CN102459847A - 在用于通过空气绝热压缩蓄能的装置中使用的回热器的温度控制 - Google Patents

在用于通过空气绝热压缩蓄能的装置中使用的回热器的温度控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调节在用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置(10)中使用的回热器(ST1，ST2)的温度的方法。该回热器经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级和接下来的膨胀级。在两个连续的循环之间，该方法包括冷却位于底部分配箱(24)附近的回热器的耐火材料层(26)的底部隔室(26a)，以便使离开回热器的空气的温度达到与在压缩级期间要求的温度范围相兼容的温度。本发明还提供这样一种回热器。

Description

在用于通过空气绝热压缩蓄能的装置中使用的回热器的温度控制
技术领域
本发明涉及通过压缩空气来大量蓄能的一般领域。本发明更具体地涉及在用于通过空气绝热压缩来蓄能的装置中使用的回热器/交流换热器/热再生器的温度控制。
背景技术
通过压缩空气来蓄能包括蓄存压缩空气以便后续用作机械能量源。典型地，用于这种蓄能的装置经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级和膨胀级，在压缩级空气被压缩至高压并蓄存在蓄存腔室中，在膨胀级通过压缩空气膨胀经过驱动交流发电机的空气涡轮机来发电。
通过压缩空气来蓄能的原理利用所谓的“非高峰”时段——在此期间电费费率较便宜——与所谓的“高峰”时段——在此期间费率较昂贵——之间的电价差。在非高峰时段以较低成本有利地执行耗能压缩级，而在高峰时段执行发电膨胀级以便当费率更有利时供应电力至输电网络。
存在各类用于通过压缩空气来蓄能的装置。一些此类装置称为“非绝热的”，因为它们不回收在压缩级期间由于压缩空气而产生的热量。结果，它们提供了相对低的电效率(低于50％)。它们还有污染，因为它们排放燃烧化石燃料产生的CO2排放物，而燃烧化石燃料对于在膨胀级中被吸入空气涡轮机之前预热空气来说是必须的。此类非绝热装置因此无法满足欧洲共同体对要求实现提供高效率并且环境友好的能量装置的能量、经济和环境性能的新要求。
为了减轻这些缺点，已提出通过空气的绝热压缩来蓄能(称为先进的绝热压缩空气蓄能(AA-CAES))的装置。这种装置提供了回收在高温操作的可逆蓄热中的压缩产生的热量。为此，该装置的回热器形成部首先用于回收和蓄存通过压缩产生的热能——在空气被蓄存在腔室中之前——其次将该热能恢复到膨胀空气流以便在它被供给至空气涡轮机之前加热它。因此，借助于回热器使得此类装置能够在无CO2排放物的情况下操作并且使它们的电效率能够上升到70％以上。
在此类装置中，回热器的特别之处在于交替经历沿一个方向然后沿另一方向流动的同一股空气流：在压缩级通过回热器并产生热能的压缩空气流，与在膨胀级通过回热器以便被加热的空气流相同，其中膨胀级与压缩级交替发生。在这种条件下，(压缩级中的)回热器的出口处的空气温度受处于空气在膨胀级中的空气的进入温度影响。遗憾的是，如果回热器未经有效地调节，则在压缩过程中在回热器出口处的空气温度将在装置的一系列操作循环后逐渐升高，因为在膨胀级期间从回热器提取的能量尽管通过壁损失也不会补偿在压缩级期间蓄存的热量。这种温度滞后是无法接受的，因为不能允许在通向蓄存容器(storage capacity)的入口处高于临界阈值(约50℃)的空气温度。超过该阈值则要求立即停止装置的操作，否则会导致蓄存容器中的有机层快速老化(由于过度加热它)，或者甚至导致其设计中采用的钢材变形(由于超过塑性变形极限而丧失机械强度)。此外，回热器的持续和不可逆的过热使得不可能对其出口温度执行任何类型的控制。
因此，在用于通过空气的绝热压缩来大量蓄能的装置中使用的回热器必须执行两项热功能。首先，它必须能够在良好的热力学可逆条件下蓄存基本上所有通过压缩机产生的热量。其次，它必须能够将空气的出口温度控制成在较窄的范围内(在压缩级和膨胀级)，以便确保设备(例如压缩机、空气涡轮机和蓄存腔室)继续运行并保持完好。
发明内容
