一种ORC耦合非补热式压缩空气储能系统及方法与流程

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一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统及方法
技术领域
1.本发明属于储能技术领域，涉及一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

2.工商业企业需要耗费大量电力用于维持生产设备和配套设施的正常运行。随着耗电量的增长，电网的电力峰谷负荷相差越来越大。为了改善电力负荷平衡问题、应对电力难以大规模储存的现状，各类储能方式研究越发深入。压缩空气储能(compressed-air energy storage,下文简称caes)是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、盐穴或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平膨胀机发电的储能方式。
3.压缩空气储能为我国构建新型电力系统提供了实现电能大量存储和“削峰填谷”的新方案，将有力促进新能源的大规模消纳，但是系统中的低品位热源无法用于发电过程，需要随着冷却系统白白耗散，造成资源浪费而且增加了冷却设备的投资，系统整体技术经济性有待提高。

技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种orc(organic rankine cycle，有机朗肯循环)耦合非补热式压缩空气储能系统，克服已有技术的不足之处，将压缩空气储能与orc低温余热发电技术结合，可进一步提高系统效率，实现零碳运行，利用原本压缩空气发电系统无法利用的较低品位的热量进行发电，从而降低能源消耗，提升电-电转化效率。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、空气-水加热器、空气高温加热器、空气透平机组、发电机、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统以及orc低温发电系统；压缩空气储能系统储气库的出气口依次连接气-水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；空气透平机组连接发电机；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统，冷却器组的冷侧分别连接高温储热系统和第一水储热系统；orc低温发电系统加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为orc低温发电系统提供热源。
6.相邻两级压缩机之间的换热器组包括空气冷却器和气-水冷却器，空气冷却器的冷侧连接储热系统；气-水冷却器的冷侧连接第一水储热系统。
7.高温储热系统包括热介质罐和冷介质罐，热介质罐的出口连接空气高温加热器的热侧入口，冷介质罐的入口连接空气高温加热器的热侧出口；高温储热系统中的储热介质为熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。
8.第一水储热系统包括热水罐和冷水罐，热水罐的出口连接气-水加热器的热侧入口，冷水罐的入口连接气-水加热器的热侧出口；气-水冷却器的冷侧出入口分别连接热水
罐入口和冷水罐出口。
9.最后一级压缩机的出口设置低温换热器，低温换热器连接第二水储热系统，并为第二水储热系统提供热量，第二水储热系统的出入口分别连接orc低温发电系统加热工质进出口。
10.空气透平机组设置有至少两级空气透平，每一级空气透平的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器和空气高温加热器，气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统。
11.储气室采用单室或多室并联。
12.压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器。
13.压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
14.本发明所述orc耦合非补热式压缩空气储能系统的运行方法，空气经过压缩空气储能系统压缩后储能，压缩空气经过气-水加热器和空气高温加热器，分别与第一水储热系统和高温储热换热后进入空气透平机组做功，使得空气透平机组带动发电机发电；其中，冷却器组吸收压缩空气过程产生的热量，同时将热量通过水和储热介质分别存储至第一水储热系统和高温储热系统，第一水储热系统和高温储热系统利用热量对压缩空气加热，第二水储热系统对orc低温发电系统提供热源。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
16.本发明利用低谷电或弃风弃光电压缩空气蓄能，将压缩空气时的低品位热量存储于水储热系统中，采用orc低温余热发电技术耦合压缩空气储能系统，回收利用压缩空气余热，提高整体电-电转化效率，；对低品位热源利用的同时，直接降低对压缩热消解所需冷却设备的投资；用电高峰期间利用压缩空气推动空气透平并网发电，orc低温发电系统可吸收空气压缩的低品位余热，使得该系统的总能效得到提高，电电效率可达70％以上，可广泛应用于高耗电工商业企业，大幅降低节省电费、兼作备用电源、还可供热供冷，对电网平衡也具有重大实用价值，具有较高的经济社会效益和工程实用价值。
附图说明
17.图1是一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统；
18.图中：1.自洁式过滤器，2.压缩机，3.空气冷却器，4.气-水冷却器，5.储气室，6.气-水加热器，7.空气高温加热器，8.空气透平，9.发电机，10.热介质罐，11.冷介质罐，12.热水罐，13.冷水罐，14.orc低温发电系统。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
20.参考图1，本发明提供一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统，包括压缩机组、储气室5、气-水加热器6、空气高温加热器7、空气透平8、发电机9、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统以及orc低温发电系统14；压缩机组的出气口依次连接储气室5、气-水加热器6、空气高温加热器7和空气透平8；空气透平8连接发电机9；压缩机组包括多个压缩机2，两级压缩机之间设置冷却器组；气-水加热器6的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器7热侧连接高温储热系统，冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；
orc低温发电系统14加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为orc低温发电系统14供热；高温储热系统包括热介质罐10和冷介质罐11，第一水储热系统包括热水罐12和冷水罐13，第二水储热系统和第一水储热系统结构相同。
21.高温储热系统中的储热介质为熔盐、导热油、沙子或储热颗粒；热介质罐10的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，冷介质罐11的入口连接空气高温加热器7的热侧出口，压缩机之间的换热器组包括空气冷却器3和气-水冷却器4，空气冷却器3的冷侧连接高温储热系统；具体的，空气冷却器3的冷侧入口连接冷介质罐11，空气冷却器3的冷侧出口连接热介质罐10的入口；气-水冷却器4的冷侧连接第一水储热系统。所述高温储热系统是指储热介质的温度高于第一水储热系统和第二水储热系统的温度。
22.高温储热系统以熔盐介质为例，热盐罐的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，冷盐罐的入口连接空气高温加热器7的热侧出口，空气冷却器3的冷侧进出口分别连接冷盐罐的出口和热盐罐的入口。
23.热水罐12的出口气-水加热器6的热侧入口，冷水罐13的入口连接气-水加热器6的热侧出口；气-水冷却器4的冷侧入口连接冷水罐13的出口，气-水冷却器4的冷侧出口连接热水罐12的入口。
24.作为可选的实施例，透平机8设置有多级，每一级透平机8的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器6和空气高温加热器7，气-水加热器6的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器7热侧连接高温储热系统。
25.orc低温发电系统14加热工质进出口分别连接热水罐12的出口和冷水罐13的入口；以熔盐作为储热介质作为示例：
26.第一部分，图1展示的orc耦合非补热式压缩空气储能系统：压缩储能过程中，压缩空气子系统整体上采用多级压缩，级间冷却的方式。空气经过自洁式过滤器1进入压缩机2，压缩机每一级出口的空气进入空气冷却器3进行高温段换热，将低温熔盐加热后储存在热熔盐罐中；然后经气-水冷却器4进行低温段换热，将冷水加热为高温热水，并存储在热水罐12中，最后一级压缩机出口仅设置低温换热器41，低温换热器41连接第二水储热系统，经过压缩、冷却后的高压常温空气，储存在高压储气库5中。
27.释能发电过程中，储气库5中的高压空气推动空气透平进而带动发电机完成发电，该过程采用了预热+再热的多段膨胀过程。为维持透平稳定运行，并提高空气的做功能力，储气库5内的高压空气经主调阀节流至额定压力或经过补气阀补气后，首先进入空气-水加热器6，利用热水罐12中的热水加热空气，降温后的冷水储存在冷水罐13中；然后进入空气高温加热器7，利用热盐罐中的熔盐加热空气，降温后的熔盐储存在冷熔盐罐。升温后的高温高压热空气进入透平8带动发电机9做功。待空气膨胀到一定程度后，温度和压力皆有所降低，随后空气进入下一段空气-水6和空气高温加热器7，利用水和熔盐的热量完成一次再热，然后再进入下一段透平做功。
28.压缩机前几级出口高温空气经冷却所放出的热量，可满足透平多次再热所需热量。压缩机最后一级出口释放的热量，由于热品位较低，不用参与发电过程，单独设置一套水储热系统，其中设置有热水罐12和冷水罐13，热水罐12和冷水罐13分别连接orc低温发电系统14的进出口，在释能放电过程中，同步设置orc低温发电系统14，使压机最后一级产生的较低品位热量得以利用。

