压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统及方法 |
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| 申请号 | CN202311599011.1 | 申请日 | 2023-11-27 | 公开(公告)号 | CN117869374A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 山东电力工程咨询院有限公司; | 发明人 | 张斌; 孙立刚; 王光磊; 杨俊波; 刘晓玲; 黄汝玲; 瞿煤源; 李洪超; 刘嘉楷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种压缩空气储能电站用空气 压缩机 进气二级冷却系统及方法，属于储能电站技术领域。本发明中，空气压缩机排出的压缩空气在排气换热器中与蓄热介质进行换热降温后分为两路，第一路进入储气室储存，第二路进入制冷子系统；制冷子系统包括透平膨胀机和压缩式冷 水 机两级制冷单元，透平膨胀机产生电 力 用作压缩式冷水机的电源，两级制冷单元分别产生一级冷却器和二级冷却器所需冷却介质，一级冷却器的介质为压缩式冷水机制取的冷冻水，二级冷却器的介质为透平空气压缩机排出的低温空气。本发明突破了 现有技术 的冷却 温度 下限，实现了空气压缩机进气温度深度冷却，显著减小了空气压缩机功耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统，其特征在于，包括：一级冷却器、二级冷却器、空气压缩机、电动机、排气换热器、截止阀、储气室和制冷子系统； |
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| 说明书全文 | 压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及储能电站技术领域，特别涉及一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统及方法。 背景技术[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。 [0003] 近年来，风电、光伏等新能源装机量快速增长，但风电、光电的波动性和间歇性会影响电网稳定，并增加电网负荷峰谷差。压缩空气储能技术是最具发展前景的大规模物理储能技术之一，具有储能容量大、寿命长和成本低等优势，可以有效解决新能源电力并网消纳问题。 [0004] 压缩空气储能系统利用空气压缩机将富余电能转化为空气的热力学能和压力势能进行存储，这一过程中空气压缩机的能耗水平直接决定了储能效率。空气压缩机功耗与进气温度呈正相关，而压缩空气储能系统的空气压缩机通常从环境直接吸气，低纬度地区或夏季环境温度较高时，升高的进气温度会使得运行功耗增加，进而降低储能效率，因而采用进气冷却措施可有效降低空气压缩机功耗、提高储能效率。 [0005] 发明人发现，目前常用的空气压缩机进气冷却技术有喷雾冷却和蒸发冷却，前者利用雾化喷嘴将水滴直接喷入空气压缩机进气，通过水滴蒸发使进气温度降低；后者则借助换热结构表面形成的水膜与二次空气接触，蒸发降温后进一步冷却换热结构内部空气压缩机进气。然而，上述技术只能将空气压缩机进气冷却至湿球温度附近，应用于高湿环境时冷却效果不佳，且装置占用空间较大，易发生磨损或堵塞。 发明内容[0006] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统及方法，通过组合使用透平膨胀机和压缩式冷水机以产生不同温度的冷却介质，对空气压缩机进气进行二级冷却，从而突破了现有技术的冷却温度下限，实现了空气压缩机进气温度深度冷却，显著减小了空气压缩机功耗。 [0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 第一方面，本发明提供了一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统。 [0010] 空气压缩机由电动机驱动，一级冷却器的空气出口和二级冷却器的主流空气进口连接，二级冷却器的空气出口与空气压缩机的进气口连接，空气压缩机的排气口与排气换热器的空气进口连接，排气换热器的空气出口分为两路，第一路经截止阀与储气室的空气进口连接，第二路接入制冷子系统； [0011] 制冷子系统包括调节阀、除湿器、透平膨胀机、发电机、压缩式冷水机和冷水循环泵，调节阀与除湿器的进气口连接，除湿器的排气口与透平膨胀机进气口连接，透平膨胀机的排气口与二级冷却器的低温空气进口连接，透平膨胀机的轴与发电机连接，发电机发出的电力用作压缩式冷水机的电源，压缩式冷水机用于与市电连接以作为辅助电源； [0012] 一级冷却器的液侧进口经冷冻水循环泵与压缩式冷水机的冷冻水出口连接，一级冷却器的液侧出口与压缩式冷水机的冷冻水入口连接，形成冷冻水的封闭循环。 [0013] 作为本发明第一方面进一步的限定，一级冷却器为间接式换热器，采用管壳式、板式或热管式换热器。 [0014] 作为本发明第一方面进一步的限定，二级冷却器为混合器。 [0015] 作为本发明第一方面进一步的限定，空气压缩机为轴流式空气压缩机或者离心式空气压缩机。 [0016] 作为本发明第一方面进一步的限定，排气换热器为管壳式排气换热器、板式排气换热器或热管式排气换热器。 [0017] 作为本发明第一方面进一步的限定，压缩式冷水机为变频调节的压缩式冷水机，压缩式冷水机为风冷机组或水冷机组，提供的冷冻水供水温度≥5℃。 [0018] 作为本发明第一方面进一步的限定，调节阀为电动调节阀或气动调节阀。 [0019] 作为本发明第一方面进一步的限定，压缩空气储能电站采用多级串联空气压缩机方式时，制冷子系统设置于第一级和第二级空气压缩机之间。 [0020] 第二方面，本发明提供了一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却方法。 [0021] 一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却方法，利用本发明第一方面所述的压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统，包括以下过程： [0022] 空气压缩机排出的压缩空气在排气换热器中与蓄热介质进行换热降温后分为两路，第一路进入储气室储存，第二路进入制冷子系统； [0023] 制冷子系统包括透平膨胀机和压缩式冷水机两级制冷单元，透平膨胀机产生电力用作压缩式冷水机的电源，两级制冷单元分别产生一级冷却器和二级冷却器所需冷却介质，一级冷却器的介质为压缩式冷水机制取的冷冻水，二级冷却器的介质为透平空气压缩机排出的低温空气。 [0024] 作为本发明第二方面进一步的限定，一级冷却器冷却负荷保持不变，通过改变二级冷却器冷却负荷调节空气压缩机进气温度，保持压缩式冷水机以额定功率运行提供冷冻水，通过一级冷却器使空气压缩机进气降温幅度10℃‑15℃； [0025] 二级冷却器冷却负荷的改变通过调节进入透平膨胀机的压缩空气流量实现，压缩式冷水机额定功率等于透平膨胀机最大输出功，当空气流量减少使透平膨胀机输出功率降低时，压缩式冷水机不足功率由市电补足。 [0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0027] 1、本发明联合透平膨胀机和压缩式冷水机提供两种不同温度的冷却介质，对空气压缩机进气进行二级冷却，可使空气压缩机进气温度大幅降低至进气湿球温度以下，且不受环境温、湿度条件限制，从而突破了现有空气压缩机进气冷却技术的不足，显著降低了空气压缩机运行能耗，提高了压缩空气储能系统效率。 [0028] 2、本发明通过改变制冷子系统空气流量调节空气压缩机进气温度，操作简单方便，响应速度快，可拓宽空气压缩机进气温度调节范围，提高储能阶段压缩空气储能系统运行灵活性，能够适应更复杂的应用场景。 [0029] 3、本发明提出的压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统，流程简单，设备成熟可靠，易于安装维护，具有较高的冷却效率且运行成本低。 [0032] 图1为本发明实施例1提供的压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统的结构示意图； [0033] 其中，1‑一级冷却器；2‑二级冷却器；3‑空气压缩机；4‑电动机；5‑排气换热器；6‑蓄热介质进口；7‑蓄热介质出口；8‑截止阀；9‑储气室；10‑调节阀；11‑除湿器；12‑透平膨胀机；13‑发电机；14‑压缩式冷水机；15‑冷冻水循环泵；16‑空气入口；17‑市电。 具体实施方式[0034] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0035] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0036] 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0037] 实施例1： [0038] 如图1所示，本发明实施例1提供了一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统包括：一级冷却器1、二级冷却器2、空气压缩机3、电动机4、排气换热器5、截止阀8、储气室9和制冷子系统。 [0039] 空气压缩机3由电动机4驱动，空气压缩机3具有进气道和排气道，进气道上依次布置一级冷却器1和二级冷却器2，一级冷却器1的空气出口和二级冷却器2的主流空气进口连接，二级冷却器2的空气出口与空气压缩机3的进气口连接，空气压缩机3的排气口与排气换热器5的空气进口连接，排气换热器5的空气出口分为两路，第一路经截止阀8与储气室9的空气进口连接，第二路接入制冷子系统。 [0040] 制冷子系统包括调节阀10、除湿器11、透平膨胀机12、发电机13、压缩式冷水机14和冷水循环泵15，调节阀10与除湿器11的进气口连接，除湿器11的排气口与透平膨胀机12进气口连接，透平膨胀机12的排气口与二级冷却器2的低温空气进口连接，透平膨胀机12的轴与发电机13连接，发电机发出的电力用作压缩式冷水机14的电源，同时将市电17接入压缩式冷水机14作为辅助电源。 [0041] 一级冷却器1的液侧进口经冷冻水循环泵15与压缩式冷水机14的冷冻水出口连接，一级冷却器1的液侧出口与压缩式冷水机14的冷冻水入口连接，从而形成冷冻水的封闭循环。 [0042] 本发明采用压缩式冷水机14产生冷冻水对空气压缩机3进气进行预冷，利用空气压缩机3排气膨胀制冷产生的低温空气进一步冷却空气压缩机3的进气，从而大幅降低空气压缩机3进气温度。 [0043] 本实施例提供的压缩空气储能电站用空气压缩机进气二级冷却系统的工作流程，包括： [0044] 环境中的空气进入一级冷却器1，通过间接换热被压缩式冷水机14制取的冷冻水初步冷却后进入二级冷却器2的主流空气进口，经压缩升温后的高温高压空气进入排气换热器5，与低温蓄热介质换热，高压空气被冷却后分为两路，第一路送入储气室储存，第二路压缩空气进入透平膨胀机12膨胀做功，压力和温度降低后作为二级冷却介质进入二级冷却器2低温空气进口，一级冷却器1排气与透平膨胀机12排气在二级冷却器2内混合进一步降温后进入空气压缩机3的进气口。 [0045] 本实施例中，优选的，将来自低温蓄热器的低温蓄热介质通入排气换热器5的蓄热介质进口6，与空气压缩机3排出的高压高温空气换热升温后，由蓄热介质出口7排出进入高温蓄热器存储，用于释能阶段加热高压空气。 [0046] 本实施例中，优选的，排气换热器5的作用是利用蓄热介质冷却并回收空气压缩机排气中的热力学能。 [0047] 本实施例中，优选的，除湿器11的作用是去除高压空气中的水分，避免透平膨胀机12出口低温条件下水分结冰。 [0048] 本实施例中，优选的，透平膨胀机12的作用是产生用作空气压缩机3进气二级冷却介质的低温空气，同时回收空气压力能做功发电。 [0049] 本实施例中，优选的，压缩式冷水机14的作用是利用透平膨胀机12做功产生的电力或市电17产生用作空气压缩机3进气一级冷却介质的冷冻水。 [0050] 本实施例中，优选的，调节阀10的作用是通过改变阀门开度调节排气换热器5后分流至制冷子系统的空气流量。 [0051] 本实施例中，优选的，截止阀8的作用是储能阶段结束后，关断空气压缩机3排气道，防止储气室9内压缩空气回流。 [0052] 本实施例中，优选的，空气压缩机3的排气压力和进气压力的比值在2‑3.5之间。 [0053] 本实施例中，优选的，进入透平膨胀机12的压缩空气质量流量占进入一级冷却器空气质量流量的百分比在10％‑30％之间。 [0054] 本实施例中，优选的，压缩式冷水机14的额定功率由第二路压缩空气流量最大时的透平膨胀机12输出功率确定。 [0055] 本实施例中，优选的，一级冷却器1为间接式换热器，可采用管壳式、板式或热管式换热器。 [0056] 可以理解的，在其他一些实现方式中，一次冷却器1也可采用直接式换热器进行替代，即利用蒸发冷却方式对空气压缩机3进气预冷，该方式可进一步降低预冷温度、结构更简单，但会使得空气压缩机3进气湿度提高，增加除湿器11负荷，且需设置冷冻水补水回路。 [0057] 本实施例中，优选的，二级冷却器2为混合器。 [0058] 本实施例中，优选的，空气压缩机3可以为轴流式、离心式。 [0059] 本实施例中，优选的，排气换热器5为管壳式、板式或热管式。 [0060] 本实施例中，优选的，压缩式冷水机14采用变频调节。 [0061] 本实施例中，优选的，压缩式冷水机14为风冷或水冷机组，提供的冷冻水供水温度≥5℃。 [0062] 本实施例中，优选的，调节阀10为电动或气动调节阀。 [0063] 本实施例中，优选的，压缩空气储能电站采用多级串联空气压缩机方式时，制冷子系统设置于第一级和第二级空气压缩机之间。 [0064] 实施例2： [0065] 本发明实施例2提供了一种压缩空气储能电站用空气压缩机进气冷却方法，空气压缩机进气采用两级冷却，第一级冷却为间接式换热方式，第二级冷却为直接式换热方式； [0066] 空气压缩机3排出的压缩空气在排气换热器5中与蓄热介质进行换热降温后分为两路，第一路进入储气室9储存，第二路进入制冷子系统，制冷子系统包括透平膨胀机12和压缩式冷水机14两级制冷单元，透平膨胀机12产生电力用作压缩式冷水机电源，两级制冷单元分别产生空气压缩机进气一级冷却和二级冷却所需冷却介质，一级冷却介质为压缩式冷水机14制取的冷冻水，二级冷却介质为透平空气压缩机12排出的低温空气。 [0067] 本实施例中，还提供了一种空气压缩机进气温度调节策略，即一级冷却器1冷却负荷保持不变，通过改变二级冷却器2冷却负荷调节空气压缩机3进气温度，为实现这一策略，保持压缩式冷水机14以额定功率运行提供冷冻水，通过一级冷却器1使空气压缩机进气降温幅度10‑15℃；二级冷却器2冷却负荷的改变通过调节进入透平膨胀机12的压缩空气流量实现；由于压缩式冷水机14额定功率等于透平膨胀机12最大输出功，当空气流量减少使透平膨胀机12输出功率降低时，压缩式冷水机14不足功率由市电补足。 [0068] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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