因此，本发明的主要目的是通过提供一种调节回热器的方法来减轻此类缺点，该方法使得能够在数量大的操作循环上有效地执行上述两种热功能。
此目的通过一种调节在用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置中使用的回热器的温度的方法实现，该回热器包括用于蓄存可感热的耐火材料层，该层竖直布置在顶部分配箱与底部分配箱之间，该回热器经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级，在此期间热空气流经由其顶部分配箱渗透到回热器中并且直接通过耐火材料层以便在产生其热能之后经由底部分配箱离开，接着是膨胀级，在此期间冷空气流经由其底部分配箱渗透到回热器中并且直接通过耐火材料层以便在回收其热能之后经由顶部分配箱离开，该方法的特征在于，该方法包括在两个连续的操作循环之间对位于底部分配箱附近的耐火材料层的底部隔室的冷却，以便使其达到与在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度。
本发明可供用于在冷却级结束时并在后续的压缩级之前冷却回热器的端部(即，用于冷却耐火材料位于底部分配箱附近的部分)，以便使耐火材料的温度变成与对在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围兼容的温度。结果，能够避免回热器的任何温度偏离，并且因此能在大量的操作循环上保证蓄能装置的热力平衡，而不需要冷却耐火材料层的整体。
此外，在两个连续的循环之间冷却回热器的端部的事实将需要去除的热量限制为不超过温度轮廓在一个循环上的扩展(spread)。相比之下，已发现借助布置在回热器出口处的独立装置(例如热交换器)冷却将要求去除较大热量并且将要求较大体积的耐火材料以便蓄存相同的热量。因此，与该方案相比，本发明可减小调节回热器所需的热量，从而提高回热器的热效率。
耐火材料层的底部隔室可通过以与在压缩级期间离开回热器的空气的要求的温度范围相兼容的温度喷射液体来进行冷却。该实施例的优点在于所用的水还用于清洗回热器的该隔室。
或者，通过以与在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度喷射空气流来冷却耐火材料层的底部隔室。
本发明还提供一种用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置的回热器，该回热器包括用于蓄存可感热的耐火材料层，该层竖直布置在用于在压缩级期间接收热空气流的顶部分配箱与用于在膨胀级期间接收冷空气流的底部分配箱之间，该回热器的特征在于，它还包括冷却装置，该冷却装置用于冷却位于底部分配箱附近的耐火材料层的底部隔室，以便使其达到与对在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度。
该回热器可包括用于冷却耐火材料层的底部隔室的液体冷却回路。在此类情况下，该液体冷却回路可包括竖直布置在耐火材料层的底部隔室上方的一排液体喷射器、布置成与回热器的底部分配箱平齐以便回收喷射的液体的罐、泵、以及用于冷却来自所述罐的液体的热交换器。
或者，该回热器可包括用于冷却耐火材料层的底部隔室的气体冷却回路。在此类情况下，该气体冷却回路可包括空气管道，该空气管道的端部在耐火材料层的底部隔室的任一侧上开口到回热器中回热器，该气体冷却回路还包括风扇和用于冷却从耐火材料层的底部隔室下方取得的空气流的热交换器。
此外，耐火材料层的底部隔室可从底部分配箱竖直向上延伸至与耐火材料层的总高度的约10％相对应的高度。
本发明还提供一种用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置，该装置包括至少一个压缩机、连接到该压缩机的压缩空气蓄存腔室和连接到该蓄存腔室的至少一个空气涡轮机，该装置的特征在于，它包括至少一个连接到蓄存腔室、压缩机和空气涡轮机的如上所述的回热器。
附图说明
本发明的其它特征和优点从以下参考附图的描述显现，附图示出了不具有限制特征的实施方案。在附图中：
图1是用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置的概略视图，该装置装配有回热器；
