CN107489469A - 一种低温液态空气储能系统 - Google Patents

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杨鲁伟
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Abstract

本发明公开了一种低温液态空气储能系统，该储能系统包括：低温压缩装置，与LNG储冷装置、液态空气膨胀机和液态空气储槽相连；液态空气膨胀机；液态空气储槽；LNG储冷装置；ORC低温发电装置；以及空气膨胀发电装置。与现有技术相比，本发明能够显著提升系统蓄冷效率，降低提升系统成本，极大地简化蓄冷流程，提升系统经济性和实用性。

Description

一种低温液态空气储能系统
技术领域
本发明属于能量循环利用技术领域，尤其涉及一种低温液态空气储能系统。
背景技术
能源的大规模存储，是能源电力体系发展的核心技术之一，是促进构建可再生能源优先、多元能源结构互联互补的新一代清洁能源系统的重要举措，其将弥补现有能源电力体系中缺失的储放功能，达到优化电力资源配置、提高电能质量、促进可再生能源利用的目的。我国近年来十分重视储能技术的发展，发改委公布的“十三五”规划纲要中，明确提出发展储能与分布式能源，并将之作为百大工程项目之一。
目前发展和应用的大规模储能技术主要有抽水储能、电池储能和压缩空气储能。抽水储能技术效率高，设备技术成熟，但蓄水池选址问题阻碍了其大范围推广应用。电池储能由于其全寿命周期成本高，生产及后续处理存在环境污染等问题，制约了其大规模使用。压缩空气储能借用传统压缩和膨胀技术，有一定的发展优势，但“电动压缩—高压储存—膨胀发电”的技术路线对高压大容积的储存条件要求苛刻。
液态空气储能技术在传统压缩空气储能的基础上，对压缩空气进行降温液化，将“高压储存”变化为“低压低温液态储存”。为充分利用液态空气复温过程中释放的冷量，并用于空气液化过程，实现空气高效液化，液态空气储能系统需要配备蓄冷系统，并且对蓄冷过程提出很高要求。已有的蓄冷方式主要有固相介质蓄冷和液相介质蓄冷。固相介质蓄冷由于其静置过程中不可避免的轴向漏冷，导致其蓄冷效率偏低。液相介质蓄冷的蓄冷流程较为复杂，而且需要大量的液相蓄冷工质，增加了系统成本。
有鉴于此，确有必要提供一种可以解决现有技术中蓄冷结构复杂、蓄冷效率低下的低温液态空气储能系统。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种蓄冷结构简单、效率较高的低温液态空气储能系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种低温液态空气储能系统，所述储能系统包括：
低温压缩装置，与LNG储冷装置、液态空气膨胀机和液态空气储槽相连，用于接收环境空气、低温LNG和经所述液态空气储槽反流的气态空气，压缩所述环境空气，并通过所述低温LNG和所述反流的气态空气冷却所述环境空气；
液态空气膨胀机，与所述低温压缩装置和所述液态空气储槽相连，用于对环境空气进行膨胀液化，并使膨胀液化的环境空气进入所述液态空气储槽；
液态空气储槽，用于存储液态空气，将形成的气态空气反流进入所述低温压缩装置，将所述液态空气经高压压缩后进入所述LNG储冷装置和所述ORC低温发电装置进行升温，并进入所述空气膨胀发电装置；
LNG储冷装置，用于供应LNG，升温经所述液态空气储槽进入的液态空气，同时回收液态空气升温过程中释放的冷量；
ORC低温发电装置，与所述LNG储冷装置连接，用于回收冷量并输出电能；
以及空气膨胀发电装置，用于膨胀进入的空气，并输出电能。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述低温压缩装置与所述液态空气膨胀机、液态空气储槽、LNG储冷装置之间设置空气液化换热器，所述液态空气储槽与所述LNG储冷装置之间设置液态空气增压泵。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述低温空气压缩装置包含多级串联的低温空气压缩机，所述每一级低温空气压缩机入口均连接有低温空气换热器。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述LNG蓄冷装置包括依次连接的LNG供应站、LNG泵、空气复温换热器I和低温LNG储槽，所述低温LNG储槽的出口与所述空气液化换热器相连。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述ORC低温发电装置包括依次连接的ORC工质蒸发器、ORC工质膨胀机组、空气复温换热器II和ORC工质循环泵。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述空气膨胀发电装置包括多级串联的空气膨胀机，所述每一级空气膨胀机入口均连接有膨胀空气再热器。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述低温空气压缩机、所述ORC工质膨胀机和所述空气膨胀机为离心式、活塞式或螺杆式中的一种或多种组合。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述ORC工质膨胀机和所述空气膨胀机入口温度为25～400℃，所述ORC工质再热器和所述膨胀空气再热器热源为太阳能或者工厂废热。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述低温空气压缩装置出口空气压力为2.0Mpa(A)～15.0Mpa(A)。
