CN105569753B - 一种利用caes过程余热的有机朗肯循环发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，可有效利用绝热压缩空气膨胀机排气冷能和压缩机剩余压缩热能，该装置包括排气冷能回收器、有机工质泵、有机工质凝汽器、有机工质膨胀机、剩余压缩热能回收器、水泵以及连接管道等部件组成。所述装置运行时刻为绝热压缩空气储能的释能膨胀阶段。所述排气冷能回收器用以回收压缩空气膨胀机的排气冷能，所述剩余压缩热能回收器用以回收水罐中的剩余压缩热，所述有机朗肯循环发电装置用以将回收的热能、冷能转化为电能，提高储能系统往返效率、同时免去了给冷水罐降温的冷水循环。

Description

一种利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置
技术领域
本发明属能量储存、节能技术领域，特别涉及一种利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，该有机朗肯循环发电装置同时利用绝热压缩空气膨胀机排气冷能和压缩机剩余压缩热能，可以实现电能的高效存储和利用。在传统的绝热压缩空气储能的基础上，本技术通过热能、冷能的回收提高了系统的储能往返效率以及免去了给冷水罐降温的冷水循环、减少废热水的排放。
背景技术
压缩空气储能系统(CAES)能够实现大容量和长时间电能储存，绝热压缩空气储能是一种不依赖燃料的先进储能系统。在运行过程中会产生大量压缩热，这部分压缩热由于换热器传热温差的限制，不能够完全传递给释能过程的压缩空气，所以会导致储热系统中的储热介质温度上升。这会对系统运行效率产生不利影响，解决方法通常是引入额外的冷却装置，但这会导致系统复杂程度的增加和热能的浪费。同时，由于有限换热温差导致的热量品位的降低，导致释能过程时膨胀机出口空气温度低于大气温度，这会导致一部分冷能的浪费。有机朗肯循环是一种能够利用低温热源将热能转换为机械能的热力循环，尤其是采用非共沸混合工质的有机朗肯循环适合热源冷源温差较小时的运行工况。因此，将绝热压缩空气储能系统中的剩余压缩热(指在释能过程中，水罐中的热量传递给压缩空气之后所剩余的热量)和绝热压缩空气储能系统中空气膨胀机的排气冷能回收利用，再通过有机朗肯循环对外做功、输出电能就成为了一项有前景的技术。
发明内容
针对现有绝热压缩空气储能系统(CAES)，释能过程时膨胀机出口空气温度低于大气温度从而导致部分冷能浪费，以及储能过程所产生大量压缩热，由于换热器传热温差的限制不能够完全传递给释能过程的压缩空气，从而导致储热系统中的储热介质温度上升等对系统运行效率产生不利影响，本发明的目的是利用有机朗肯循环在绝热压缩空气储能系统(CAES)的释能膨胀阶段回收储能系统中的剩余压缩热和排气冷能，通过热能、冷能的回收提高了系统的储能往返效率以及免去了给冷水罐降温的冷水循环、减少废热水的排放，从而实现电能的高效存储和利用。
本发明为实现其技术目的所采取的技术方案为：
一种利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，与现有绝热压缩空气储能系统(CAES)配合使用，所述绝热压缩空气储能系统包括压缩空气储罐、空气压缩机和绝热压缩空气膨胀机，所述有机朗肯循环发电装置在运行时可有效利用所述绝热压缩空气膨胀机的排气冷能和所述空气压缩机剩余压缩热，其特征在于：
--所述绝热压缩空气储能系统中，所述空气压缩机产生的高压压缩空气储存在所述压缩空气储罐中，所述空气压缩机运行过程中所产生的压缩热部分存储在一热水罐中；所述压缩空气储罐的出气口通过气体管线经过一换热器的冷侧后与所述绝热压缩空气膨胀机的进气口连通；
