CN104420996A - 液态空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液态空气储能系统。该液态空气储能系统包括：燃烧室J；空气液化装置A；膨胀机K；液态空气储罐C，其进口通过进口阀门B连接至空气液化装置A的出口，其出口通过出口阀门D、液体泵E和高压空气换热器G连接至燃烧室J；蓄冷/换热装置F，内含蓄冷介质，其第一冷流体进口连接至液化天然气储罐L，其第一冷流体出口通过LNG换热器连接至燃烧室J。本发明将液态空气储能系统与LNG冷能利用耦合在一起，从而实现了LNG冷能的温度对口应用。

Description

液态空气储能系统

技术领域

本发明涉及能量循环利用技术领域，尤其涉及一种液态空气储能系统。

背景技术

传统压缩空气储能系统(CAES)是上世纪50年代发展起来的一种基于燃气轮机技术的能量存储系统。该系统利用低谷电，将空气压缩并储存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动膨胀机发电。目前，德国(Huntorf 60MWh)和美国(McIntosh 110MW，Ohio9×300MW，Texas 4×135MW和Iowa 200MW项目等)等国家建成CAES商业运行电站，日、瑞士、俄、法、意、卢森堡、以色列和韩国等也在积极开发CAES电站。虽然传统CAES系统具有储能容量大、周期长、效率高和单位投资小等诸多优点，但是，传统CAES系统需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废旧矿井等，从而大大限制了传统压缩空气储能系统的推广与应用。

为了解决传统压缩空气储能系统面临的依赖大型储气室问题，近年来国内外学者分别开展了液化空气储能系统的研究，使空气储能系统脱离对大型储气室的依赖。但是，由于将空气液化将消耗大量的能量，导致系统效率有所降低。目前，液化空气储能系统效率只有40％。

LNG是天然气经净化、液化而成的-162℃低温液体混合物，生产LNG耗电约为850kWh/t。当LNG在1标准大气压(0.101325MPa)下气化时，释放出-162℃到5℃的冷量约为230kWh/t。由于LNG的冷量的温度较低，在现有的冷能利用技术中，除空分利用冷能的温度与LNG的匹配外，很少有与LNG温度匹配的冷能利用技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种液态空气储能系统，以利用LNG的冷能，有效降低空气液化过程的能耗。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种液态空气储能系统。该液态空气储能系统包括：燃烧室；空气液化装置；膨胀机；液态空气储罐，其进口连接至空气液化装置的出口，其出口通过液体泵和高压空气换热器连接至燃烧室；以及蓄冷/换热装置，内含蓄冷介质，其第一冷流体进口连接至液化天然气储气罐，其第一冷流体出口通过液化天然气换热器连接至燃烧室；该液态空气储能系统处于两个工作状态其中之一：在储能状态下，空气液化装置利用蓄冷/换热装置内蓄冷介质存储的冷能及电能将气态空气液化，并将其储存至液态空气储罐中；在释能状态下，液化天然气储罐中储存的液态天然气经过蓄冷/换热装置，该蓄冷/换热装置内的蓄冷介质储存该液态天然气释放的冷能，释放冷能后的液态天然气成为气态，经由液化天然气换热器进入燃烧室，液态空气储罐储存的液态空气由液体泵升压后经过高压空气换热器进入燃烧室；进入燃烧室的天然气和高压空气燃烧，驱动膨胀机做功。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明液态空气储能系统充分利用LNG的冷能，为LNG的冷能利用技术开辟一条新途径，并且大幅提高了液化空气储能系统效率，促进空气储能系统的规模发展。

附图说明

图1为本发明实施例液态空气储能系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图；

图3为本发明第三实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图；

图4为本发明第四实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图。

【本发明主要元件符号说明】

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明液态空气储能系统中，空气液化需要-196℃至常温的低温冷量，而LNG可提供-162℃的冷能，通过将液态空气储能系统与LNG冷能利用耦合在一起，从而实现了LNG冷能的温度对口应用。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种液态空气储能系统。请参照图1，该液态空气储能系统包括：燃烧室J；空气液化装置A；膨胀机K；液态空气储罐C，其进口通过进口阀门B连接至空气液化装置A的出口，其出口通过出口阀门D、液体泵E和高压空气换热器G连接至燃烧室J；蓄冷/换热装置F，内含蓄冷介质，其第一冷流体进口连接至液化天然气储罐L，其第一冷流体出口通过LNG换热器连接至燃烧室J。

