CN104806312A - 温差-涡轮联合循环液氮发电系统 - Google Patents

Abstract

一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统，包括温差发动机、液氮储存罐、发电机，还包括涡轮发动机、动力集成系统。所述的温差发动机的加热器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口和一个出口。工业生产中产生的高温废气经管道通过箱体的入口进入箱体，对箱体内的温差发动机的加热器进行加热，然后再从出口离开箱体，最后通过烟囱排入大气。所述的温差发动机的冷却器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口供液氮进入，至少有一个出口供气化后的氮气离开。本发明可利用废气能量和液化空气发电，为发展液化空气储能发电业务提供了技术支持，可为节能减排、建设可持续发展的绿色工业文明做出贡献。

Description

温差-涡轮联合循环液氮发电系统

技术领域

本发明涉及储能发电的技术领域，也涉及工业废热回收利用的领域，还涉及一种液化空气辅助废热回收装置(参见专利申请号201510014085.3)，同时也涉及一种程控开关式温差发动机(参见专利申请号201410058639.5)、一种多缸式温差发动机(参见专利申请号201410712134.6)、一种转子式温差发动机(参见专利申请号201410679583.5)、一种采用正时系统控制的温差发动机(参见专利申请号201410740508.5)。

背景技术

储能是新能源发展中不可缺少的环节。由于风电、太阳能发电的不稳定性，必须有储能电站与之配合才能保证电力的稳定供应。常见的储能方式有蓄水储能、电池储能、压缩空气储能等等。水库蓄水储能有环境条件要求严酷，符合条件的地点少且偏远的问题；电池储能有使用寿命、电池价格高昂、容量不高等问题；压缩空气储能则有如何寻找可存储大量压缩空气的储存空间的问题。

液化空气储能还没有出现在储能方式的候选名单中，但它确实是一种有显著优点的储能方式。利用低谷电力生产液化空气就是储能的过程，而利用液化空气发电则是储能复电的过程。与其它储能发式相比，液化空气储能有很多优点，在此不深入讨论。

2015年1月28日递交的一项发明专利申请“液化空气辅助储能发电装置” (参见专利申请号201510043220.7)提出了一种将液化空气重新转变为电力的技术方案，该方案以温差发动机为核心，利用储热罐中的热能，和液化空气的低温之间的温差，产生动力输出，进而带动发电机产生电力输出。但该方案中，液化空气进行一次冷却后即排入大气，其中含有的内能未能得到充分利用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统的技术方案。本发明的技术方案是：一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统，包括温差发动机、液氮储存罐、发电机，还包括涡轮发动机、动力合成装置。

所述的温差发动机的加热器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口和一个出口。工业生产中产生的高温废气经管道通过箱体的入口进入箱体，对箱体内的温差发动机的加热器进行加热，然后再从出口离开箱体，最后通过烟囱排入大气。

所述的温差发动机的冷却器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口供液氮进入，至少有一个出口供气化后的氮气离开。在箱体的出口和涡轮发动机之间有管道连接。

由液氮储存罐过来的液氮以液态形式通过入口进入箱体，对温差发动机的冷却器进行冷却，同时吸收温差发动机的热能气化膨胀，膨胀后的气体经出口离开箱体。所述的温差发动机的冷却器同时充当了液氮的蒸发器。

所述的温差发动机的冷却器和液氮储存罐之间设置有节流阀，节流阀用于对液氮的流量进行调节，由温差发动机的ECU控制。温差发动机的ECU可通过对流量的调节实现对输出功率的调节。

所述的涡轮发动机由气化后的高压氮气驱动，将氮气的气压转化为机械转动。

所述的温差发动机通过利用高温废气和液化空气之间的温差产生动力输出，实现对废热的回收利用。

其包含有动力合成装置，温差发动机的动力输出与涡轮发动机的动力输出通过动力合成装置集成后对外输出，可以直接利用其动力，也可以通过带动发电机产生电力输出，以电力的方式加以利用。

