一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质与流程

1.本发明涉及压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质。


背景技术：

2.压缩空气储能是一种新型蓄能蓄电技术，其是以压缩机和透平作为机械能和压力能转化的设备，采用压缩充气
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放气发电实现能量转换；国外最早采用压缩空气系统较简单，压缩过程产生的热量不回收，使得能量大量损失到环境中，因此储能转换效率只有20％～30％左右。
3.为了回收压缩过程中产生的热量，现有的压缩空气改进系统设置了冷罐和热罐2个蓄热装置，并且将压缩机和透平分级串联，在每级压缩机之后设置冷却换热器，每级透平之前设置加热换热器，在压缩储能阶段，从冷罐送出的蓄热媒介吸收压缩机的热量，降低下一级压缩机的压缩功率，并回收本级的压缩热量至热罐储存。在释放压缩空气发电阶段，从热罐送出的蓄热媒介加热进入透平之前的压缩空气，可以使透平输出更大的功率，总体上提高系统的储能转换效率，通过理论分析，带蓄热和回热的改进系统虽然大幅度提高了储能转换效率，效率可提高至50％～70％，但是使得系统变得复杂，也提高了硬件成本，同时由于设置了多级换热器，换热器流动阻力会带来额外的损耗，导致系统经济性变差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质，能够解决现有的压缩空气系统较复杂、投资成本高，且压缩产生的热量利用率偏低的问题。
5.为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质。
6.第一方面，本发明提供了一种基于压缩热的压缩空气储能系统，所述系统包括：依次连接的多级串联的压缩机、储气罐和多级串联的透平，各级压缩机的出气口均连接有冷却换热器，各级冷却换热器的出口通过压缩侧冷却换热器出口关断阀连接热罐；相邻两级透平之间设有加热换热器，各级加热换热器的出口通过透平侧加热换热器出口关断阀连接所述冷罐；
7.多级串联的压缩机，用于对输入的空气进行多级加压，并将最后一级压缩机出口的压缩空气送入所述储气罐；
8.所述冷却换热器，用于吸收各级压缩机出口空气的热量，并将所述热量送入所述热罐存储；
9.所述储气罐，用于存储经各级压缩机加压后的压缩空气，并将所述压缩空气送入多级串联的透平进行多级做功，将最后一级透平出口的空气排出系统；
10.所述加热换热器设于各级透平进口处，所述加热换热器用于提高各级透平进口的压缩空气温度，增加空气在透平中的输出功。
11.在进一步的实施方案中，所述压缩侧冷却换热器出口关断阀包括设置在各级冷却换热器出口与热罐之间的压缩侧媒介并联出口关断阀以及设置在相邻两级所述冷却换热器出口之间的压缩侧媒介串联出口关断阀；
12.所述压缩侧媒介并联出口关断阀，用于在所述冷罐内的蓄热媒介温度超过预设的媒介温度冷却阈值范围时，控制各级所述冷却换热器以并联的方式运行；
13.所述压缩侧媒介串联出口关断阀，用于在所述冷罐内的蓄热媒介温度处于预设的媒介温度冷却阈值范围时，控制单级或若干级所述冷却换热器以串联的方式运行。
14.在进一步的实施方案中，所述透平侧加热换热器出口关断阀包括设置在各级加热换热器出口与冷罐之间的透平侧媒介并联出口关断阀以及设置在相邻两级所述加热换热器出口之间的透平侧媒介串联出口关断阀；
15.所述透平侧媒介并联出口关断阀，用于在所述热罐内的蓄热媒介温度超过预设的媒介温度加热阈值范围时，控制各级所述加热换热器以并联的方式运行；
16.所述透平侧媒介串联出口关断阀，用于在所述热罐内的蓄热媒介温度处于预设的媒介温度加热阈值范围时，控制单级或若干级所述加热换热器以串联的方式运行。
17.在进一步的实施方案中，所述系统还包括与所述冷罐连接的冷罐蓄热媒介输出泵，所述冷罐蓄热媒介输出泵通过压缩侧媒介入口关断阀连接各级冷却换热器的进口；
