CN104234761A - 用于给水预热的能量存储器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于存储热能的能量存储器设备，该能量存储器设备带有包括压缩机、蓄热器和膨胀透平的充能循环，其中压缩机在出口侧与膨胀透平的入口通过用于第一工作气体的第一管道连接，且蓄热器连接在第二管道内，且其中第一管道与第一热交换器连接，借助该第一热交换器将第一管道和第二管道在热技术上耦连，且其中该能量存储器设备此外包括释能循环，该释能循环包括提供有蒸汽生成器的水-蒸汽循环，该水-蒸汽循环具有至少一个在水沿所述水-蒸汽循环中的流动方向前接于蒸汽生成器的给水预热器，且其中在充能循环和释能循环之间通过给水预热器实现了热技术上的耦连，尤其是仅通过给水预热器就实现所述热技术上的耦连。

Description

用于给水预热的能量存储器设备
技术领域
本发明涉及带有充能和释能循环的用于存储热能的能量存储器设备，所述能量存储器设备适合于预热水-蒸汽循环中的给水。此类能量存储器设备优选地整合在发电厂中。
背景技术
由于在电流分配网络中日益增加的来自可再生能源的电能的供给，能够在时间上将电能进行中间存储的必要性增加。在此，目的是在过供给时可从电流分配网络获取电能，且对于随后时间的使用可使得电流分配网络再次使用此电能，以因此稳定电流分配网络。
在技术文献中所采取的方法是将可供使用的电能转化为热能，且将此热能在时间上中间存储。在重新需求附加的电能时，可将因此而中间存储的热能通过逆向发电方法又转换为电能。
此类技术解决方法建议例如在PCT/EP2012/072450中描述，所述文献建议将蓄热器与压缩机以及膨胀透平在热技术上连接，以在压缩机运行时将其处出现的压缩热引入到且存储在蓄热器内。蓄热器在此附加地与水-蒸汽循环连接，使得存在于蓄热器内的能量可提供为用于水-蒸汽循环内的蒸汽制备。蓄热器也可用于将导入到水-蒸汽循环内的蒸汽进行中间加热。
但从现有技术解决方案中已知的此技术的缺点是，存在于蓄热器内的温度可能在通常情况中对于发电厂技术运行状态中在水-蒸汽循环内准备蒸汽不足够高。蓄热器通过绝热热过程(工质在压缩机内的压缩)被提供以存储器热。在此出现的压缩温度典型地基本上不超过300℃。但在此温度水平的蒸汽制备要求从蓄热器到水-蒸汽循环中的传热的很高的传热率。但因此用于蒸汽制备的有效的传热因此可能不足，因为导入到水-蒸汽循环内的水量很大。换言之，在仅300℃的温度水平下，传到水-蒸汽循环的热不足以以充足的热能来简单制备蒸汽。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，避免现有技术中已知的缺点。尤其推荐一种能量存储器设备，所述能量存储器设备允许将中间存储在蓄热器内的热能有效地供发电厂技术的蒸发过程使用。此外，从蓄热器到此水-蒸汽循环内的水的传热能以技术上有利的传热率实现。此外，技术解决方案考虑到通过简单的改造措施也可在传统的发电厂中实现这种热提供。
本发明所基于的技术问题通过一种用于存储热能的能量存储器设备解决，所述能量存储器设备带有包括压缩机、蓄热器和膨胀透平的充能循环，其中压缩机在出口侧与膨胀透平的入口通过用于第一工作气体的第一管道连接，且蓄热器连接在第二管道内，且其中第一管道与第一热交换器连接，第一管道和第二管道借助该第一热交换器在热技术上耦连，且其中能量存储器设备此外包括释能循环，所述释能循环包括提供有蒸汽生成器的水-蒸汽循环，所述水-蒸汽循环具有至少一个沿水在水-蒸汽循环的流动方向前接于蒸汽生成器的给水预热器，且其中在充能循环和释能循环之间通过给水预热器实现了在热技术上的耦连，尤其是仅通过给水预热器实现所述热技术上的耦连。
根据本发明的充能循环在此可设计为开放的以及封闭的。
本发明的构思规定，来自蓄热器的热通过释能循环的给水预热器输入到水-蒸汽循环。热能的利用因此用于水-蒸汽循环内的水的热调理，或用于将此给水在水通向蒸汽生成器之前预热，其中可向水提供足够的热以用于蒸汽生成。蒸汽生成器在此保证向水-蒸汽循环内的水的足够高的传热率，使得可在足够高的温度下且以足够高的热能来产生水蒸汽。通过借助于给水预热器从蓄热器传热来进行的热调理因此仅用于水的预热，但不产生可在用于发电的蒸发过程中使用的水蒸汽。在此，水准备可在如下温度水平下实现，即所述温度水平一方面允许从蓄热器的有利的传热，但另一方面不是用于蒸汽生成的唯一的能量源。因此，能以有利的方式从蓄热器向水-蒸汽循环中的给水提供热能，但其中在通过蒸汽生成器产生蒸汽时可保证过程安全性和过程稳定性。蒸汽生成器在此可例如是燃烧化石燃料的锅炉或例如耦合的燃气和蒸汽发电设备的合适的废热蒸汽生成器。
