用于压缩空气储能发电系统的定压供气系统的制作方法

本技术涉及储能系统，特别涉及用于压缩空气储能发电系统的定压供气系统及其运行方法。

背景技术：

1、已有电力储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能具有规模大、成本低和寿命长等优点，被公认为是最适合大规模化的物理储能技术。由于抽水蓄能技术比较成熟，是目前我国唯一实现了广泛推广利用的储能技术，但是它存在天然的地理条件限制，特别是与我国风能、太阳能资源存在地域错位，且其容量和功能不能完全满足我国储能发展的需求(到2050年我国储能装机将达电力总装机的10％-15％，超过抽水蓄能的可开发容量的2倍以上)，因此发展抽水蓄能外的其它大规模储能技术势在必行。

2、压缩空气储能具有储能容量大、储能周期长、比投资小等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术。目前国内开展的压缩空气储能电站大都以非补燃、蓄热式压缩空气储能技术为主，系统原理图见图1，其储、释能过程主要经过以下两个阶段：

3、一是在压缩及储热阶段，电能首先被转化为机械能，通过压缩机将大气中的空气压缩成高压空气。电动机带动压缩机工作，逐渐将空气压缩。在这个过程中，根据热力学的第一定律，空气的压力随着压缩的进行逐渐升高，伴随着显著的温度上升。

4、随后，高温高压空气进入储热系统，与热媒介(如水、导热油或熔融盐)进行热交换。在这个储热过程中，大部分压缩空气的热能被传递给热媒介进行储存。同时，压缩空气的温度下降，因为它的热能被传递给了热媒介。降温后的压缩空气被储存在储气装置中，以待后续的能量释放过程。

5、二是在释热及膨胀阶段，高温高压空气首先经过热交换器，与储存的热媒介进行热交换，实现热能的释放。通过热交换，储存的热媒介降温，而压缩空气重新获得一部分热能，使其温度升高。

6、接下来，热能丰富的高温高压空气进入膨胀机，通过气体膨胀过程释放能量，驱动发电机产生电能。在膨胀过程中，高压空气的压力能被转化为机械能，从而实现能量的转换。同时，膨胀过程使压缩空气的温度和压力降低，达到降温和降压的目的。

7、释热及膨胀阶段的整体过程是连续进行的，其中热交换和膨胀是相互关联的。释热过程通过热交换器将热能传递给压缩空气，使其温度升高；而膨胀过程则利用高温高压空气的能量进行膨胀，驱动发电机产生电能，并降低压缩空气的温度和压力。

8、这样，释热及膨胀阶段实现了能量的转换和利用，将储存的热能转化为电能，并完成了压缩及储热系统中的能量循环过程。

9、需要说明的是，为了提高系统参数和发电效率，压缩系统通常采用多级串联，以提高储气压力和密度，避免由于压缩机压比过大导致出口温度过高，采用分级压缩+分级换热方式，逐步提高空气的压力，最终达到高压储气装置的最高设计压力。多级串联压缩机中，末级压缩机采用全负荷变频运行，其他各级压缩机均采用工频运行方式；

10、储热和释热系统根据储热介质的种类可采用一级，也可以选择两级串联；

11、膨胀系统一般也采用多级串联，如上一级膨胀机排气经过再次加热后进入下一级膨胀机继续做功。

12、当前系统造价中占比较高的部分主要是压缩系统、膨胀发电系统、换热储热系统三大环节设备造价及储气系统造价。对于采用天然盐穴储气的工程，压缩系统、膨胀发电系统、换热储热系统三大环节设备造价占比约45％，储气系统造价占比6％～9％，投资的其他部分主要用于常规电气系统设备费、建筑费、安装费、其他费用等。若采用人工硐室和压缩空气储罐储气，储气系统造价占比可达30％以上。