18.所述冷罐蓄热媒介输出泵，用于驱动所述冷罐内的蓄热媒介流动，使所述热媒介经所述压缩侧媒介入口关断阀进入各级冷却换热器。
19.在进一步的实施方案中，还包括与所述热罐连接的热罐蓄热媒介输出泵，所述热罐蓄热媒介输出泵通过透平侧媒介入口关断阀连接各级加热换热器的进口；
20.所述热罐蓄热媒介输出泵，用于驱动所述热罐内的蓄热媒介流动，使所述热媒介经所述透平侧媒介入口关断阀进入各级加热换热器。
21.在进一步的实施方案中，所述系统还包括各级加热换热器的分段阀门，所述分段阀门设于相邻两个所述透平侧媒介入口关断阀之间。
22.在进一步的实施方案中，多级压缩机与多级透平的级数相同或不同，所述多级透平包括至少三级从高压至低压串联连接的透平。
23.第二方面，本发明提供了一种基于压缩热的压缩空气储能方法，所述方法包括以下步骤：
24.将空气送入多级压缩机进行多级加压，并通过各冷却换热器吸收各级压缩机出口空气的热量，最后一级压缩机出口的压缩空气经降温后送入储气罐存储；
25.将储气罐存储的压缩空气送入多级串联的透平进行多级做功，并通过各加热换热器提高各级透平进口的压缩空气温度，将最后一级透平出口的空气排出系统；
26.根据冷罐和热罐的蓄热媒介温度分别控制各冷却换热器和各加热换热器的出口以单级或若干级串联或者并联方式运行。
27.第三方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述处理器与所述存储器相连，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序，以使得所述计算机设备执行实现上述方法的步骤。
28.第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
29.本发明提供了一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质，所述系统通过取消多级串联透平的第一级加热换热器，为后续各级透平增加压缩空气与热罐蓄热介质换热量，同时简化了系统结构，降低了硬件成本。与现有技术相比，该系统可以增加第一级透平之后的各级透平吸收热量，同时在冷却换热器和加热换热器均设置了多组阀门，能够使系统根据蓄热媒介温度实时切换串联和并联运行方式，具备平均分配蓄热量至每级透平的功能，也具备把热量集中送至某一级或部分级透平前加热空气的功能。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的一种基于压缩热的压缩空气储能系统框图；
31.图2是本发明实施例提供的一种基于压缩热的压缩空气储能方法流程示意图；
32.图3是本发明实施例提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
34.参考图1，本发明实施例提供了一种基于压缩热的压缩空气储能系统，如图1所示，该系统包括：多级串联的压缩机、储气罐200、冷罐300、热罐400以及多级串联的透平(即，透平膨胀机)，在本实施例中，多级压缩机与多级透平的级数相同或不同，所述多级串联的压缩机包括至少三级从低压至高压串联的压缩机，所述多级透平包括至少三级从高压至低压串联连接的透平。
35.在一个实施例中，多级串联的压缩机用于对输入的空气进行多级加压，并将最后一级压缩机出口的压缩空气送入所述储气罐；在压缩空气储能系统中，用于压缩气体(空气)的机械设备成套装置简称为压缩机，通过压缩机将大气中的空气加压并送入储气容器中。
36.为了便于说明，本实施例以多级串联的压缩机包括第一至第五级压缩机101～105进行示例说明，其中，第一级压缩机101从大气吸入空气，后续各级压缩机的入口空气分别来自于上一级低压压缩机排气，在该级压缩机提高压力后继续向下一级压缩机排气，通过多级压缩提高空气的压力，最后一级压缩机105将上一级排出的空气进行升压后，将压缩空气排入储气罐200，需要说明的是，本实施例中的压缩机可以同轴布置，也可以独立布置。
