基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法

1.本发明属于压缩空气储能技术领域，特别涉及一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性、间歇性等弊端，可有效解决移峰填谷的难题，近年来受到越来越多的重视；其中，压缩空气储能技术是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储技术。
3.目前，现有的压缩空气储能技术尚存在以下不足之处，具体包括：
4.1)现有技术中，通常设计多台压气机、透平同轴工作对空气进行压缩、膨胀工作，无法根据实际情况调整系统的压缩比，系统灵活性不足，只能适用于特定压缩比范围内的储能系统工作；其中，当压缩比过大时，可能会导致排气温度过高，系统耗功过高，致使系统效率较低；当压缩比过小时，则会存在浪费电能的现象；
5.2)现有技术中，主要以大容量为设计目标，需要借助地下岩穴或废弃矿井等作为储气空间，使得现有压缩空气储能技术极大地受限于地理条件，不利于系统的分布式布置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，能够在不同工况下调整压气机的耦合情况，使系统在整体压缩比变化的情况下适配合适的压气机耦合情况，从而使每个压气机都处于最合理的工作范围之内，能够有效降低整个储能过程中的压气机耗功，有效降低单个压气机的工作压力，从而提高系统储能效率与能量利用率，增加系统使用寿命。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，包括：储气罐、储冷罐、储热罐、n级压缩单元和m级膨胀单元；
9.所述n级压缩单元中的每级压缩单元均包括压气机和换热器；其中，第一级压缩单元中的压气机的出口与第一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口分别与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的出口分别与本级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口相连通，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口相连通；第二级至第n级压缩单元中的压气机分别通过离合器与前一级压缩单元中的压气机相连接；
10.所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元均包括透平和换热器；其中，第一级膨胀单元
中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口相连通，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口分别与前一级膨胀单元中的透平的第二出口相连通，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的出口分别与本级膨胀单元中的透平的进口相连通；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通；第二级至第m级膨胀单元中的透平分别通过离合器与前一级膨胀单元的透平相连接。
11.本发明的进一步改进在于，还包括：冷却器；
12.所述储冷罐的进口经所述冷却器的换热通道后与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通。
13.本发明的进一步改进在于，所述n级压缩单元中，第一级压缩单元中的压气机的进口用于与大气连通。
14.本发明的进一步改进在于，所述m级膨胀单元中，每级膨胀单元中的透平的第一出口均用于与大气连通。
15.本发明的进一步改进在于，所述离合器为同步自换档离合器。
16.本发明的进一步改进在于，还包括：
17.电动机，用于驱动所述n级压缩单元的每级压缩单元中的压气机。
18.本发明的进一步改进在于，还包括：
19.发电机，用于在所述m级膨胀单元的驱动下发电。
20.本发明的进一步改进在于，所述储冷罐和所述储热罐中的工质为水、镍化锂和氨水中的一种。
21.本发明的进一步改进在于，
22.第二级至第n级压缩单元中的压气机的进出口与储气罐进口连接的管路之间设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口与所述储气罐的进口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门；
23.第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口与前一级膨胀单元中的透平的第二出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的透平的出口管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道
上设置有用于控制开度的控制阀门。
24.本发明提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能方法，基于本发明上述的基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统；
25.所述压缩空气储能方法包括：
