用于减少压缩空气能量存储系统中的水分的系统和方法

摘要

一种包括压缩空气能量存储系统的方法、系统和设备，该压缩空气能量存储系统包括：构造成吸入一定量的环境空气以存储在压缩空气存储容积中的环境空气进口；具有压缩路径的压缩系统，该压缩路径构造成传输由压缩系统压缩的空气通过压缩系统；构造成将环境空气传输到压缩系统的第一路径；第二路径，其自压缩系统前进到压缩空气存储容积，并且构造成将压缩空气传输到压缩空气存储容积；以及除湿系统。该除湿系统能够联接到第一路径、压缩路径和第二路径中的至少一个上，第一路径自环境空气进口前进到压缩系统。除湿系统包括构造成从环境空气和/或压缩空气中移除水分的除湿构件。

说明书

发明背景

本发明的实施例大体涉及压缩空气能量存储(CAES)系统，并且更 具体而言，涉及移除CAES系统中的水分。

CAES系统典型地包括具有多个压缩机的压缩系，该多个压缩机 压缩吸入空气，并且将压缩空气提供给洞或其它压缩空气存储容积。 然后压缩空气在以后被用来驱动涡轮，以产生诸如电能的能量。通常， 如果使用公用能量来对压缩系提供动力，则压缩系在公用发电厂的非 高峰时间期间运行，而CAES系统的能量生产级或能量发生级典型地 在高的能量需求时间期间运行。但是，不必在每种情形中都是这种情 况。例如，从风力机中产生的能量可用来对压缩系提供动力，而压缩 空气被输送到能量存储洞等。无论如何，CAES系统能量消耗量对 CAES系统能量生产量的关系的经济性典型地是确定压缩级和生产级 何时运行的驱动因素。

在CAES系统的压缩级的运行期间，在存储之前，压缩空气典型 地在压缩相内被冷却到接近洞或压缩空气存储容积的温度。另外，在 冷却期间，水分常常冷凝出压缩空气流。但是，在冷却之后，压缩空 气流中往往还有水分剩下，这与上面提到的冷凝可损害CAES系统的 构件。

因此，具有一种从CAES系统中移除水分的方法、设备和系统将 是有益的。

发明简述

本发明的实施例涉及一种用于移除CAES系统中的水分的方法、 系统和设备。

根据本发明的一方面，一种压缩空气能量存储(CAES)系统包括： 构造成吸入一定量的环境空气以存储在压缩空气存储容积中的环境 空气进口；联接到环境空气进口上的压缩系统；自环境空气进口前进 到压缩系统的第一路径；自压缩系统前进到压缩空气存储容积的第二 路径；以及除湿系统。压缩系统构造成将那个量的环境空气压缩成一 定量的压缩空气，并且包括通过其中的、构造成传输那个量的压缩空 气通过压缩系统的压缩路径。第一路径构造成将那个量的环境空气传 输到压缩系统，而第二路径构造成将那个量的压缩空气传输到压缩空 气存储容积。除湿系统可联接到第一路径、压缩路径和第二路径中的 至少一个上，并且包括构造成从那个量的环境空气和那个量的压缩空 气中的一个中移除一定量的水分的除湿构件。

根据本发明的另一方面，一种CAES系统包括压缩系，该压缩系 具有构造成将一定量的环境空气压缩成第一量的压缩空气的第一压 缩机和构造成将第一量的压缩空气压缩成第二量的压缩空气的第二 压缩机。CAES系统还包括压缩空气存储容积、联接到压缩系和压缩 空气存储容积上的第一压缩空气传输路径、功率发生系统、联接到功 率发生系统和压缩空气存储容积上的压缩空气出口路径，以及除湿构 件。压缩空气存储容积构造成存储第二量的压缩空气。第一压缩空气 传输路径构造成将第二量的压缩空气传输到压缩空气存储容积。功率 发生系统构造成用第三量的压缩空气发电。压缩空气出口路径构造成 将第三量的压缩空气从压缩空气存储容积传输到功率发生系统。除湿 构件构造成在那个量的压缩空气存储在能量存储容积中之前，从环境 空气和压缩空气中的一个中移除一定量的水分。

