BG113560A

BG113560A - CRYOGENIC ELECTRICAL ENERGY STORAGE SYSTEM

Info

Publication number: BG113560A
Application number: BG113560
Authority: BG
Inventors: Митева Симона; Ангелов Попов Димитър
Original assignee: Технически Университет - София
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2024-01-31

Abstract

Криогенната система за съхранение на електрическа енергия се състои от: електродвигател (1), задвижващ въздушен компресор за ниско налягане (2) и въздушен компресор за високо налягане (4), разположени на една валова линия; междинни охладители на компресирания въздух (3 и 5); маслена помпа (6), пренасяща охлаждащо масло от резервоара (9) за съхранение на масло с ниска температура през междинните охладители към резервоара (7) за съхранение на масло с висока температура; втечнителна секция (23), използваща студените флуиди от секцията за студено съхранение (21); топлоизолиран резервоар за втечнен въздух (22) при температура приблизително 80 К и атмосферно налягане; помпа (20) за изпомпване на втечнен въздух до високо налягане в изпарителя (19); рекуператор (18) за нагряване на въздуха, излизащ от въздушните турбини (12, 14 и 16), задвижващи електрическия генератор (17); маслена помпа (8), пренасяща подгряващо масло от резервоара (7) за съхранение на масло с висока температура към резервоара (9) за съхранение на масло с ниска температура през въздушните подгреватели (11, 13 и 15), през масления подгревател на подхранваща вода от паротурбинната инсталация (32) и охладителя на термомасло (10), изхвърлящ отпадна топлина към околната среда; подхранваща помпа (28), пренасяща подхранваща вода от кондензатор (27) на парна турбина (25), задвижваща електрически генератор (26) към парогенератор (24) през регенеративни подгреватели (29), използващи грееща пара от регенеративни пароотнемания (30); дренажна помпа (31) за инжектиране на стичащия се каскадно кондензат на греещата пара в основния тръбопровод с подхранваща вода.
The cryogenic electrical energy storage system consists of: an electric motor (1), driving a low-pressure air compressor (2) and a high-pressure air compressor (4) located on one shaft line; compressed air intercoolers (3 and 5); an oil pump (6) transferring cooling oil from the low temperature oil storage tank (9) through the intercoolers to the high temperature oil storage tank (7); a liquefaction section (23) using the cold fluids from the cold storage section (21); a thermally insulated tank for liquefied air (22) at a temperature of approximately 80 K and atmospheric pressure; a pump (20) for pumping liquefied air to high pressure in the evaporator (19); a recuperator (18) for heating the air exiting the air turbines (12, 14 and 16) driving the electric generator (17); oil pump (8) transferring preheater oil from high temperature oil storage tank (7) to low temperature oil storage tank (9) through air heaters (11, 13 and 15), through oil feed water heater from the steam turbine plant (32) and the thermal oil cooler (10) discharging waste heat to the environment; a feed pump (28) carrying feed water from a condenser (27) to a steam turbine (25) driving an electric generator (26) to a steam generator (24) via regenerative heaters (29) using heating steam from regenerative steam withdrawals (30); drain pump (31) to inject the cascading condensate of the heating steam into the main feedwater pipeline.

Description

КРИОГЕННА СИСТЕМА ЗА СЪХРАНЕНИЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯCRYOGENIC ELECTRICAL ENERGY STORAGE SYSTEM

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF ENGINEERING

Изобретението се отнася до криогенна система за съхранение на електрическа енергия (КССЕ) с приложение в областта на енергетиката, за ефективно управление на електроенергийни системи при наличие в тях на електроцентрали, базирани на възобновяеми енергийни източници.The invention relates to a cryogenic system for the storage of electric energy (CSSE) with application in the field of energy, for the effective management of electric power systems in the presence of power plants based on renewable energy sources.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известни са множество конфигурации на криогенни системи за съхранение на електроенергия чрез втечняване на въздух, [AU 2007217133 Al, CN 104279012 A, WO 2013/034908 А2, WO 2018128803 А1]. Единствената конфигурация^намерила практическо приложение под формата на реално действаща инсталация е тази. описана в WO 2013/034908 А2. По-нататъшно оптимизиране на нейните параметрите и структура, извършено по идентичен начин, е представено в посочените публикации [1. 2].Multiple configurations of cryogenic electricity storage systems by liquefaction of air are known [AU 2007217133 A1, CN 104279012 A, WO 2013/034908 A2, WO 2018128803 A1]. The only configuration that has found practical application in the form of an actual operating installation is this one. described in WO 2013/034908 A2. Further optimization of its parameters and structure, carried out in an identical manner, is presented in the mentioned publications [1. 2].