26.系统开始储能工作时，储气罐内的压力较低，系统的压缩比比较小，此时一级压缩单元进行工作，一级压缩单元中压气机压缩的空气经过换热器冷却后进入储气罐；随着压缩过程的进行，储气罐内压力不断上升，系统的压缩比逐步上升，当系统实际压缩比超过单个压缩单元设计工作范围时，离合器工作将第二级压缩单元与第一级压缩单元耦合进行工作，经过第一级压缩单元的压缩空气进入第二压缩单元中的压气机进行压缩，再进行冷却后进入储气罐中存储；随着储能工作的不断进行，将更多级数的压缩单元投入工作；
27.当系统开始释能工作时，此时系统的膨胀比处于峰值，m级膨胀单元耦合在一起同时进行释能工作，被压缩的空气逐级进入膨胀单元中进行换热膨胀的工作，最终恢复常温常压排入大气之中；在释能过程的进行中，储气罐内的压力逐步下降，系统的膨胀比逐步下降，当系统实际膨胀比低于此时的耦合膨胀单元设计工作范围时，离合器将膨胀单元逐步解耦，直至最终仅有一级膨胀单元进行释能工作。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.针对现有压缩空气储能系统不能灵活调整压缩比以适应不同工况的问题，本发明提供了一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统；本发明通过离合器根据不同工况调整系统中压气机和透平的耦合关系来调整整个系统的压缩比，从而实现系统的变工况运行，一方面可使每个压气机和透平始终处于最佳的工作状态，能够充分利用每个压气机和透平的能力，从而提高系统的储能效率，另一方面可以有效降低每台压气机和透平的工作压力，除了可以降低压气机和透平的设计难度，还可以提高整个系统的使用寿命。另外，由于使用离合器，一组压气机或透平仅需一个发电机辅助工作，简化系统配置的同时提高了整个系统的储能效率以及灵活性。针对现有压缩空气储能系统依赖地理条件、体积较大的问题，本发明的压缩空气储能系统可适用的压缩比范围较大，通过耦合的方式，可以使单个压气机和透平的压比和膨胀比相对较小，因此系统的体积较小，可以实现分布式布置。综上，本发明提供的技术方案，能够在不同工况下调整压气机的耦合情况，使系统在整体压缩比变化的情况下适配合适的压气机耦合情况，从而使每个压气机都处于最合理的工作范围之内，能够有效降低整个储能过程中的压气机耗功，有效降低单个压气机的工作压力，从而提高系统储能效率与能量利用率，增加系统使用寿命。
30.本发明中，压气机与压气机之间、透平与透平之间都设有换热器，保障了进入压气机和透平的压缩空气的温度在其工作范围之内；可以通过调整控制阀开度调节在压气机、透平耦合情况发生变化时由储冷罐进入不同换热器中储能介质的流量，从而保障换热器热流进口和冷流出口的温差达到设计要求。
31.本发明中压气机之间和透平之间可以通过sss离合器(synchro-self-shifting，同步自换档离合器)进行啮合以适配不同压比的工作需求，压气机间的啮合情况与透平之间的啮合情况是对应的以维持系统储能与释能之间的平衡。
32.本发明的控制方法能够实现：在用电低谷时利用低谷电力储存能量时，并在用电高峰时完成能量释放，同时可以根据实际的需求调整压气机和透平的耦合情况调整整个系
统的压比，以适用于不同的工况需求，具有较高的储能效率。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统的示意图；
35.图中，1、第一压气机；2、第二压气机；3、第三压气机；4、第一换热器；5、第二换热器；6、第三换热器；7、储气罐；8、储冷罐；9、储热罐；10、冷却器；11、第四换热器；12、第五换热器；13、第六换热器；14、第一透平；15、第二透平；16、第三透平；17、第一sss离合器；18、第二sss离合器；19、第三sss离合器；20、第四sss离合器；
36.21、第一控制阀；22、第二控制阀；23、第三控制阀；24、第四控制阀；25、第五控制阀；26、第六控制阀；27、第七控制阀；28、第八控制阀；29、第九控制阀；30、第十控制阀；31、第十一控制阀；32、第十二控制阀；33、第十三控制阀；34、第十四控制阀；35、第十五控制阀；36、第十六控制阀；37、第十七控制阀；38、第十八控制阀；39、第十九控制阀。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
40.本发明实施例提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，包括：储气罐、储冷罐、储热罐、n级压缩单元和m级膨胀单元；
41.所述n级压缩单元中的每级压缩单元均包括压气机和换热器；其中，第一级压缩单元中的压气机的出口与第一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口分别与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的出口分别与本级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元
的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口相连通，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口相连通；第二级至第n级压缩单元中的压气机分别通过离合器与前一级压缩单元中的压气机相连接；
