一种高响应速度的压缩空气储能发电系统及其运行方法

本发明属于物理储能，具体涉及一种高响应速度的压缩空气储能发电系统及其运行方法。

背景技术：

1、在大力提倡节能减排的背景下，太阳能、风能等可再生能源等到了快速发展。但在可再生能源的利用过程中存在着不稳定性和间歇性等问题，这给新能源发电的并网造成了很大的挑战，因此需要发展储能技术来解决这些问题。

2、压缩空气储能是适用于大规模系统运行的储能技术之一。与抽水蓄能类似，压缩空气储能技术是通过将电能转化为空气的压力释能并进行储存的物理储能技术，其主要是由电动机、压缩机、膨胀机、发电机、储气库、换热设备组成。储能时，利用新能源电站多余的电驱动压缩机，从而对空气进行压缩并储存在储气库中，释能时，将压缩空气从储气库中释放出来，经加热后通入膨胀机做功发电从而达到“削峰填谷”的作用。

3、但压缩空气储能系统受限于设备特性，其启动速度比较慢，一般为分钟级，其中膨胀机从静止到满负荷工作约需要1分钟的时间。为了在新能源电站供电不足时，及时的供应上所需的电量，提升系统的响应速度变得极其重要。目前已有提高压缩空气储能系统响应速度的专利cn 113346626a，该专利通过加入超级电容的快速响应模块从而提高系统响应速度，但依然没有解决膨胀机启动速度慢，拖累系统响应速度的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高响应速度的压缩空气储能发电系统及其运行方法，通过在膨胀机启动的同时，也将压缩空气输入双罐液体活塞中进行膨胀从而驱动水泵水轮机做功发电，由于液体活塞响应速度极快只需要15秒左右，所以能极大的提高系统的响应速度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高响应速度的压缩空气储能发电系统，压缩空气储能单元包括压缩机、蓄热器、双罐液体活塞和储气罐；蓄热器出口连接双罐液体活塞，双罐液体活塞出气口连接储气罐，储气罐出口分别连接膨胀发电机组进气口和双罐液体活塞进气口；膨胀发电机组中设置换热器，氨压缩-吸收复合热泵单元中混合器的高温浓氨水溶液出口连接所述换热器热侧入口，氨压缩-吸收复合热泵单元中溶液换热器的热侧入口连接所述换热器热侧出口；氨压缩-吸收复合热泵单元的压缩氨蒸汽出口连接蓄热器的冷侧入口，氨压缩-吸收复合热泵单元的预热稀氨水溶液出口与蓄热器的冷侧出口经混合器连接所述换热器热侧入口。

3、进一步的，双罐液体活塞包括第一水气罐、第二水气罐以及水泵水轮机；第一水气罐和第二水气罐的进气口分别连通蓄热器的热侧出口，第一水气罐和第二水气罐的出气口分别连通储气罐，第一水气罐的出水口经水泵水轮机连接第二水气罐的进水口，第二水气罐的出水口经水泵水轮机连接第一水气罐的进水口，第一水气罐和第二水气罐中均设置温度传感器、压力传感器以及水位计。

4、进一步的，氨压缩-吸收复合热泵单元包括第一换热器、第二换热器、混合器、溶液换热器、膨胀阀、热发生器、氨压缩机和溶液泵；热发生器第一出口与溶液换热器冷端入口经溶液泵连接，溶液换热器的冷端出口连通混合器的稀氨水溶液入口，蓄热器的冷侧出口连接混合器的氨蒸气入口，混合器的浓氨水溶液出口连接换热器热侧入口；换热器热侧出口与溶液换热器热端入口相连通；溶液换热器的热端出口与热发生器的入口经膨胀阀相连通，热发生器的第二出口与蓄热器的冷端入口经氨压缩机相连通。

5、进一步的，混合器为两端封闭的筒形结构，混合器上开设多个氨蒸汽入口，所述氨蒸汽入口处设置喷嘴；混合器一端顶面开设稀氨水溶液入口，另一端侧面开设浓氨水溶液出口。

6、进一步的，喷嘴与氨蒸汽入口和圆柱切线的夹角度数为30～65°，喷嘴长度为40-60cm。

7、进一步的，混合器底部焊接有多个“伞”型导热棒，中心布置一个“伞”型导热棒，其他“伞”型导热棒绕中心的“伞”型导热棒某一圆周均匀布置，“伞”型导热棒与混合器的底面连接，最中心的导热棒轴心与其余四个导热棒轴心的距离相同；“伞”型导热棒的顶部呈伞面形，沿轴向设置有螺旋导热翅片；“伞”型导热棒的高为130-175cm，其中伞面形为一个半径为25-40cm高为30-45cm的圆锥。

8、进一步的，膨胀发电机组包括第一膨胀机和第二膨胀机，第一膨胀机和第二膨胀机均连接发电机；换热器包括第一换热器和第二换热器，第一换热器的冷侧分别连接储气罐的出口和第一膨胀机的入口，第二换热器的冷侧分别连接第一膨胀机的出口和第二膨胀机的入口；第一换热器和第二换热器的热侧入口均连接氨压缩-吸收复合热泵单元的浓氨水溶液出口；第一换热器和第二换热器的热侧出口连接氨压缩-吸收复合热泵单元的溶液换热器热端入口。