Структурата на КССЕ с втечнен въздух, предложена от Sciacovelli el al. е с капацитет на системата е приблизително 300 000 kWh. Нейното действие се характеризира с 2 периода на работа: период на зареждане и период на разреждане. По време на зареждане, въздухът се компресира в компресори ниско и високо налягане. Компресорите се задвижват от електродвигател. След компресорите са разположени междинни охладители. В тях, отделената при компресия топлина се предава на термо-масло, което се насочва към секция за горещо съхранение, имаща два резервоара с висока и ниска температура. Сгъстеният въздух след това се охлажда до криогенна температура от връщащия се въздух от въздушния сепаратор на втечнителна секция и от студените флуиди, подавани от секцията за студено съхранение, преди да попадне в крио-турбина. Разширяването в крио-турбината произвежда двуфазна смес пари-течност, която се събира и разделя на газов поток и поток течност във въздушен сепаратор. Произведеният течен въздух се съхранява в топлоизолиран резервоар при температура приблизително 80 К и атмосферно налягане.The liquefied air CSCE structure proposed by Sciacovelli el al. has a system capacity of approximately 300,000 kWh. Its action is characterized by 2 periods of operation: a charging period and a discharging period. During charging, the air is compressed in low and high pressure compressors. The compressors are driven by an electric motor. Intercoolers are located after the compressors. In these, the heat released during compression is transferred to thermal oil, which is directed to a hot storage section having two reservoirs of high and low temperature. The compressed air is then cooled to cryogenic temperature by the return air from the liquefaction section air separator and by the cold fluids supplied from the cold storage section before entering the cryo-turbine. Expansion in the cryo-turbine produces a two-phase vapor-liquid mixture, which is collected and separated into a gas stream and a liquid stream in an air separator. The produced liquid air is stored in a thermally insulated tank at a temperature of approximately 80 K and atmospheric pressure.

По време на етапа на разреждане, (респ. производство на ел. енергия), течният въздух се изпомпва от топлоизолирания резервоар до високо налягане с помощта на помпа. След това следва изпарение в изпарител. Изпарението се извършва чрез нагряване до температура, близка до околната среда от течност, циркулираща между резервоари в секцията за студено съхранение и изпарителя. Изпомпваният въздух след това преминава през рекуператор, където се нагрява от въздуха, излизащ от въздушна турбина.During the discharge stage (or power generation), the liquid air is pumped from the heat-insulated tank to high pressure by means of a pump. This is followed by evaporation in an evaporator. Evaporation is accomplished by heating to near-ambient temperature from liquid circulating between reservoirs in the cold storage section and the evaporator. The pumped air then passes through a recuperator where it is heated by the air exiting an air turbine.

Разширяването на въздуха се извършва в три последователно разположени въздушни турбини. Преди постъпването си във всяка една от турбините, въздухът се прегрява в топлообменници. Турбините задвижват електрически генератор.Air expansion takes place in three sequentially located air turbines. Before entering each of the turbines, the air is superheated in heat exchangers. The turbines drive an electric generator.

За прегряването на въздуха се използва термично масло от резервоара за горещо съхранение с по-висока температура. То се насочва към топлообменници с помощта на маслена помпа. След това термичното масло се охлажда допълнително в охладителя на термо-маслото и се връща резервоар за съхранение при температура близка до тази на околната среда. Охлаждането се извършва с атмосферен въздух. Чрез топлообменник отпадната топлинна енергия се изхвърля към околната среда.Thermal oil from the hot storage tank with a higher temperature is used to superheat the air. It is directed to heat exchangers using an oil pump. The thermal oil is then further cooled in the thermal oil cooler and returned to a storage tank at near ambient temperature. Cooling is done with atmospheric air. Through a heat exchanger, the waste heat energy is discharged to the environment.