13、综合分析国内已完成可研设计和已经进入施工阶段的项目资料，考虑3种主要储气方式的平均造价水平：对于放电时长6h的压缩空气储能项目，盐穴储气造价较低，约600元/kw，条件较好的盐穴造价可进一步降低，人工硐室造价约2600元/kw；压缩空气储罐储气造价约7500元/kw。同一储气方式下具体工艺和施工方案对造价也有一定影响。以人工硐室为例，不同的地质条件、开挖方案、支护方案、密封方案均会造成工程量费用差异。综合目前在建和正在开展前期工作的项目来看，硐室单位造价大约在2000～3500元/m3。

14、在目前国内开展的压缩空气储能电站中，在释能过程时，膨胀机入口的压力是持续下降的，但下降的幅度不能过大，这主要是有以下原因：

15、(1)影响能量转换效率：膨胀机的效率与入口压力密切相关。进气压力下降会导致膨胀机偏离设计的高效区间运行，进而影响能量转换的效率。膨胀机在设计时通常针对一定的进气压力范围进行优化，如果超出该范围，膨胀机的效率将受到影响，从而降低整个系统的能量转换效率。

16、(2)对可靠性和稳定性要求：膨胀机是系统中关键的能量转换设备，频繁、过大的进气压力波动范围会给膨胀机带来较大的工作负荷和压力冲击，增加其运行的不稳定性和疲劳损伤的风险。为了保证膨胀机的可靠性和长期稳定运行，需要控制进气压力的波动范围尽量小。

17、(3)控制系统运行的稳定性：压缩空气储能电站是一个复杂的系统，过大的进气压力波动范围会影响整个系统的稳定性和控制性能。控制系统需要在不断变化的进气压力条件下进行调整和响应，过大的波动范围会增加系统的复杂性和精准性，可能导致系统运行不稳定或失控。

18、对于采用天然盐穴的压缩空气储能电站来说，盐穴的自然容积较大，压力波动范围一般限定在1.5mpa左右，能够尽量确保膨胀机进气压力稳定；而在采用人工开挖的地下硐室或地上压缩空气储罐储气的工程中，压力波动范围可提高到6mpa，从而可以在相对较小的容积里释放出更多气体，尽可能降低工程造价。

19、随着膨胀机入口的压力持续下降，常规压缩空气储能电站在释能过程中均采用滑压方式发电，膨胀机未设置补气管道时，机组发电功率随时间推移而不断下降；膨胀机设置补气管道时，机组发电功率维持不变，但进气压力降低、流量加大，气体压力将不断偏离设计值，膨胀机发电效率随之降低。

20、为了在膨胀发电过程中能够实现设定的压力波动范围，在释能结束、高压储气装置释放出发电所需的压缩空气后，仍要保持一定的压力，即垫底气压，对应的压缩空气量即为垫底气量。

21、在常规压缩空气储能系统中，通常会将垫底气压设定为高于倒数第二级压缩机的压力。这是为了确保在储能初期，末级的变频驱动压缩机能够顺利投入运行，即在储能过程中，所有串联压缩机都需要被启动。

22、设定高于倒数第二级压缩机压力的垫底气压，可以保证系统在储能开始时有足够的气流通过末级变频压缩机，使其能够正常运转。这样一来，在储能过程中，所有压缩机都能够参与空气压缩过程，将空气不断注入到高压储气装置内，直至达到高压储气装置的最高设计压力。

23、通过合理设定垫底气压，可以确保系统在储能过程中各部分的协调运行，避免工频运行的压缩机由于背压无法维持而超速跳机。

24、以某300mw/1800mwh(释能6h)压缩空气储能电站为例，当采用地下人工硐室或地上压缩空气储罐储气时，垫底气压为10.5mpa，在储能过程中，储气压力从垫底气压升高至16.5mpa，压差为6mpa；释能过程中，高压储气装置内的压力不断下降至10.5mpa，系统恢复到初始状态，准备进行下一轮循环过程。