所述的涡轮发动机也可用螺杆膨胀动力机代替。

所述的液氮，也可以替换成液氧，或其它在常温常压下呈气体的液化气体。

本发明的有益效果

本发明提出了一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统，该发明提供了一条新的技术路径，可以将液氮转化为电力的过程效率更高。本发明可为液化空气储能发电业务的开展提供更好地技术支持。液化空气储能是一种潜在的储能方式，与其它储能发式相比，液化空气储能有如下优点：1、不需要选址，几乎任何地点都可以建设液化空气储能装置；2、液化空气技术成熟，有大量现成的空分设备生产商，即买即用，方便快捷；3、液化空气储能发电的整个过程不会产生二次污染，是清洁程度最高的一种储能方式；4、生产液化空气的空分设备已经在钢铁和化工企业等领域大量装备，可将这些空分设备直接加以利用，开展储能发电业务；5、液化空气储能建设周期短，见效快，可降低投资风险。本发明提出的技术方案，可促进储能发电业务的发展，进而对发展新能源、保护环境作出贡献，为绿色工业文明的发展提供坚实的基础。

附图说明

图1为该温差-涡轮联合循环液氮发电系统的系统结构示意图；

图中1.涡轮发动机、2.气化后的气体出口、3.发电机、4、动力合成装置、 5.工业废气出口、6.温差发动机的加热器、7.工业废气入口、8.液氮储存罐、9、节流阀、10.温差发动机的冷却器、11.温差发动机缸体。

实施方式

实施例一：参见图1，一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统，包括温差发动机、液氮储存罐、发电机，还包括涡轮发动机、动力合成装置。

所述的温差发动机的加热器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口和一个出口。工业生产中产生的高温废气经管道通过箱体的入口进入箱体，对箱体内的温差发动机的加热器进行加热，然后再从出口离开箱体，最后通过烟囱排入大气。

所述的温差发动机的冷却器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口供液氮进入，至少有一个出口供气化后的氮气离开。在箱体的出口和涡轮发动机之间有管道连接。

由液氮储存罐过来的液氮以液态形式通过入口进入箱体，对温差发动机的冷却器进行冷却，同时吸收温差发动机的热能气化膨胀，膨胀后的气体经出口离开箱体。所述的温差发动机的冷却器同时充当了液氮的蒸发器。

所述的温差发动机的冷却器和液氮储存罐之间设置有节流阀，节流阀用于对液氮的流量进行调节，由温差发动机的ECU控制。温差发动机的ECU可通过对流量的调节实现对输出功率的调节。

所述的涡轮发动机由气化后的高压氮气驱动，将氮气的气压转化为机械转动。

所述的温差发动机通过利用高温废气和液化空气之间的温差产生动力输出，实现对废热的回收利用。

其包含有动力合成装置。温差发动机的动力输出与涡轮发动机的动力输出 通过动力合成装置集成后对外输出，可以直接利用其动力，也可以通过带动发电机产生电力输出，以电力的方式加以利用。

所述的涡轮发动机也可用螺杆膨胀动力机代替。

所述的液氮，也可以替换成液氧，或其它在常温常压下呈气体的液化气体。

本发明采用温差发动机、涡轮发动机联合循环，将液氮重新转化为动力，进而带动发电机产生电力输出。

第一步，温差发动机利用高温废气和液氮之间的温差，产生动力输出。温差发动机可以是程控开关式温差发动机(参见专利申请号201410058639.5)、一种多缸式温差发动机(参见专利申请号201410712134.6)，一种转子式温差发动机(参见专利申请号201410679583.5)，一种采用正时系统控制的温差发动机(参见专利申请号201410740508.5)。这些温差发动机表现形式各异，但其基本工作原理是相同的。本文所使用的温差发动机可以是上述几种形式中的一种或多种混合，也可以是建立上述基本构型之上的其它形式的温差发动机。