--所述有机朗肯循环发电装置包括排气冷能回收器、有机工质泵、有机工质凝汽器、有机工质膨胀机、剩余压缩热能回收器和水泵，其中，
所述排气冷能回收器设置于所述绝热压缩空气储能系统的绝热压缩空气膨胀机后端，所述排气冷能回收器的进气口与所述绝热压缩空气膨胀机的排气管线连通，所述排气冷能回收器的排气口与大气连通，所述排气冷能回收器的顶部设进水口，底部设排水口；所述排气冷能回收器底部的排水口通过管线依次经所述水泵、有机工质凝汽器的冷侧后与所述排气冷能回收器顶部的进水口连通；
所述有机工质膨胀机的排气口通过管线依次经所述有机工质凝汽器的热侧、有机工质泵、剩余压缩热能回收器的冷侧后与所述有机工质膨胀机的进气口连通；
所述绝热压缩空气储能系统的热水罐出口通过管线依次经所述换热器的热侧、剩余压缩热能回收器的热侧后与一冷水罐进口连通。
优选地，所述排气冷能回收器为喷雾式混合换热器，其进气口设置在所述排气冷能回收器的底部，其排气口设置在顶部，其进水口为设置在所述排气冷能回收器顶部的喷嘴，循环水通过顶部设置的喷嘴进入所述排气冷能回收器。
优选地，所述绝热压缩空气膨胀机的排气温度低于室温，所述排气冷能回收器顶部进水温度不低于室温，所述剩余压缩热能回收器热侧出口水温为室温。
优选地，所述有机朗肯循环发电装置中所使用的有机工质为非共沸混合工质。进一步地，所述非共沸混合工质为由R245fa和R134a组成的混合工质。
优选地，所述压缩空气储罐的出气口处、和/或所述热水罐出口处设置有控制阀门。
优选地，所述绝热压缩空气膨胀机、和/或所述有机工质膨胀机与发电装置机械连接。
本发明的利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，其基本结构为：①在传统的绝热压缩空气储能系统的绝热空气膨胀机后端增加排气冷能回收器，该回收器为喷雾式混合换热器，将空气的冷能热传导至水，此部分冷水进入有机工质凝汽器，用于作为有机朗肯循环的冷源；②在传统的绝热压缩空气储能系统释能过程的冷水罐入口之前，增加剩余压缩热能回收器，用以回收无法传给压缩空气的低品位热能；③剩余压缩热能回收器，有机工质凝汽器，有机工质泵和有机工质膨胀，以及非共沸混合工质共同构成了有机朗肯循环发电系统。
同现有技术相比，本发明的利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置其有益效果：①使用排气冷能回收器，能将传统的绝热压缩空气储能系统排气的冷能传递给水，水再作为有机朗肯循环的冷源，冷能得以回收；②排气冷能回收器采取的是喷雾式混合换热器，做到气侧出口无端差，最大程度减少换热器火用损失；③使用剩余压缩热能回收器，该回收器有两点益处，一是回收在传统的绝热压缩空气储能中不能传给压缩空气的剩余的压缩热，二是由于已将水温降低至室温，可以省去给冷水罐降温的冷却水循环；④使用有机朗肯循环，将回收的热能、冷能转化为电能；⑤选取此热源冷源条件下的有机混合物作为有机朗肯循环的工质，此混合工质与热源冷源都有较高的匹配度，可以减少换热过程的火用损失。
附图说明
图1为释能膨胀阶段的绝热压缩空气储能系统示意图，其中虚线围住部分是该发明提出的利用绝热压缩空气膨胀机排气冷能和压缩机剩余压缩热的有机朗肯循环发电装置；
图2为排气冷能回收器示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，详细描述利用绝热压缩空气膨胀机排气冷能和压缩机剩余压缩热的有机朗肯循环发电装置的运行流程。需要说明的是，以下仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