在此应注意到，给水预热器优选地构造为热交换器或多个单独的热交换器。
根据本发明的第一实施形式规定，将给水预热器设计为也与低温蒸汽管道在热技术上耦连的热交换器，所述低温蒸汽管道尤其是从与水-蒸汽循环连接的蒸汽透平的低压蒸汽部分发出。作为低压蒸汽透平(低压蒸汽部分)的排出管道的低温蒸汽管道可典型地具有例如150℃的温度水平的水。因此，两个热源(蓄热器和低压蒸汽部分)的按照实施例的组合适合于向水-蒸汽循环内的水传热，以向例如最高150℃的温度水平提供热能。
根据本发明的另外的实施形式规定，给水预热器设计为也与中温蒸汽管道在热技术上耦连的热交换器，所述中温蒸汽管道尤其是从与水-蒸汽循环连接的蒸汽透平的中压蒸汽部分发出。作为中压蒸汽透平(中压蒸汽部分)的排出管道的中温蒸汽管道在此可典型地具有例如最高230℃的温度水平。此实施形式也允许来自蒸发过程的热以及从蓄热器获取的热的在热技术上的耦连。
根据本发明的另外的实施形式规定，给水预热器设计为也与高温蒸汽管道在热技术上耦连的热交换器，所述高温蒸汽管道尤其是从与水-蒸汽循环连接的蒸汽透平的高压蒸汽部分发出。作为高压蒸汽透平(高压蒸汽部分)的排出管道的中温蒸汽管道在此可典型地具有最高直至350℃的温度水平。通过给水预热器的高温蒸汽管道和蓄热器的此耦连也允许来自两个不同的热源的能量有效的热利用。
在此应再次注意的是给水预热器优选地设计为热交换器或多个单独的热交换器。在此，此蓄热器与(将蒸汽且因此将热从水-蒸汽循环导出的)蒸汽管道的在热技术上的耦连尤其是适合于给水预热方面的热调理。根据在蓄热器内中间存储的热能的温度水平，因此可将类似温度水平的不同热源相互有效地组合，以保证向给水的有利的总传热。
应考虑到在热长时间地中间存储在蓄热器内之后，可能由于热损失而发生温度下降。但即使在降低的温度水平下，也总是可以实现在可比较的温度水平下的不同热源的有效的热脱耦或组合，以用于给水预热。如果例如蓄热器开始时被完全充能且具有大约300℃的温度水平，则此热可有效地与借助对此适用的给水预热器来自高温蒸汽管道的热组合，且将此热传输到水-蒸汽循环内的给水。但如果由于较长时间的存储阶段使得蓄热器内的温度水平下降到例如150℃，则向给水的传热此外可通过例如将热与低温蒸汽管道的热相组合且传输到给水而有效地进行。
根据本发明的有利的实施形式规定，给水预热器包括至少两个、尤其正好两个热交换器，所述热交换器分别与蒸汽管道在热技术上连接且能够传输在不同的温度水平上的热。尤其是，此蒸汽管道根据以上描述设计为低温蒸汽管道、中温蒸汽管道或高温蒸汽管道。由于多个给水预热器的组合，可使从蓄热器到水-蒸汽循环中的给水的传热在热学上是灵活的。尤其是，以此也可考虑到在热的中间存储过程中可能改变的蓄热器的温度水平。
根据本发明的另外的有利的实施形式规定，压缩机和膨胀透平布置在共同的轴上。但替代地压缩机和膨胀透平也可相互机械脱耦地布置。
此外可以考虑的是，压缩机和膨胀透平通过用于第一工作气体的基本上封闭的管道回路连接，所述管道回路包括第一管道。此封闭的管道回路例如包括将通过压缩机压缩的工作气体传送到膨胀透平的第一管道以及将膨胀的工作气体又返回到压缩机的返回管道。根据特殊的实施形式，第一管道和返回管道可通过另外的第二热交换器相互耦连，使得例如未存储在蓄热器内的热能还可至少部分地传输到引入到压缩机内的工作气体。基本上封闭的管道回路实现了使用尤其不是空气的但实现了特别经济的热力学状态改变的工作气体。
根据本发明的另外的有利的实施形式规定，第一管道包括电驱动的加热设备。通过此加热设备，可将电能引入到第一管道内以用于合适的热调理。因此，可例如在提供过多电流时，电驱动的加热设备提供附加的热能，所述热能例如可中间存储在蓄热器内。电驱动的加热设备也可保证引入到膨胀透平内的工作气体具有足够高的温度水平，因此在膨胀透平内或后的卸压过程期间不必担心冷损坏。
替代地或也补充地，可在充能循环中在蓄热器前上游连接附加电加热器。此附加加热实现了提供附加的热能，所述热能可在蓄热器内中间存储。当例如在过多电流供给时从公用分配网络中可获取和利用电能时，这种提供尤其是能量有利的。
根据本发明的另外的优选实施形式规定，存储器包含多孔的存储介质，所述存储介质包括沙、砾石、石、混凝土、水、盐和/或热油。基本上，适合于蓄热器的因此是每个对于敏感的且潜在的蓄热器合适的材料。也可考虑将蓄热器设计为热化学存储器。