作为本发明低温液态空气储能系统的改进，所述液态空气储槽中空气存储压力为0.1Mpa(A)～1.0Mpa(A)。
与现有技术相比，本发明提供的一种结合LNG冷能利用和ORC低温发电的液态空气储能系统，在空气液化过程中引入LNG补充冷量，大大提高空气液化效率；在空气复温过程中引入ORC低温发电系统，回收空气复温过程产生的冷量，并对外输出电能，提升系统整体效率。本发明低温液态空气储能系统显著地降低了系统成本，极大地简化了蓄冷流程，提升了系统经济性和实用性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明低温液态空气储能系统及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1为本发明提供的一种实施例中低温液态空气储能系统的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明一种实施例提供了一种低温液态空气储能系统，该储能系统包括：
低温压缩装置10，与LNG储冷装置60、液态空气膨胀机3和液态空气储槽4相连，用于接收环境空气、低温LNG和经液态空气储槽4反流的气态空气，压缩环境空气，并通过低温LNG和反流的气态空气冷却环境空气；
液态空气膨胀机3，与低温压缩装置10和液态空气储槽4相连，用于对环境空气进行膨胀液化，并使膨胀液化的环境空气进入液态空气储槽4；
液态空气储槽4，用于存储液态空气，将形成的气态空气反流进入4低温压缩装置10，将液态空气经高压压缩后进入LNG储冷装置60和ORC低温发电装置70进行升温，并进入空气膨胀发电装置80；
LNG储冷装置60，用于供应LNG，升温经液态空气储槽4进入的液态空气，同时回收液态空气升温过程中释放的冷量；
ORC低温发电装置70，与LNG储冷装置60连接，用于回收冷量并输出电能；
以及空气膨胀发电装置80，用于膨胀进入的空气，并输出电能。
进一步地，低温压缩装置10与液态空气膨胀机3、液态空气储槽4、LNG储冷装置60之间设置空气液化换热器2，液态空气储槽4与LNG储冷装置60之间设置液态空气增压泵5。
其中，LNG是天然气经净化、液化而成的-162℃低温液体混合物；ORC为有机朗肯循环。
低温空气压缩装置10、空气液化换热器2、液态空气膨胀机3和液态空气储槽4依次连接并形成储能通道；液态空气储槽4、液态空气增压泵5、LNG蓄冷装置60、ORC低温发电装置70和空气膨胀发电装置80依次连接形成释能通道。
低温空气压缩装置10包含多级串联的低温空气压缩机11，每一级低温空气压缩机11入口均连接有低温空气换热器12。在本实施例中，低温空气压缩机11和低温空气换热器12均设置为3个，其也可以根据具体实际需要设置为其他数量。
低温空气压缩机11用于对进入的环境空气进行压缩，低温空气换热器12用于对进入的环境空气进行冷却。
在一种实施例中，低温空气压缩单元出口空气压力为2.0Mpa(A)～15.0Mpa(A)，低温空气换热器12的出口温度为-150℃～0℃。
具体地，环境空气的储能过程如下：
环境空气进入低温压缩装置10，即依次进入多台串联的低温空气换热器12和低温空气压缩机11，在低温空气换热器12中实现对环境空气的逆流换热降温，其中热流体为待压缩的环境空气，冷流体为自LNG蓄冷装置60进入的低温LNG。
在低温空气换热器12中降温后，环境空气进入低温空气压缩机11，且在低温空气压缩机11中被压缩，从而形成低温高压的环境空气，并进入空气液化换热器2中进行进一步地冷却降温，其中冷流体为自LNG蓄冷装置60进入的低温LNG。
经过空气液化换热器2降温后，环境空气进入液态空气膨胀机3中进行膨胀液化，并进入液态空气储槽4。
在液态空气储槽4中，形成的气态空气反流进入液化换热器2和低温空气换热器12，与液化换热器2和低温空气换热器12中的环境空气进行换热，即液化换热器2和低温空气换热器12中的冷流体除了自LNG蓄冷装置60进入的低温LNG外，还有自液态空气储槽4中反流进入的气态空气；在液态空气储槽4中，形成的液态空气留在液态空气储槽4中进行存储，在一种实施例中，液态空气储槽4中空气存储压力为0.1Mpa(A)～1.0Mpa(A)。
LNG蓄冷装置60包括依次连接的LNG供应站61、LNG泵62、空气复温换热器I 63和低温LNG储槽64，低温LNG储槽64的出口与空气液化换热器2相连。
在一种实施例中，低温LNG储槽64中LNG温度为-163℃～-182℃。
ORC低温发电装置70包括依次连接的ORC工质蒸发器71、ORC工质膨胀机组72、空气复温换热器II 73、ORC工质循环泵74。ORC工质膨胀机组72包含多级串联的ORC工质膨胀机721。
ORC工质膨胀机721级间连接有ORC工质再热器722。
空气膨胀发电装置80包括多级串联的空气膨胀机81，每一级空气膨胀机81入口均连接有膨胀空气再热器82。
低温空气压缩机11、ORC工质膨胀机721和空气膨胀机81为离心式、活塞式或螺杆式中的一种或多种组合。
在一种实施例中，ORC工质膨胀机721和空气膨胀机81入口温度为25～400℃，ORC工质再热器722和所述膨胀空气再热器82热源为太阳能或者工厂废热。
