一種熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統的制作方法

本實用新型涉及可再生能源、壓縮空氣儲能、分布式能源等領域，涉及一種無化石燃料燃燒的蓄熱式壓縮空氣儲能系統，尤其涉及一種熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統，是一種系統溫度可自適應調節并實現回收熱量梯級利用的壓縮空氣儲能系統，可有效解決壓縮空氣儲能系統非穩態運行階段溫度不穩定和濕空氣壓縮冷凝問題。

背景技術：

壓縮空氣儲能系統是一種能夠實現大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統，通過壓縮空氣在電力消耗低谷時儲存電網多余的電能或太陽能、風力發電等可再生能源產生的不穩定電能，并在需要時將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發電來獲取穩定電能，目前已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業運行。

當前主流的壓縮空氣儲能技術根據熱源的不同，主要有帶化石燃料燃燒的常規壓縮空氣儲能系統和蓄熱式壓縮空氣儲能系統兩種。常規壓縮空氣儲能系統在釋能時，需要通過化石燃料與高壓空氣燃燒提高膨脹機進口氣體溫度，存在因化石燃料燃燒帶來的污染物排放等問題。蓄熱式壓縮空氣儲能系統，在該系統中空氣的壓縮和膨脹過程接近于絕熱過程，壓縮過程中產生大量的壓縮熱被儲存在儲熱裝置中，在釋能階段用于加熱壓縮空氣然后驅動渦輪做功。由于回收了壓縮熱，蓄熱式壓縮空氣儲能系統的效率得到了較大的提高，同時由于避免了化石燃料的燃燒，實現了二氧化碳和污染物的零排放，是壓縮空氣儲能技術的重要發展方向。

雖然蓄熱式壓縮空氣儲能系統的研究已經取得了長足的進步，國內也已經建成了一些示范裝置，取得了較好的效果，但是在運行過程中出現了如下問題：1、壓縮機增壓后的含濕空氣中的水蒸氣在回熱器冷卻過程中會發生冷凝，采用雙流道回熱器會導致回熱器出口空氣溫度過高，而增加回熱水流量則導致回熱溫度不足；2、在壓縮機統啟動、調節和停機時的非穩態運行階段，回熱水出口溫度較低，回收這部分熱量將降低整體蓄熱水的溫度，降低熱能品味，降低系統運行效率；3、壓縮機回熱換熱器內為逆流式水-氣換熱，無法同時滿足對空氣出口溫度和蓄熱水出口溫度的同時和獨立控制，而這兩個參數是提高壓縮空氣儲能系統效率和安全性的重要參數。

技術實現要素：

針對現有技術的上述缺點和不足，本實用新型旨在提供一種梯級熱能儲存和利用、蓄熱工質和壓縮空氣出口溫度可自適應調節的蓄熱式壓縮空氣儲能系統，實現對不同品質熱能的梯級存儲和利用，并實現對壓縮空氣和蓄熱工質出口溫度的自適應獨立調節。

本實用新型為實現其技術目的所采用的技術解決方案是：

一種熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統，包括多級空氣壓縮系統、儲氣系統、發電系統、多級空氣膨脹做功系統、梯級儲熱系統和熱能梯級利用系統，其特征在于，

--所述多級空氣壓縮系統包括多級空氣壓縮機和多級多流道回熱器，其中，所述多流道回熱器的液側包括至少一高溫液側流道和一中溫液側流道；多級空氣壓縮系統的初級壓縮機進氣口與大氣連接，中間各級回熱器設置在相鄰各級空氣壓縮機之間的氣體管路上，末級回熱器設置在最后一級空氣壓縮機和儲氣系統之間的氣體管路上；

--梯級儲熱系統包括至少一高溫儲液罐、至少一中溫儲液罐和至少一低溫儲液罐，其中，低溫儲液罐出口與各級回熱器的液側所有流道的進口連接，各級回熱器的液側高溫流道出口與高溫儲液罐進口連接，各級回熱器的液側中溫流道出口與中溫儲罐進口連接，各級回熱器的液側高溫流道出口同時與中溫儲罐進口連接；所述高溫儲液罐的進口處設置有閥門，各級回熱器的液側高溫流道出口與中溫儲罐進口之間的連接管路上設置有閥門，所述高溫儲液罐和中溫儲液罐的出口處均設置有閥門；