针对现有绝热压缩空气储能系统(CAES)，释能过程时膨胀机出口空气温度低于大气温度从而导致部分冷能浪费，以及储能过程所产生大量压缩热，由于换热器传热温差的限制不能够完全传递给释能过程的压缩空气，从而导致储热系统中的储热介质温度上升等对系统运行效率产生不利影响，本发明的目的是利用有机朗肯循环在绝热压缩空气储能系统(CAES)的释能膨胀阶段回收储能系统中的剩余压缩热和排气冷能，通过热能、冷能的回收提高了系统的储能往返效率以及免去了给冷水罐降温的冷水循环、减少废热水的排放，从而实现电能的高效存储和利用。
如图1所示，本发明的利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，与现有传统的绝热压缩空气储能系统配合使用，绝热压缩空气储能系统包括压缩空气储罐9、空气压缩机(图中未示出)和绝热压缩空气膨胀机11，有机朗肯循环发电装置在运行时可有效利用绝热压缩空气膨胀机的排气冷能和空气压缩机剩余压缩热。有机朗肯循环发电装置由排气冷能回收器1，有机工质泵2，有机工质凝汽器3，有机工质膨胀机4，剩余压缩热能回收器5，水泵6以及连接管道等部件组成。
绝热压缩空气储能系统中，空气压缩机产生的高压压缩空气储存在压缩空气储罐9中，空气压缩机运行过程中所产生的压缩热部分存储在热水罐8中；压缩空气储罐9的出气口通过气体管线经过一换热器10的冷侧后与绝热压缩空气膨胀机11的进气口连通；
--有机朗肯循环发电装置包括排气冷能回收器1、有机工质泵2、有机工质凝汽器3、有机工质膨胀机4、剩余压缩热能回收器5和水泵6.
如图1、2所示，排气冷能回收器1设置于绝热压缩空气储能系统的绝热压缩空气膨胀机11后端，排气冷能回收器1的进气口与绝热压缩空气膨胀机11的排气管线连通，排气冷能回收器1的排气口与大气连通，排气冷能回收器1的顶部设进水口，底部设排水口；排气冷能回收器1底部的排水口通过管线依次经水泵6、有机工质凝汽器3的冷侧后与排气冷能回收器1顶部的进水口连通。排气冷能回收器1为喷雾式混合换热器，其进气口设置在排气冷能回收器1的底部，其排气口设置在顶部，其进水口为设置在排气冷能回收器顶部的喷嘴，循环水通过顶部设置的喷嘴进入排气冷能回收器。
有机工质膨胀机4的排气口通过管线依次经有机工质凝汽器3的热侧、有机工质泵2、剩余压缩热能回收器5的冷侧后与有机工质膨胀机4的进气口连通。
绝热压缩空气储能系统的热水罐8出口通过管线依次经换热器10的热侧、剩余压缩热能回收器5的热侧后与一冷水罐7进口连通。
优选地，绝热压缩空气膨胀机的排气温度低于室温，排气冷能回收器顶部进水温度不低于室温，剩余压缩热能回收器热侧出口水温为室温。
有机朗肯循环发电装置中所使用的有机工质为非共沸混合工质，非共沸混合工质为由R245fa和R134a组成的混合工质。
在实际运行中，压缩空气储罐的出气口处、热水罐出口处均可设置控制阀门。绝热压缩空气膨胀机11、有机工质膨胀机4与发电装置机械连接。
本发明的工作原理为：在电力波峰期，系统运行于释能膨胀阶段。在传统的绝热压缩空气储能系统中，含有低温冷能的空气被直接排到大气中；但是在本发明系统中，含有冷能的空气进入排气冷能回收器1。排气冷能回收器，如图2所示，采用的是喷雾式混合式热交换器。冷空气从其底部的空气口进入到其内部，水从其顶部以小液滴的方式进入此换热器，二者在换热器中接触，进行热交换。冷空气温度升高到室温后从顶部的排气口排到大气中；水的温度降低后进入水泵6，再进入有机朗肯循环的凝汽器3，如图1所示，经过凝汽器之后温度升高的水再进入此喷雾式混合热交换器1，完成循环。同时，热水罐8中的热水经过换热器将部分压缩热能传递给压缩空气，再经过剩余压缩热能回收器5，将剩余压缩热能传递给有机朗肯循环的工质，之后进入冷水罐。