本发明属于能源储存与转换利用，涉及压缩空气储能和空气分离技术，具体是一种压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，通过优化能量利用和系统集成，提升系统能量利用效率及灵活性。
背景技术：
1、压缩空气储能(caes)是一种利用空气压缩和膨胀过程实现能量存储和释放的技术，其基本原理是：在电力需求低谷时，利用电能驱动多级压缩机将空气压缩，并通过储热罐进行热交换，使压缩空气转变为常温高压状态，存储于储气装置中。在电力需求高峰时，将高压空气释放，通过膨胀机进行膨胀，驱动发电机发电，以满足电力需求。尽管caes系统在实现电力平衡、稳定电网运行方面具有显著优势，但其技术应用仍面临一些挑战和瓶颈。首先，传统的caes系统中，压缩空气的能量密度较低，存储效率不高。此外，压缩过程中产生的热量如果不能有效回收利用，会导致系统整体效率降低。
2、另一方面，空气分离技术(ast)广泛应用于工业生产中，是获取纯氮、纯氧等气体的主要手段。在空气分离技术领域，空气分离装置通常依赖于大型压缩机将空气压缩至高压状态，然后通过低温冷却和分离工艺，将空气中的氧气、氮气和其他组分进行分离。此过程耗能巨大，尤其是压缩空气所需的电能占据了整个系统能耗的大部分。因此，如何降低空气分离过程中压缩机的能耗，提升系统效率，是该领域研究的重点之一。
3、将压缩空气储能与空气分离技术相结合，为解决上述两个技术领域的相关技术问题提供了一种创新性的解决方案。在压缩空气储能系统中，空气经过多级压缩机与储热罐换热之后，转变为常温高压的气体，存储于储气装置中。由于高压状态下，空气具有制冷能力，可以作为空气分离工艺的优质原料，减少原空分装置的压缩机耗功，同时空气分离系统中大量生产的液氮成品由于密度高以及稳定性强的特点，既可以作为产品销售，又可作为高密度储能介质，并在用电需求高时使用，进一步提高系统的灵活性和经济性。
4、目前，尽管压缩空气储能与空气分离技术的耦合系统展示出了巨大的潜力，但其在实际应用中仍面临一些技术难题。例如，如何高效、经济地实现两大系统的深度融合，高度集成各子系统的物质与能量流动，充分发挥协同效应，提升整体储能与利用效率，是亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、(一)发明目的
2、针对现有压缩空气储能系统和空气分离技术在进行耦合集成时所面临的能源利用效率较低、储能灵活性和能量密度不足、冷热能量难以高效回收利用、难以促进可再生能源消纳等缺陷和不足，为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明旨在提出一种压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，通过将压缩空气储能系统与空气分离系统相结合，使得在压缩空气储能单元满足当地储能需求后，富余的常温高压空气可以作为原料进入空气分离单元，减少了空气分离过程中压缩机的耗功，显著提高了整个系统的能源利用效率。此外，经过空气分离单元产出的剩余液氮成品作为储能介质，在用电高峰期被加压加热后膨胀发电，同时液氮中的冷量被回收生产液态空气，可重新作为空气分离装置精馏塔的输入原料，也可以被加压和吸热后重新进入膨胀机发电，进一步提升了系统的整体效率。通过上述方案，本发明的耦合系统使空分单元耗能的主要来源变为压缩空气储能单元的高压空气能量，而压缩空气能量来源于低谷电能，或者绿电，因此该耦合系统对电力系统安全运行和可再生能源消纳均具有积极作用。另外本发明中的液氮也可作为储能介质，其与空气储能作为互补，提高能量密度的同时，也提高了系统灵活性和调峰能力。
3、(二)技术方案
4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：
5、所述压缩空气储能单元，至少包括储气室、压缩机组、膨胀机组、储热换热器组和发电机，其中：所述储气室用于存储常温高压空气，所述压缩机组用于在电力低谷时将空气压缩至高压状态并储存于储气室中，所述膨胀机组用于在电力需求高峰时将储气室中的高压压缩空气进行膨胀并驱动发电机发电，所述储热换热器组与压缩机组及膨胀机组相对应，用于在压缩过程中对压缩空气进行吸热降温，并在膨胀过程中对压缩空气进行加热升温；
6、所述空气分离单元，至少包括空气分离装置、液氮储罐和液氧储罐，其中：所述空气分离装置用于将将输入的压缩空气经低温冷却后分离出氧气、氮气和其他组分，所述液氮储罐、液氧储罐分别用于存储由空气分离装置产生的液氮成品、液氧成品；
7、所述压缩空气储能单元的储气室通过管路与所述空气分离单元的空气分离装置入口相连通，使得储气室中存储的部分常温高压空气作为空气分离单元的原料输入，以减少所述空气分离单元的压缩功耗；
8、所述液氮储罐的下游至少设有一第一液态空气储罐、一第一换热器、一第二换热器，其中：
9、所述第一换热器的冷侧入口通过管路与所述液氮储罐连通、冷侧出口通过管路与所述膨胀机组的进气管线连通，
10、所述第一换热器的热侧入口通过管路与所述膨胀机组的排气或中间引气管线连通、热侧出口通过管路与所述第一液态空气储罐连通，