--多級空氣膨脹做功系統包括多級空氣膨脹機和多級再熱器，其中，初級再熱器設置在儲氣系統和初級空氣膨脹機之間的氣體管路上，中間各級再熱器設置在相鄰各級空氣膨脹機之間的氣體管路上，末級膨脹機的排氣口與大氣連接；各級再熱器液側進口同時與高溫儲液罐出口和中溫儲液罐出口連接，各級再熱器液側出口與低溫儲罐進口連接；

--熱能梯級利用系統包括供熱換熱器和制冷機組，其中，所述供熱換熱器的熱側進口與中溫儲液罐出口連接，供熱換熱器熱側出口與低溫儲液罐進口連接；制冷機組熱側流體進口與中溫儲液罐出口連接，制冷機組熱側流體出口與低溫儲液罐進口連接。

優選地，所述儲氣系統包括空氣儲罐，所述空氣儲罐進口與末級回熱器氣側出口連接，所述空氣儲罐出口與初級再熱器氣側進口連接。

優選地，所述高溫儲液罐、中溫儲液罐和低溫儲液罐頂部通過氣體管道連接。

優選地，所述多流道回熱器為管殼式換熱器、板狀換熱器或板翅式換熱器中的一種或多種組合。

優選地，所述再熱器為管殼式換熱器、板狀換熱器或板翅式換熱器中的一種或多種組合。

優選地，，所述供熱換熱器為管殼式換熱器、板狀換熱器或板翅式換熱器中的一種或多種組合。

優選地，所述供熱換熱器的冷側流體進口與循環水連接，循環水在供熱換熱器被加熱后用于供熱或供暖。

優選地，所述制冷機組為吸收式制冷機組和吸附式制冷機組中的一種或者多種組合。

優選地，所述制冷機組為利用余熱制冷的吸收式制冷機組，冷側流體進口與循環冷卻工質連接，循環冷卻工質在制冷機組內降溫后用于供冷。

優選地，所述空氣壓縮系統由電動機驅動。

優選地，所述空氣壓縮機和/或空氣膨脹機為活塞式、軸流式、離心式、螺桿式或混合式。

本實用新型的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統，其運行流程為：

1.在儲能開始階段，多流道回熱器高溫側出口和中溫側出口均連接中溫儲罐進口，低溫儲熱工質由低溫儲液罐內進入多流道換熱器內與壓縮空氣交換熱量，吸熱后的中溫儲熱工質由多流道回熱器的中溫側出口和高溫側出口進入中溫儲液罐。壓縮冷卻后的高壓空氣儲存在空氣儲罐內。

2.在穩定運行一段時間以后，多流道回熱器高溫液側出口溫度達到設定溫度以上，切換閥門，高溫液側出口與高溫儲液罐連接，高溫儲熱工質吸收壓縮空氣熱量并調節工質出口溫度后進入高溫儲液罐保存，而中溫側儲熱工質在吸收冷凝釋放熱量并調節多流道回熱器空氣側出口溫度后，進入中溫儲液罐儲存。通過調節高溫側儲熱工質流量控制所需的高溫側出口溫度，通過控制中溫側蓄熱工質流量調節壓縮空氣出口溫度。壓縮后的高壓空氣儲存在空氣儲罐內。

3.釋能開始前，各級膨脹機再熱器儲熱工質進口與中溫儲液罐連接，中溫儲液罐內的較低溫度儲熱工質進入各級再熱器內預熱，再熱器液側出口的低溫儲熱工質進入低溫儲液罐內。

4.釋能開始時，切換閥門，各級膨脹機再熱器液側進口與高溫儲液罐出口連接，高溫儲熱工質進入膨脹機再熱器內加熱高壓空氣儲罐內釋放的高壓空氣，加熱后的高壓空氣進入各級膨脹機做功，并經由發電機產生電力。

5.熱能梯級利用供冷過程可以在儲能過程開始前任意時刻根據需要進行，制冷機組熱側進口與中溫儲液罐出口連接，制冷機組熱側出口與低溫儲液罐進口連接，制冷機組冷側進口與循環水進口連接，制冷機組冷側出口與用冷接口連接。中溫儲熱工質與冷卻水交換熱量后進入低溫儲液罐，產生的冷量輸出進入冷用戶接口供冷。

