專利名稱：壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體涉及ー種壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
從目前的科技發(fā)展水平來(lái)看，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(CAES)和抽水蓄能技術(shù)是能夠?qū)?、現(xiàn)電能大規(guī)模儲(chǔ)存僅有的兩種技木。由于我國(guó)廣大的西部地區(qū)普遍干旱缺水，抽水蓄能技術(shù)暫無(wú)法采用，因此，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)成為我國(guó)，尤其是西部地區(qū)，對(duì)風(fēng)電進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存ロ隹一可以米用的技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)外已有30年以上的應(yīng)用和發(fā)展歷史，今天仍在安全運(yùn)行。目前，在運(yùn)行的電站有美國(guó)的阿拉巴馬州電カ公司在麥金托什(McIntosh)地區(qū)興建的壓縮空氣儲(chǔ)能電站和德國(guó)的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站。根據(jù)國(guó)外壓縮空氣儲(chǔ)能電站熱力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展歷史，大致可劃分為兩代技術(shù)第一代電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)為同一電機(jī)，系統(tǒng)中不帶燃?xì)廨啓C(jī)，電機(jī)、壓縮機(jī)和氣體膨脹機(jī)實(shí)行共軸轉(zhuǎn)動(dòng)，透平膨脹機(jī)進(jìn)氣加熱由低壓透平膨脹機(jī)排氣余熱和補(bǔ)燃裝置共同完成。目前在運(yùn)行的壓縮空氣系統(tǒng)均可歸為第一代壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，如圖I所示。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下I.該系統(tǒng)采用直鏈結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)與氣體透平共軸，二者共用ー個(gè)電機(jī)，分別通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接。在儲(chǔ)能過(guò)程中，氣體透平膨脹機(jī)與電機(jī)脫開(kāi)，電機(jī)為電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)壓縮機(jī)工作，向地下儲(chǔ)氣洞穴輸送帶壓氣體；在發(fā)電過(guò)程中，壓縮機(jī)與電機(jī)脫開(kāi)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)在地下帶壓氣體的推動(dòng)下推動(dòng)氣體透平膨脹機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，向電網(wǎng)輸電。2.系統(tǒng)中壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)采用的是水冷卻型中冷器和后冷卻器，并且未回收壓縮過(guò)程中氣體釋放的熱量。3.系統(tǒng)中未加裝燃?xì)馔钙?。氣體透平膨脹機(jī)分為高壓氣體透平膨脹機(jī)和低壓氣體透平膨脹機(jī)，二者串級(jí)連接且同電機(jī)共軸。4.高壓氣體透平膨脹機(jī)進(jìn)ロ被低壓氣體透平膨脹機(jī)排空氣體余熱加溫至600度。低壓氣體透平膨脹機(jī)進(jìn)氣口前加裝外燃式加熱器，將氣體透平膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度加熱至800度。第二代如圖2所示壓縮機(jī)采用多機(jī)組并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，每臺(tái)壓縮機(jī)機(jī)組擁有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)，氣體膨脹機(jī)也采用多機(jī)組并聯(lián)，每臺(tái)機(jī)組擁有各自獨(dú)立的發(fā)電機(jī)，發(fā)電部分和壓縮部分完全獨(dú)立，在系統(tǒng)外加燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱被用于加熱氣體膨脹機(jī)的進(jìn)氣，再輔以燃?xì)饧訜崞鳎箽怏w膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，世界上還未有一套壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)采用第二代壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在運(yùn)行，僅僅對(duì)其進(jìn)行了初歩的理論研究和分析。熱カ計(jì)算結(jié)果表明帶燃?xì)廨啓C(jī)的第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的能量裝換效率。