技术特征：

1.一种orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩空气储能系统、空气-水加热器(6)、空气高温加热器(7)、空气透平机组、发电机(9)、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统以及orc低温发电系统(14)；压缩空气储能系统储气库的出气口依次连接气-水加热器(6)、空气高温加热器(7)和空气透平机组；空气透平机组连接发电机(9)；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；气-水加热器(6)的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器(7)热侧连接高温储热系统，冷却器组的冷侧分别连接高温储热系统和第一水储热系统；orc低温发电系统(14)加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为orc低温发电系统(14)提供热源。2.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，相邻两级压缩机之间的换热器组包括空气冷却器(3)和气-水冷却器(4)，空气冷却器(3)的冷侧连接储热系统；气-水冷却器(4)的冷侧连接第一水储热系统。3.根据权利要求2所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，高温储热系统包括热介质罐(10)和冷介质罐(11)，热介质罐(10)的出口连接空气高温加热器(7)的热侧入口，冷介质罐(11)的入口连接空气高温加热器(7)的热侧出口；高温储热系统中的储热介质为熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。4.根据权利要求2所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，第一水储热系统包括热水罐(12)和冷水罐(13)，热水罐(12)的出口连接气-水加热器(6)的热侧入口，冷水罐(13)的入口连接气-水加热器(6)的热侧出口；气-水冷却器(4)的冷侧出入口分别连接热水罐(12)入口和冷水罐(13)出口。5.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，最后一级压缩机的出口设置气-水冷却器(4)，气-水冷却器(4)连接第二水储热系统，并为第二水储热系统提供热量，第二水储热系统的出入口分别连接orc低温发电系统(14)加热工质进出口。6.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，空气透平机组设置有至少两级空气透平(8)，每一级空气透平(8)的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器(6)和空气高温加热器(7)，气-水加热器(6)的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器(7)热侧连接高温储热系统。7.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，储气室(5)采用单室或多室并联。8.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器(1)。9.根据权利要求1所述的orc耦合非补热式压缩空气储能系统，其特征在于，压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。10.权利要求1至9任一项所述orc耦合非补热式压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，空气经过压缩空气储能系统压缩后储能，压缩空气依次经过气-水加热器(6)和空气高温加热器(7)，分别与第一水储热系统和高温储热换热后进入空气透平机组做功，使得空气透平机组带动发电机(9)发电；其中，冷却器组吸收压缩空气过程产生的热量，同时将热量通过水和储热介质分别存储至水储热系统和高温储热系统，第一水储热系统和高温储热系统利用热量对压缩空气加热，第二水储热系统对orc低温发电系统(14)提供热源。

技术总结

本发明公开一种ORC耦合非补热式压缩空气储能系统及方法，包括压缩空气储能系统、储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统以及ORC低温发电系统；压缩空气储能系统储气库的出气口依次连接有气-水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；压缩空气储能系统中两级压缩机之间设置冷却器组；气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统，冷却器组的冷侧分别连接高温储热系统和第一水储热系统；ORC低温发电系统加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；本发明利用低谷电或弃风弃光电压缩空气蓄能，将压缩空气时的低品位热量存储起来，采用ORC低温余热发电技术耦合压缩空气储能系统，回收利用压缩空气余热，提高整体电-电转化效率。电转化效率。电转化效率。