6.熱能梯級利用供熱過程可以在儲能過程開始前任意時刻根據需要進行，供熱換熱器熱側進口與中溫儲液罐出口連接，供熱換熱器熱側出口與低溫儲液罐進口連接，供熱換熱器冷側進口與循環水進口連接，供熱換熱器冷側出口與用熱接口連接。中溫儲熱工質與循環水交換熱量后進入低溫儲液罐，循環水吸收熱量升溫后進入熱用戶接口供熱。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的級間多流道回熱器為單臺多流道換熱器形式的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統示意圖；

圖2為本實用新型實施例2的級間多流道回熱器為兩臺雙流道換熱器串聯形式的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明，以下實施例是對本實用新型的解釋而本實用新型并不局限于以下實施例。

實施例1

如圖1所示，為本實用新型的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統的實施例1，包括電動機100、一級空氣壓縮機101、二級空氣壓縮機102、一級多流道回熱器201、二級多流道回熱器202、高溫儲液罐301、中溫儲液罐302、供熱換熱器3021、制冷機組3022、低溫儲液罐303、空氣儲罐304、一級再熱器401、二級再熱器402、發電機500、一級膨脹機501、二級膨脹機502。

此實施例中，工質為軟化水，壓縮機為二級壓縮，膨脹機為二級膨脹，采用單個高溫儲液罐、單個中溫儲液罐、單個低溫儲液罐和單個空氣儲罐。壓縮機級間多流道回熱器為三流道換熱器，包括一空氣流道、一高溫液側流道和一中溫液側流道，膨脹機級間再熱器為雙流道逆流換熱器，制冷機組為吸收式制冷機組。

一級空氣壓縮機101進氣口與大氣連接，一級多流道回熱器201設置在一、二級壓縮機之間的氣體管路上，二級多流道回熱器202設置在二級空氣壓縮機102和空氣儲罐304之間的氣體管路上。

低溫儲液罐303出口與回熱器201、202的液側所有流道的進口連接，回熱器201、202的液側高溫流道出口與高溫儲液罐301進口連接，回熱器201、202的液側中溫流道出口與中溫儲罐302進口連接，回熱器201、202的液側高溫流道出口同時與中溫儲罐302進口連接；所述高溫儲液罐301的進口處設置有閥門2，各級回熱器的液側高溫流道出口與中溫儲罐進口之間的連接管路上設置有閥門1，所述高溫儲液罐和中溫儲液罐的出口處均設置有閥門3、4。

一級再熱器401設置在空氣儲罐304和一級膨脹機501之間的氣體管路上，再熱器402設置在一、二級膨脹機501、502之間的氣體管路上，二級膨脹機502的排氣口與大氣連接；再熱器401、402液側進口同時與高溫儲液罐301出口和中溫儲液罐302出口連接，各級再熱器401、402液側出口與低溫儲罐303進口連接。

供熱換熱器3021的熱側進口與中溫儲液罐302出口連接，供熱換熱器3021熱側出口與低溫儲液罐303進口連接，供熱換熱器3021被加熱流體側進口與循環水進口連接，供熱換熱器3021被加熱流體側出口與用熱接口連接。制冷機組3022熱側流體進口與中溫儲液罐302出口連接，制冷機組3022熱側流體出口與低溫儲液罐303進口連接。制冷機組3022被冷卻流體側進口與冷卻工質進口連接，制冷機組3022被冷卻流體側出口與用冷接口連接。

本實用新型的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統，其使用流程為：

1.在儲能階段，電動機100驅動壓縮機各級壓縮空氣，一級壓縮機101壓縮后的空氣進入多流道回熱器201中與蓄熱工質交換熱量，多流道回熱器201出口的壓縮空氣進入二級壓縮機102繼續壓縮，壓力溫度升高，二級壓縮機102出口排出的壓縮空氣進入多流道回熱器202內與蓄熱工質交換熱量，經過多流道回熱器202冷卻后的高壓空氣儲存在空氣儲罐304內。