图2示出了本发明一个实施例中的回热器；
图3示出了本发明另一实施例中的回热器；和
图4A至4C示出了本发明的回热器在不同级期间的温度轮廓。
具体实施方式
图1是根据本发明用于通过空气的绝热压缩来大量蓄能(即几十亿瓦(GW)热量)的装置10的高度概略视图。
本发明10包括一个或多个压缩级(图1中示出两个，对应于中压压缩级和高压压缩级)，以及一个或多个膨胀级(图1中同样示出两个)。
各压缩级包括由各自的电动机M1或M2驱动的轴向或径向型压缩机(即中压压缩机K1和高压压缩机K2)，电动机由输电网络RTE供电。类似地，各膨胀级包括空气涡轮机T1、T2，该空气涡轮机T1、T2连接到交流发电机A1、A2以便向输电网络RTE送电。
装置10还具有加衬挖掘腔室(洞穴)SM，通过压缩机K1和K2压缩的空气在高压力下蓄存在其中。众所周知，还称为加衬石洞(LRC)的加衬挖掘腔室是由在密实岩石12中掘出的洞穴构成，且其壁设置有适合以防漏方式承受高压的衬层14。这种腔室可以由盐矿洞穴、隔离的地下水面、以及天然或人工洞穴来替代构成，且其特别适合以完全防漏方式蓄存高压空气。
本发明的装置10还包括用于每个压缩/膨胀级的回热器(即中压回热器ST1和高压回热器ST2)。更精确地说，中压回热器ST1介于中压压缩机K1的出口与高压压缩机K2的入口之间。它还连接到空气涡轮机T1的出口和空气涡轮机T2的入口。高压回热器ST2介于高压压缩机K2的出口与用于供给挖掘腔室SM的供给管道16之间。它还连接到空气涡轮机T1的入口。回热器ST1和ST2也被嵌埋于在岩石12中掘出的洞穴中。下面描述它们的结构。
用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置100的操作可以从以上描述以显而易见的方式理解。该装置经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级(优选在非高峰时段执行以便存电)，接着是膨胀级(优选在高峰时段执行)。
在压缩级期间，空气顺循以下路径(图1中的粗线)：空气被中压压缩机K1压缩至第一压力水平(例如在约570℃的温度下约34bar绝对值)。然后，该压缩空气直接通过中压回热器ST1，压缩热以可感形式蓄存在该中压回热器ST1中。一旦冷却，压缩空气就被注入高压压缩机K2的入口，在这里压缩空气被进一步压缩。在其出口处，空气被压缩至高压(例如，在350℃的温度下约150bar绝对值)并且它直接经过高压回热器ST2以便释放其以可感形式蓄存的热能。然后，经高压压缩的空气流经供给管道16被低温(在5℃至60℃的范围内)蓄存在腔室SM中。
在接下来的膨胀级中，空气顺循以下路径(图1中的细线)：在腔室SM中经高压压缩的空气被重新注入高压回热器ST2，沿着反向路径到达压缩级。因此，压缩空气直接通过该高压回热器ST2，该压缩空气在此回收其蓄存于该高压回热器ST2中的热能。在离开高压回热器ST2之后，以这种方式被加热的压缩空气被注入空气涡轮机T1的入口，以便通过交流发电机A1产生供给至输电网络RTE的电力。然后，压缩空气在空气涡轮机T1的出口处被输送到中压回热器ST1，压缩空气直接通过该中压回热器以便回收其热能。然后，以这种方式被加热的空气被供给至空气涡轮机T2，空气涡轮机T2同样产生注入输电网络RTE的电力(经由交流发电机A1)。
参考图2和3，接下来描述蓄能装置的回热器ST1和ST2的结构。
每个回热器ST1、ST2包括竖直布置于在岩石12中掘出的洞穴中的大致筒形外壳20。在其顶端处，该外壳具有在压缩级期间接收热压缩空气流的顶部分配箱22，并且该外壳在其底端处具有在膨胀级期间接收冷膨胀空气流的底部分配箱24。该外壳还充填有用于蓄存可感热的耐火材料层26，该层布置在分配箱22和24之间，该层可以布置在多个隔室中。该层26可以例如由形成流动通道的一叠瓷砖构成。当然可设想耐火材料层的其它示例(石棉、耐火混凝土等)。
在该装置的操作循环期间，回热器ST1、ST2承受特别的应力。可以理解的是，如上所述的操作循环意味着在闭合回路中操作(空气的质量在压缩级与膨胀级之间是恒定的)使得难以实现热力学平衡。
在该装置的连续操作循环上，这种热力学平衡不能实现的事实引起回热器温度的偏离，从而产生在压缩级期间空气在出口处的温度逐渐升高的后果。