根据另外的特别优选的实施形式规定，在释能循环中此外连接可借助来自水-蒸汽循环的蒸汽驱动的蒸汽透平设备。此蒸汽透平设备保证了热能的回流用于提供电能，且此蒸汽透平设备处在大量已安装的发电设备中。因此，可通过简单的结构技术改变而改装已存在的发电设备，以也可使得来自蓄热器的热适合于给水的热调理。
附图说明
在下文中根据附图详细解释本发明。在此应注意到附图仅示意性地阐述，但在本发明的可实施性方面不能产生任何限制。
在此应注意到在附图中所示的技术部件仅自身且在每个相互组合中被要求保护，只要通过组合可实现作为本发明基础的技术问题的解决方案。
此外，应注意到在附图中提供以相同的附图标号的部件具有相同的作用。
在附图中：
图1示出了根据本发明的能量存储器设备1的第一实施形式的示意性连接图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于存储热能的能量存储器设备1的实施形式。能量存储器设备1具有充能循环2以及释能循环30。充能循环2包括与马达M通过机械轴耦连的压缩机4。此外，充能循环2具有膨胀透平6，所述膨胀透平6与用于产生电能的发电机G机械耦连。压缩机4和膨胀透平6通过用于第一工作气体3的第一管道7相互流体技术连接。在第一管道7内此外连接了第一热交换器20，所述第一热交换器20实现了从第一管道7到蓄热器5的传热。在此，第一热交换器20在初级侧与第一管道7连接且在次级侧与第二管道8连接。
现在，如果在正常运行中压缩机4通过马达M驱动，则吸入到压缩机4内的第一工作气体3被压缩，以此在工作气体3的绝热压缩中传输热能。可在例如最高300℃至350℃的温度下提供的此热能可通过第一热交换器20传输到第二管道8内的未进一步提供以附图标号的第二工作气体。第二工作气体在此可与第一工作气体3相同。由于第二工作气体在第二管道8内的循环，将热能不断传输到蓄热器5内且在其处寄存。
在第一工作气体3在第一蓄热器20的区域内的换热作用之后，第一工作气体被导向第一管道7内的膨胀透平6。在此，第一工作气体3可通过电加热设备9在进入到膨胀透平6内之前再次被热调理。在第一工作气体3在膨胀透平6内卸压时，气体卸压至更低的压力水平上。以在此释放的被转化为动能的动态压力能量可驱动膨胀透平6，且因此借助发电机G产生电能。
第一工作气体3在从膨胀透平6排出之后在开放式循环的情况中被输入到环境中，或在实现了封闭式循环的情况中又再次通过返回管道11被引导到压缩机4。在封闭式管道引导的情况中，因此例如在返回管道11内引导的第一工作气体3可又通过第二热交换器25被热调理，这允许来自第一工作气体3的热在传热到第一热交换器20内之后且尚在提供到膨胀透平6之前被获取，以将所述热传输到返回引导的、尚在提供到压缩机4之前的第一工作气体3。第二热交换器25在初级侧连接在第一管道7内且在次级侧连接在返回管道11内。
释能循环30具有水-蒸汽循环40，所述水-蒸汽循环40与蒸汽透平60连接。蒸汽透平60具有三个不同的蒸汽部分，所述蒸汽部分根据水-蒸汽循环40内的水蒸汽的温度和压力水平而不同。因此，蒸汽透平60根据实施形式提供了低压蒸汽部分61(低压蒸汽透平)、中压蒸汽部分62(中压蒸汽透平)以及高压蒸汽部分63(高压蒸汽透平)。为制备蒸汽，释能循环30具有蒸汽生成器41，例如燃烧化石燃料的蒸汽生成器(化石燃料燃烧室或废热蒸汽生成器)。此外，释能循环30在此蒸汽生成器41的流动上游具有两个给水预热器42，所述给水预热器42通过第二管道8与蓄热器5在热技术上连接。同时，给水预热器42也与蒸汽透平60的单独的蒸汽部分的蒸汽管道热技术连接。因此，例如第一个布置在冷凝器70后的给水预热器42与蒸汽透平60的低压蒸汽部分61通过低温蒸汽管道51连接。低温蒸汽管道51允许将来自低压蒸汽部分61的排出蒸汽输入给水预热器42。在此给水预热器42的流动下游布置了另外的在此未提供以附图标号的预热器。此预热器仅与来自蒸汽透平60的中压蒸汽部分62的中温蒸汽管道52连接。在此给水预热器的流动下游进一步布置了第二给水预热器42，所述第二给水预热器42同时以高温蒸汽管道53与蒸汽透平60的高压蒸汽部分63连接。
在从蓄热器5获取热时，现在可将第二工作气体引导到第二管道8内而使得所述第二工作气体首先从蓄热器5获取热，且然后将此热导向两个给水预热器42。给水预热器42实现了从第二管道8内的第二工作气体到水-蒸汽循环40内的给水的传热。根据所存在的温度水平，给水预热器42也可从蒸汽管道51和53获取热能。在此，因此来自蓄热器5的热与在水-蒸汽循环40内的预先确定的位置上获取的热组合在一起。