37.在本实施例中，由于每级压缩机出口气体因压缩而升温，为了避免下一级压缩机进气口的温度过高导致设备材料选择困难，同时为了更有效储存压缩热，因此，本实施例将压缩过程分为多级，同时本实施例在各级压缩机的出气口处设置有冷却换热器，以通过冷却换热器吸收各级压缩机出口排出的空气的热量，从而降低下一级压缩机入口处的空气温度，升高蓄热媒介温度，并通过冷却换热器将所述热量送入所述热罐400存储，具体地，各级压缩机的出气口分别经冷却换热器111～114与下一级压缩机的进气口连接，最后一级压缩机的出气口经冷却换热器115与储气罐200的进气口连接。
38.在一个实施例中，各级冷却换热器的入口通过在其入口处设置的压缩侧媒介入口关断阀121～125连接冷罐300，各级冷却换热器的出口通过压缩侧冷却换热器出口关断阀
连接热罐400；其中，所述压缩侧冷却换热器出口关断阀包括设置在各级冷却换热器出口与热罐之间的压缩侧媒介并联出口关断阀131～135以及设置在相邻两级所述冷却换热器出口之间的压缩侧媒介串联出口关断阀141～144，本实施例通过切换各级冷却换热器的阀门131～135和阀门141～144调整各级冷却换热器的连接方式，从而实现各级冷却换热器的串联和并联连接方式。
39.在本实施例中，所述压缩侧媒介并联出口关断阀131～135，用于在所述冷罐内的蓄热媒介温度超过预设的媒介温度冷却阈值范围时，控制各级所述冷却换热器以并联的方式运行。
40.所述压缩侧媒介串联出口关断阀141～144，用于在所述冷罐内的蓄热媒介温度处于预设的媒介温度冷却阈值范围时，控制单级或若干级所述冷却换热器以串联的方式运行。
41.在一个实施例中，所述储气罐200用于接收并存储经各级压缩机加压后的压缩空气，同时在需要释放储存能量时，所述储气罐200将所述压缩空气送入多级串联的透平。
42.模拟计算表明，末级压缩机后虽然经过冷却换热器降温，但是传热端差受换热器面积限制可能较大，另外，蓄热媒介吸收前几级压缩热量后也逐步升温，因此，送入热罐的蓄热媒介温度与进入储气罐的压缩空气的温度相差并不大，在释放压缩空气发电阶段，由于蓄热媒介和压缩空气的温度接近，压缩空气所能吸收的热量较少，第一级透平前的加热换热器对提高系统整体效率的作用较小，因此，本实施例取消第一级透平前的加热换热器，并且为了不降低系统整体效率，对热罐的热量利用方式也进行了调整。
43.在一个实施例中，所述多级透平用于对储气罐送入的压缩空气进行多级做功，并将最后一级透平出口的空气排除系统，在压缩空气储能系统中，透平(turbine)为利用高压流体的驱动力，将压力转化为动能的转动设备。
44.为了便于说明，本实施例以串联的五级透平501～505进行示例说明，其中，第一级透平501接收储气罐200送入的压缩空气，并对送入的所述压缩空气做功排气，使压缩空气压力有所降低，然后将排气经过加热后向下一级透平输送，继续做功，直至最后一级透平505做功后，向大气环境排出接近环境压力的空气；需要说明的是，本实施例中的透平可以同轴布置，也可以独立布置。
45.由于每级透平做功后，空气温度都会降低，透平前后压差越大温度越低，有结露或结冰的风险，因此，本实施例设置了多级透平分阶段做功，每级透平(本实施例中的第一级透平除外)入口设置了加热换热器，一方面提高压缩空气的温度，另一方面把压缩过程产生的热量送回系统，以提高系统的出力，从而获得相对高的总体效率；具体地，所述储气罐200出气口直接与第一级透平501连接，其余各级透平的出气口分别经加热换热器与下一级透平机进气口连接，最后一级透平机出气口与空气排气管连接。
46.在本实施例中，所述加热换热器设于各级透平进口处，且所述加热换热器设置在相邻两级透平之间，所述加热换热器用于提高各级透平进口的压缩空气温度，增加空气在透平中的输出功，即，本实施例中的第一级透平的进口处不设置加热换热器，以使得第一级透平尽量使用储气罐200中的热量，并为后续各级透平流出更大的热量交换空间(使换热端差更大)，从而达到了在保证系统效率不下降的同时，降低了系统的投资成本。