有机朗肯循环的工质R245fa/R134a在剩余压缩热能回收器5中吸热蒸发，再进入有机工质膨胀机4,对外做功，与其共轴的发电机组将输出电能；做完功的乏气进入有机工质凝汽器3，被冷却凝结后进入有机工质泵2升压，再进入剩余压缩热能回收器5完成循环。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种利用CAES过程余热的有机朗肯循环发电装置，与现有绝热压缩空气储能系统配合使用，所述绝热压缩空气储能系统包括压缩空气储罐、空气压缩机和绝热压缩空气膨胀机，所述有机朗肯循环发电装置在运行时可有效利用所述绝热压缩空气膨胀机的排气冷能和所述空气压缩机剩余压缩热，其特征在于：
--所述绝热压缩空气储能系统中，所述空气压缩机产生的高压压缩空气储存在所述压缩空气储罐中，所述空气压缩机运行过程中所产生的压缩热部分存储在一热水罐中；所述压缩空气储罐的出气口通过气体管线经过一换热器的冷侧后与所述绝热压缩空气膨胀机的进气口连通；
--所述有机朗肯循环发电装置包括排气冷能回收器、有机工质泵、有机工质凝汽器、有机工质膨胀机、剩余压缩热能回收器和水泵，其中，
所述排气冷能回收器设置于所述绝热压缩空气储能系统的绝热压缩空气膨胀机后端，所述绝热压缩空气膨胀机的排气温度低于室温，所述排气冷能回收器为喷雾式混合换热器，其底部的进气口与所述绝热压缩空气膨胀机的排气管线连通，所述排气冷能回收器顶部的排气口与大气连通，所述排气冷能回收器的顶部设进水口，底部设排水口，所述排气冷能回收器顶部进水温度不低于室温，冷空气温度升高到室温后从所述排气冷能回收器排气口排到大气中；所述排气冷能回收器底部的排水口通过管线依次经所述水泵、有机工质凝汽器的冷侧后与所述排气冷能回收器顶部的进水口连通；
所述有机工质膨胀机的排气口通过管线依次经所述有机工质凝汽器的热侧、有机工质泵、剩余压缩热能回收器的冷侧后与所述有机工质膨胀机的进气口连通；
所述绝热压缩空气储能系统的热水罐出口通过管线依次经所述换热器的热侧、剩余压缩热能回收器的热侧后与一冷水罐进口连通，所述热水罐中的热水经过换热器将部分压缩热能传递给压缩空气，再经过剩余压缩热能回收器，将剩余压缩热能传递给有机朗肯循环的工质，之后进入冷水罐，所述剩余压缩热能回收器热侧出口水温为室温，设置在所述冷水罐进口之前的所述剩余压缩热能回收器，用以回收无法传给压缩空气的低品位热能；
所述绝热压缩空气膨胀机、有机工质膨胀机与发电装置机械连接。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于：所述喷雾式混合换热器，其进气口设置在所述排气冷能回收器的底部，其排气口设置在顶部，其进水口为设置在所述排气冷能回收器顶部的喷嘴，循环水通过顶部设置的喷嘴进入所述排气冷能回收器。
3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于：所述有机朗肯循环发电装置中所使用的有机工质为非共沸混合工质。
4.根据权利要求3所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于：所述非共沸混合工质为由R245fa和R134a组成的混合工质。
5.根据权利要求1至4任一项所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于：所述压缩空气储罐的出气口处、和/或所述热水罐出口处设置有控制阀门。
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