Постигната ефективност, респ. отношението между нетната ел. мощност произвеждана от инсталацията и нетната ел. мощност консумирана за производство на втечнен въздух е ниска и не надвишава 47.6 %. Основна причина за ниската ефективност е обстоятелството, че работата на системата се съпътства с изхвърлянето на значително количество отпадна топлинна енергия в атмосферата под формата на горещ въздух с висока температура.Achieved efficiency, resp. the ratio between the net electrical power produced by the installation and the net electrical power consumed for the production of liquefied air is low and does not exceed 47.6%. The main reason for the low efficiency is the fact that the operation of the system is accompanied by the discharge of a significant amount of waste heat energy into the atmosphere in the form of hot air with a high temperature.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОTECHNICAL ESSENCE OF THE INVENTION

Задачата на изобретението е да се създаде криогенна система за съхранение на електрическа енергия, работеща с намалена загуба на отпадна топлинна енергия, в резултат на което да се повиши ефективността на съхранението на електроенергията.The task of the invention is to create a cryogenic system for the storage of electrical energy, operating with a reduced loss of waste heat energy, as a result of which to increase the efficiency of the storage of electrical energy.

Задачата на изобретението се реализира с криогенна система за съхранение на електрическа енергия, която се състои от: електродвигател, задвижващ въздушен компресор за ниско налягане, и въздушен компресор за високо налягане, разположени на една валова линия; междинни охладители на компресирания въздух; маслена помпа, пренасяща охлаждащо масло от резервоар за съхранение на масло с ниска температура през междинните охладители към резервоар за съхранение на масло с висока температура; втечнителна секция, използваща студени флуиди от секцията за студено съхранение; топлоизолиран резервоар за втечнен въздух при температура приблизително 80 К и атмосферно налягане; помпа за изпомпване на втечнен въздух до високо налягане в изпарител; рекуператор за нагряване на въздуха, излизащ от въздушни турбини, задвижващи електрически генератор; маслена помпа пренасяща подгряващо масло от резервоар за съхранение на масло с висока температура към резервоар за съхранение на масло с ниска температура през въздушни подгреватели, през маслен подгревател на подхранваща вода от паротурбинната инсталация и охладител па термо-масло, изхвърлящ отпадна топлина към околната среда; подхранваща помпа, пренасяща подхранваща вода от кондензатор на парна турбина, задвижваща електрически генератор към парогенератор през регенеративни подгреватели, използващи грееща пара от регенеративни пароотнемания; дренажна помпа за инжектиране на стичащия се каскадно кондензат на греещата пара в основния тръбопровод с подхранваща вода.The task of the invention is realized with a cryogenic system for storing electrical energy, which consists of: an electric motor driving a low-pressure air compressor and a high-pressure air compressor located on one shaft line; compressed air intercoolers; an oil pump transferring cooling oil from a low temperature oil storage tank through the intercoolers to a high temperature oil storage tank; a liquefaction section using cold fluids from the cold storage section; a thermally insulated tank for liquefied air at a temperature of approximately 80 K and atmospheric pressure; a pump for pumping liquefied air to high pressure in an evaporator; a recuperator for heating the air exiting air turbines driving an electric generator; an oil pump transferring heating oil from a high temperature oil storage tank to a low temperature oil storage tank through air heaters, through a steam turbine feedwater oil heater and a thermo-oil cooler, discharging waste heat to the environment; a make-up pump carrying make-up water from a steam turbine condenser driving an electric generator to a steam generator through regenerative heaters using heating steam from regenerative steam withdrawals; a drain pump to inject the cascading condensate of the heating steam into the main feedwater pipeline.

