一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构及换热方法

摘要

本发明提供一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构及换热方法，该布置结构适用于多级串联压缩机结构，每两级压缩机之间串联蓄热换热段和冷却段，所述蓄热段由N段换热器串联而成且每段换热器热端和冷端的温差为70‑100℃，空气经相邻串联的两级压缩机中的上一级压缩机压缩后进入第1段换热器的空气入口然后依次流经各段换热器后到第N段换热器的空气出口，最后经过冷却段的冷却器冷却后进入下一级压缩机，换热冷介质从冷介质储罐流出后进入第N段换热器的介质入口然后依次流经各段换热器后到第1段换热器的介质出口最后进入热介质储罐。本发明可适应压缩空气储能系统频繁启停的特性，保障设备的使用寿命。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构及换热方法，属于储能技术领域。

背景技术：

近年来，我国新能源发展迅速，但由于风光出力的波动性，导致弃风、弃光日趋严重。此外，随着新能源占比的扩大，电网峰谷差不断加大，电网调节能力严重不足。先进的储能技术是解决弃风弃光、实现电网削峰填谷最有效、最经济的手段之一。其中，非补燃压缩空气储能技术由于其容量大、造价低、经济性好、节能环保等优点，是目前最具发展前景的大规模物理储能技术。

但目前的压缩空气储能系统中，换热器的布置和设计一般和火电系统或常规热力系统类似，未能按照压缩空气储能系统的运行特点对换热器系统进行专门的设计。相比传统火电项目，压缩空气储能系统在运行上有着自己显著的特点，采用常规换热系统会带来以下几个问题：

1、系统频繁启停带来的寿命问题：

常规热力系统换热器一般在稳定工况下运行，只有在出现事故或者检修时才会停机，而压缩空气储能系统属于间歇运行的热力系统，其主要设备在设计时必须要考虑频繁启停带来的相关问题。对于换热器来说，频繁启停会导致换热器各位置应力状态反复更迭，变化幅度较大，需要考虑换热器特别是关键部件在交变载荷下的疲劳寿命问题。

2、换热器冷热端温差大：

为了提高压缩空气储能系统的整体循环效率，换热储热系统要储存尽可能多的压缩热，这使得压缩空气空气储能系统换热器冷热端的温差比较大。如此大的温差下加上频繁启停，换热管的热膨胀量会比较大，也会影响换热器的寿命。

3、空气冷却时有水析出，换热器腐蚀严重：

高压空气在冷却到一定温度时，会有水产生，此时不仅影响换热器的换热效率，还会引起换热管腐蚀，影响换热器的使用寿命。

综上所述，压缩空气储能系统如采用常规热力系统换热器布置方法，会存在关键部件热应力大、疲劳寿命低、换热器腐蚀严重等问题，寿命大约为7-8年，与压缩空气储能电站30-40年设计寿命严重不符，设备更换则会进一步导致投资增加。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构及换热方法，将换热器系统分为蓄热换热器和冷却器两段，可适应压缩空气储能系统频繁启停的特性，保障设备的使用寿命。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构，包括多级串联的压缩机，每两级压缩机之间串联蓄热换热段和冷却段，所述蓄热段由N段换热器串联而成且每段换热器热端和冷端的温差为70-100℃，空气经过相邻串联的两级压缩机中的上一级压缩机压缩后进入过第1段换热器的空气入口然后依次流经各段换热器后到第N段换热器的空气出口，最后经过冷却段的冷却器冷却后进入下一级压缩机；换热冷介质从冷介质储罐流出后进入第N段换热器的介质入口然后依次流经各段换热器后到第1段换热器的介质出口，最后进入热介质储罐，在此过程中，压缩热被储存起来。

所述的压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构，所述第N段换热器的空气出口侧的温度要比其空气组分中水蒸气的分压对应的冷凝点高20±3℃。

所述的压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构，所述冷却器连接冷水塔提供冷却介质。

所述的压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构，所述空气的输送管路依次采用上进下出、下进上出的布置方式。

所述的压缩空气储能系统压缩侧换热器布置结构，所述换热器采用外壳为发夹式结构的换热器。

上述压缩空气储能系统压缩侧换热器系统换热的方法，该方法为：

首先启动冷介质泵和冷水塔，待换热介质以及冷却器建立起循环之后，再启动压缩机系统，第一级压缩机入口空气为环境状态，经过第一级压缩机压缩后的高温高压空气依次进入第1段换热器、第2段换热器……第N段换热器之中，与此同时，从冷介质储罐中流出的冷介质经冷介质泵加压后，依次进入第N段换热器，第N-1段换热器……第2段换热器、第1段换热器之中，在这N段换热器之中，高温高压空气和冷介质进行充分的换热，高温高压空气得以冷却，将热量储存在换热介质之中，换热介质由冷介质变成热介质最后从第1段换热器中流出，进入热介质储罐储存起来；高温高压空气经过N段换热器换热后从第N段换热器中流出之后进入冷却器，被冷却水进一步冷却到35-40℃之后进入第二级压缩机，依次重复此过程到设计空气达到设计的高压状态。

