一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统技术方案

本发明专利技术提供了一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，包括压缩膨胀两用机组，其可作为压缩机高压级段与压缩机低压级段构成多级压缩机组；或者作为膨胀机高压级段与膨胀机低压级段构成多级膨胀机组；还包括与压缩机组或膨胀机组的总级数相同的换热器组、温差储罐和地下洞穴；各级压缩机组或膨胀机组与对应级的换热器组通过其气侧管路依次相间串联连接，末级换热器组的气侧接口与地下洞穴的气侧接口连接；每级换热器组的蓄能流体侧管路的两端分别与温差储罐的热端、冷端连接，形成可正反换向流动的循环回路；地下洞穴通过液柱管与地面上的水源连接。本发明专利技术具有能量转换效率高、换热效果好、工艺流程优、高效低成本等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统
本专利技术涉及压缩空气储能
，尤其涉及一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统。
技术介绍
太阳能、风能等可再生能源发电的间断性和与用电需求的错时性要求配套发展蓄能装置系统，由于抽水蓄能电站受地质条件限制，压缩空气储能系统是一种应用前景广阔的方案，压缩空气储能系统利用多余的能源驱动压缩机将空气压缩后储存于储气容器中，待到需要时再将压缩空气从储气容器中释放推动膨胀机带动发电机进行发电。但目前的压缩空气储能系统存在效率偏低的问题。主要原因一是因为储气库或地下洞穴的容积一定的情况下，随着充气或排气过程的进行，压力会相应变化，使得压缩机和膨胀机在非设计工况下运行；二是因为压缩过程和膨胀过程是在不同时间段中进行，压缩过程产生的热量很难被有效利用，在蓄热技术上固定床蓄热换热器传热性能较差、储热效率低，而传统的冷、热双储罐方式不仅增加了占地面积和设备投资、而且容易出现罐体腐蚀，不能适应强化传热和大规模高效蓄能的需求。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种能够恒压运行且通过蓄能充分利用压缩热的高效、低成本压缩空气储能系统。本专利技术采用的技术方案如下：一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，包括膨胀机低压级段和压缩机低压级段，还包括：压缩膨胀两用机组，其可作为压缩机高压级段，与所述压缩机低压级段构成多级压缩机组；或者作为膨胀机高压级段，与所述膨胀机低压级段构成多级膨胀机组；以及换热器组、温差储罐和地下洞穴；所述换热器组与所述压缩机组或所述膨胀机组的总级数相同；各级压缩机组或膨胀机组与对应级的换热器组通过其气侧管路依次相间串联连接，其中，末级换热器组的气侧接口与所述地下洞穴的气侧接口连接；换热器组的蓄能流体侧管路并联设置，每级换热器组的蓄能流体侧管路的两端分别与所述温差储罐的热端、冷端连接，形成可正反换向流动的循环回路；所述地下洞穴通过液柱管与地面水罐连接。所述温差储罐内设有沿高度方向呈螺旋延伸的分层螺旋隔板，所述分层螺旋隔板抑制罐内部的自然对流和扩散，使罐内自上而下形成温度梯度。各级换热器组蓄能流体侧管路的一端均连接到第一母线管，各级换热器组蓄能流体侧管路的另一端均连接到第二母线管；所述第一母线管与所述温差储罐的顶端接口连接，所述第二母线管通过管线与所述温差储罐的底端接口连接，并在管线上设有四通阀，通过泵驱动以及四通阀切换，实现温差储罐与换热器组之间蓄能流体的正反换向流动。所述泵的进口管路还与高位的膨胀罐相连接。所述温差储罐的容积和循环流量满足一个周期的充气过程中对所述压缩机组的有效冷却并承载压缩机组排气释放的最大热负荷。所述膨胀机低压级段的入口管路、所述压缩机低压级段的出口管路和首级换热器组的气侧接口通过三通阀连接，通过压缩膨胀两用机组的功能切换和三通阀的换向，实现多级压缩机组或多级膨胀机组的气路连通。在所述地下洞穴的液柱管与地面水罐(7)连接的管路上，设有二通阀B。在所述末级换热器组的气侧接口与所述地下洞穴的气侧接口连接的管路上，设有二通阀A。所述膨胀机低压级段和所述压缩机低压级段均为透平式设备，所述压缩膨胀两用机组采用容积式设备，设有若干级，通过正反转，实现压缩膨胀功能的切换。所述地面水罐可采用地面上的河流湖泊水源。本专利技术的有益效果如下：本专利技术具有能量转换效率高、换热效果好、工艺流程优、高效、成本低等优点。具体如下：1、本专利技术采用在地下洞穴中设置的液柱管与地面水源(罐)相连，不仅使得储气压力得到控制，恒压条件有利于提高膨胀机和压缩机的功率和效率，而且可以充分利用地下洞穴的容积，避免使用高压储罐，方法简单，可大大降低成本。2、可实现强化传热和降低流动阻力。在压缩机对地下洞穴充气过程中，由于每台压缩机级段都需要冷却到尽可能低的温度，所以蓄能流体采取并联流程是最佳的选择；原路返回的膨胀作功流程采用逐级段交替加热再膨胀也是最优化的路线；由于压缩空气压力越低则密度越小，低压级段的压缩机和膨胀机都需要采用透平式，而高压级段的压缩机和膨胀机都可以采用容积式。而容积式的压缩机和膨胀机是可以像抽水蓄能电站的水轮机作为水泵一样成为两用机组。可以简化流程，提高效率，并大大降低成本。3、立式的温差储罐内蓄能流体的温度设置为上高下低，根据系统需要，通过四通阀的切换，冷流体从底部接口流出，而热流体从顶部接口流出；温差储罐内还设有螺旋分层隔板抑制储罐内部的自然对流和扩散，可以在流动阻力较小的条件下形成较大的温度梯度；蓄能储罐与换热器分开的结构有利于强化传热，相较固定床的蓄能换热器效率更高，且有更高的灵活性。