为了避免这种温度偏离，本发明规定在两个连续的操作循环期间冷却(在冷却级期间)每个回热器ST1或ST2中的耐火材料层的底部隔室(或部分)26a以便保证热力学平衡并且在压缩级期间将回热器的出口保持在要求的空气温度范围内(底部隔室26a是紧邻回热器的底部分配箱24定位的层部分)。
为此，在图2的实施例中，每个回热器ST1、ST2包括用于冷却耐火材料层的底部隔室26a的液体冷却回路(例如利用水)。
该水冷却回路具体包括竖直布置在耐火材料层的底部隔室26a上方的注水器带30(该底部隔室26a与蓄存来自压缩器的热能的耐火材料层的所谓“活性”层的剩余部分竖直分离)。布置在回热器ST1、ST2的底部分配箱24的出口处的罐32用于回收已冷却耐火材料的底部隔室26a的水。该水冷却回路还包括在冷却级期间启动的泵34以及用于冷却来自罐32的水的热交换器36。更精确地说，热交换器36连接到实现空气冷却器(aero-cooler)的外部回路或冷却水源(例如湖或水库)。
热交换器36经调节以便将耐火材料的底部隔室26a冷却至要求温度。该温度必须与对在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围兼容。举例而言，它略低于在压缩级期间的平均空气出口温度。
图3示出了可实现回热器ST1和ST2中的耐火材料的底部隔室26a的冷却的另一种方式。在该实施方案中，每个回热器包括用于冷却耐火材料的底部隔室26a的气体回路(例如利用空气)。
该空气冷却回路具体包括空气管道40，该空气管道40具有在耐火材料层的底部隔室26a的任一侧上开口到回热器ST1、ST2中的端部，还包括在冷却级期间启动的空气循环风扇42和用于冷却从底部分配箱24的出口取得的空气流的热交换器44。
热交换器44经调节以获得将耐火材料的底部隔室26a至要求温度的冷却。该温度必须与对在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围相兼容。
应该观察到，冷却级(通过喷射液体或通过用气体冷却)的持续时间与要消散的热量相关，与水或空气的流速相关，而且还与所述水或空气的进入温度相关。
不论使用何种冷却技术，被冷却的耐火材料层的底部隔室26a的尺寸取决于许多参数。举例而言，它可以从回热器ST1、ST2的底部分配箱24竖直向上延伸到与耐火材料层26的总高度的约10％相对应的高度。
参考图4A至4C，接下来描述冷却级对回热器的温度轮廓的影响。
图4A至4C是标示了直接通过本发明的回热器的空气流的温度T的曲线(在其顶部分配箱EC和底部分析EF之间)。这些曲线通过在蓄能装置的一定数量的操作循环之后获得，并且基于回热器的一维动态模型。
在空气压缩级(图4A)期间，通过回热器(从顶部分配箱EC至底部分配箱EF)的空气流的温度界面T1朝回热器的底部分配箱EF移动(相对于代表回热器内侧的耐火材料的温度的轮廓TMR)。应该观察到的是，温度界面的这种移动并非整体发生，而是附加于热传递延迟和纵向热扩散引起的变形。
在接下来的空气膨胀级(图4B)期间，通过回热器(从底部分配箱EF至顶部分配箱EC)的空气流的温度界面T2回到其初始位置。不过，由于上述变形，该轮廓已变得较宽，使得回热器的底部分配箱EF的温度水平不会回到其初始值。
最后，膨胀级之后的冷却级(图4C)使得回热器中的耐火材料的底部隔室的温度能够回到其期望值(与该部分相对应的温度轮廓在图4C中表示在点P与EF之间)。
因此，在蓄能装置的两个连续操作循环之间冷却耐火材料的底部隔室的事实限制了为了在单个循环上扩展温度界面而去除的热量(需要去除以获得回热器的热力学可逆的操作的过剩热量)。此外，从图4A至4C中的这些曲线可以看出，借助布置在回热器的出口处的独立的装置(例如热交换器)来冷却将要求去除数量大很多的热量。由于待去除的热量较小，因此如本发明所提出的冷却提供了更高的总体热力学效率。

Claims (11)