根据实施形式，从冷凝器70获取的水具有例如20℃的温度水平。如果在蓄热器5内布置的存储介质自身具有例如300℃的温度水平，则可例如通过第一给水预热器42在冷凝器70后的流动下游预先给定150℃的温度水平。给水在通过未提供以附图标号的预热器被再次预热之后被加热到200℃的温度水平。此外，跟随在其流动下游的给水预热器42实现了例如到例如300℃的温度水平的热调理。在给水的所述热调理步骤之后，给水被提供到蒸汽生成器41内用于另外的热的蒸汽制备。然后，通过蒸汽透平60通过使用处在水-蒸汽循环40内的蒸汽可完成返回流动过程。

Claims (12)

1.一种用于存储热能的能量存储器设备(1)，所述能量存储器设备(1)带有包括压缩机(4)、蓄热器(5)和膨胀透平(6)的充能循环(2)，其中压缩机(4)在出口侧与膨胀透平(6)的入口通过用于第一工作气体(3)的第一管道(7)连接，且蓄热器(5)连接在第二管道(8)内，且其中第一管道(7)与第一热交换器(20)连接，第一管道(7)和第二管道(8)借助该第一热交换器在热技术上耦连，且其中能量存储器设备此外包括释能循环(30)，所述释能循环(30)包括提供有蒸汽生成器(40)的水-蒸汽循环(40)，所述水-蒸汽循环(40)具有至少一个沿水在所述水-蒸汽循环(40)中的流动方向前接于蒸汽生成器(41)的给水预热器(42)，且其中在充能循环(2)和释能循环(30)之间通过给水预热器(42)实现了热技术上的耦连，尤其是仅通过给水预热器(42)就实现了所述热技术上的耦连。
2.根据权利要求1所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，给水预热器(42)设计为也与低温蒸汽管道(51)在热技术上耦连的热交换器，所述低温蒸汽管道(51)尤其是从与水-蒸汽循环(40)连接的蒸汽透平(60)的低压蒸汽部分(61)发出。
3.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，给水预热器(42)设计为也与中温蒸汽管道(52)在热技术上耦连的热交换器，所述中温蒸汽管道(52)尤其是从与水-蒸汽循环(40)连接的蒸汽透平(60)的中压蒸汽部分(62)发出。
4.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，给水预热器(42)设计为也与高温蒸汽管道(53)在热技术上耦连的热交换器，所述高温蒸汽管道(53)尤其是从与水-蒸汽循环(40)连接的蒸汽透平(60)的高压蒸汽部分(63)发出。
5.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，给水预热器(42)包括至少两个、尤其正好两个热交换器，所述热交换器分别与能够传输在不同的温度水平上的热的蒸汽管道在热技术上连接。
6.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，压缩机(4)和膨胀透平(6)布置在共同的轴(14)上。
7.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，压缩机(4)和膨胀透平(6)相互机械脱耦地布置。
8.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，压缩机(4)和膨胀透平(6)通过用于第一工作气体(3)的包括第一管道(7)的基本上封闭的管道回路(10)连接。
9.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，第一管道(7)包括电驱动的加热设备。
10.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，在充能循环(2)内在蓄热器(5)流动上游连接了附加电加热器。
11.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，蓄热器(5)包含多孔的存储介质，所述存储介质包括沙、砾石、石、混凝土、水、盐和/或热油。
12.根据前述权利要求中一项所述的能量存储器设备(1)，其特征在于，在释能循环(30)内此外连接了能借助来自水-蒸汽循环(40)的蒸汽驱动的蒸汽透平设备(43)。
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