本实施例液态空气储能系统可以处于两个工作状态：

(1)在储能状态下，空气液化装置A利用蓄冷/换热装置F内蓄冷介质存储的冷能及电能将气态空气液化，并将其通过进口阀门B储存至液态空气储罐C中，即将电能和LNG冷能转化为液态空气的冷能加以储存；

(2)在释能状态下，液态天然气储罐L中储存的液态天然气经过蓄冷/换热装置F，蓄冷/换热装置F内的蓄冷介质储存该液态天然气释放的冷能；释放冷能后的液态天然气成为气态，经由LNG换热器H进入燃烧室J；液态空气储罐C储存的液态空气经过出口阀门，由液体泵E升压后经过高压空气换热器G进入燃烧器J；进入燃烧室J的天然气和高压空气燃烧，驱动膨胀机K做功。

以下分别对本实施例液态空气储能系统各个组成部分进行详细说明：

蓄冷/换热装置F，释能时用于回收升压后LNG的冷能，同时将这些冷能储存；储能时将储存的冷能传递给空气液化装置A用于空气液化。其中，蓄冷/换热装置F中的蓄冷介质为：石子、混泥土、金属、无机盐、纳米材料等本领域通用蓄冷介质。

空气液化装置A，储能时用于利用蓄冷/换热装置F储存的冷能液化空气，其液化空气过程可以为传统液化过程(分为三个压力等级，其中，最高压力等级不超过20atm)、超临界液化过程(指将空气压力压缩至超临界状态，一般为70atm以上)以及其他空气液化过程，而且该过程回收利用蓄冷/换热装置中储存的冷量。此外，该空气液化装置A所用电能为可再生能源电力、电网或发电厂多余的电力，以节约能源。

液态空气储罐C用于储存液态空气。该液态空气储罐与外界绝热或有良好的保温措施，以防止冷量的损失和液态空气的气化。

液体泵E释能时用于提升液态空气的压力，该液体泵能在液态空气的低温下工作。

LNG换热器和高压空气换热器，用于将蓄冷/换热装置中出来的高压空气和LNG通过与大气换热，将其加热至常温。

膨胀机K用于高压工质膨胀做功，该膨胀机可以为单级膨胀机，也可以为多级膨胀机。

燃烧室J用于天然气和高压空气燃烧而提升膨胀机进口工质温度。当膨胀机K为多级时，该燃烧室J出口的高温高压燃气可以进入第一级膨胀机，也可以进入除第一级膨胀机之外的其他级膨胀机。

通过上述说明可知，本实施例液态空气储能系统充分利用了LNG的冷能，能够有效降低空气液化过程的能耗。

至此，本实例液态空气储能系统介绍完毕。

在本发明的第二个示例性实施例中，还提出了另一种液态空气储能系统。该液态空气储能系统与图1所示的液态空气储能系统大体类似，区别仅在于：蓄冷换热装置的连接方式。

图2为本发明第二实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图。请参照图2，本实施例液态空气储能系统中，蓄冷/换热装置F的第二冷流体进口还连接至液体泵E的出口，其第二冷流体出口连接至高压空气换热器G。

本实施例液态空气储能系统的蓄冷/换热装置还可以利用液态空气所蕴含的冷能，具体而言，液态空气通过液体泵升压后，进入蓄冷/换热装置，其中蕴含的冷能储存至蓄冷/换热装置的蓄冷介质，该冷能同样用于在储能阶段空气液化装置A将气态空气液化。释放冷能后的液态空气转换为气态。

本实施例液态空气储能系统对液态空气的冷能进行存储利用，进一步提高了液态空气储能系统的能量利用效率。

在本发明的第三个示例性实施例中，还提出了另一种液态空气储能系统。该液态空气储能系统与图2所示的液态空气储能系统大体类似，区别仅在于：在高压空气换热器G和燃烧室之间还包括回热器I。

图3为本发明第三实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图。请参照图3，本实施例液态空气储能系统中，回热器I的热流体进口连接至膨胀机K的废气排出口，其第一冷流体进口连接至高压空气换热器G的出口，其第一冷流体出口连接至燃烧室J，利用膨胀机K排出废气的热能对高压空气进行加热，以利于其在燃烧室内更好的燃烧。释放热量后的废气由回热器I中排出。