2.在儲能開始階段，打開閥門1，關閉閥門2～4，多流道回熱器201和202高溫液側出口和中溫液側出口均連接中溫儲液罐302進口，低溫儲熱工質由低溫儲液罐303內進入多流道換熱器201和202內與壓縮空氣交換熱量，吸熱后的高溫儲熱工質由多流道回熱器201和202的中溫液側出口和高溫液側出口進入中溫儲液罐302。壓縮后的高壓空氣儲存在空氣儲罐304內。

3.在穩定運行一段時間以后，多流道換熱器201和202高溫液側出口溫度達到設定溫度以上，打開閥門2，關閉閥門1，高溫液側出口與高溫儲液罐301連接，高溫儲熱工質進入高溫儲液罐301保存，而多流道換熱器201和202中溫液側儲熱工質在吸收冷凝釋放熱量并調節多流道回熱器201和202出口空氣溫度后，進入中溫儲液罐302儲存。通過調節多流道換熱器高溫液側蓄熱工質流量控制所需的高溫液側出口溫度，通過控制中溫液側蓄熱工質流量調節壓縮空氣出口溫度。壓縮后的高壓空氣儲存在空氣儲罐304內。

4.釋能開始前，關閉閥門1～3，打開閥門4，膨脹機級間再熱器401和402的儲熱工質進口與中溫儲液罐302連接，中溫儲液罐302內的較低溫度儲熱工質進入級間再熱器401和402內預熱，級間再熱器401和402液側出口的低溫儲熱工質進入低溫儲液罐303內。

5.釋能開始時，關閉閥門4，打開閥門3，膨脹機級間再熱器401和402液側進口與高溫儲液罐301出口連接。空氣儲罐出口與膨脹機一級再熱器401氣側進口連接，高溫儲熱工質進入膨脹機再熱器401內加熱高壓空氣，加熱后的高壓空氣進入膨脹機一級501做功，膨脹機一級501出口與膨脹機二級再熱器402氣側進口連接，高壓空氣在膨脹機二級再熱器402內吸收高溫蓄熱工質傳遞的熱量后進入膨脹機二級502做功，發電機500與膨脹機輸出軸連接，通過膨脹機做功驅動發電機500產生電力。

6.熱能梯級利用供冷過程可以在儲能過程開始前任意時刻根據需要進行，制冷機組3022熱側進口與中溫儲液罐302出口連接，制冷機組3022熱側出口與低溫儲罐303進口連接，制冷機組3022冷側進口與冷卻水進口連接，制冷機組3022冷側出口與用冷接口連接。中溫儲熱工質經過制冷機組3022溫度降低后進入低溫儲罐303，產生的冷量輸出進入冷用戶接口供冷。

7.熱能梯級利用供熱過程可以在儲能過程開始前任意時刻根據需要進行，供熱換熱器3021熱側進口與中溫儲液罐302出口連接，供熱換熱器3021熱側出口與低溫儲液罐303進口連接，供熱換熱器3021冷側進口與冷卻水進口連接，供熱換熱器3021冷側出口與用熱接口連接。中溫儲熱工質與冷卻水交換熱量后進入低溫儲罐303，冷卻水吸收熱量升溫后進入熱用戶接口供熱。

實施例2

如圖2所示，為本實用新型的熱能梯級存儲、調節和利用的壓縮空氣儲能系統的實施例2，為實施例1的改進，壓縮機級二級多流道回熱器202為兩臺雙流道換熱器，即高效回熱器2021和空氣冷卻器2022串聯。高效回熱器2021的氣側進口與壓縮機102的出口連接，高效回熱器2021的氣側出口與空氣冷卻器2022的氣側進口連接，空氣冷卻器2022的氣側出口與空氣儲罐304進口連接，高效回熱器2021儲熱工質進口與低溫儲液罐303出口連接，高效回熱器2021出口與高溫儲液罐301和中溫儲液罐302連接，空氣冷卻器2022液側進口為冷卻水，空氣冷卻器2022液側出口通往冷卻塔2023冷卻。通過控制儲熱工質流量和冷卻水流量來控制高溫儲熱工質出口和壓縮空氣出口溫度。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本實用新型專利構思所述構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本實用新型專利的保護范圍內。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本實用新型的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本實用新型的保護范圍。