Така описаната система притежава следните предимства спрямо съществуващото състояние на техниката, които се постигат чрез използване на отпадна топлина от криогенната система за подгряване на подхранващата вода на паротурбинната инсталация. Подгряването е термо-масло на част от подхранващата вода вместо с пара намалява дебитите на парни потоци, извеждани от проточната част на турбината и движещи се по паропроводите. Така неизползваната от регенеративните подгреватели пара не напуска турбината и се разширява в нея по пътя й към кондензатора. В резултат на това, в турбината се произвежда повече механична мощност, от колко го ако цялото количество подхранваща вода се пропускаше през регенеративни подгреватели. Това в крайна сметка води до производството на допълнителна електрическа мощност в ел. генератора на парната турбина. По този начин, с една голяма част от отпадната топлина, отделяна при работа на криогенната батерия, се произвежда индиректно ел. енергия. Термо-маслото след масления подгревател се охлажда допълнително до температура близка до тази на околната среда в масления охладител. Тъй като термо-маслото преди да постъпи в масления охладител е отдало голяма част от топлината си в масления подгревател, отделянето на отпадна топлина в околната среда е незначително.The system thus described has the following advantages over the existing state of the art, which are achieved by using waste heat from the cryogenic system to heat the feed water of the steam turbine plant. Heating a part of the feed water with thermal oil instead of steam reduces the flow rates of steam flows taken out of the flow part of the turbine and moving along the steam lines. Thus, steam unused by the regenerative heaters does not leave the turbine and expands in it on its way to the condenser. As a result, more mechanical power is produced in the turbine than if all the feedwater were passed through regenerative heaters. This ultimately leads to the production of additional electrical power in the steam turbine generator. In this way, with a large part of the waste heat released during the operation of the cryogenic battery, electrical energy is indirectly produced. The thermal oil after the oil heater is further cooled to a temperature close to the ambient temperature in the oil cooler. Since the thermal oil has given off much of its heat to the oil heater before entering the oil cooler, the release of waste heat to the environment is negligible.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

Фиг. 1 представлява блок-схема на криогенна система за съхранение на електрическа енергия с втечняване на въздух, съгласно изобретението.Fig. 1 is a block diagram of a cryogenic electrical energy storage system with air liquefaction according to the invention.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLE OF IMPLEMENTATION

В паротурбинните инсталации^ работещи в ЯЕЦ се реализира регенеративен термодинамичен цикъл па Ренкин с работно тяло вода и водна пара. Водната пара произведена от парогенератора 24 и имаща високо налягане и температура се насочва към парната турбина 25. Парната турбина задвижва електрическия генератор 26. Парата след турбината постъпва в кондензатора 27, където се охлажда и втечнява. След това, така получената подхранваща вода се насочва към парогенератора 24 е помощта на подхранващата помпа 28. За подобряване па ефективността на термодинамичния цикъл се прилага регенеративно подгряване на подхранващата вода преди нейното постъпване в парогенератора.In the steam turbine installations operating in NPPs, a regenerative thermodynamic cycle is realized by Rankine with working fluid water and steam. The water vapor produced by the steam generator 24 and having a high pressure and temperature is directed to the steam turbine 25. The steam turbine drives the electric generator 26. The steam after the turbine enters the condenser 27, where it is cooled and liquefied. After that, the feed water thus obtained is directed to the steam generator 24 with the help of the feed pump 28. To improve the efficiency of the thermodynamic cycle, regenerative heating of the feed water is applied before it enters the steam generator.

Регенеративното подгряване се извършва с парни потоци, извеждани от проточната част на турбината и движещи се по паропроводите 30, наричани още регенеративни пароотнемания. Подгряването се извършва в последователно разположени топлообменници наречени регенеративни подгреватели 29. Кондензатът, получен след като парата отдаде топлинната си енергия на подхранващата вода, се стича каскадно към първия регенеративен подгревател, където се засмуква от дренажната помпа ЗЕ Под действието на тази помпа кондензата се инжектира в основния тръбопровод, по който се движи подхранваща вода.Regenerative heating is carried out with steam flows removed from the flow part of the turbine and moving along the steam pipes 30, also called regenerative steam withdrawals. The heating is carried out in sequentially located heat exchangers called regenerative heaters 29. The condensate obtained after the steam gives its thermal energy to the feed water flows in a cascade to the first regenerative heater, where it is sucked by the drain pump Э. Under the action of this pump, the condensate is injected into the main pipeline through which the make-up water moves.