42.所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元均包括透平和换热器；其中，第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口相连通，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口分别与前一级膨胀单元中的透平的第二出口相连通，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的出口分别与本级膨胀单元中的透平的进口相连通；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通；第二级至第m级膨胀单元中的透平分别通过离合器与前一级膨胀单元的透平相连接。
43.本发明实施例中，系统开始储能工作时，储气罐内的压力较低，系统的压缩比比较小，此时一级压缩单元进行工作，一级压缩单元中压气机压缩的空气经过换热器冷却后进入储气罐；随着压缩过程的进行，储气罐内压力不断上升，系统的压缩比逐步上升，当系统实际压缩比超过单个压缩单元设计工作范围时，离合器工作将第二级压缩单元与第一级压缩单元耦合进行工作，经过第一级压缩单元的压缩空气进入第二压缩单元中的压气机进行压缩，再进行冷却后进入储气罐中存储；随着储能工作的不断进行，可以有更多级数的压缩单元投入工作，具体的级数与储气罐、压气机及系统储能时长设计相关。当系统开始释能工作时，此时系统的膨胀比处于峰值，此时m级膨胀单元耦合在一起同时进行释能工作，m的值与储气罐、透平及释能时长设计相关。被压缩的空气逐级进入膨胀单元中进行换热膨胀的工作，最终恢复常温常压被排入大气之中，在释能过程的进行中，储气罐内的压力逐步下降，系统的膨胀比逐步下降，当系统实际膨胀比低于此时的耦合膨胀单元设计工作范围时，离合器将会工作将膨胀单元逐步解耦，直至最终仅有一级膨胀单元进行释能工作。
44.请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，为三级结构，其主要包括：第一压气机1、第二压气机2、第三压气机3、第一换热器4、第二换热器5、第三换热器6、储气罐7、储冷罐8、储热罐9、冷却器10、第四换热器11、第五换热器12、第六换热器13、第一透平14、第二透平15、第三透平16、第一sss离合器17、第二sss离合器18、第三sss离合器19和第四sss离合器20；
45.此外，还可包括第一控制阀21、第二控制阀22、第三控制阀23、第四控制阀24、第五控制阀25、第六控制阀26、第七控制阀27、第八控制阀28、第九控制阀29、第十控制阀30、第十一控制阀31、第十二控制阀32、第十三控制阀33、第十四控制阀34、第十五控制阀35、第十六控制阀36、第十七控制阀37、第十八控制阀38和第十九控制阀39。
46.本发明实施例具体示例性的，
47.第一压气机1的进口与大气相连通，出口与第一换热器4的第一换热通道进口相连通；第一换热器4的第一换热通道出口分为两路，一路依次通过第九控制阀29、第十控制阀30与储气罐7的进口相连通，另一路通过第五控制阀25与第二压气机2的进口相连通；
48.第二压气机2的出口与第二换热器5的第一换热通道进口相连通，第二换热器5的第一换热通道出口分为两路，一路依次通过第六控制阀26、第十控制阀30与储气罐7的进口
相连通，另一路依次通过第六控制阀26、第七控制阀27与第三压气机3的进口相连通；
49.第三压气机3的出口与第三换热器6的第一换热通道进口相连通，第三换热器6的第一换热通道出口通过第八控制阀28与储气罐7的进口相连通；上述连通关系用于完成工作工质的压缩储存。
50.本发明实施例具体示例性的，储冷罐8出口分为三路；其中，
51.第一路与第一换热器4的第二换热通道进口相连通，第一换热器4的第二换热通道出口与储热罐9的进口相连通；
52.第二路通过第二控制阀22与第二换热器5的第二换热通道进口相连通，第二换热器5的第二换热通道出口通过第一控制阀21与储热罐9的进口相连通；
53.第三路通过第四控制阀24与第三换热器6的第二换热通道进口相连通，第三换热器6的第二换热通道出口通过第三控制阀23与储热罐9的进口相连通；
54.上述连通关系用于完成热量的储存。
55.本发明实施例中，以上用于完成工作工质压缩储存的连通关系以及用于完成热量储存的连通关系，共同构成系统的整个储能部分。
56.本发明实施例具体示例性的，储气罐7的出口通过第十一控制阀31与第四换热器11的第二换热通道进口相连通，第四换热器11的第二换热通道出口与第一透平14的进口相连通，第一透平14的第一出口通过第十八控制阀38与大气相连通；第一透平14的第二出口通过第十四控制阀34与第五换热器12的第二换热通道进口相连通，第五换热器12的第二换热通道出口与第二透平15的进口相连通，第二透平15的第一出口通过第十九控制阀39与大气相连通，第二透平15的第二出口通过第十五控制阀35与第六换热器13的第二换热通道进口连接，第六换热器13的第二换热通道出口与第三透平16的进口相连通，第三透平16的出口与大气相连通。
57.本发明实施例中，储热罐9的出口分为三路；其中，
58.第一路与第四换热器11的第一换热通道进口连接，第四换热器11的第一换热通道出口与冷却器10的第一进口相连通；
59.第二路通过第十六控制阀36与第五换热器12的第一换热通道进口相连通，第五换热器12的第一换热通道出口通过第十二控制阀32与冷却器10的第一进口相连通；
60.第三路依次通过第十六控制阀36、第十七控制阀37与第六换热器13的第一换热通道进口相连通，第六换热器13的第一换热通道出口依次通过第十三控制阀33、第十二控制阀32与冷却器10的第一进口相连通；
