二级氢气燃烧器18的排气口经过第二引射器19引入连接设置于二级第二换热器12和二级空气透平13之间的管道中。
该储气库8的出气口还分别与第一引射器17和第二引射器19的进气口相连。该一级氢气燃烧器16的排气口经过第一引射器17引入连接设置于第一阀门20和一级空气透平11之间的管道中，该二级氢气燃烧器18的排气口经过第二引射器19引入连接设置于第二阀门21和二级空气透平13之间的管道中。
通过管道实现各单元的连接。具体运行方法如下：
压缩过程：利用低谷电、弃风电、弃光电等驱动一级空气压缩机1和二级空气压缩机2，将环境大气压缩至高压并存储在储气库8中，完成高压气体的存储。同时通过一级第一换热器3和二级第一换热器4收集压缩过程中产生的压缩热，并将其存储在高温储热罐6中。通过压缩过程，实现电能的存储，将电能转换为高压空气的分子内势能和储热介质中的热能。
膨胀发电过程：当电量短缺或需要用电时，高压空气从储气库8中释放出来，经过一级第二换热器10加热后，再经过第一阀门20，与第一引射器17出口的高温排气混合，进入一级空气透平11膨胀做功。做功后的空气从一级空气透平11排出，再次经过二级第二换热器12加热后，再经过第二阀门21，与第二引射器19出口的高温排气混合，进入二级空气透平13膨胀做功，带动发电机14发电。最后，二级空气透平13的排气直接放入环境大气中，完成膨胀发电过程。释放热量后的低温介质储存在低温储热罐5内。
为了提高气体的做功能力，引入氢气对***进行补热，储氢***15内部的氢气分别进入一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18，储气库8的空气经第三阀门22和第四阀门23减压后，分别进入一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18，一级氢气燃烧器16和二级氢气燃烧器18的高温排气作为被引射气体，在第一引射器17和第二引射器19内，与低温高压空气混合后，与第一阀门20和第二阀门21出口的空气混合，进一步提升空气温度。
上述详细设计与机组运行方式有关，在工程中一般根据运行模式优化确定。
另外需要说明的是：
1、本实施例压缩过程采用两级压缩，膨胀过程采用两级膨胀，级数较少，本实用新型可用于多级压缩和多级膨胀过程。
2、本实用新型高温储热罐6和低温储热罐5设置个数、储热介质应根据实际工程方案确定。
3、本实用新型回收压缩过程中产生的压缩热，在此基础上引入外部热源；引入外部热源需在提升空气透平入口端温度考虑。
Claims (9)
1.一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，包括压缩空气储能单元、压缩空气释能单元和氢气燃烧补热单元；
该压缩空气储能单元包括空气压缩机及与空气压缩机相连的第一换热器，该第一换热器的高压气体出口与一储气库(8)相连，该第一换热器的高温介质出口与一高温储热罐(6)相连；
该压缩空气释能单元包括与储气库(8)的出气口相连的第二换热器，第二换热器的出口连接设置空气透平，空气透平带动连接发电机(14)，以及该第二换热器的高温进口和低温出口分别与该高温储热罐(6)和一低温储热罐(5)相连；
该氢气燃烧补热单元包括氢气燃烧器，该氢气燃烧器的高温排气经引射器引入连接设置于第二换热器和空气透平之间的管道中。
2.根据权利要求1所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该空气压缩机至少包括一级空气压缩机(1)和二级空气压缩机(2)，该第一换热器至少包括一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)，其中该一级空气压缩机(1)的进气口与外部空气连通，该一级空气压缩机(1)的出气口与一级第一换热器(3)相连，该一级第一换热器(3)的出气口与二级空气压缩机(2)相连，该二级空气压缩机(2)的出气口与二级第一换热器(4)相连，该二级第一换热器(4)的出气口与储气库(8)相连通；以及，该一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)的高温介质出口均与该高温储热罐(6)相连。
3.根据权利要求2所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该第二换热器至少包括一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)，该空气透平至少包括一级空气透平(11)和二级空气透平(13)；其中该一级第二换热器(10)的进气口与该储气库(8)相连通，该一级第二换热器(10)的出气口经过第一阀门(20)与该一级空气透平(11)的进气口相连，该一级空气透平(11)的出气口与该二级第二换热器(12)的进气口相连，该二级第二换热器(12)的出气口经过第二阀门(21)与该二级空气透平(13)的进气口相连，该二级空气透平(13)带动连接发电机(14)。
4.根据权利要求3所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该高温储热罐(6)的高温介质出口分别与该一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)的高温空气进口相连，该一级第二换热器(10)和二级第二换热器(12)的低温出口分别与该低温储热罐(5)的低温进口相连，且该低温储热罐(5)的低温出口分别该一级第一换热器(3)和二级第一换热器(4)的低温进口相连。
5.根据权利要求4所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该高温储热罐(6)的高温介质出口处设置有高温介质泵(9)，该低温储热罐(5)的低温介质出口处设置有低温介质泵(7)。
6.根据权利要求4所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该氢气燃烧器至少包括一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)，该储气库(8)的出气口分别经过第三阀门(22)和第四阀门(23)与一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)的进气口相连，以及还具有一储氢***(15)，该储氢***(15)分别与一级氢气燃烧器(16)和二级氢气燃烧器(18)的氢气进口相连，以及该一级氢气燃烧器(16)的排气口经过第一引射器(17)引入连接设置于一级第二换热器(10)和一级空气透平(11)之间的管道中，该二级氢气燃烧器(18)的排气口经过第二引射器(19)引入连接设置于二级第二换热器(12)和二级空气透平(13)之间的管道中。
7.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该储气库(8)的出气口还分别与第一引射器(17)和第二引射器(19)的进气口相连。
8.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，该一级氢气燃烧器(16)的排气口经过第一引射器(17)引入连接设置于第一阀门(20)和一级空气透平(11)之间的管道中，该二级氢气燃烧器(18)的排气口经过第二引射器(19)引入连接设置于第二阀门(21)和二级空气透平(13)之间的管道中。
9.根据权利要求6所述的一种与氢能耦合的压缩空气储能***，其特征在于，第三阀门(22)和第四阀门(23)均为减压阀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |