压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法

摘要

本发明公开了一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法，该压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统包括高压气源、蒸汽源、混合器、气体喷射器以及燃气膨胀机，气体喷射器设有内腔和与内腔均连通的第一入口、第二入口及出口，高压气源和蒸汽源均经由混合器与第一入口连通，燃气膨胀机的乏气出口与第二入口连通，燃气膨胀机的进气口与出口连通。本发明将高压气源输出的高压气体介质与蒸汽源输出的高温蒸汽混合后作为高压工作气流输入气体喷射器内，由于混合有高温蒸汽的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值，可以有效地提高对低压乏气的卷吸能力，从而提高气体喷射器的引射系数和工作性能，进而提高做功效率。

说明书

技术领域

本发明涉及压缩空气储能技术领域，尤其是涉及压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法。

背景技术

压缩空气储能系统是一种大规模的物理储能技术，在储能阶段能够通过空气压缩机将待储存的电能转变为压缩空气的压力能进行储存，在对外输出电能阶段采用膨胀机输出轴功，进而驱动发电机输出稳定的电能。燃气膨胀机做功系统包括燃气膨胀机和气体喷射器(或气体引射器，或压力匹配器)，通过气体喷射器(或气体引射器，或压力匹配器)将低压的燃气膨胀机做功乏气再次升压至膨胀机入口需要的中等压力，从而使得已经完成做功的低压气体再次具备了全额的做功能力，实现再次循环做功。现有的气体喷射器(或气体引射器，或压力匹配器)是以气体介质(包括空气、氮气等)作为工作流体，通过利用高压气体介质来卷吸低压气体从而获得目标中压气体。由于气体介质的密度较小，比容较大，焓值也较低，导致气体喷射器的引射系数(引射系数：被卷吸的低压气体的质量与消耗的高压工作气体质量的比值)较低，使得高压气体对低压气体的卷吸量较少，削弱了气体喷射器的性能，尤其是当喷射器的增压比(增压比：目标中压气体的压力与被卷吸低压气体的压力的比值)较大时，引射系数的下降更为明显，不利于提升整个压缩空气储能系统的效率。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法，其能够显著提升气体喷射器的引射系数，增强气体喷射器的工作性能，提高燃气膨胀机做功的经济效益。

其技术方案如下：

一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统，包括高压气源、蒸汽源、混合器、气体喷射器以及燃气膨胀机，所述气体喷射器设有内腔和与所述内腔均连通的第一入口、第二入口及出口，所述高压气源和所述蒸汽源均经由所述混合器与所述第一入口连通，所述燃气膨胀机的乏气出口与所述第二入口连通，所述燃气膨胀机的进气口与所述出口连通。

本发明实施例所述的燃气膨胀机做功系统，将高压气源输出的高压气体介质与蒸汽源输出的高温蒸汽混合后作为高压工作气流输入气体喷射器内，高压工作气流在气体喷射器内对已经在燃气膨胀机内做功的低压乏气进行卷吸，将低压乏气再次升压至燃气膨胀机入口需要的中等压力，获得目标中压气流。气体喷射器的调压过程使得已经完成做功的低压乏气再次具备了全额的做功能力。在本发明实施例中，由于混合有高温蒸汽的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值，可以有效地提高对低压乏气的卷吸能力，从而提高气体喷射器的引射系数和工作性能，进而提高燃气膨胀机做功系统的效率。

下面对上述技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，还包括冷却器，所述乏气出口经由所述冷却器与所述第二入口连通。通过冷却器对被卷吸的低压乏气进行冷却，降低低压乏气的温度与焓值，进而可以进一步提高高压气流对低压乏气的卷吸能力，从而进一步增强气体喷射器的工作性能，较大幅度的提高气体喷射器的引射系数。

在其中一个实施例中，所述冷却器为空冷换热器或水冷换热器。在空冷换热器中，通过空气与低做功乏气进行热交换，从而有效降低进入气体喷射器内的乏气温度；在水冷换热器中，通过冷却水或冷冻液与低压乏气进行热交换，从而显著降低进入气体喷射器内的乏气温度。

在其中一个实施例中，还包括加热器，所述出口经由所述加热器与所述燃气膨胀机的进气口连通，用以提高进入燃气膨胀机的气体温度，以提高气体在燃气膨胀机内的做功能力。

在其中一个实施例中，所述燃气膨胀机为多个，多个所述燃气膨胀机依次串联设置，位于其中一端的所述燃气膨胀机的进气口与所述出口连通，位于另外一端的所述燃气膨胀机与发电机连通。本发明实施例所述的目标中压气体通入多台燃气膨胀机中进行膨胀做功，驱动发电机输出稳定电能。

在其中一个实施例中，相邻两个所述燃气膨胀机之间设有所述加热器，用以提高进入每一台燃气膨胀机的气体温度，以提高气体在每一台燃气膨胀机内的做功能力。

在其中一个实施例中，所述加热器为换热器或燃烧器，目标中压气体经过换热或者天然气补燃变成温度较高的烟气，这种具有一定温度与压力的高温烟气在燃气膨胀机内进行膨胀，能够驱动发电机稳定发电。

在其中一个实施例中，所述混合器为雾化混合器，雾化混合器可以促进高压气体介质与高温蒸汽充分有效混合，保证混合后的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值。

在其中一个实施例中，所述蒸汽源为温度大于150摄氏度的工业蒸汽、蒸汽轮机抽汽或锅炉蒸汽，可充分利用现场已有蒸汽系统，减少燃气膨胀机做功系统所需成本。

本技术方案还提供了一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功方法，包括以下步骤：

高压气源输出的高压气体介质和蒸汽源输出的蒸汽在混合器内混合形成高压工作气流；

混合后的高压工作气流进入气体喷射器内，并将已在燃气膨胀机做功的低压乏气卷吸进入气体喷射器内；

所述高压工作气流和所述低压乏气混合形成目标中压气流；

所述目标中压气流从所述气体喷射器中喷出并进入所述燃气膨胀机做功。

本发明实施例所述燃气膨胀机做功方法，由于混合有高温蒸汽的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值，可以有效地提高对低压乏气的卷吸能力，从而提高气体喷射器的引射系数和工作性能，进而提高燃气膨胀机做功系统的效率。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的燃气膨胀机做功系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二所述的燃气膨胀机做功系统的结构示意图；

图3为本发明实施例三所述的燃气膨胀机做功系统的结构示意图。

附图标记说明：

100、高压气源，200、混合器，300、气体喷射器，310、第一入口，320、第二入口，330、出口，340、内腔，400、燃气膨胀机，410、乏气出口，500、发电机，600、冷却器，700、加热器，800、开关阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件时，它可以直接固定在另一个元件上或者也可以通过居中的元件固定于另一个元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者也可以是通过居中的元件而连接于另一个元件。可以理解，其中所使用的术语“第一”、“第二”等在本文中用于区分对象，并不作为对它们顺序和数量的限制。

气体喷射器300或者气体引射器是以气体介质(包括空气或氮气等)作为工作流体，通过利用高压(压力大于3MPa)气体气质来卷吸低压(压力低于1.5MPa)气体最终获得目标中压(压力大于1.5MPa)气体。增压比是喷射器的一个重要指标，增压比定义为“目标中压气体的压力与被卷吸低压气体的压力的比值”，通常将增压比小于2.5的气体压力匹配器称为气体喷射器300，将增压比大于2.5的气体压力匹配器称为气体引射器。在本文中，使用的“气体喷射器300”同时指代上述增压比小于2.5的“气体喷射器300”和增压比大于2.5的“气体引射器”。

如图1所示，本发明实施例所述的压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统，包括高压气源100、蒸汽源(图1示意为工业蒸汽)、混合器200、气体喷射器300以及用于为发电机500发电做功的燃气膨胀机400。所述气体喷射器300设有内腔340和与所述内腔340均连通的第一入口310、第二入口320及出口330。所述高压气源100所述蒸汽源均经由所述混合器200与所述第一入口310连通；所述燃气膨胀机400的乏气出口410与所述第二入口320连通；所述出口330与所述燃气膨胀机400的进气口连通。所述高压气源100内的气压值大于所述燃气膨胀机400排出的乏气气流的压力值。

本发明将高压气源100输出的高压气体介质与蒸汽源输出的高温蒸汽混合后作为高压工作气流输入气体喷射器300内，高压工作气流在气体喷射器300内对已经在燃气膨胀机400内做功的低压乏气进行卷吸，将低压乏气再次升压至燃气膨胀机400入口需要的中等压力，获得目标中压气流。气体喷射器300的调压过程使得已经完成做功的低压乏气再次具备了全额的做功能力。在本发明实施例中，由于混合有高温蒸汽的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值，可以有效地提高对低压乏气的卷吸能力，从而提高气体喷射器300的引射系数和工作性能，进而提高燃气膨胀机做功系统的效率。需要说明的是，高温蒸汽的掺入比例根据实际需要进行确定，蒸汽的掺混比例要同时兼顾气体喷射器300的引射系数以及燃气膨胀机400叶片对水蒸气的承受能力。

在本实施例中，所述高压气源中的气体介质为空气，大气中的空气首先通过压缩机做功被增压变成高压空气，高压空气被储存在高压空气储罐或者大型地下洞穴当中。

所述蒸汽源为温度大于150摄氏度的工业蒸汽(如图1示意的实施例一所示)、燃煤电站或者燃气电站的蒸汽轮机抽汽(如图2示意的实施例二所示)或锅炉蒸汽(如图3示意的实施例三所示)等，可充分利用现场已有蒸汽系统，减少燃气膨胀机做功系统所需成本。

所述混合器200为雾化混合器，雾化混合器可以促进高压气体介质与高温蒸汽充分有效混合，保证混合后的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值。

在本实施例中，所述高压气源100与所述混合器200之间设有开关阀800，用以控制高压气体介质的输送。本发明也可根据实际需要在所述高压气源100与所述混合器200之间设置流量调节阀，从而根据实际情况调节进入混合器200的高压气体介质的流量。

本实施例所采用的气体喷射器300为可调式气体喷射器300，能够通过针形部件改变喷嘴的喉部面积，进而调节气体喷射器300的工作性能。

所述燃气膨胀机400的乏气出口410可以为级间开口(如图1示意的实施例一所示和图2示意的实施例二所示)或排气口(如图3示意的实施例三所示)，即表示进入气体喷射器300内的低压乏气可以从燃气膨胀机400的级间抽取，也可以直接从最末级的排气口抽取。从级间抽取的乏气压力值大于从排气口抽取的乏气压力值。

所述燃气膨胀机400为多个，多个所述燃气膨胀机400依次串联设置，即一个燃气膨胀机400的排气口(图3标号410)通过排气管道与另外一个燃气膨胀机400的进气口连通。位于其中一端的所述燃气膨胀机400的进气口与所述出口330连通，位于另外一端的所述燃气膨胀机400与发电机500连通。目标中压气体通入多台燃气膨胀机400中进行膨胀做功，可以驱动发电机500输出稳定电能。低压乏气可以从其中一个所述燃气膨胀机400的乏气出口410抽出，也可以从所有的燃气膨胀机400的乏气出口410抽出。

如图1至图3所示，本发明还包括冷却器600，所述乏气出口410经由所述冷却器600与所述第二入口320连通。通过冷却器600对被卷吸的低压乏气进行冷却，降低低压乏气的温度与焓值，进而可以进一步提高高压气流对低压乏气的卷吸能力，从而进一步增强气体喷射器300的工作性能，较大幅度的提高气体喷射器300的引射系数。

所述冷却器600为空冷换热器或水冷换热器。如图2示意的实施例二所示，在空冷换热器中，通过空气与低压乏气进行热交换，从而有效降低进入气体喷射器300内的乏气温度；如图1示意的实施例一和图3示意实施例三的所示，在水冷换热器中，通过冷却水或冷冻液与低压乏气进行热交换，从而显著降低进入气体喷射器300内的乏气温度。本发明可根据实际情况选择空冷换热器或水冷换热器。

此外，本发明实施例还包括加热器700，所述出口330经由所述加热器700与所述燃气膨胀机400的进气口连通，和/或相邻两个所述燃气膨胀机400之间设有所述加热器700，用以提高进入燃气膨胀机400的气体温度，以提高气体在燃气膨胀机400内的做功能力。

所述加热器700为换热器或燃烧器，目标中压气体经过换热或者天然气补燃变成温度较高的烟气，这种具有一定温度与压力的高温烟气在燃气膨胀机400内进行膨胀，能够驱动发电机500稳定发电。

本发明实施例还提供了一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功方法，包括以下步骤：

高压气源100输出的高压气体介质和蒸汽源输出的蒸汽在混合器200内混合形成高压工作气流；

混合后的高压工作气流进入气体喷射器300内，并将已在燃气膨胀机400做功的低压乏气卷吸；

高压工作气流和低压乏气混合形成目标中压气流；

目标中压气流从气体喷射器300中喷出进入燃气膨胀机400做功。

在上述燃气膨胀机做功方法中，由于混合有高温蒸汽的高压工作气流具有较高的温度以及较高的焓值，可以有效地提高对低压乏气的卷吸能力，从而提高气体喷射器300的引射系数和工作性能，进而提高燃气膨胀机做功系统的效率。

进一步地，低压乏气从燃气膨胀机400排出后并在进入气体喷射器300之前经冷却器600降温处理，从而降低低压乏气的温度与焓值，进而可以进一步提高高压气流对低压乏气的卷吸能力，从而进一步增强气体喷射器300的工作性能，较大幅度的提高气体喷射器300的引射系数。

进一步地，目标中压气流从气体喷射器300中喷出后并在进入燃气膨胀机400做功之前经加热器700加热处理，用以提高进入燃气膨胀机400的气体温度，以提高气体在燃气膨胀机400内的做功能力。

综上所述，本发明采用高温蒸汽对高压的压缩空气进行掺混升温提高焓值，能够大幅度的提高原有气体喷射器300的引射系数，能够有效解决气体喷射器300在高增压比时引射系数较低的缺点；选择高温水蒸气作为高压压缩空气的掺混介质，只要控制好合适的高温蒸汽掺混比例，对于后续空气的燃烧器补燃以及燃气膨胀机400叶片都没有损伤，技术可靠性强；通过冷却器600对燃气膨胀机400做功低压乏气进行散热降温，可以降低低压乏气的温度与焓值；通过加热器700对进入燃气膨胀机400做功的气体进行加热，以提高气体在燃气膨胀机400内的做功能力。本发明技术可靠性强，可操作性强，能够起到显著提高气体喷射器300引射系数的有益效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。