61.冷却器10的第一出口与储冷罐8的进口相连通，完成热量的释放；
62.以上各部件构成整个释能过程。
63.本发明实施例中，第一压气机1和第二压气机2轴间通过第一sss离合器17连接，第二压气机2和第三压气机3轴间通过第二sss离合器18连接，第一透平14和第二透平15轴间通过第三sss离合器19连接，第二透平15和第三透平16轴间通过第四sss离合器20连接；以上部件可根据系统工况，调整压气机和透平间的耦合情况，进一步提高系统的效率。
64.本发明实施例进一步解释性的，上述技术方案不限于三级压缩和三级膨胀，可以根据实际工作情况的需求增加或减少压气机、透平和sss离合器的配置，从而使每一级压气机和透平工作时都处于最佳的工作状态。
65.针对现有压缩空气储能系统的不足，本发明提出一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法，通过调整压气机和透平之间的耦合关系，来适配不同工作情况下的整个储能系统的压缩比需求。在储能过程刚开始时，压缩比需求较低，仅需第一压气机1工作，随着储能过程的进行，储存在储气罐7中的压缩空气的压力逐步上升，系统整体的压缩比随之上升，当压缩比增大时，第一sss离合器17工作将第一压气机1和第二压气机耦合在一起，两台压气机同时参与系统的压缩储能过程，随着储能过程的进行，储气罐7内的压力进一步提高，此时第二sss离合器工作将第一压气机1、第二压气机2和第三压气机3耦合在一起，共同参与储能工作。相对的，在释能过程刚开始时，压缩比较大，此时第三sss离合器19和第四sss离合器20将第一透平14、第二透平15和第三透平16耦合在一起，共同参与释能工作，随着释能过程的进行，储气罐7内的压缩空气压力逐步下降，系统整体的膨胀比随之下降，当膨胀比下降时，第四sss离合器20解耦，第一透平14和第二透平15耦合共同参与释能过程，随着释能过程的进行，储气罐7内的压力进一步下降，第三sss离合器19解耦，仅有第一透平20参与释能过程，最终完成系统的释能工作。
66.本发明实施例的一种通过压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统的操作方法，具体包括以下步骤：
67.初始状态下，关闭所有19个控制阀门，储气罐7内存有常温常压空气作为工作工质；
68.当用户处于用电低谷时，关闭第十一控制阀31、第十二控制阀32、第十三控制阀33、第十四控制阀34、第十五控制阀35、第十六控制阀36、第十七控制阀37、第十八控制阀38、第十九控制阀39，打开第一控制阀21、第二控制阀22、第三控制阀23、第四控制阀24、第五控制阀25、第六控制阀26、第七控制阀27、第八控制阀28、第九控制阀29、第十控制阀30，通过压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统的储能部分进行工作；
69.当压比需求较低时，仅需第一压气机进行工作，此时只需打开第九控制阀29和第十控制阀30，关闭第一控制阀21、第二控制阀22、第三控制阀23、第四控制阀24、第五控制阀25、第六控制阀26、第七控制阀27和第八控制阀28，电力带动第一压气机1将常温常压的空气进行压缩，被压缩后的空气进入第一换热器4中进行换热，将热量传递给来自冷水罐8中的储能介质，降温后的空气被存储在储气罐7中。
70.当压比需求增大时，需要第一压气机1和第二压气机2同时工作，此时需要打开第一控制阀21、第二控制阀22、第五控制阀25、第六控制阀26和第十控制阀30，关闭第三控制阀23、第四控制阀24、第七控制阀27和第八控制阀28和第九控制阀29，第一sss离合器17工作将第一压气机1和第二压气机2啮合在一起进行压缩空气的工作，在第一换热器4被冷却的压缩空气通过第五控制阀25进入第二压气机2中进行进一步的压缩，压缩后的空气进入第二换热器5进行换热，将热量传递给来自冷水罐8中的储能介质，降温后的压缩空气被储存在储气罐7中。
71.当需要进一步提高压比时，需要第一压气机1，第二压气机2和第三压气机3同时工作，此时需要打开第一控制阀21、第二控制阀22、第三控制阀23、第四控制阀24、第五控制阀25、第六控制阀26、第七控制阀27和第八控制阀28，关闭第九控制阀29和第十控制阀30。第一sss离合器17和第二sss离合器18工作将第一压气机1，第二压气机2和第三压气机3啮合在一起同时进行压缩空气的工作，经第二换热器5冷却的压缩空气通过第七控制阀27进入
第三压气机3进行进一步的压缩，压缩后的空气进入第三换热器6中进行换热，将热量传递给来自冷水罐8中的储能介质，降温后的压缩空气被储存在储气罐7中。至此完成工作工质的压缩与热量储存。
72.当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀21、第二控制阀22、第三控制阀23、第四控制阀24、第五控制阀25、第六控制阀26、第七控制阀27、第八控制阀28、第九控制阀29、第十控制阀30，打开第十一控制阀31、第十二控制阀32、第十三控制阀33、第十四控制阀34、第十五控制阀35、第十六控制阀36、第十七控制阀37、第十八控制阀38和第十九控制阀39，通过压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统的释能部分开始进行工作；