在温差发动机对液氮进行一次利用后，液氮将吸收从温差发动机的热端转移到冷端的废气热能从液体变为气体，这些气体将通过管道输送到涡轮发动机，利用气体的气压驱动涡轮发动机转动，产生动力输出，实现对液化气体能量的二次利用。

上述的涡轮发动机也可以替换为螺杆膨胀动力机，视其应用场合而定。如果规模较大，则使用涡轮发动机；如果规模较小，则螺杆膨胀动力机更为合适。

温差发动机的动力输出和涡轮发动机(或螺杆膨胀动力机)的动力输出经过动力合成装置集成后，带动发电机产生电力输出，从而实现把液氮转化为电力的目的。在某些实际应用场合，也可根据具体情况直接利用其动力，省去动力转电力再转动力的多余环节。

所述的动力合成装置是一组齿轮组合，其作用是让涡轮发动机产生的动力 和温差发动机产生的动力进行集成，共同对外输出。

液化空气储存在相应的容器中，与温差发动机通过一个节流阀相连。温差发动机中的ECU对节流阀进行控制，可以根据需要调节液化空气的流量。调节流量会影响到温差发动机的输出功率，因此可以作为一种输出功率调节方法。

该方案所使用的液化空气是液氮，这是一种非常安全的中性气体，为大气的主要组成部分。但如果使用其他气体，比如液氧这样由单一元素组成的的纯净气体，或者是是甲烷之类的化合物，工作原理上并没有本质区别。

本方案可同时实现液化空气储能复电和工业废热发电。可应用于新能源领域中以液化空气为介质的的储能发电业务，也可以应用到工业废热回收领域，两者结合同时应用则效果最为显著。对储能发电来说，利用用电低谷时的电力生产液化空气即为储能过程，而把液化空气转化为电力，则是利用储能复电的过程。本方案将为储能发电业务提供一个新的候选方案，可为新能源的发展做出贡献；同时利用了工业废气的余热，又为节能减排提供了一个候选方案。

Claims (10)

1.一种温差-涡轮联合循环液氮发电系统，包括温差发动机、液氮储存罐、发电机，还包括涡轮发动机、动力合成装置。

2.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的温差发动机的加热器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口和一个出口。工业生产中产生的高温废气经管道通过箱体的入口进入箱体，对箱体内的温差发动机的加热器进行加热，然后再从出口离开箱体，最后通过烟囱排入大气。

3.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的温差发动机的冷却器封闭在一个箱体内，箱体至少有一个入口供液氮进入，至少有一个出口供气化后的氮气离开。在箱体的出口和涡轮发动机之间有管道连接。

4.根据权利要求3所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：由液氮储存罐过来的液氮以液态形式通过入口进入箱体，对温差发动机的冷却器进行冷却，同时吸收温差发动机的热能气化膨胀，膨胀后的气体经出口离开箱体。所述的温差发动机的冷却器同时充当了液氮的蒸发器。

5.根据权利要求3所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的温差发动机的冷却器和液氮储存罐之间设置有节流阀，节流阀用于对液氮的流量进行调节，由温差发动机的ECU控制。温差发动机的ECU可通过对流量的调节实现对输出功率的调节。

6.根据权利要求3所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的涡轮发动机由气化后的高压氮气驱动，将氮气的气压转化为机械转动。

7.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的温差发动机通过利用高温废气和液化空气之间的温差产生动力输出，实现对废热的回收利用。

8.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：其包含有动力合作装置，温差发动机的动力输出与涡轮发动机的动力输出通过动力合成装置集成后对外输出，可以直接利用其动力，也可以通过带动发电机产生电力输出，以电力的方式加以利用。

9.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的涡轮发动机也可用螺杆膨胀动力机代替。

10.根据权利要求1所述的温差-涡轮联合循环液氮发电系统，其特征是：所述的液氮，也可以替换成液氧，或其它在常温常压下呈气体的液化气体。