本实施例液态空气储能系统利用膨胀机排出的含有部分热量的废气对高压空气进行加热，进一步提高了液态空气储能系统的能量利用效率。

在本发明的第四个示例性实施例中，还提出了另一种液态空气储能系统。该液态空气储能系统与图3所示的液态空气储能系统大体类似，区别仅在于：由LNG换热器输出的天然气同样经过回热器I进行加热。

图4为本发明第四实施例耦合液态天然气冷能的液态空气储能系统的示意图。请参照图4，本实施例液态空气储能系统中，回热器第二冷流体进口连接至LNG换热器H的出口，其第二冷流体出口连接至燃烧室，利用膨胀机排出废气的热能对空气和天然气同时进行加热，以利于其在燃烧室内更好的燃烧。

本实施例液态空气储能系统利用膨胀机排出的含有部分热量的废气对液态空气和天然气进行加热，进一步提高了液态空气储能系统的能量利用效率。

至此，已经结合附图对本发明四个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明液态空气储能系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)回热器I可以为逆流换热器、顺流换热器，其型式可以为管式、板式或翅片式。(2)膨胀机K可以为轴流式、向心式、活塞式或各种混合式等。

综上所述，本发明将液态空气储能系统与LNG冷能利用耦合在一起，不仅充分利用LNG的冷能，还能有效降低空气液化过程的能耗，是提高液态空气储能系统的效率有效途径，具有高效、环保和经济性好的优点，对空气储能系统的规模化应用具有重要意义，应用前景广阔。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液态空气储能系统，其特征在于，包括：

燃烧室；

空气液化装置；

膨胀机；

液态空气储罐，其进口连接至所述空气液化装置的出口，其出口通过液体泵和高压空气换热器连接至燃烧室；以及

蓄冷/换热装置，内含蓄冷介质，其第一冷流体进口连接至液化天然气储气罐，其第一冷流体出口通过液化天然气换热器连接至燃烧室；

该液态空气储能系统处于两个工作状态其中之一：在储能状态下，所述空气液化装置利用所述蓄冷/换热装置内蓄冷介质存储的冷能及电能将气态空气液化，并将其储存至所述液态空气储罐中；在释能状态下，所述液化天然气储罐中储存的液态天然气经过所述蓄冷/换热装置，该蓄冷/换热装置内的蓄冷介质储存该液态天然气释放的冷能，释放冷能后的液态天然气成为气态，经由所述液化天然气换热器进入燃烧室，所述液态空气储罐储存的液态空气由所述液体泵升压后经过所述高压空气换热器进入所述燃烧室；进入所述燃烧室的天然气和高压空气燃烧，驱动所述膨胀机做功。

2.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述蓄冷/换热装置的第二冷流体进口还连接至液体泵的出口，其第二冷流体出口连接至高压空气换热器；

所述液态空气通过液体泵升压后，进入蓄冷/换热装置，其中蕴含的冷能储存至蓄冷/换热装置的蓄冷介质，该冷能同样用于在储能阶段空气液化装置将气态空气液化。

3.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，还包括：

回热器，其热流体进口连接至所述膨胀机的废气排出口，其第一冷流体进口连接至所述高压空气换热器的出口，其第一冷流体出口连接至所述燃烧室，用于利用所述膨胀机排出废气的热能对高压空气进行加热。

4.根据权利要求3所述的液态空气储能系统，其特征在于：

所述回热器的第二冷流体进口连接至所述液化天然气换热器的出气口，其第二冷流体出口连接至所述燃烧室，用于利用所述膨胀机排出废气的热能对高压空气和天然气同时进行加热。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述蓄冷/换热装置与所述空气液化装置通过热传导、对流换热或辐射换热方式进行冷能传递。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述蓄冷/换热装置内的蓄冷介质为：石子、混泥土、金属、无机盐、纳米材料等本领域通用的蓄冷材料。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，还包括：

进口阀门，设置于所述空气液化装置和所述液态空气储罐之间；

出口阀门，设置于所述液态空气储罐和液体泵之间。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机为单级膨胀机或多级膨胀机；

当所述膨胀机为多级膨胀机时，所述燃烧室连接至所述多级膨胀机中的第一级膨胀机或除第一级膨胀机之外的其他级膨胀机。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气液化装置在储能状态所用电能为：可再生能源电力、电网或发电厂多余的电力。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气液化装置中液化空气过程为：传统液化过程或超临界液化过程。