具体地，释能过程如下：
液态空气储槽4中存储的液态空气经液态空气增压泵5引出，并压缩至高压状态，在一种实施例中，液态空气增压泵出口空气压力为2.0Mpa(A)～15.0Mpa(A)。
高压空气依次经过LNG储冷装置60中的空气复温换热器I 63和ORC低温发电装置70中的空气复温换热器II 73，温度上升形成膨胀空气。
膨胀空气依次经过空气膨胀装置80的膨胀空气再热器82和空气膨胀机81中，被加热和膨胀降压，并对外做功，输出电能，从而完成液态空气的释能过程。
在空气复温过程中，LNG供应站61中的LNG经过LNG泵62引出进入空气复温换热器I63进行降温，并进入LNG低温储槽64中进行存储，回收空气复温过程中低温段的冷量。
在ORC低温发电装置70中，ORC工质膨胀机组72排出的气相ORC工质经过空气复温换热器II 73进行空气复温过程中冷量的进一步回收，在空气复温换热器II 73出口，ORC工质冷凝为过冷液体，液相ORC工质经过ORC工质循环泵74加压至高压状态，并经过ORC工质蒸发器71加热为高压气态。
高压气态ORC工质经过ORC工质膨胀机组72(包含依次连接的ORC工质膨胀机721和ORC工质再热器722)膨胀对外做功，并输出电能，在ORC工质膨胀机组72出口形成低压气态ORC工质，完成ORC低温发电循环。
本发明提供一种结合LNG冷能利用和ORC低温发电的液态空气储能系统，在空气液化过程中引入LNG补充冷量，大大提高空气液化效率；在空气复温过程中引入ORC低温发电系统，回收空气复温过程产生的冷量，并对外输出电能，提升了储能系统整体效率。此外，LNG与液态空气储能系统的结合能够显著降低系统成本，极大地简化蓄冷流程，提升系统经济性和实用性。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种低温液态空气储能系统，其特征在于，所述储能系统包括：
低温压缩装置，与LNG储冷装置、液态空气膨胀机和液态空气储槽相连，用于接收环境空气、低温LNG和经所述液态空气储槽反流的气态空气，压缩所述环境空气，并通过所述低温LNG和所述反流的气态空气冷却所述环境空气；
液态空气膨胀机，与所述低温压缩装置和所述液态空气储槽相连，用于对环境空气进行膨胀液化，并使膨胀液化的环境空气进入所述液态空气储槽；
液态空气储槽，用于存储液态空气，将形成的气态空气反流进入所述低温压缩装置，将所述液态空气经高压压缩后进入所述LNG储冷装置和所述ORC低温发电装置进行升温，并进入所述空气膨胀发电装置；
LNG储冷装置，用于供应LNG，升温经所述液态空气储槽进入的液态空气，同时回收液态空气升温过程中释放的冷量；
ORC低温发电装置，与所述LNG储冷装置连接，用于回收冷量并输出电能；
以及空气膨胀发电装置，用于膨胀进入的空气，并输出电能。
2.根据权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温压缩装置与所述液态空气膨胀机、液态空气储槽、LNG储冷装置之间设置空气液化换热器，所述液态空气储槽与所述LNG储冷装置之间设置液态空气增压泵。
3.根据权利要求2所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温空气压缩装置包含多级串联的低温空气压缩机，所述每一级低温空气压缩机入口均连接有低温空气换热器。
4.根据权利要求3所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述LNG蓄冷装置包括依次连接的LNG供应站、LNG泵、空气复温换热器I和低温LNG储槽，所述低温LNG储槽的出口与所述空气液化换热器相连。
5.根据权利要求4所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述ORC低温发电装置包括依次连接的ORC工质蒸发器、ORC工质膨胀机组、空气复温换热器II和ORC工质循环泵。
6.根据权利要求5所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀发电装置包括多级串联的空气膨胀机，所述每一级空气膨胀机入口均连接有膨胀空气再热器。
7.根据权利要求5所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温空气压缩机、所述ORC工质膨胀机和所述空气膨胀机为离心式、活塞式或螺杆式中的一种或多种组合。
8.根据权利要求7所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述ORC工质膨胀机和所述空气膨胀机入口温度为25～400℃，所述ORC工质再热器和所述膨胀空气再热器热源为太阳能或者工厂废热。
9.根据权利要求2所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温空气压缩装置出口空气压力为2.0Mpa(A)～15.0Mpa(A)。
10.根据权利要求2所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述液态空气储槽中空气存储压力为0.1Mpa(A)～1.0Mpa(A)。
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