CN105927296B - 一种补燃型深冷液态空气储能方法、储能系统和发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种补燃型深冷液态空气储能方法、储能系统和发电系统，所述方法包括以下步骤：步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，并收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；所述步骤2中还包括向经转化得到的所述气态空气中补充高温高压气体，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及深冷液态空气的储能技术领域，具体涉及一种补燃型深冷液态空气储能方法、储能系统和发电系统。
背景技术
深冷液态空气储能技术是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式，液态空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、占地小不依赖于地理条件等优点。储能时，电能将空气压缩、冷却并液化，同时存储该过程中释放的热能，用于释能时加热空气；释能时，液态空气被加压、气化，推动膨胀发电机组发电，同时存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。
但现有的储能系统中还存在以下缺陷：
1、深冷液态空气储能系统的效率较低，现有技术中液态空气气化过程中使用的热能来自于气态空气压缩成液态空气时释放的热能，由于热能在收集、存储和传递的过程中有着较大的损耗，因此使得现有的深冷液态空气储能系统的液态空气气化的转化率较低，不能满足使用需求，现有技术中解决此问题的方式为增加储热换热设备，如大型洞穴式储气室等，这样就大大增加了系统的造价和占地面积，并且大型洞穴式储气室等也容易受到地震等地质灾害的影响。
2、另外受限于热能的传递效率，液态空气气化的气化速率较低，动态响应速度慢，往往不能及时的驱动发电机组进行发电。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中深冷液态空气的储能系统中存在的液态空气气化的转化率较低、气化速率较低、以及动态响应速度慢的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种补燃型深冷液态空气储能方法，包括以下步骤：
步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，并收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；
步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；
所述步骤2中还包括向经转化得到的所述气态空气中补充高温高压气体，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
基于上述步骤，步骤2中向气态空气中补充的所述高温高压气体是经气态、液态或两者相结合的燃料经过燃烧产生。
基于上述步骤，所述气态燃料包括：天然气、石油气、合成气、沼气、煤制气、氢气、一氧化碳、甲烷、可燃碳氢化合物气体等气体单体或一种或几种的混合物
基于上述步骤，所述液态燃料包括：汽油、柴油、煤油、合成油、生物柴油、醇类燃料、可燃碳氢化合物液体等液体单质或几种的混合物。
本发明还提供一种使用液态空气作为工质的储能系统，包括：
能量输入装置，用于为储能系统中输入能量；
第一空气压缩装置，受所述能量输入装置驱动将气态空气进行一级压缩；
空气净化装置，对一级压缩的所述气态空气进行净化；
第二空气压缩装置，受所述能量输入装置驱动对经过一级压缩的所述气态空气进行二级压缩成液态空气，并收集；
热能回收装置，对二级压缩过程中产生的热能进行收集，并在气化过程中将收集的热量输入到气化装置中；
气化装置，对液态空气加压，并接收所述热能回收装置提供的热能，以使液态空气气化；
冷能回收装置，对所述气化装置中液态空气气化过程中产生的冷能进行收集，并能够将收集的冷能输出至第一空气压缩装置中；
膨胀机组，受所述液态空气气化驱动膨胀做功；
还包括补燃装置，所述补燃装置向所述气化装置中输入高温高压气体，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述补燃装置通过燃烧气态、液态或两者相结合的燃料从而产生高温高压气体，以将所述气态、液态或两者相结合的燃料的化学能转化为所述气态空气的焓值。
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述补燃装置还包括预混合装置、点火系统、温控系统以及管路系统，所述预混合系统将不同种燃料进行混合，所述管路系统用于将燃烧产生的烟气输送至所述气化装置中。
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述能量输入装置为电动机，其将电能转化为机械能并带动所述第一空气压缩装置和第二空气压缩装置和液化装置做功；
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述第一空气压缩装置为低压压缩机；
所述第二空气压缩装置和液化装置为高压压缩机。