Действието на изобретението се пояснява с приложената фигура. Повишаването на ефективността на КССЕ с втечнен въздух се осъществява като една част от общия поток подхранваща вода след подхранващата помпа 28 се насочва към масления подгревател 32, вместо към парните регенеративни подгреватели 29. Подгряването с термо-масло на част от подхранващата вода вместо с пара намалява дебитите на парни потоци извеждани от турбината и движещи се по паропроводите 30. Така неизползваната от регенеративни подгреватели 29 пара/ не напуска турбината, а се разширява в нея по пътя й към кондензатора 27. В резултат на това, в турбината се произвежда повече механична мощност, отколкото ако цялото количество подхранваща вода се пропускаше през регенеративни подгреватели 29. Това води до производство на допълнителна електрическа мощност в ел. генератора 26 на парната турбина. По този начин, с една част от отпадната топлина, отделяна при работа на КССЕ с втечнен въздух се произвежда допълнително количество ел. енергия. Термо-маслото след масления подгревател 32 се охлажда до температура близка до тази на околната среда в масления охладител 10. Тъй като преди да постъпи в масления охладител 10 термо-маслото е отдало голяма част от топлината си в масления подгревател 32, отделянето на отпадна топлина в околната среда е незначително.The operation of the invention is explained with the attached figure. The increase in efficiency of the liquefied air CSCE is achieved as a part of the total feed water flow after the feed pump 28 is directed to the oil heater 32 instead of the steam regenerative heaters 29. The thermal oil heating of a part of the feed water instead of steam reduces the flow rates of steam flows taken out of the turbine and moving along the steam pipes 30. Thus, the steam not used by regenerative heaters 29 does not leave the turbine, but expands in it on its way to the condenser 27. As a result, more mechanical power is produced in the turbine , than if the entire amount of feed water was passed through regenerative heaters 29. This results in the production of additional electrical power in the electrical generator 26 of the steam turbine. In this way, an additional amount of electrical energy is produced with a part of the waste heat released during operation of the CSCE with liquefied air. The thermal oil after the oil heater 32 is cooled to near ambient temperature in the oil cooler 10. Since the thermal oil has given up much of its heat in the oil heater 32 before entering the oil cooler 10, the waste heat release in the environment is insignificant.

При самостоятелна работа на КССЕ с втечнен въздух за цикъл състоящ се от 9 часа зареждане и 3 часа разреждане произведената електроенергия е 304 000 kWh. Използването на отпадна топлина от КССЕ с втечнен въздух за подгряване на част от подхранващата вода на паротурбинната инсталация дава възможност с нея да се произведе допълнително 49 000 kWh, в резултат на което ефективността на енергийното съхранение се повишава до 55.3%.In the independent operation of CSCE with liquefied air for a cycle consisting of 9 hours of charging and 3 hours of discharge, the produced electricity is 304,000 kWh. The use of waste heat from the CSCE with liquefied air to preheat part of the feed water of the steam turbine plant makes it possible to produce an additional 49,000 kWh with it, as a result of which the energy storage efficiency increases to 55.3%.

ПРИЛОЖЕНИЯ (ИЗПОЛВАНЕ) НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОAPPLICATIONS (USE) OF THE INVENTION

Изобретението може да бъде промишлено използвано по два начина:The invention can be industrially used in two ways:

А) за присъединяване на криогенна батерия към ново-проектиран и респ. новоизграждан ядрен енергиен блок.A) to connect a cryogenic battery to a newly designed and resp. newly built nuclear power unit.

В този случай е необходимо към технологичната схема на паротурбинната инсталация да се добави съоръжението осигурява!цо топлообмена между термомаслото и подхранващата вода (топлообменника 32 на фиг. 1). Освен това, трябва да се предвиди известно (макар и минимално) увеличаване на производствения капацитет на следните съоръжения: цилиндър ниско налягане на турбината; кондензатора, кондензната помпа, електрическия генератор и трансформатора;In this case, it is necessary to add to the technological scheme of the steam turbine installation the facility providing heat exchange between the thermal oil and the feed water (heat exchanger 32 in Fig. 1). In addition, some (albeit minimal) increase in the production capacity of the following facilities should be anticipated: turbine low pressure cylinder; the condenser, the condensate pump, the electric generator and the transformer;

Б) за присъединяване на криогенна батерия към съществуващ ядрен енергиен блок.B) to connect a cryogenic battery to an existing nuclear power unit.