但是，從系統(tǒng)圖2中可以看出，該系統(tǒng)要求外部必須有足夠的天然氣氣源，此外，其高效率還得益于把天然氣中所含有效能量進(jìn)行了合理的分級(jí)使用，高溫?zé)崃坑糜诎l(fā)電，排放燃燒產(chǎn)物的余熱用來(lái)加熱透平膨脹機(jī)進(jìn)ロ氣體。氣體壓縮過(guò)程中所釋放的熱量通過(guò)冷卻水排空。缺點(diǎn)一代系統(tǒng)需要采用外部熱源向系統(tǒng)補(bǔ)充熱量，但未對(duì)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量加以回收利用。此外，該系統(tǒng)由于未采用燃?xì)馔钙?，燃料含有的有效能量未被充分利用；系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率不會(huì)很高；由于機(jī)組采用的是直連形式，主機(jī)(壓縮機(jī)和氣體透平膨脹機(jī))選型 受限，不利于設(shè)備的批量化生產(chǎn)。ニ代系統(tǒng)中引入了燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱或者中間抽取高溫燃?xì)庾鳛閴嚎s空加熱熱源，雖然系統(tǒng)的比效率與發(fā)電效率會(huì)大幅升高，但是需要大量的燃?xì)?，這種壓縮空氣儲(chǔ)能電站不適合應(yīng)用在缺乏天然氣、或天然氣比較昂貴和缺水干旱地區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提出ー種新型的具有兩個(gè)儲(chǔ)罐、一個(gè)預(yù)膨脹器、一個(gè)回?zé)崞鲏嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，具體如下一種壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)組、透平膨脹機(jī)、中間冷卻器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱水儲(chǔ)罐、冷水儲(chǔ)罐、預(yù)熱器、補(bǔ)燃式空氣加熱器；該系統(tǒng)利用用戶剩余電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，冷卻水冷卻流經(jīng)中間冷卻器的高壓空氣，冷卻后的高壓空氣存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣礦洞中；熱水儲(chǔ)罐用于存儲(chǔ)中間冷卻器流出的熱水；發(fā)電時(shí)，預(yù)熱器中流過(guò)所述熱水對(duì)高壓儲(chǔ)氣礦洞中的高壓氣體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的氣體通過(guò)補(bǔ)燃式空氣加熱器加熱，加熱后的氣體通過(guò)透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；冷水儲(chǔ)罐儲(chǔ)存所述預(yù)熱器產(chǎn)生的冷水。多個(gè)壓縮機(jī)組組成串級(jí)系統(tǒng)、且共用一個(gè)電動(dòng)機(jī)；多個(gè)透平膨脹機(jī)組成的串級(jí)系統(tǒng)共用一個(gè)發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)還包括一個(gè)回?zé)崞?，連接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間。該系統(tǒng)還包括ー個(gè)預(yù)膨脹裝置預(yù)膨脹裝置連接到高壓儲(chǔ)氣礦洞對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)膨脹；發(fā)電時(shí)，預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體通過(guò)所述預(yù)熱器吸收熱水的熱量，熱水被冷卻后，被儲(chǔ)存冷水儲(chǔ)罐內(nèi)，并用這部分水冷卻壓縮機(jī)組；回?zé)崞鬟B接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間，空氣加熱器連接到透平膨脹機(jī)。該系統(tǒng)還包括兩個(gè)泵，一個(gè)連接在所述中間冷卻器和低溫蓄水容器之間，另ー個(gè)連接在高溫蓄水容器和預(yù)熱器之間。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的特點(diǎn)是在系統(tǒng)中加入了兩個(gè)儲(chǔ)罐、ー個(gè)預(yù)膨脹器、一個(gè)回?zé)崞?，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與第一代和第二代儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大區(qū)別在于最大限度地減低系統(tǒng)對(duì)外界排放熱量中所含的有效能量，回收壓縮機(jī)壓縮過(guò)程中放出的熱量。該系統(tǒng)可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。比第一代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的理念更為先進(jìn)，因?yàn)樗浞掷昧藟嚎s空氣過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率比第一代要高2%左右。同第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，其轉(zhuǎn)換效率壓低8%左右。其根本原因是該系統(tǒng)未加裝燃?xì)廨啓C(jī)，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單。本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)是ー個(gè)封閉系統(tǒng)，其中水分沒(méi)有流失，通過(guò)兩個(gè)儲(chǔ)罐對(duì)熱量?jī)?chǔ)存，完全回收沒(méi)有額外浪費(fèi)。此外，該系統(tǒng)所需天然氣的量要比第二代少得多，最重要的是，該系統(tǒng)可以采用礦物質(zhì)燃料加熱，適用于干旱缺水地區(qū)。
