全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统及方法与流程

本发明涉及压缩空气储能电站，更具体地说它是一种全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统。本发明还涉及这种全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统的使用方法。

背景技术：

1、储能技术是支撑我国大规模发展新能源、保障能源安全的关键技术之一，具有提高新能源消纳比例、保障电力系统安全稳定运行、提高发输配电设施利用率、促进多网融合等多方面作用；同时，储能技术是将随机波动能源变为友好能源的关键技术之一；应用储能技术，可打破原有电力系统发输变配用必须实时平衡的瓶颈。

2、非补燃压缩空气储能系统具有规模大、响应快、效率高、成本低、环保等优点，可实现电力调峰、调频、调相、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力系统效率、稳定性、安全性。整体系统主要由压缩系统、发电系统、换热系统、储热系统及储气系统构成，运行分为储能过程和释能过程；储能过程是在电网负荷低谷期间，通过空气压缩机将电能转化为空气势能和内能，并将高压空气经换热器吸热冷却后储存在盐穴、洞穴、矿井或压力容器等储气库中；释能过程是在电网负荷高峰期间，放出储气库中的高压空气，经换热器加热后，推动空气透平发电。

3、空气压缩机是储能过程中的核心装备，进气条件受环境影响较大，前沿的研究方向为大容量、高负荷、宽工况；为了满足随环境不断变化的进气温度、湿度条件，压缩机的设计点一般选在四季平均温度、湿度点，通过设计优化来提高压缩机的变工况调节性能。

4、压缩空气储能电站空气压缩侧的典型配置方式如图3所示，首段压缩机入口为环境湿空气，空气中含有一定量的水蒸汽；进入储气库的空气流量是压缩机性能考核的重要指标，在压缩机电动机功率固定的前提下，首段压缩机进气流量随空气的温度和含湿量变化而变化，在夏季高温高湿天气，空气中温度及含湿量高，水蒸汽经压缩机压缩冷却后，将凝结成液态水析出，并未作为能量储存到储气库中，导致压缩机对这部分湿蒸汽做了大量无用功，增加了压缩机的功耗；冷凝水在各段压缩机后均有析出，经气水分离器析出的冷凝水为带压水，需配套相应的压力容器才能有效排放和采集，增加了系统设计的复杂度；在夏季工况，同样压比的情况下首段压缩机轴功率将远大于设计工况，同时首段压缩机的排气温度也将远超设计工况，影响换热系统的换热器和冷却器的选型设计。在选用导热油作为蓄热介质的工艺流程中，如果压缩机排气温度过高，超过导热油的许用温度，将严重影响导热油的使用寿命。如果通过降低首段压缩机压比来控制其排气温度，又将带来末段压缩机轴功率升高问题，影响末段压缩机的经济性和效率；在冬季工况，同样压比情况下首段压缩机由于进气温度低，排气温度也将远低于设计工况，这将导致蓄热量不足的问题；同样，如果通过提高首段压缩机压比来控制其排气温度，则后续各段压缩机均将偏离设计工况，导致整体效率下降；另外，压缩机入口湿空气经压缩升温后进入换热器和冷却器冷却，水蒸汽凝结成液态水将释放大量汽化潜热，这部分热量也随空气含湿量变化而变化，这对换热器和冷却器的设计和安全稳定运行带来了较大的困难。

5、常规的非补燃压缩空气储能电站在首段压缩机入口仅配置过滤器对空气中的杂质进行预处理，入口空气温度变化对压缩机的影响通过压缩机的变工况调节来适应，入口空气湿度变化对压缩机的影响通过在每段压缩机出口换热器和冷却器后设置气水分离器来解决。

6、国内在压缩空气储能系统设计中，已有对压缩机入口空气进行冷却的研究。专利《一种适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统》(申请号：201721704616.2)中提出一种适用于电网调峰带强迫预冷的压缩空气储能系统，通过冷却系统同时对4级压缩机入口空气进行冷却来减少压缩机功耗，提高压缩机效率。该专利通过冷却系统直接冷却压缩空气，压缩热不回收，系统能耗较大，局限性较高。

7、目前，对于压缩空气储能来说，压缩系统宽工况设计是重点和难点，往往需要通过牺牲经济性和效率来满足设计条件；因此，研发全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统很有必要。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统。

2、本发明的第一目的是提供这种全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统的使用方法。

3、为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统，包括空气过滤器、与空气过滤器连接的首段压缩机、与首段压缩机连接的换热器、与换热器连接的首段冷却器、与首段冷却器连接的首段气水分离器、与首段气水分离器连接的末段压缩机、与末段压缩机连接的末段冷却器、与末段冷却器连接的末段气水分离器和与末段气水分离器连接的储气库，其特征在于：还包括空气预处理装置，所述空气预处理装置位于空气过滤器和首段压缩机之间，所述空气预处理装置包括与空气过滤器连通的预冷装置、与预冷装置连通的深冷装置和与深冷装置连通的回温装置；