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述膨胀机组至少为两级膨胀机组，其中每个膨胀机之间的压力值相同或不同。
上述的使用液态空气作为工质的储能系统中，所述热能回收装置和所述气化装置之间通过换热器相连；
所述冷能回收装置和所述第二空气压缩装置和液化装置之间通过换冷器相连。
本发明还提供一种使用液态空气作为工质的发电系统，包括上述的使用液态空气作为工质的储能系统，还包括发电机组，所述发电机组的输入轴与所述膨胀机组的输出轴相连接。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的补燃型深冷液态空气储能方法中，由于液态空气气化的过程中，向液态空气中通入高温高压气体，从而使得液态空气所处环境内的压强和温度提高，将燃料的化学能转化为气态空气的焓值，有利于提高液态空气的气化速率，以及液态空气气化的转化率。当本实施例的补燃型深冷液态空气储能方法应用于发电技术等领域时，则能够显著的提高储能转化效率。
2.本发明提供的补燃型深冷液态空气储能系统中，通过补燃装置的设置，使得液态空气的转化率和转化速率有显著提升，而不需要增加造价昂贵的储热换热设备，显著降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2中的使用液态空气作为工质的储能系统的原理示意图。
附图标记说明：
1-能量输入装置；2-第一空气压缩装置；3-空气净化装置；4-第二空气压缩装置和液化装置；6-气化装置；7-膨胀机组；8-补燃装置；9-冷能回收装置；10-换热器；11-换冷器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种补燃型深冷液态空气储能方法，包括以下步骤：
步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，并收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；
步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；
所述步骤2中还包括向经转化得到的所述气态空气中补充高温高压气体，具体地所述高温高压气体是经气态、液态或两者相结合的燃料经过燃烧产生，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
其中，所述气态燃料包括：天然气、石油气、合成气、煤制气、沼气、氢气、一氧化碳、甲烷、可燃碳氢化合物气体等气体单体或一种或几种的混合物；所述液态燃料包括：
汽油、柴油、煤油、合成油、生物柴油、醇类燃料、可燃碳氢化合物液体等液体单质或几种的混合物。
上述实施方式为本实施例的核心技术方案，由于液态空气气化的过程中，向液态空气中通入高温高压气体，从而使得液态空气所处环境内的压强和温度提高，将燃料的化学能转化为气态空气的焓值，有利于提高液态空气的气化速率，以及液态空气气化的转化率。当本实施例的补燃型深冷液态空气储能方法应用于发电技术等领域时，则能够显著的提高储能转化效率。
实施例2
本实施例提供一种使用液态空气作为工质的储能系统，以下结合图1对本实施例的储能系统进行详细的说明：
本实施例的使用液态空气作为工质的储能系统中包括：
能量输入装置1，即电动机，其将电能转化为机械能并带动第一空气压缩装置2和第二空气压缩装置做功，其中第一空气压缩装置2为低压压缩机；第二空气压缩装置为高压压缩机。具体地，第一空气压缩装置2对受能量输入装置1驱动将气态空气进行一级压缩，此时经过一级压缩的空气仍为气态，而后被一级压缩后的气体通过空气净化装置3净化后再进行二级压缩，第二空气压缩装置和液化装置4将经过净化后的空气在低温高压的环境下压缩成液态空气，并将液态空气收集，例如收集到储室、罐体等装置中。在二级压缩过程进行的同时，热能回收装置对二级压缩过程中产生的热能进行收集储存。能量输入装置1即电动机所消耗的机械能，转化为了液态空气的内能，由此完成了能量的储存过程。
能量的释放过程为：
将液态空气输入到气化装置6中，气化装置6能够对液态空气加压，从而促使液态空气发生气化膨胀，于此同时，由于热能回收装置和所述气化装置6之间通过换热器10相连，热能回收装置中收集到的热能也输入到气化装置6中，也能够起到促进液态空气气化的效果。为了进一步提高液态空气气化的转化率，和气化速率，在本实施例中，还包括补燃装置8，补燃装置8向气化装置6中输入高温高压气体，用以增加液态空气所处环境的压强，并且高温高压气体中所携带的热量能够通过热传递的方式传递给气态空气，从而有助于液态空气的气化，并提高所述气态空气的焓值，因此补燃装置8的设置能够提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。在液态空气气化的同时，冷能回收装置9对液态空气气化所产生的冷能进行收集，由于冷能回收装置9和第二空气压缩装置之间通过换冷器11相连，冷能回收装置9中收集到的冷能能够用于储能过程中，第一空气压缩装置2和第二空气压缩装置内。进一步，液态空气气化成气态以后，能够驱动膨胀机组7膨胀做功，从而完成了释能过程。
作为一种优选的实施方式，所述补燃装置8通过燃烧气态天然气、石油气、合成气、煤制气、沼气、氢气、一氧化碳、甲烷、可燃碳氢化合物气体等气体单体或一种或几种的混合物、液态汽油、柴油、煤油、合成油、生物柴油、醇类燃料、可燃碳氢化合物液体等液体单质或几种的混合物或两者相结合的燃料从而产生高温高压气体，以将所述气态、液态或两者相结合的燃料的化学能转化为所述气态空气的焓值。