本专利技术的带膨胀罐的半开式回路循环方案可以用一个储罐替代传统方法需要用两个储罐实现的功能。4、压缩机组、膨胀机组和换热器组都是压缩空气储能系统中比较昂贵的设备，所以部分压缩机级段和膨胀机级段采用压缩膨胀两用机组、蓄能和放能过程合用一套换热器组，以及大部分的流程都是原路返回的模式，极大地简化了流程、提高了运行效率，同时极大地降低总体设备和运行成本。附图说明图1是本专利技术在压缩机组向地下洞穴充气时系统流程示意图；图2是本专利技术利用地下洞穴的高压气体驱动膨胀机组发电时系统流程示意图。图中：1、膨胀机低压级段；2、压缩机低压级段；3、压缩膨胀两用机组；302、第二压缩膨胀两用级段；303、第三压缩膨胀两用级段；304、第四压缩膨胀两用级段；4、换热器组；401、第一换热器；402、第二换热器；403、第三换热器；404、第四换热器；5、温差储罐；501、分层螺旋隔板；6、膨胀罐；7、地面水罐；801、二通阀B；802、二通阀A；9、四通阀；10、泵；11、三通阀；12、地下洞穴；13、第一母线管；14、第二母线管。具体实施方式以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。如图1和图2所示，本实施例的一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，包括膨胀机低压级段1、压缩机低压级段2、压缩膨胀两用机组3、换热器组4、温差储罐5、膨胀罐6、地面水罐7、四通阀9、泵10、三通阀11和地下洞穴12。如图1所示，压缩机低压级段2与压缩膨胀两用机组3串联后形成压缩机组。压缩机组由根据压比和温升确定的2～4个压缩机级段组成，以四个压缩机级段为例，分别为压缩机低压级段2、第二压缩膨胀两用级段302、第三压缩膨胀两用级段303和第四压缩膨胀两用级段304；其中，压比与地下洞穴12的深度相关。如图2所示，膨胀机低压级段1与压缩膨胀两用机组3串联后形成膨胀机组；膨胀机组的级段数目与膨胀机组的级段数目相等；也以四个膨胀机级段为例，分别为膨胀机低压级段1、第二压缩膨胀两用级段302、第三压缩膨胀两用级段303和第四压缩膨胀两用级段304；换热器组4的换热器数目也与压缩机级段的数目相等；由于压缩空气压力越低则密度越小，流量很大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，包括膨胀机低压级段(1)和压缩机低压级段(2)，其特征在于，还包括：/n压缩膨胀两用机组(3)，其可作为压缩机高压级段，与所述压缩机低压级段(2)构成多级压缩机组；或者作为膨胀机高压级段，与所述膨胀机低压级段(1)构成多级膨胀机组；/n以及换热器组(4)、温差储罐(5)和地下洞穴(12)；/n所述换热器组(4)与所述压缩机组或所述膨胀机组的总级数相同；/n各级压缩机组或膨胀机组与对应级的换热器组(4)通过其气侧管路依次相间串联连接，其中，末级换热器组(4)的气侧接口与所述地下洞穴(12)的气侧接口连接；/n换热器组(4)的蓄能流体侧管路并联设置，每级换热器组(4)的蓄能流体侧管路的两端分别与所述温差储罐(5)的热端、冷端连接，形成可正反换向流动的循环回路；/n所述地下洞穴(12)通过液柱管与地面水罐(7)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，包括膨胀机低压级段(1)和压缩机低压级段(2)，其特征在于，还包括：
压缩膨胀两用机组(3)，其可作为压缩机高压级段，与所述压缩机低压级段(2)构成多级压缩机组；或者作为膨胀机高压级段，与所述膨胀机低压级段(1)构成多级膨胀机组；
以及换热器组(4)、温差储罐(5)和地下洞穴(12)；
所述换热器组(4)与所述压缩机组或所述膨胀机组的总级数相同；
各级压缩机组或膨胀机组与对应级的换热器组(4)通过其气侧管路依次相间串联连接，其中，末级换热器组(4)的气侧接口与所述地下洞穴(12)的气侧接口连接；
换热器组(4)的蓄能流体侧管路并联设置，每级换热器组(4)的蓄能流体侧管路的两端分别与所述温差储罐(5)的热端、冷端连接，形成可正反换向流动的循环回路；
所述地下洞穴(12)通过液柱管与地面水罐(7)连接。


2.根据权利要求1所述的利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，其特征在于，所述温差储罐(5)内设有沿高度方向呈螺旋延伸的分层螺旋隔板(501)，所述分层螺旋隔板(501)抑制罐内部的自然对流和扩散，使罐内自上而下形成温度梯度。


3.根据权利要求2所述的利用地下洞穴和单罐蓄能的恒压压缩空气储能系统，其特征在于，各级换热器组(4)蓄能流体侧管路的一端均连接到第一母线管(13)，各级换热器组(4)蓄能流体侧管路的另一端均连接到第二母线管(14)；
所述第一母线管(13)与所述温差储罐(5)的顶端接口连接，所述第二母线管(14)通过管线与所述温差储罐(5)的底端接口连接，并在管线上设有四通阀(9)，通过泵(10)驱动以及四通阀(9)切换，实现温差储罐(5)与换热器组(4)之间蓄能流体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚平，宋宁，吴嘉峰，吕浩男，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32