1.一种调节在用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置(10)中使用的回热器(ST1，ST2)的温度的方法，所述回热器包括用于蓄存可感热的耐火材料层(26)，所述层竖直布置在顶部分配箱(22)与底部分配箱(24)之间，所述回热器经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级，在此期间热空气流经由该回热器的顶部分配箱渗透到所述回热器中并且直接通过所述耐火材料层以便在产生其热能之后经由所述底部分配箱离开，接着是膨胀级，在此期间冷空气流经由该回热器的底部分配箱渗透到所述回热器中并且直接通过所述耐火材料层以便在回收其热能之后经由所述顶部分配箱离开，所述方法的特征在于，所述方法在两个连续的操作循环之间包括冷却位于所述底部分配箱(24)附近的所述耐火材料层(26)的底部隔室(26a)，以便使其达到与在所述压缩级期间离开所述回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以与在所述压缩级期间离开所述回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度喷射液体来冷却所述耐火材料层(26)的所述底部隔室(26a)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以与在所述压缩级期间离开所述回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度喷射空气流来冷却所述耐火材料层(26)的所述底部隔室(26a)。
4.一种用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置(10)的回热器(ST1，ST2)，所述回热器包括用于蓄存可感热的耐火材料层(26)，所述层竖直布置在顶部分配箱(22)与底部分配箱(24)之间，所述顶部分配箱(22)用于在压缩级期间接收热空气流，所述底部分配箱(24)用于在膨胀级期间接收冷却空气流，所述回热器的特征在于，它还包括冷却装置(30；40)，所述冷却装置用于冷却位于所述底部分配箱附近的所述耐火材料层的底部隔室(26a)，以便使其达到与在所述压缩级期间离开所述回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度。
5.根据权利要求4所述的回热器，其特征在于，所述回热器包括用于冷却所述耐火材料层的所述底部隔室(26a)的液体冷却回路。
6.根据权利要求5所述的回热器，其特征在于，所述液体冷却回路包括竖直布置在所述耐火材料层的所述底部隔室(26a)上方的液体注射器带(30)、布置成与所述回热器的所述底部分配箱(24)平齐以便回收注入的液体的罐(32)、泵(34)、以及用于冷却来自所述罐的液体的热交换器(36)。
7.根据权利要求4所述的回热器，其特征在于，所述回热器包括用于冷却所述耐火材料层的所述底部隔室(26a)的气体冷却回路。
8.根据权利要求7所述的回热器，其特征在于，所述气体冷却回路包括空气管道(40)，该空气管道(40)的端部在所述耐火材料层的所述底部隔室(26a)的任一侧上开口进入所述回热器中，该气体冷却回路还包括风扇(42)和用于冷却从所述耐火材料层的所述底部隔室下方取得的空气流的热交换器(44)。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的回热器，其特征在于，所述耐火材料层的所述底部隔室(26a)从所述底部分配箱(24)竖直向上延伸到与所述耐火材料层(26)的总高度的约10％相对应的高度。
10.一种用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置(10)，所述装置包括至少一个空气压缩机(K1，K2)、连接到所述压缩机的压缩空气蓄存腔室(SM)、以及连接到所述蓄存腔室的至少一个空气涡轮机(T1，T2)，所述装置的特征在于，它包括至少一个连接到所述蓄存腔室、所述压缩机和所述空气涡轮机的根据权利要求4至9中任一项所述的回热器(ST1，ST2)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置包括连接到中压和高压压缩机(K1，K2)的中压回热器(ST1)以及连接到所述高压压缩机(K2)、所述空气涡轮机(T1)中的一个空气涡轮机和所述蓄存腔室(SM)的高压回热器(ST2)。
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