根据本发明的又一方面，一种从CAES系统中移除水分的方法包 括：传输一定量的空气通过压缩系统，该压缩系统具有构造成将那个 量的空气吸入到压缩系统中的空气进口，构造成在吸入之后压缩那个 量的空气的至少两个压缩机，以及构造成为被压缩的那个量的空气提 供离开压缩系统的路径的压缩空气出口。该方法还包括将从压缩空气 出口离开的那个量的空气传递到压缩空气存储容积，以及传送那个量 的空气通过除湿系统，以在那个量的空气存储在压缩空气存储容积中 之前，从那个量的空气中移除水分。压缩空气存储容积构造成存储那 个量的空气供以后产生能量。

根据以下详细描述和附图，将使各种其它特征和优点显而易见。

附图简述

附图示出了为了执行本发明而在目前构想到的一个或多个实施 例。

在图中：

图1是根据本发明的一个实施例的、具有脱水系统的示例性 CAES系统的框图

图2是根据本发明的另一个实施例的、具有脱水系统的示例性 CAES系统的框图。

图3是根据本发明的另一个实施例的、具有脱水系统的示例性绝 热CAES系统的框图。

图4是根据本发明的一个实施例的示例性脱水系统的框图。

图5是根据本发明的另一个实施例的示例性脱水系统的框图。

详细描述

本发明的实施例涉及绝热的和透热的CAES系统。

参照图1，显示了根据本发明的一个实施例的示例性CAES系统 100的框图。CAES系统100包括马达102、传动轴104、压缩系106、 压缩空气存储容积或洞108、膨胀系统110和发电机112。

根据本发明的一个实施例，马达102驱动传动轴104。继而，传 动轴104驱动压缩系106。压缩系106包括环境空气进口114、第一 压缩机116和第二压缩机118。在压缩系106的运行期间，环境空气 120进入环境空气进口114，并且被压缩系106压缩，压缩系106包 括通过压缩机路径122联接到第二压缩机118上的第一压缩机116。 根据本实施例，第一压缩机116压缩环境空气。然后经压缩的环境空 气沿着压缩机路径122传送到第二压缩机118，其中，在沿着压缩空 气路径124将压缩空气提供给洞108之前，第二压缩机118进一步压 缩环境空气。

尽管在本实施例中显示了仅两个压缩机116、118，但是构想了， 压缩系106可包括通过压缩机路径122而联接在一起的不止两个压缩 机。另外，该两个或更多个压缩机(例如压缩机116、118)不必是单独 的构件。而是相反，该两个或更多个压缩机可结合在单个压缩链壳体 (未显示)中。

根据本实施例，在压缩空气存储在洞108中之前，压缩空气被传 送通过冷却单元126，在压缩空气存储在洞108中之前，冷却单元126 从压缩空气中移除热。通过在存储之前从压缩空气中移除热，洞108 的完整性得到保护。构想了可沿着压缩机路径122利用诸如中间冷却 器(未显示)的其它冷却器，以在空气行进通过压缩系106时冷却该空 气。但是，还构想了本发明的实施例不必包括冷却单元126和/或中间 冷却器。

在压缩空气存储在洞108中之后，允许压缩空气沿着出口路径128 传送，在出口路径128中，通过加热单元130来再加热压缩空气。经 再加热的压缩空气通过出口路径128而前进到膨胀系统110。构想了 膨胀系统110包括第一涡轮132。由于膨胀系统110的构造的原因， 允许压缩空气在传送通过其中时膨胀；从而，导致第一涡轮132旋转。 构想了膨胀系统110可包括额外的涡轮(未显示)，以促进功率发生。 参照本实施例，第一涡轮132的旋转会导致发电机轴134旋转。继而， 发电机轴134驱动发电机112，从而导致发电机112发电。

根据本发明的一个实施例，CAES系统100包括除湿系统136， 在空气流传送通过压缩系106时，除湿系统136从该空气流中移除水 分。因而，最大程度地减小了下游构件的腐蚀和退化。例如，最大程 度地减小了涡轮机(例如第一涡轮132)、热交换器(未显示)、管道系统 (未显示)和仪器(未显示)的水分引起的腐蚀和/或退化。注意，在CAES 系统(例如100)的运行期间遇到的工作温度(例如550摄氏度至700摄 氏度)和高压(例如40巴至100巴)可加剧潮湿空气的有害影响。因此， 除湿系统136最大程度地减小了与潮湿空气相关联的有害影响。

构想了除湿系统136可包括干燥剂类型的除湿构件、基于乙二醇 的除湿构件、冷凝类型的除湿构件，或能够从CAES系统100的工作 空气流中移除水分的其它适当的除湿构件(一个或多个)。

在一个备选实施例中，CAES系统100是包括热能存储(TES)系统 138(以虚线显示)的绝热系统。在这种实施例中，沿着压缩空气路径124 传送到洞108的压缩空气传送通过TES系统138，这会从压缩空气中 移除热。热由TES系统138存储，以及然后在压缩空气沿着出口路径 128通过TES系统138而传送回来时，热被传输回到压缩空气。在这 种实施例中，可避免对冷却单元126和加热单元130的需要，使得 CAES系统100不必相应地包括加热单元126和冷却单元130。

在包括TES系统138的一个实施例中，构想了CAES系统100 沿着压缩空气路径124的通过TES系统138而前进到洞108的部分 142包括除湿系统140(以虚线显示)。因而，根据采用了TES系统138 的实施例，可采用两个除湿系统136、140。备选地，可采用除湿系统 136、140中的仅一个。还构想了采用不止两个除湿系统(未显示)的实 施例，包括在环境空气120进入压缩链106之前对环境空气120进行 除湿的实施例。

注意，在TES 138的上游采用一个或多个除湿系统(例如除湿系统 136)的实施例会有效地最大程度地减小TES 138及其构件(例如热存储 库存(未显示)、绝缘材料(未显示)和/或压力容器材料(未显示))的水分 引起的腐蚀和/或退化。

因此，本发明的实施例在压缩空气存储在洞108中之前从压缩空 气中移除水分。这个水分移除是对在压缩空气的冷却期间发生的任何 水分移除的补充。

现在参照图2，显示了根据本发明的一个备选实施例的CAES系 统144。CAES系统144包括压缩级，该压缩级包括马达/发电机146 以及通过第一离合器150联接到压缩系152上的传动轴148。压缩系 152包括第一压缩机154、压缩机路径156、沿着压缩机路径156的中 间冷却器158、第二压缩机160，以及具有齿轮箱164的压缩机传动 轴系统162。CAES系统的压缩级还包括后冷却器166、沿着压缩空气 路径172的第一阀168和第二阀170，以及存储容积174。

沿着CAES系统144的能量生产级的是沿着压缩空气出口路径 178的第三阀176、第一加热单元180、第二加热单元182、第一膨胀 器184和第二膨胀器186、膨胀器传动轴系统188，以及沿着膨胀器 传动轴系统188的第二离合器190。本发明的实施例包括一个或多个 除湿系统，例如第一除湿系统192、第二除湿系统194(以虚线显示)、 第三除湿系统196(以虚线显示)或第四除湿系统198(以虚线显示)中的 一个或多个。

在压缩阶段期间，第二离合器190脱开，而第一离合器150接合。 然后马达/发电机146通过传动轴148和压缩机传动轴系统162而驱动 压缩系152。压缩系152包括环境空气进口200以及第一压缩机154 与第二压缩机160。在压缩系152的运行期间，通过环境空气进口200 将环境空气202吸到第一空气压缩机154。因此，第一压缩机154压 缩流过其中的空气。大体上，空气的温度在压缩期间升高。因而，在 压缩空气进一步被第二压缩机160压缩之前，沿着压缩机路径156从 第一压缩机154中流出的空气被中间冷却器158冷却。再次，压缩易 于导致空气的温度升高。因而，采用沿着压缩空气路径172的后冷却 器166来冷却从第二压缩机160中流出的压缩空气。构想了本发明的 实施例包括额外的压缩机(未显示)。

在压缩阶段期间，操纵第一阀168和第二阀170，以允许压缩空 气流到存储容积174，以及操纵第三阀176，使得压缩空气不流到第 一膨胀器184和第二膨胀器186。

在一个实施例中，第一除湿系统192联接到压缩机路径156上， 并且构造成在压缩空气传送经过中间冷却器158或进入中间冷却器 158之前，从行进通过压缩机路径156的压缩空气中移除水分。但是， 根据一个备选实施例，第二除湿系统194(以虚线显示)沿着压缩机路径 156而定位，使得离开中间冷却器158的压缩空气传送通过其中。在 这种实施例中，不必采用或安装第一除湿系统192。在任一个实施例 中，从压缩空气中移除水分，从而保护CAES系统144的下游构件。

在又一个实施例中，第三除湿系统196(以虚线显示)沿着压缩空气 路径172而定位，使得从压缩系152中离开的空气传送通过其中，并 且因此对该空气进行除湿。在另外的另一个实施例中，第四除湿系统 198(以虚线显示)沿着压缩空气路径172而定位，使得离开后冷却器 166的空气传送通过其中。可独立地采用各个除湿系统192-198，或者 可与彼此结合起来使用两个或更多个除湿系统192-198。各个除湿系 统192-198用来在压缩空气存储在洞或存储容积174中之前，从压缩 空气中移除水分。因而，洞174的完整性得到保护。另外，通过从压 缩空气中移除水分，各个除湿系统192-198将最大程度地减小任何下 游构件上的磨损。更进一步，还将最大程度地减小系统中的湿气或水 分在生产级的构件上引起的磨损(例如在第一加热单元180和第二加 热单元182以及第一膨胀器184和第二膨胀器186的运行期间)。

由于采用中间冷却器158和后冷却器166来在存储之前从压缩空 气中移除热，所以采用加热单元180、182来再加热空气，以最大程 度地提高能量生产的效率。注意，加热单元180、182还用来保护第 一膨胀器184和第二膨胀器186。例如，如果通过压缩空气出口路径 178进入到第一膨胀器184和/或第二膨胀器186中的压缩空气被不恰 当地加温，则在膨胀期间获得的低温可导致第一膨胀器184和/或第二 膨胀器186“冻结”。因此，第一加热单元或燃烧器180加温进入到 第一膨胀器184中的压缩空气，而第二加热单元或燃烧器182则加温 进入第二膨胀器186的部分地膨胀的空气。因而，避免了“冻结”状 况。但是，构想了实施例包括这样的构造，即其中不采用加热单元(例 如加热单元180、182)而使得产生可用于实现冷却或冷冻目的的冷的 空气流。

在一个备选实施例中，不是采用第一加热单元180和第二加热单 元182，而是来自第一膨胀器184和/或第二膨胀器186的排气通过排 气路径204(以虚线显示)而传送经过热交换器206(以虚线显示)。因而， 来自排气的热被传递给沿着压缩空气出口路径178行进的压缩空气， 从而在压缩空气膨胀之前加温压缩空气。

现在参照图3，显示了根据本发明的一个实施例的绝热CAES系 统208。显示图2和图3之中的类似的构件具有共同的参考标号。不 是包括单个马达/发电机单元，例如图2的马达/发电机146，而是图3 的实施例包括用以产生用于压缩的动力的马达210和用于能量生产的 发电机212。另外，与图2中描绘的实施例相反，绝热CAES系统208 包括热能存储(TES)系统214。TES系统214构造成在压缩空气存储在 存储容积174中之前，从沿着压缩空气路径172传送的压缩空气中移 除热，以及进行存储。在压缩空气前进到压缩空气出口路径178时， 在压缩空气进入第一膨胀器184和第二膨胀器186之前，TES系统214 将热传递回压缩空气。因此，不必采用图2的燃烧器180、182或热 交换器206。

根据本发明的一个实施例，绝热CAES系统208包括联接到压缩 空气路径172的部分218上的除湿系统216，在能量生产阶段期间， 部分218也用作压缩空气出口路径178。在这种实施例中，在压缩空 气存储在存储容积174中之前，从该压缩空气中移除水分，而且在压 缩空气通过压缩空气出口路径178而前进到第一膨胀器184和第二膨 胀器186时，再一次对该水分进行除湿。

备选地，不是将除湿系统216定位在TES系统214和存储容积 174之间，而是可沿着压缩空气路径172定位除湿系统220(以虚线显 示)，使得在传送压缩空气通过TES系统214之前，从压缩空气中移 除水分。在这种情况下，TES系统214得到保护或至少部分地得到保 护，而不受水分可对TES系统214的构件具有的有害作用的影响。例 如，避免或至少最大程度地减小了可由水分导致的腐蚀和逆向化学。

构想了，可使用来自第一膨胀器184和/或第二膨胀器186的排气 热222(以虚线显示)和/或来自TES系统214的一定量的热224(以虚线 显示)来恢复(recharge)除湿系统220。换句话说，热222和/或224可 用来移除或吹扫积聚在除湿系统220中的任何水分。虽然未显示，但 是以类似的方式，可使用来自TES系统214的热224和/或来自第一 膨胀器184和/或第二膨胀器186的排气热222来恢复除湿系统216。 注意，可另外或备选地使用诸如一个或多个被电驱动的热源的其它热 源(未显示)来恢复除湿系统216、220。

不是绝热CAES系统208具有除湿系统216和/或除湿系统220， 或者除了绝热CAES系统208具有除湿系统216和/或除湿系统220之 外，绝热CAES系统208可包括在中间冷却器158的上游联接到压缩 机路径156上的除湿系统226(以虚线显示)和/或在中间冷却器158的 下游联接到压缩机路径156上的除湿系统228(以虚线显示)。类似于上 面论述的恢复，可使用来自第一膨胀器184和/或第二膨胀器186的排 气热、来自TES系统214的热和/或来自其它热源的热来恢复除湿系 统226、228中的一个或多个。

注意，绝热系统208可包括所描绘的除湿系统216、220、226、 228中的一个或多个。

现在参照图4，显示了根据本发明的一个实施例的、可用于本文 的论述的本发明的实施例中的除湿系统的示例性除湿系统230。除湿 单元或系统230包括除湿构件232、压缩空气入口234、压缩空气出 口236、驱动器238、具有水分出口242的再生器240、加热单元244， 以及泵246。

类似于其中除湿系统192-198、216、220、226、228定位或联接 在相应的CAES系统144、208中的方式，除湿系统230能够定位在 CAES系统(绝热的或非绝热的)中，使得压缩空气通过压缩空气入口 234而进入到除湿构件中，以及通过除湿构件232的溶液来移除压缩 空气中的水分。除湿构件232内的溶液可包括例如从潮湿的空气中移 除水分的基于乙二醇的溶液。干的或至少部分地干的压缩空气通过压 缩空气出口236而从除湿构件232中离开，并且如上面描述的那样前 进通过CAES系统(例如图1的CAES系统100、图2的CAES系统 144和图3的CAES系统208)。允许积聚在图4的除湿构件232中的 水分在驱动器238的帮助下传送到再生器240。也就是说，驱动器238 将其中具有水分的溶液驱动到再生器240。通过加热单元244对再生 器240添加热，以从传递给再生器240的溶液中沸腾掉或吹扫掉水分， 从而通过水分出口242将水分排到大气中。构想了加热单元244可包 括热交换器(例如图2的热交换器206)、燃烧驱动或电驱动的燃烧器 等。图4的泵246将现在被至少基本移除了水分的再生溶液泵送回除 湿构件232。

构想了可用类似于图3中显示的方式从膨胀器排气或TES系统中 提供被提供给再生器240的加热单元244的热。另外，还构想了可使 用其它热源来将热供应给图4的再生器240。

现在参照图5，显示了根据本发明的另一个实施例的、可用于本 文论述的本发明的实施例的除湿系统的除湿系统248。除湿系统248 是干燥剂类型的除湿系统，并且包括除湿构件250、压缩空气入口252、 干燥剂材料254、用以支承干燥剂材料254的支承栅格256、压缩空 气出口258，以及排出阀260。