9、本发明所述高响应速度的压缩空气储能发电系统的运行方法，储能阶段，将空气进行压缩，存储压缩时产生的热能后将压缩空气通入双罐液体活塞进行进一步加压，最后将压缩空气通入储气罐中进行储能；

10、释能阶段，压缩空气通入双罐液体活塞和膨胀发电机组中进行膨胀发电，膨胀发电机组达到满载状态后，停止向双罐液体活塞中通入空气，后续只使用膨胀机进行发电；氨压缩-吸收复合热泵单元与膨胀发电机组同时开始工作；压缩的氨蒸气进入蓄热器中吸收压缩热进一步的提升氨蒸汽的温度，之后通入混合器的氨蒸汽入口与稀氨水溶液进行混合，生成高温浓氨水溶液，高温浓氨水溶液进入换热器加热压缩空气，放热后的高温浓氨水溶液回到氨压缩-吸收复合热泵单元内部转变为压缩氨蒸汽再进入蓄热器吸热。

11、进一步的，双罐液体活塞包括第一水气罐、第二水气罐以及水泵水轮机；第一水气罐和第二水气罐的进气口分别连通蓄热器的热侧出口，第一水气罐和第二水气罐的出气口分别连通储气罐，第一水气罐的出水口经水泵水轮机连接第二水气罐的进水口，第二水气罐的出水口经水泵水轮机连接第一水气罐的进水口，第一水气罐和第二水气罐中均设置温度传感器、压力传感器以及水位计；

12、双罐液体活塞运行时，空气进入第一水气罐，第一水泵将第一水气罐的水从底部压入第二水气罐，待第二水气罐中的空气被压缩至设定的压力后，将压缩后的空气通入储气罐中进行储存，待第二水气罐中的气体高度等于余隙高度后，水泵水轮机将第二水气罐的水从底部压入第一水气罐，待第一水气罐中的空气被压缩至设定压力后，使压缩空气通入储气罐中进行储存，待第一水气罐中的气体高度等于余隙高度后，使空气进入第一水气罐，如此循环进行双罐近等温压缩。

13、进一步的，氨压缩-吸收复合热泵单元包括第一换热器、第二换热器、混合器、溶液换热器、膨胀阀、热发生器、氨压缩机和溶液泵；热发生器第一出口与溶液换热器冷端入口经溶液泵连接，溶液换热器的冷端出口连通混合器的稀氨水溶液入口，蓄热器的冷侧出口连接混合器的氨蒸气入口，混合器的浓氨水溶液出口连接换热器热侧入口；换热器热侧出口与溶液换热器热端入口相连通；溶液换热器的热端出口与热发生器的入口经膨胀阀相连通，热发生器的第二出口与蓄热器的冷端入口经氨压缩机相连通；

14、氨压缩-吸收复合热泵单元与膨胀发电机组同时开始工作，热发生器第一出口出来的稀氨水溶液经溶液泵送入溶液换热器中与从第一换热器和第二换热器中出来的浓氨水溶液进行换热，然后通入混合器的稀氨水溶液入口与氨蒸汽进行混合；从热发生器第二出口出来的氨蒸汽由氨压缩机进行压缩后，再通入蓄热器中吸收压缩热后通入混合器的氨蒸汽入口，与稀氨水溶液进行混合；从混合器的浓氨水溶液出口出来的高温浓氨水溶液通入换热器加热压缩空气，从换热器出来的浓氨水溶液则先后通过溶液换热器和膨胀阀后通入热发生器，形成新的循环。

15、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

16、本发明通过在释能刚开始时，同时将压缩空气输入双罐液体活塞和膨胀机中进行膨胀做功发电，待膨胀机运行至满载状态后再停止利用双罐液体活塞进行发电，由于液体活塞响应速度极快只需要15秒左右，所以能极大的提高系统的响应速度，解决膨胀机启动速度慢拖累系统响应速度的问题；本发明将压缩空气储能与氨压缩-吸收复合热泵进行耦合，利用氨压缩-吸收复合热泵工作温度范围宽、吸收器压力低、可提升温差大和cop高的优点可以从环境中吸热从而加热储气罐中出来的低温高压空气，能解决其做功能力低的问题。

17、进一步地，通过设置多个倾斜的氨蒸汽入口和对应的喷嘴能够使得喷入混合器中氨蒸汽形成漩涡从而强化氨蒸汽与上方喷淋下来的稀氨水的混合，提高混合效率从而提高系统响应速度。

18、进一步地，通过设置“伞”型导热棒，能够强化混合器上方高温空气与下方浓氨水溶液的换热，从而避免混合器上方氨蒸汽和稀氨水溶液混合散热导致上方空气温度高造成热量浪费且与下方浓氨水溶液换热慢的问题进一步提高系统响应速度。

19、进一步地，“伞”型结构能使浓氨水液滴快速滴落到混合器下方，避免其在螺旋翅片上的逗留，从而提高系统响应速度。