綜上所述，本發(fā)明的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)特別適用于在缺乏天然氣、缺水干旱地區(qū)，我們提出ー種新型的第三代壓縮空氣儲(chǔ)能技木。


圖I是第一代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖2是第二代壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖3是本發(fā)明的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖中Cl，C2，C3，C4，C5是壓縮機(jī)；Τ1，Τ2是透平膨脹機(jī);ΜΗ是高壓儲(chǔ)氣礦洞；IC1，IC2，IC3，IC4都是中間冷卻器;M是電動(dòng)機(jī)；G是發(fā)電機(jī)；HST是熱水儲(chǔ)罐；CC是冷水儲(chǔ)罐；RPH是回?zé)崞?；HRH是預(yù)熱器；Boiller是空氣加熱器，PUMP I, PUMP2是水泵，PEX是預(yù)膨脹裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。如圖3所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括壓縮機(jī)Cl，C2, C3, C4，C5 ;透平膨脹機(jī)Tl，T2 ;中間冷卻器ICl，IC2，IC3，IC4 ；電動(dòng)機(jī)M ;發(fā)電機(jī)G ;熱水儲(chǔ)罐HST ;冷水儲(chǔ)罐CC ;預(yù)膨脹裝置PEX ;熱水儲(chǔ)罐HST ;回?zé)崞鱎PH ;空氣加熱器boilIer。該系統(tǒng)利用用戶用電低谷時(shí)期或風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電高峰時(shí)期用不完的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組Cl，C2，C3，C4，C5工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，并經(jīng)過(guò)中間冷卻器IC1，IC2，IC3，IC4對(duì)高壓空氣進(jìn)行冷卻，冷卻后的高壓空氣存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣礦洞MH中。熱水儲(chǔ)罐HST中存儲(chǔ)中間冷卻器IC1，IC2，IC3，IC4冷卻高壓氣體后產(chǎn)生熱水，用來(lái)預(yù)熱氣體透平膨脹機(jī)Tl，T2進(jìn)氣。當(dāng)需要發(fā)電吋，預(yù)膨脹裝置PEX對(duì)高壓儲(chǔ)氣礦洞MH中的冷卻高壓氣體進(jìn)行膨脹，膨脹后的氣體為ー個(gè)具有穩(wěn)定氣壓的高壓氣體。膨脹后的氣體通過(guò)預(yù)熱器HRH進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱器HRH中流過(guò)所述熱水儲(chǔ)罐HST中存儲(chǔ)的熱水?；?zé)崞鱎PH對(duì)預(yù)熱后的氣體進(jìn)行回?zé)??；責(zé)崞鱎PH出ロ的氣體通過(guò)空氣加熱器boiller轉(zhuǎn)換為高溫高壓氣體，經(jīng)透平膨脹機(jī)Tl，T2使該氣體膨脹，以此膨脹功給發(fā)電機(jī)G提供能量。由于高壓氣體已經(jīng)通過(guò)儲(chǔ)存的熱水經(jīng)預(yù)熱器HRH進(jìn)行預(yù)熱，因此，節(jié)約了空氣加熱器boiller所需的燃料。發(fā)電時(shí)預(yù)熱器HRH加熱高壓氣體產(chǎn)生的水通過(guò)冷水儲(chǔ)罐CC收集起來(lái)，并用這部分水冷卻壓縮機(jī)組,如此循環(huán)利用。該系統(tǒng)對(duì)水資源進(jìn)行循環(huán)利用，適合在干旱缺水地區(qū)使用。圖3中在冷水儲(chǔ)罐CC和熱水儲(chǔ)罐HST的輸出端分別還接有水泵PUMP1，PUMP2用于提供水流循環(huán)的動(dòng)力。此外，該系統(tǒng)還有ー個(gè)特點(diǎn)，壓縮機(jī)采用有獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多級(jí)壓縮機(jī)機(jī)組，多個(gè)壓縮機(jī)組共用一個(gè)電動(dòng)機(jī)M。氣體膨脹透平采用是高低壓透平組成的串級(jí)系統(tǒng)，共用ー個(gè)發(fā)電機(jī)G ;這樣可以使氣體膨脹透平進(jìn)ロ溫度達(dá)到所需溫度，采用同第一代壓縮空儲(chǔ)能技術(shù)中一祥的回?zé)峒夹g(shù)和燃燒加熱技木。燃料可以采用化石類燃料。