47.由于在第一级透平前压缩空气未加热，因此，第一级透平出口的压缩空气温度在
相同的压比下，温度低于现有方案的第一级透平排气温度，同时由于本实施例中的第一级透平排气温度低，且在第一级透平前蓄热媒介没有释放热量，两者效果叠加，可以令该级之后的各级透平吸收热量增加，并且初温提高，按照气体循环理论(卡诺循环或布雷顿循环)，工质(气体)的初温越高，热量转换为机械功的效率越高，因此该级之后的各级效率提升，不仅可以弥补第一级透平效率略降的损失，而且可以在一定程度上提升系统效率；需要说明的是，本实施例中的压比为压缩机或者透平进口和出口的绝对压力，即进口和出口的压力比值。
48.在本实施例中，由于第一级透平前不吸收蓄热媒介的热量，因此在该级透平之后可以增加送入加热换热器的蓄热媒介流量，从而进一步增加后续各级透平的吸热量，有利于整体效率提高；与现有方案的蓄热媒介的流量为1相比，本方案蓄热媒介的流量增加量，倍率可以按照n/(n
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n)估算，其中n是透平的级数，n是加热换热器的级数；本实施例在减少加热换热器同时增加下游各级加热换热器的蓄热媒介流量，不仅可以提高下游各级透平入口前的初始温度，而且可以令下游各级透平理论循环效率提高，从而弥补了第一级透平入口不加热带来的效率损失，在一定程度上提高了系统性能。
49.在一个实施例中，各级加热换热器512～515的入口处设置有透平侧媒介入口关断阀522～525，同时各级加热换热器512～515的出口通过透平侧加热换热器出口关断阀连接所述冷罐300。
50.在本实施例中，所述透平侧加热换热器出口关断阀包括设置在各级加热换热器出口与冷罐之间的透平侧媒介并联出口关断阀532～535以及设置在相邻两级所述加热换热器出口之间的透平侧媒介串联出口关断阀542～544。
51.其中，所述透平侧媒介并联出口关断阀，用于在所述热罐内的蓄热媒介温度超过预设的媒介温度加热阈值范围时，控制各级所述加热换热器以并联的方式运行；
52.所述透平侧媒介串联出口关断阀，用于在所述热罐内的蓄热媒介温度处于预设的媒介温度加热阈值范围时，控制单级或若干级所述加热换热器以串联的方式运行。
53.在一个实施例中，所述系统还包括各级加热换热器的分段阀门552～554，所述分段阀门设于相邻两个所述透平侧媒介入口关断阀之间。
54.具体地，当冷罐和热罐与环境温度的温差很大时，可以采用并联运行也可以采用串联运行；当系统长期待机热罐和冷罐都接近环境温度时，控制压缩侧冷却换热器采用串联运行以提高回收温度，控制透平侧冷却换热器采用串联运行以提高加热温度；另外，本实施例可以通过阀门的操作，再减少一级加热换热器，以提高换热效率，具体以解列加热器514的操作为例：
55.1)关闭阀门523～525、阀门532～534以及552～554，其它阀门均打开，使透平侧的加热换热器处于串联运行状态。
56.2)接到切除加热换热器514的指令后，重新打开阀门524、525和554，形成加热换热器514的旁路通道，然后关闭阀门544，热媒介就不能进入加热换热器514，完成了解列动作。
57.在一个实施例中，所述系统还包括与所述冷罐连接的冷罐蓄热媒介输出泵，所述冷罐蓄热媒介输出泵通过压缩侧媒介入口关断阀连接各级冷却换热器的进口；所述冷罐蓄热媒介输出泵用于驱动所述冷罐内的蓄热媒介流动，使所述热媒介经所述压缩侧媒介入口关断阀进入各级冷却换热器。
58.在一个实施例中，所述系统还包括与所述热罐连接的热罐蓄热媒介输出泵，所述热罐蓄热媒介输出泵通过透平侧媒介入口关断阀连接各级加热换热器的进口；所述热罐蓄热媒介输出泵用于驱动所述热罐内的蓄热媒介流动，使所述热媒介经所述透平侧媒介入口关断阀进入各级加热换热器。