在运行期间，其中具有水分的压缩空气通过压缩空气入口252而 进入，传送通过支承栅格256和干燥剂材料254，并且通过压缩空气 出口258离开而回到CAES系统的压缩空气路径中(例如，图1的CAES 系统100的压缩空气路径124、图2的CAES系统144的压缩空气路 径172，或图3的CAES系统208压缩空气路径172)。图4的干燥剂 材料254构造成从潮湿的压缩空气中吸收水分。因而，相对于通过压 缩空气入口252而进入的压缩空气，从压缩空气出口258中流出的压 缩空气大体具有减少的水分含量。

当干燥剂材料254变得饱和或接近饱和时，打开排出阀260，以 允许被除湿构件250捕捉的水分从中排出。

构想了除湿构件250包括允许暖空气传送到除湿构件250中且从 除湿构件250的排出阀260中传送出的恢复空气入口262(以虚线显 示)。在这种实施例中，传送通过除湿构件250的暖空气从干燥剂材料 254中吸收水分。因而，潮湿的空气通过排出阀260离开或排出，以 恢复除湿构件250。

构想了离开CAES系统的一个或多个膨胀器的排气可经由恢复空 气入口262而被引导通过除湿构件250，以进行恢复。例如，为了恢 复目的，图3的排气路径204可被引导通过除湿构件250，以实现。 备选地，为了恢复目的，来自TES系统(例如图3的TES系统214)的 热可被引导通过图5的除湿构件250。但是，注意，除排气或TES系 统之外，可使用诸如燃烧驱动或电驱动的热源的其它热源来恢复除湿 系统248。

根据本发明的一个实施例，一种CAES系统包括构造成吸入一定 量的环境空气以存储在压缩空气存储容积中的环境空气进口、联接到 环境空气进口上的压缩系统、自环境空气进口前进到压缩系统的第一 路径、自压缩系统前进到压缩空气存储容积的第二路径，以及除湿系 统。压缩系统构造成将那个量的环境空气压缩成一定量的压缩空气， 并且包括通过其中的、构造成传输那个量的压缩空气通过压缩系统的 压缩路径。第一路径构造成将那个量的环境空气传输到压缩系统，而 第二路径构造成将那个量的压缩空气传输到压缩空气存储容积。除湿 系统能够联接到第一路径、压缩路径和第二路径中的至少一个上，并 且包括构造成从那个量的环境空气和那个量的压缩空气中的一个中 移除一定量的水分的除湿构件。

根据本发明的另一个实施例，一种CAES系统包括压缩系，该压 缩系具有构造成将一定量的环境空气压缩成第一量的压缩空气的第 一压缩机和构造成将第一量的压缩空气压缩成第二量的压缩空气的 第二压缩机。CAES系统还包括压缩空气存储容积、联接到压缩系和 压缩空气存储容积上的第一压缩空气传输路径、功率发生系统、联接 到功率发生系统和压缩空气存储容积上的压缩空气出口路径，以及除 湿构件。压缩空气存储容积构造成存储第二量的压缩空气。第一压缩 空气传输路径构造成将第二量的压缩空气传输到压缩空气存储容积。 功率发生系统构造成用第三量的压缩空气发电。压缩空气出口路径构 造成将第三量的压缩空气从压缩空气存储容积传输到功率发生系统。 除湿构件构造成在那个量的压缩空气存储在能量存储容积中之前，从 环境空气和压缩空气中的一个中移除一定量的水分。

根据本发明的又一个实施例，一种从CAES系统中移除水分的方 法包括传输一定量的空气通过压缩系统，该压缩系统具有构造成将那 个量的空气吸入到压缩系统中的空气进口、构造成在吸入之后压缩那 个量的空气的至少两个压缩机，以及构造成为被压缩的那个量的空气 提供离开压缩系统的路径的压缩空气出口。该方法还包括将从压缩空 气出口中离开的那个量的空气传递到压缩空气存储容积，以及传送那 个量的空气通过除湿系统，以在那个量的空气存储在压缩空气存储容 积中之前，从那个量的空气中移除水分。压缩空气存储容积构造成存 储那个量的空气供以后产生能量。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本 领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系 统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要 求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其 它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的 其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素， 则它们意图处于权利要求的范围之内。