本發(fā)明采用兩個(gè)儲(chǔ)水罐和水泵組成的閉式水循環(huán)系統(tǒng)，不僅冷卻了壓縮機(jī)組，回收利用了壓縮機(jī)組工作過(guò)程中排放的熱能，而且冷卻水得到了循環(huán)利用，無(wú)蒸發(fā)損耗，從而，從根本上解決了在干旱缺水地區(qū)使用壓縮空氣儲(chǔ)能的問(wèn)題。同時(shí)該發(fā)明中未使用同軸的膨脹機(jī)組和燃?xì)馔钙?，這樣不僅降低了對(duì)設(shè)備的特殊性要求，而且可以用煤替代天然氣對(duì)高壓空氣加熱，因此該壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以應(yīng)用在缺少天然氣、干旱 缺水地區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于包括壓縮機(jī)組、透平膨脹機(jī)、中間冷卻器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱水儲(chǔ)罐、冷水儲(chǔ)罐、預(yù)熱器、輔燃式空氣加熱器；該系統(tǒng)利用用戶剩余電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓下，冷卻水冷卻流經(jīng)中間冷卻器的高壓空氣，冷卻后的高壓空氣存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣礦洞中；熱水儲(chǔ)罐用于存儲(chǔ)中間冷卻器流出的熱水；發(fā)電時(shí)，預(yù)熱器中流過(guò)所述熱水，對(duì)高壓儲(chǔ)氣礦洞中流向氣體透平的高壓氣體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的氣體通過(guò)輔燃式空氣加熱器加熱，加熱后的氣體通過(guò)透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；冷水儲(chǔ)罐儲(chǔ)存所述預(yù)熱器產(chǎn)生的冷水。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括一個(gè)回?zé)崞鳎B接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于多個(gè)壓縮機(jī)組組成串級(jí)系統(tǒng)、且共用一個(gè)電動(dòng)機(jī)；多個(gè)透平膨脹機(jī)組成的串級(jí)系統(tǒng)共用一個(gè)發(fā)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括一個(gè)預(yù)膨脹裝置，預(yù)膨脹裝置連接到高壓儲(chǔ)氣礦洞對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)膨脹；發(fā)電時(shí)，預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體通過(guò)所述預(yù)熱器吸收熱水的熱量，熱水被冷卻后，被儲(chǔ)存在冷水儲(chǔ)罐內(nèi)，并用這部分水冷卻壓縮機(jī)組；回?zé)崞鬟B接在所述預(yù)熱器和所述空氣加熱器之間，空氣加熱器連接到透平膨脹機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括兩個(gè)泵，一個(gè)連接在所述中間冷卻器和低溫蓄水容器之間，另一個(gè)連接在高溫蓄水容器和預(yù)熱器之間。
全文摘要
一種壓縮空氣的儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)組、預(yù)膨脹裝置、透平膨脹機(jī)、中間冷卻器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱水儲(chǔ)罐、冷水儲(chǔ)罐；該系統(tǒng)利用用戶用電低谷時(shí)期或風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電高峰時(shí)期用不完的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組工作，壓縮常壓下的空氣到高壓，并將這部分富含壓力能的空氣儲(chǔ)存于耐高壓洞穴中。并在用戶用電高峰時(shí)期或風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電低谷時(shí)期，將儲(chǔ)存的高壓空氣釋放出來(lái)，推動(dòng)膨脹機(jī)組做功，輸出電能。在儲(chǔ)氣室出口加裝有氣體預(yù)膨脹裝置，使氣體透平膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力穩(wěn)定，增加發(fā)電系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性；利用預(yù)膨脹裝置出口的低溫氣體，冷卻來(lái)自熱水儲(chǔ)罐的熱水，低溫氣體因吸收來(lái)至熱水的熱量而升溫，被冷卻的水進(jìn)入冷水儲(chǔ)罐。本發(fā)明具有熱水儲(chǔ)罐和冷水儲(chǔ)罐，水在閉合回路中被反復(fù)循環(huán)使用，不消耗水，且壓縮機(jī)排熱量被全部利用送回到預(yù)膨脹裝置出口的高壓空氣。預(yù)膨脹裝置出口的高壓空氣通過(guò)回?zé)崞鱄RH回收。
文檔編號(hào)F01D15/10GK102661175SQ201210153370
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者孫中國(guó), 席光, 毛義軍, 王麗琴, 王煥然, 程鵬 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)