Съществуващите ядрени блокове като нравило са с инсталирана превишаваща 1 000 000 kW. В този случай е необходимо да се направи проверка, доколко следните съоръжения: цилиндър ниско налягане па турбината, кондензатор, кондензна помпа, електрически генератор и трансформатор, могат да работят надеждно и безопасно с известно претоварване. Ако криогенната батерия е с капацитет като този описан по-горе в частта „ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ“, претоварването ще е средно с 1.7 %, т.е. присъединяването няма да наложи реконструкция на гореописаните съоръжения, тъй като претоварването е минимално и в размер по-малък от този, който обикновено се взима в предвид като резерв при проектирането и изграждането на тези съоръжения.Existing nuclear units typically have an installed capacity exceeding 1,000,000 kW. In this case, it is necessary to check how far the following equipment: low pressure cylinder and turbine, condenser, condensate pump, electric generator and transformer can work reliably and safely with a certain overload. If the cryogenic battery has a capacity like that described above in the "EXAMPLE OF IMPLEMENTATION" part, the overload will be on average 1.7 %, i.e. the accession will not require the reconstruction of the facilities described above, as the overloading is minimal and in an amount smaller than that which is usually taken into account as a reserve in the design and construction of these facilities.

ИЗТОЧНИЦИ:SOURCES:

Е Guizzi, G.L., Manno, М., Tolomei, E.M., Vitali, R.M., 2015. Thermodynamic analysis of a liquid air energy storage system. Energy 93 (2), 1639-1647.E Guizzi, G.L., Manno, M., Tolomei, E.M., Vitali, R.M., 2015. Thermodynamic analysis of a liquid air energy storage system. Energy 93 (2), 1639-1647.

2. Sciacovelli, A., Vecchi, A., Ding, Y., 2017. Liquid air energy storage (LAES) with packed bed cold thermal storage - From component to system level performance through dynamic modelling. Appl. Energy 190, 84-982. Sciacovelli, A., Vecchi, A., Ding, Y., 2017. Liquid air energy storage (LAES) with packed bed cold thermal storage - From component to system level performance through dynamic modeling. Appl. Energy 190, 84-98

Claims

PATENT CLAIMS

1. Cryogenic electrical energy storage system which consists of electric motor, high and low pressure compressors, coolers, high and low temperature tanks, oil, air and water pumps, recuperator, electric generator, air turbines, thermal oil tanks and liquefied air, characterized in that the system also includes a steam generator (24), a steam turbine (25) is an electric generator (26), a condenser (27), a feed pump (28), regenerative heaters (29), regenerative steam extractions (30) ) and a drain pump (31), in which the electric motor (1) driving a low-pressure air compressor (2) and the high-pressure air compressor (4) are located on one shaft line, and the compressed air intercoolers (3) and (5) are connected to an oil pump (6) transferring cooling oil from a low temperature oil storage tank (9) through intercoolers (3) and (5) to a high temperature oil storage tank (7) , the liquefaction section (23) using the cold fluids from the cold storage section (21) is connected to a heat-insulated reservoir (22) for storing liquefied air, forced by a pump (20) into an evaporator (19) and entering a recuperator ( 18) for heating with air exiting the air turbines (12), (14) and (16) driving the electric generator (17), wherein the oil pump (8) carrying heating oil from the oil storage tank (7) high temperature to the low temperature oil storage tank (9) through air heaters (11), (13) and (15) and to a thermo-oil cooler (10) discharging the waste heat to the environment, preceded by an oil a steam turbine plant feed water heater (32) supplied by a feed pump (28) carrying feed water from a condenser (27) to a steam turbine (25) driving an electric generator (26) to a steam generator (24) via regenerative heaters (29) ), using heating steam from regenerative steam extractions (30), the condensate of which is fed into the main pipeline with make-up water from a drain pump (31).