补燃装置8还包括预混合装置、点火系统、温控系统以及管路系统，所述预混合系统将不同种燃料进行混合，所述管路系统用于将燃烧产生的烟气输送至所述气化装置6中。
膨胀机组7至少为两级膨胀机组，其中每个膨胀机之间的压力值相同或不同，例如所述膨胀机组7可以是两级膨胀机组，其包含低压膨胀机和高压膨胀机；显然其还可以是三级膨胀机组或四级膨胀机组等，在此则不一一赘述。
现有技术中，解决深冷液态空气的储能转化率低、转化速率慢的技术手段往往是：利用压缩机的压缩热进行蓄热存储以提高用于膨胀发电的气体温度；需要增加储热换热设备，增加系统造价，而且由于压缩端对于高品位压缩热的需求造成设备造价提高，因此系统效率的提升成本进一步提高。此外，压缩空气储能系统大型洞穴式储气室等会受到地震等地质灾害的影响。而本实施例中，通过补燃装置8的设置，使得液态空气的转化率和转化速率有显著提升，而不需要增加造价昂贵的储热换热设备，显著降低了成本。
需要说明的是，本实施例中所述的换热器10和换冷器11在特定条件下可以是具备换冷、热的相同设备。
实施例3
本实施例是基于实施例1和实施例2基础上的具体应用，其提供了一种使用液态空气作为工质的发电系统，包括实施例2中所述的使用液态空气作为工质的储能系统，还包括发电机组，发电机组的输入轴与膨胀机组7的输出轴相连接，这样液态空气中所储存的内能能够转化为膨胀机组7做功的动能，进一步驱动发电机组做功，将液态空气中所储存的内能进一步转化为电能，以供给使用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种补燃型深冷液态空气储能方法，包括以下步骤：
步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，并收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；
步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；
其特征在于：
所述步骤2中还包括向经转化得到的所述气态空气中补充高温高压气体，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
2.根据权利要求1所述的补燃型深冷液态空气储能方法，其特征在于：
步骤2中向气态空气中补充的所述高温高压气体是经气态、液态或两者相结合的燃料经过燃烧产生。
3.根据权利要求2所述的补燃型深冷液态空气储能方法，其特征在于：
所述气态燃料包括：天然气、石油气、合成气、煤制气、单质气态烃类中的一种或其几种的混合气。
4.根据权利要求2或3所述的补燃型深冷液态空气储能方法，其特征在于：
所述液态燃料包括：汽柴油、煤油或煤制油。
5.一种补燃型深冷液态空气储能系统，使用权利要求1-4中任一项所述的补燃型深冷液态空气储能方法，其包括：
能量输入装置(1)，用于为储能系统中输入能量；
第一空气压缩装置(2)，受所述能量输入装置(1)驱动将气态空气进行一级压缩；
空气净化装置(3)，对一级压缩的所述气态空气进行净化；
第二空气压缩装置，受所述能量输入装置(1)驱动对经过一级压缩的所述气态空气进行二级压缩成液态空气，并收集；
热能回收装置，对二级压缩过程中产生的热能进行收集，并在气化过程中将收集的热量输入到气化装置(6)中；气化装置(6)，对液态空气加压，并接收所述热能回收装置提供的热能，以使液态空气气化；
冷能回收装置(9)，对所述气化装置(6)中液态空气气化过程中产生的冷能进行收集，并能够将收集的冷能输出至第一空气压缩装置(2)中；
膨胀机组(7)，受所述液态空气气化驱动膨胀做功；
还包括补燃装置(8)，所述补燃装置(8)向所述气化装置(6)中输入高温高压气体，以提高所述气态空气的焓值，从而提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。
6.根据权利要求5所述的补燃型深冷液态空气储能系统，其特征在于：
所述补燃装置(8)通过燃烧气态、液态或两者相结合的燃料从而产生高温高压气体，以将所述气态、液态或两者相结合的燃料的化学能转化为所述气态空气的焓值。
7.根据权利要求6所述的补燃型深冷液态空气储能系统，其特征在于：
所述补燃装置(8)还包括预混合装置、点火系统、温控系统以及管路系统，所述预混合装置将不同种燃料进行混合，所述管路系统用于将燃烧产生的烟气输送至所述气化装置(6)中。
8.根据权利要求5所述的补燃型深冷液态空气储能系统，其特征在于：
所述能量输入装置(1)为电动机，其将电能转化为机械能并带动所述第一空气压缩装置(2)和第二空气压缩装置和液化装置(4)做功；
所述第一空气压缩装置(2)为低压压缩机；
所述第二空气压缩装置和液化装置(4)为高压压缩机。
9.根据权利要求5所述的补燃型深冷液态空气储能系统，其特征在于：
所述膨胀机组(7)至少为两级膨胀机组，其中每个膨胀机之间的压力值相同或不同。
10.根据权利要求8所述的补燃型深冷液态空气储能系统，其特征在于：
所述热能回收装置和所述气化装置(6)之间通过换热器(10)相连；
所述冷能回收装置(9)和所述第二空气压缩装置和液化装置(4)之间通过换冷器(11)相连。
11.一种补燃型深冷液态空气储能的发电系统，其特征在于，包括权利要求5-10中任一项所述的补燃型深冷液态空气储能系统，还包括发电机组，所述发电机组的输入轴与所述膨胀机组(7)的输出轴相连接。
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