25、根据工程计算结果，整个释能过程耗气量约为1.22万吨，在释能结束后或储能开始前，高压储气装置中仅储存垫底气量，压力为10.5mpa，在储能结束后，此气量与垫底气量共同储存在高压储气装置中，压力达到16.5mpa。根据理想气体状态方程计算，高压储气装置容积应为17.69万m3，其中储能前垫底气量为2.98万吨，储能后总气量为4.20万吨。按照地下人工硐室的单位造价3000元/m3计算，储气系统造价将达到5.31亿元。

26、采用盐穴储气的储气系统造价虽然较低，但其具备储能条件的前提是需要耗费较长时间和较高的电力成本为盐穴建立起垫底气压，初期运行成本远高于地下人工硐室或地上压缩空气储罐方案。而且我国天然盐穴资源并不丰富，很多大容量优质盐穴已开发为天然气储气库，用于储备或季节性调峰，可用于压缩空气储能电站的盐穴更加稀少。而采用人工硐室或地上压缩空气储罐储气的压缩空气储能电站不需要过分考虑地址因素，建设条件更普遍，但如何降低储气系统的造价成为制约压缩空气储能电站发展的关键因素。

27、高压储气装置容积过大主要是由于垫底气量导致的，而垫底气量是为了确保滑压发电过程中尽量减小压力波动范围，提高发电效率而必须的。

28、降低储气系统造价的关键在于寻找有效的方式来减少储气容积，同时维持系统的高效率发电工况。需要通过综合考虑储气容积、技术创新和系统优化等因素，找到合适的方案来降低储气系统的造价，以推动压缩空气储能技术的发展，并为大规模储能的实施提供经济可行的解决方案。

技术实现思路

1、本实用新型旨在解决高压储气装置内需要保留一定的垫底气量而导致容积过大，进而增加了建造成本的问题。为了避免垫底气量的影响，需要维持释能过程中高压储气装置的压力不变，膨胀机可以采用定压进气方式，发电效率也保持不变，彻底取消垫底气量，高压储气装置仅需考虑发电所需的气量即可，容积可以大幅缩小，储气系统的建造成本也将明显降低。

2、为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种用于压缩空气储能发电系统的定压供气系统，包括一级电动机、一级压缩机、一级空气冷却器、二级电动机、二级压缩机、二级空气冷却器、三级电动机、三级压缩机、三级空气冷却器、四级电动机、四级压缩机、四级空气冷却器、储热罐、储冷罐、储热介质循环泵、储冷介质循环泵、发电机、三级膨胀机、二级膨胀机、一级膨胀机、三级空气加热器、二级空气加热器、一级空气加热器、排气筒、高压储气装置、常压储水装置、定压泵、进气关断阀、出气关断阀、进水关断阀、排水关断阀、定压泵出口关断阀、定压泵入口关断阀和系统所需的其他管道连接件；

3、所述一级电动机、一级压缩机、一级空气冷却器、二级电动机、二级压缩机、二级空气冷却器、三级电动机、三级压缩机、三级空气冷却器、四级电动机、四级压缩机、四级空气冷却器、高压储气装置顺次连接，四级空气冷却器和高压储气装置之间设置进气关断阀；

4、所述高压储气装置、一级空气加热器、一级膨胀机、二级空气加热器、二级膨胀机、三级空气加热器、三级膨胀机、发电机、排气筒顺次连接，高压储气装置和一级空气加热器之间设置出气关断阀；

5、所述储热罐、储热介质循环泵、一级空气加热器、二级空气加热器、三级空气加热器、储冷罐、储冷介质循环泵、一级空气冷却器、二级空气冷却器、三级空气冷却器、四级空气冷却器顺次连接，通过循环介质传递热量；

6、所述高压储气装置通过管道与常压储水装置相连通，靠近高压储气装置设置进水关断阀，靠近常压储水装置管道分为出水管和回水管，出水管上设有定压泵及其出入口管道上的定压泵入口关断阀和定压泵出口关断阀，回水管上设有排水关断阀；