73.当储存的空气压力较低时，仅须第一透平14工作，此时打开第十一控制阀31和第十八控制阀38，关闭第十二控制阀32、第十三控制阀33、第十四控制阀34、第十五控制阀35、第十六控制阀36、第十七控制阀37和第十九控制阀39。储气罐7内的压缩空气进入第四换热器11中与来自储热罐9中的储热介质进行换热升温，升温后的压缩空气进入第一透平14中膨胀做功，带动发电机发电，最后膨胀至常温常压空气被排放至大气中。
74.当储存的空气压力增大时，需要第一透平14和第二透平15同时工作，此时需要打开第十一控制阀31、第十二控制阀32、第十四控制阀34、第十六控制阀36和第十九控制阀39，关闭第十三控制阀33、第十五控制阀35、第十七控制阀37和第十八控制阀38，第三sss离合器开始工作将第一透平14和第二透平15啮合在一起进行膨胀做功的工作，经第一透平14膨胀后的压缩空气通过第十六控制阀34进入第五换热器12中与来自储热罐9中的储热介质进行换热升温，升温后的压缩空气进入第二透平15中膨胀做功，带动发电机发电，最后被膨胀至常温常压的空气被排放至大气中。
75.当储存的空气压力进一步提高时，需要第一透平14、第二透平15和第三透平16同时工作，此时打开第十一控制阀31、第十二控制阀32、第十三控制阀33、第十四控制阀34、第十五控制阀35、第十六控制阀36和第十七控制阀37，关闭第十八控制阀38和第十九控制阀39，第三sss离合器19和第四sss离合器20开始工作，将第一透平14、第二透平15和第三透平16啮合在一起进行膨胀做功的工作，经第二透平15膨胀后的压缩空气通过第十五控制35进入第六换热器13中与来自储热罐9中的储热介质进行换热升温，升温后的压缩空气进入第三透平16中进行膨胀做功，带动发电机发电，最后被膨胀至常温常压的空气被排放至大气中。至此完成工作工质的膨胀与热量释放。
76.综上所述，本发明实施例提供了一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法，能够根据实际工况调整系统中压气机、透平的耦合关系，灵活调整系统的压缩比及膨胀比，在一定范围内实现系统的变工况运行，耦合的方式使整个系统仅需两个电机分别辅助压气机和透平工作，能够有效降低单个压气机、透平的工作压力，增加系统寿命，实现能量的储存及释放，降低用户成本；
77.进一步解释性的，具体优点包括：
78.1)本发明提供的压缩空气储能系统中，可以通过sss离合器根据不同工况调整系统中压气机和透平的耦合关系来调整整个系统的压缩比，从而实现系统的变工况运行，一方面可使每个压气机和透平始终处于最佳的工作状态，能够充分利用每个压气机和透平的能力，从而提高系统的储能效率，另一方面可以有效降低每台压气机和透平的工作压力，除了可以降低压气机和透平的设计难度，还可以提高整个系统的使用寿命。同时由于使用sss
离合器，一组压气机或透平仅需一个发电机辅助工作，简化系统配置的同时提高了整个系统的储能效率以及灵活性；
79.2)本发明的压缩空气储能系统可适用的压缩比范围较大，通过耦合的方式，可以使单个压气机和透平的压比和膨胀比相对较小，因此系统的体积较小，可以实现分布式布置；
80.3)本发明可以通过调整控制阀开度调节在压气机、透平耦合情况发生变化时由储冷罐进入不同换热器中储能介质的流量，从而保障换热器热流进口和冷流出口的温差达到设计要求；
81.4)本发明不限于三级压缩和三级膨胀，可以根据实际工作情况的需求增加或减少压气机、透平和sss离合器的配置，从而使每一级压气机和透平工作时都处于最佳的工作状态。
82.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，包括：储气罐、储冷罐、储热罐、n级压缩单元和m级膨胀单元；所述n级压缩单元中的每级压缩单元均包括压气机和换热器；其中，第一级压缩单元中的压气机的出口与第一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口分别与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口相连通，第二级至第n级压缩单元中的压气机的出口分别与本级压缩单元中的换热器的第一换热通道的进口相连通；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口相连通，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口相连通；第二级至第n级压缩单元中的压气机分别通过离合器与前一级压缩单元中的压气机相连接；所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元均包括透平和换热器；其中，第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口相连通，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口分别与前一级膨胀单元中的透平的第二出口相连通，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的出口分别与本级膨胀单元中的透平的进口相连通；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通；第二级至第m级膨胀单元中的透平分别通过离合器与前一级膨胀单元的透平相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：冷却器；所述储冷罐的进口经所述冷却器的换热通道后与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口相连通。