59.本发明实施例提供了一种基于压缩热的压缩空气储能系统，所述系统通过取消第一级透平前的加热换热器，使得在第一级透平前压缩空气未加热，从而实现了相较于现有压缩空气储能系统，本实施例中的第一级透平出口的压缩空气温度在相同的压比下更低，提高了压缩空气储能系统的整体性能；同时所述系统通过在冷却换热器和加热换热器处设置多组阀门，使得冷却换热器和加热换热器可以根据蓄热媒介温度实时切换为并联运行或串联运行，减小了蓄热媒介温度对换热效率的影响，进一步提高了系统的能量利用率。
60.在一个实施例中，如图2所示，本发明实施例提供了一种基于压缩热的压缩空气储能方法，所述方法包括以下步骤：
61.s1.将空气送入多级压缩机进行多级加压，并通过各冷却换热器吸收各级压缩机出口空气的热量，最后一级压缩机出口的压缩空气经降温后送入储气罐存储；
62.s2.将储气罐存储的压缩空气送入多级串联的透平进行多级做功，并通过各加热换热器提高各级透平进口的压缩空气温度，将最后一级透平出口的空气排除系统；
63.s3.根据冷罐和热罐的蓄热媒介温度分别控制各冷却换热器和各加热换热器的出口以单级或若干级串联或者并联方式运行。
64.需要说明的是，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
65.关于一种基于压缩热的压缩空气储能方法的具体限定可以参见上述对于一种基于压缩热的压缩空气储能系统的限定，此处不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本技术所公开的实施例描述的各个模块和步骤，能够以硬件、软件或者两者结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
66.本发明实施例提供了一种基于压缩热的压缩空气储能方法，所述方法通过将空气送入多级压缩机进行多级加压，并通过多级串联的透平进行多级做功完成了压缩储能和泄压发电，提高了能量利用效率，降低压缩空气储能成本；同时所述方法根据冷罐和热罐的蓄热媒介温度分别控制各冷却换热器的出口和各加热换热器的出口以串联或者并联方式运行，实现多种运行方式，具有很好的灵活性和经济性。
67.图3是本发明实施例提供的一种计算机设备，包括存储器、处理器和收发器，它们之间通过总线连接；存储器用于存储一组计算机程序指令和数据，并可以将存储的数据传输给处理器，处理器可以执行存储器存储的程序指令，以执行上述方法的步骤。
68.其中，存储器可以包括易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者；处理器可以是中央处理器、微处理器、特定应用集成电路、可编程逻辑器件或其组合。通过示例性但不是限制性说明，上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件、现场可编程逻辑门阵列、通用阵列逻辑或其任意组合。
69.另外，存储器可以是物理上独立的单元，也可以与处理器集成在一起。
70.本领域普通技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有相同的部件布置。
71.在一个实施例中，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
72.本发明实施例提供的一种基于压缩热的压缩空气储能系统、方法、设备及介质，其一种基于压缩热的压缩空气储能系统通过取消第一级透平前的加热换热器，实现了在降低投资成本的同时，为后续各级透平增加压缩空气与热罐蓄热介质换热量，提高后续各级透平入口的初始温度，在一定程度上提升了系统效率；同时通过阀门组可以使加热换热器和冷却换热器在串联和并联两种模式中切换，能够使用户根据不同的蓄热媒介温度情况调整热量回收和利用方式。
73.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如ssd)等。
74.本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
75.以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。