7、所述常压储水装置通过管道与大气相通。

8、进一步地，所述常压储水装置的有效容积不应小于高压储气装置。

9、进一步地，所述高压储气装置与一级空气加热器相连接的管道，应由高压储气装置的顶部接出。

10、进一步地，所述高压储气装置与常压储水装置相连接的管道，应由高压储气装置底部接引出，或将管道伸入高压储气装置内部的最低点附近。

11、本实用新型还提供一种采用上述用于压缩空气储能发电系统的定压供气系统的运行方法：

12、系统储能前，所述高压储气装置内充满常压液态水，常压储水装置内充满常压空气，并与大气相通；

13、系统储能时，来自大气的空气经所述一级电动机驱动的一级压缩机压缩后升温升压，来自储冷罐的储冷介质进入一级空气冷却器与空气换热，升温后进入储热罐中储存；低温高压空气不断被压入高压储气装置内，水经管道被挤压至常压储水装置，直至高压储气装置内无水后，关闭高压储气装置与常压储水装置相连管道的进水关断阀、排水关断阀和定压泵出口关断阀，持续储存压缩空气；

14、当所述高压储气装置内的压力达到一级压缩机排气压力时，关闭一级压缩机至高压储气装置间的阀门，同时开启二级压缩机继续压缩空气并将升温后的储热介质储存在储热罐中；

15、当所述高压储气装置内的压力达到二级压缩机排气压力后，关闭二级压缩机至高压储气装置间的阀门，同时开启三级压缩机和其出口至高压储气装置间的阀门，继续压缩空气并将升温后的储热介质储存在储热罐中；

16、当所述高压储气装置内的压力达到三级压缩机排气压力后，关闭三级压缩机至高压储气装置间的阀门，同时开启四级压缩机和其出口至高压储气装置间的阀门，继续压缩空气并将升温后的储热介质储存在储热罐中，直至高压储气装置内的空气压力达到最高设计压力，关闭四级压缩机和高压储气装置之间的进气关断阀，完成储能过程；

17、系统释能时，开启所述高压储气装置和一级膨胀机之间的出气关断阀，同时开启定压泵，将常压储水装置内的水不断压入高压储气装置中，以维持高压储气装置内压力不变；高压气体经一级空气加热器升温后进入一级膨胀机做功发电；经过一级膨胀机膨胀做功过程后的排气压力和温度均降低，再顺次进入二级空气加热器二级膨胀机和三级空气加热器、三级膨胀机，三级膨胀机出口的低温、低压空气做功能力无法利用，克服排气筒的阻力后直接排入大气；

18、当所述高压储气装置内气体全部释放完毕后，关闭定压泵，开启高压储气装置和常压储水装置之间的进水关断阀和排水关断阀，高压储气装置内的带压水通过管道泄压至常压，整套系统恢复到待储的原始状态。

19、与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

20、(1)高压储气装置容积大幅缩减，系统造价明显降低；

21、(2)压缩机采用多级压缩，储能开始后，逐步提高压缩机串联级数，直至高压储气装置内压力达到设计值。压缩过程耗电功率逐步上升，总耗电量明显降低。

22、(3)释能过程中高压储气装置内部压力和膨胀机进气压力均维持不变，膨胀机无需设置补气系统即可实现长期以额定负荷发电，取消补气系统，膨胀发电系统大幅简化；

23、(4)膨胀机进气压力始终维持高压状态，气体密度大、体积流量低，膨胀机设备尺寸和进气管道规格均较小，降低初始投资；

24、(5)膨胀发电过程中系统运行参数保持不变，运行控制简单。

25、(6)储气库内部压力始终不变，不会因为持续释放气体带来的压力降低而导致温度下降。

26、(7)释能结束后，系统中所有设备及管道均处于常压状态，便于检修、维护，安全性大幅提高。