3.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，所述n级压缩单元中，第一级压缩单元中的压气机的进口用于与大气连通。4.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，所述m级膨胀单元中，每级膨胀单元中的透平的第一出口均用于与大气连通。5.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，所述离合器为同步自换档离合器。6.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：电动机，用于驱动所述n级压缩单元的每级压缩单元中的压气机。7.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：发电机，用于在所述m级膨胀单元的驱动下发电。8.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储冷罐和所述储热罐中的工质为水、镍化锂和氨水中的一种。9.根据权利要求1所述的一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统，其特征在于，
第二级至第n级压缩单元中的压气机的进出口与储气罐进口连接的管路之间设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的压气机的进口与前一级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第n级压缩单元中的换热器的第一换热通道的出口与所述储气罐的进口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储气罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储冷罐的出口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的进口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门，所述储热罐的进口与所述n级压缩单元中的每级压缩单元的换热器的第二换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门；第一级膨胀单元中的换热器的第二换热通道的进口与所述储气罐的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，第二级至第m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第二换热通道的进口与前一级膨胀单元中的透平的第二出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的透平的出口管道上设置有用于通断的控制阀门；所述储冷罐的进口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于通断的控制阀门，所述储热罐的出口与所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元的换热器的第一换热通道的出口之间的连通管道上设置有用于控制开度的控制阀门。10.一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统；所述压缩空气储能方法包括：系统开始储能工作时，储气罐内的压力较低，系统的压缩比比较小，此时一级压缩单元进行工作，一级压缩单元中压气机压缩的空气经过换热器冷却后进入储气罐；随着压缩过程的进行，储气罐内压力不断上升，系统的压缩比逐步上升，当系统实际压缩比超过单个压缩单元设计工作范围时，离合器工作将第二级压缩单元与第一级压缩单元耦合进行工作，经过第一级压缩单元的压缩空气进入第二压缩单元中的压气机进行压缩，再进行冷却后进入储气罐中存储；随着储能工作的不断进行，将更多级数的压缩单元投入工作；当系统开始释能工作时，此时系统的膨胀比处于峰值，m级膨胀单元耦合在一起同时进行释能工作，被压缩的空气逐级进入膨胀单元中进行换热膨胀的工作，最终恢复常温常压排入大气之中；在释能过程的进行中，储气罐内的压力逐步下降，系统的膨胀比逐步下降，当系统实际膨胀比低于此时的耦合膨胀单元设计工作范围时，离合器将膨胀单元逐步解耦，直至最终仅有一级膨胀单元进行释能工作。

技术总结
本发明属于压缩空气储能技术领域，公开了一种基于压气机耦合调整压缩比的压缩空气储能系统及方法；所述压缩空气储能系统包括：储气罐、储冷罐、储热罐、n级压缩单元和m级膨胀单元；其中，所述n级压缩单元中的每级压缩单元均包括压气机和换热器，所述m级膨胀单元中的每级膨胀单元均包括透平和换热器。本发明提供的技术方案，能够在不同工况下调整压气机的耦合情况，使系统在整体压缩比变化的情况下适配合适的压气机耦合情况，从而使每个压气机都处于最合理的工作范围之内，能够有效降低整个储能过程中的压气机耗功，有效降低单个压气机的工作压力，从而提高系统储能效率与能量利用率，增加系统使用寿命。增加系统使用寿命。增加系统使用寿命。


技术研发人员：张荻 刘希锴 谢永慧 王鼎
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20