4、所述预冷装置的闭式水入口与回温装置闭式水出口连接，所述预冷装置闭式水出口与回温装置闭式水入口连接。

5、在上述技术方案中，所述预冷装置闭式水出口依次通过循环水泵和膨胀水箱与回温装置闭式水入口连接。

6、在上述技术方案中，还包括闭式水泵和闭式水换热器,所述闭式水泵出口通过闭式水换热器与末段冷却器闭式水入口连接，所述末段冷却器闭式水出口与闭式水泵入口连接；

7、所述闭式水泵出口与回温装置闭式水入口连接，

8、所述回温装置闭式水出口与末段冷却器闭式水入口连接。

9、在上述技术方案中，所述空气预处理装置还包括气动阀组，气动阀组包括第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀；所述预冷装置闭式水出口通过第一气动阀与回温装置闭式水入口连接；所述第二气动阀位于膨胀水箱与回温装置闭式水出口之间；所述回温装置闭式水入口通过第三气动阀与闭式水泵出口连接；所述回温装置闭式水出口通过第四气动阀与末段冷却器闭式水入口连接。

10、在上述技术方案中，所述空气预处理装置还包括制冷机组，所述深冷装置的制冷剂出入口均与制冷机组连接。

11、为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：全天候压缩机入口定参数运行的压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

12、步骤1：首段压缩机入口的空气在预处理装置中依次经过a、b、c、d四点所在的截面，其中a位于预冷装置入口，b位于深冷装置入口，c位于回温装置入口，d位于回温装置出口，a点的温度为ta，b点的温度为tb，c点的温度为tc，d点的温度为td；

13、由于空气依次通过ta、tb、tc、和td的质量流量相同，闭式水系统在热平衡状态下从预冷装置吸热量和对回温装置放热量相同，因此可得出：

14、ta-tb＝td-tc

15、深冷装置将空气温度由tb降温至tc，并将降温过程中析出的液态水分离，排空冷凝水；保证入口空气的露点温度≤tc；

16、由于水和空气换热存在换热端差限制，设换热端差为n℃，则在预冷装置处，预冷装置闭式水入口温度为tb-n，预冷装置闭式水出口温度≤ta-n；在回温装置处，回温装置闭式水入口温度为td+n，回温装置闭式水出口温度≥tc+n；预冷装置和回温装置闭式水进出口的闭式水温度基本相同，因此：

17、td+n≤ta-n，即ta-td≥2n

18、tb-n≥tc+n，即tb-tc≥2n

19、tb-n＜td+n，即tb-td＜2n

20、确定首段压缩机进气温度td、进气最高露点温度tc和换热端差n，即可确定预冷装置71的设计参数；

21、在确定了温度参数ta、tb、tc、td和换热端差n后，当首段压缩机入口空气环境温度t变化时，采取不同的调节手段；

22、步骤2：当t≥ta时，打开第一气动阀和第二气动阀，关闭闭式水泵、第三气动阀和第四气动阀；循环水泵工频运行，保证空气通过预冷装置后的温降不变；通过调整深冷装置的冷却量，确保tc的值；利用回温装置将空气温度加热至td进入首段压缩机；

23、步骤3：当tc≤t＜ta时，关闭循环水泵、第一气动阀和第二气动阀，空气直接通过深冷装置冷却至tc；打开第三气动阀和第四气动阀，闭式水泵工频运行，利用末段冷却器闭式水出口的高温闭式水将空气温度加热至td进入首段压缩机；

24、步骤4：当t＜tc时，关闭循环水泵、第一气动阀和第二气动阀，关闭深冷装置；打开第三气动阀和第四气动阀，闭式水泵变频运行，利用末段冷却器闭式水出口的高温闭式水将空气温度加热至td进入首段压缩机。

25、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、1)本发明通过整定首段压缩机入口空气的温度和湿度，使压缩机长期稳定运行在设计工况。

27、2)本发明通过预处理提前将空气中所含的大部分水蒸汽冷凝析出，避免压缩机对这部分水蒸汽做无用功，同时可在常压条件下回收冷凝水，回收系统配置简单。

28、3)本发明解决首段压缩机和末段压缩机在极端工况下功耗过高的问题。

29、4)本发明解决换热系统入口空气温度及热量随环境温度及湿度波动，导致系统配置复杂的问题。

30、5)本发明解决末段压缩机余热利用的问题。

31、6)本发明通过配置闭式循环水系统，降低了制冷机组的功耗，提高了系统的经济性。