[發明專利]以調節儲氣溫度提高儲氣效率的高壓儲氣裝置及調節方法

在審

• 申請號: 201711049425.1
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107795847A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 梅生偉;盧強;薛小代;陳來軍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F17C13/00
• 分類號: F17C13/00;F17C13/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王瑩,魏雪梅

技術領域

本發明涉及氣體壓縮及儲能技術領域，特別是涉及以調節儲氣溫度提高儲氣效率的高壓儲氣裝置及調節方法。

背景技術

高壓氣體在工業生產和日常生活中應用廣泛，尤其在大型工業生產應用中，需要對大容量的高壓氣體儲罐進行頻繁的充放氣。同時，一種新興的儲能技術，即壓縮空氣儲能技術，已經開始在全球推廣應用。該技術采用空氣作為儲能介質，空氣壓縮為儲能過程，空氣膨脹為釋能過程；壓縮空氣儲能系統一般為日循環工作模式，因此在壓縮空氣儲能系統中需要對儲氣裝置進行頻繁的充放氣循環。

在壓縮空氣儲能系統中，由于透平膨脹機對進氣壓力有一定的要求，儲氣室從最高儲氣壓力放氣到透平膨脹機最低進氣壓力時，放氣過程結束，因而充氣過程也是由該壓力開始。記儲氣室最高和最低儲氣壓力分別為p_h和p_l，并定義儲氣室儲氣效率為儲氣室在壓力p_h至壓力p_l范圍內放氣量與儲氣量之比，即η＝m_out/m_in。

充氣過程中，由于進氣溫度較高，加之充氣過程中儲氣室產生的壓縮熱效應，充氣結束時儲氣室內的溫度T_h將高于充氣開始時的溫度(環境溫度)T₀，根據理想氣體狀態方程p*M_mol＝ρ*R*T，儲氣室的充氣量m_in為：

m_in＝(ρ_h-ρ₀)*V＝(p_h/T_h-p₀/T₀)*V

儲氣過程中，儲氣室內氣體通過壁面與環境換熱，由于儲氣過程較長，儲氣室內最終溫度降低至環境溫度T₀，同時儲氣室內壓力降低至p₀’，但儲氣量不變，也即儲氣密度不變。

放氣過程中，由于儲氣室內壓力持續降低，產生膨脹制冷效應，放氣結束時儲氣室內的溫度T_l將低于放氣開始時的溫度T₀，根據理想氣體狀態方程p*M_mol＝ρ*R*T，儲氣室的充氣量m_out為：

m_out＝(ρ₀-ρ_l)*V＝(p₀/T₀-p_l/T_l)*V

放氣結束后，儲氣室以低壓狀態靜置長時間后再重新充氣，此過程中儲氣室內氣體通過壁面與環境換熱，儲氣室內最終溫度升高至環境溫度T₀，同時儲氣室內壓力升高至p₀，充放氣循環完成。

則儲氣室的儲氣效率為：

η＝m_out/m_in＝[T₀/T_h*(p_h/p₀)-1]/[1-T₀/T_l*(p_l/p₀)]

對于某一壓縮空氣儲能系統，T₀*p_h/p₀和T₀*p_l/p₀為常數，分別記為C₁和C₂，則儲氣室儲氣效率為：

η＝(C₁/T_h-1)/(1-C₂/T_l)

顯然，儲氣效率η在隨最高溫度T_h降低而增大，且隨最低溫度T_l升高而增大。

綜上所述，充氣過程中由于氣溫上升導致實際充氣量減少，而放氣過程中由于氣溫降低又導致實際放氣量進一步減少，充放氣過程中的溫度變化降低了儲氣裝置的充放氣循環量，從而影響壓縮空氣儲能系統的儲能效率和經濟效益。如果能夠在儲氣裝置充放氣過程中使氣腔內的溫度保持在穩定范圍內，將顯著提高儲氣裝置的單位容積循環量，進而提高儲能效率和經濟效益。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供以調節儲氣溫度提高儲氣效率的高壓儲氣裝置及調節方法，解決高壓氣體儲氣裝置在充放氣過程中溫度變化降低了儲氣裝置的充放氣循環量的問題。