11、所述第二换热器的冷侧入口通过管路与所述第一液态空气储罐连通、冷侧出口通过管路与所述膨胀机组的进气管线连通，
12、所述第二换热器的热侧通入热源气体。
13、(三)技术效果
14、同现有技术相比，本发明的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，具有以下有益且显著的技术效果：
15、(1)该耦合系统通过将压缩空气储能单元与空气分离单元有机结合，使得空分单元耗能的主要来源变为压缩空气储能单元提供的高压空气能量，而压缩空气能量来源于低谷电能，或者绿电，这不仅有效降低了空气分离单元对高能耗压缩机的依赖，还大大提高了整体系统的能源利用效率。特别是在可再生能源发电量波动较大的情况下，该系统能够有效地储存和释放能量，因此该耦合系统对电力系统安全运行和可再生能源消纳均具有积极作用。
16、(2)该耦合系统通过利用压缩空气储能单元提供的高压空气作为原料，减少原空分装置的压缩机耗功，降低了系统的能耗，同时空气分离单元中大量生产的液氮成品由于密度高以及稳定性强的特点，既可以作为工业产品销售，又可作为高密度储能介质，提高整个储能系统的灵活性。
17、(3)该耦合系统中的液氮在用于发电时，通过深度利用其冷能实现更多空气被液化，这部分液化的空气既可以作为空分原料，提高空气分离效率，又可以用来发电，提高了能源利用效率。这种深度利用液氮冷能的方式，实现了能量的多级回收和再利用，使得整个系统在同等条件下能够处理更多的空气量，生产更多的分离产品，同时还能提供更多的电能输出。
18、(4)本发明通过创新性的系统耦合设计，实现了压缩空气储能与空气分离系统的深度融合，不仅显著提升了能源利用效率和系统运行的灵活性，还促进了可再生能源的有效消纳和电力系统的稳定运行，对实现绿色低碳能源发展具有重要意义。
1.一种压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，至少包括一压缩空气储能单元和一空气分离单元，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述压缩空气储能单元中，所述压缩机组、膨胀机组、储热换热器组均设置为多级，其中：多级压缩机的进气口与大气连通、排气口与储气室连通，多级膨胀机的进气口与储气室连通、排气口与大气连通，且各级压缩机的排气管线均对应设置在各级储热换热器的热侧以实现对压缩空气进行吸热降温，各级膨胀机的进气管线均对应设置在各级储热换热器的冷侧以实现对压缩空气进行加热升温。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述储气室与空气分离装置入口之间的连通管路上至少设有一第一控制阀门，所述第一控制阀门保持常开状态，并控制储气室中存储的部分常温高压空气以预设流速进入空气分离装置中进行空气分离。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第一换热器、第二换热器的冷侧出口还通过管路与储气室连通，使得经过换热器升温后的一部分高压氮气和高压空气可直接引入储气室中。
5.根据权利要求4所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第一换热器的冷侧入口与液氮储罐之间的连通管路上设有一第一升压泵，所述第二换热器的冷侧入口与所述第一液态空气储罐之间的连通管路上设有一第二升压泵，所述第一升压泵、第二升压泵分别用于将液氮、液态空气加压至所需的工作压力。
6.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第一换热器的热侧入口与所述膨胀机组的排气或中间气体管线之间的连通管路上设有一第二控制阀门，用于根据实际运行需求动态调节从膨胀机组引入第一换热器热侧的低熵空气流量和压力。
7.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第二换热器的热侧通入热源气体，所述热源气体为空气热源、来自膨胀机组的部分回流气体或者来自系统外部的高温空气，用于在换热过程中提供必要的热量。
8.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第一液态空气储罐还通过设有控制阀门的管路与空气分离装置连通，用于在需要时将液态空气输送回空气分离装置作为冷源或原料气体。
9.根据权利要求1所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述液氮储罐的下游还至少设有一第二液态空气储罐，所述第二换热器的热侧入口通过管路与所述膨胀机组的中间引气管线连通、热侧出口通过管路与所述第二液态空气储罐连通，所述第二液态空气储罐通过设有控制阀门的管路与所述膨胀机组的进气管线、储气室和/或空气分离装置连通。
10.根据权利要求9所述的压缩空气储能与空气分离相耦合的系统，其特征在于，所述第二液态空气储罐与膨胀机组的进气管线及储气室之间的连通管路上设有第三升压泵和第三换热器，所述第二液态空气储罐中存储的液态空气经第三升压泵加压后穿过第三换热器的冷侧通入膨胀机组的进气管线和/或储气室。