有益效果：

1、本发明提出了一种压缩空气储能系统压缩侧换热器布置方法，将将换热器系统分为蓄热换热器和冷却器两段，可适应压缩空气储能系统频繁启停的特性，保障设备的使用寿命满足系统30-40年的使用要求。蓄热换热器采用串联的发夹式结构，主要用于压缩空气和传热储热介质的换热，其作用是将压缩空气中蕴含的压缩热储存起来。冷却器采用U型管换热器，主要用于冷却水和空气的换热器，其作用在于进一步冷却压缩空气，满足其进入下一级压缩机或者气体储存装置的温度要求，保证系统的安全稳定运行。

2、本发明提出了根据换热器热端和冷端的总温差，以70-100℃为一台换热器将其分割并串联起来，可以有效减小换热器管板温差，吸收换热管膨胀量，抑制频繁启停造成的影响，提高换热器使用寿命。

3、本发明在下一级压缩机和储气装置前增加了冷却器的设计，允许蓄热换热器换热管采用碳钢材质以降低加工成本，冷却器换热管采用不锈钢材质以防止空气中水分的腐蚀，提高换热器使用寿命。

4.本发明的换热器采用发夹式外壳结构，如附图2所示，其具有以下优点：(1) 发夹式换热器可以实现全逆流换热，不存在冷热流体间温度交叉的问题，可以提高传热系数，具有单位体积传热面积大，管内传热系数高的特点；(2) 发夹式换热器采用两块管板，管程进出口的变化被有效的隔开，单块管板各部位之间温差很小，管板产生的热应力也非常小，管板的疲劳寿命会大大的增加；(3) 发夹式换热器壳侧的大弯曲半径能够承载更高的热膨胀，完全消除了热应力的产生，也有助于提高换热器的寿命。

附图说明：

图1本发明的系统连接图。

图1中：1、一级压缩机；2、第一段油气换热器；3、第二段油气换热器；4、第三段油气换热器；5、冷却器；6、二级压缩机；7、热油罐；8、冷油罐；9、冷油泵；10、冷却塔。

图2发夹式换热器结构图。

图2中：201、热端人孔；202、热端封头；203、热端管箱；204、空气进口；205、热端管板；206、导热油出口；207、导流板；208、壳体；209、发夹弯；210、冷端人孔；211、冷端封头；212、冷端管箱；213、空气出口；214、导热油进口；215、换热管。

具体实施方式：

现在结合附图对本技术发明作进一步详细的说明。这些附图均为示意图，仅以示意方式说明本技术发明的基本结构，因此其仅显示与本技术发明有关的构成。

本实施例中的换热介质以导热油作为换热储热介质为例，在本实施例中，冷介质储罐即冷油罐，热介质储罐即热油罐，冷介质泵即冷油泵。如图1所示。在图1中，本实施例展示了一级压缩机和二级压缩机之间的换热器布置方案，若系统有多级压缩机，每级之间的换热器布置方案都类似。图1中以导热油作为换热储热介质，储热换热器分为3段，实际系统中，储热换热器的段数主要由换热器热端和冷端温差决定，以70-100℃为一段较为适宜，以有效减小换热器冷热端温差大引起的热膨胀量问题。图1所示例的系统主要由一级压缩机1、第一段油气换热器2、第二段油气换热器3、第三段油气换热器4、冷却器5、二级压缩机6、热油罐7、冷油罐8、冷油泵9、冷却塔10组成。串联的换热器中，空气侧依次采用上进下出、下进上出的布置方式，这样可以降低空气侧的流动阻力，减小管道布置的复杂程度和成本。同样地，导热油的输送管道采用下进上出、上进下出的布置方式，便于和压缩空气进行充分热交换，也便于降低导热油的流通阻力，降低管道的布置的复杂程度和成本。图1中的流体中，A代表空气，O代表导热油，W代表冷却水。为了方便对方案进行说明，图1中的每个状态点都进行了标注。

系统运行时，首先启动冷油泵9和冷水塔10，待导热油侧和冷却水侧建立起循环之后，再启动压缩机系统。一级压缩机1入口空气(状态点A1)为环境状态，其出口(状态点A2)为高温高压状态，其后，高温高压空气依次进入第一段油气换热器2、第二段油气换热器3、第三段油气换热器4之中。与此同时，从冷油罐8中流出的导热油经冷油泵9加压后，依次进入第三段油气换热器4、第二段油气换热器3和第一段油气换热器1之中。在这三段油气换热器之中，高压空气和导热油进行充分的换热，空气得以冷却，将热量储存在导热油之中。导热油从第一段油气换热器2中流出(状态点O5)，进入热油罐7储存起来。高压空气从第三段油气换热器4中流出(状态点A5)，之后进入冷却器5。在系统设计时，状态点A5的温度要比其空气组分中水蒸气的分压对应的冷凝点高20℃左右，以确保实际运行中，状态点A5不会析出水分。在冷却器5中，高压空气被冷却水进一步冷却到35-40℃左右，以满足系统安全稳定运行的要求，之后进入二级压缩机6。若系统由多级压缩机组成，则各压缩机之间的换热器系统、末级压缩机和储气装置之间的换热器系统均采用相同的布置方法。

以上说明书中描述的只是本技术发明的具体实施方式，各种举例说明不对本技术发明的实质构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本技术发明的实质和范围。