CN108931074A - 一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统和方法，所述系统包括制备液态空气的子系统、利用所述液态空气的发电子系统、利用其中的热能的制冷子系统和制热子系统；所述制备液态空气的子系统包括空气压缩机、空气循环压缩机和液态空气储存器，所述空气压缩机和所述循环空气压缩机分别设有级间换热器。本发明仅通过两次压缩就达到所要求的高压，节省了深冷泵加压的过程，也就节省深冷泵加压过程所消耗的能量，设备加工和维修费用；本发明提供的技术方案空气压缩、存储和膨胀过程中的降温、加热过程使用的换热介质实现了能量的循环利用，方便快捷，节省了能量和人力；实现了冷热电联供，大大避免了能量和资源的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能替代系统，具体涉及一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统和方法。
背景技术
二次工业革命至今的电气时代，人类经历了近一个世纪，随着用电设备逐渐丰富，从工业生产到日常生活，人类在享受电能带来的便利的同时，也随之产生了一种对于电能不可替代的依赖性。因此发电技术对人类文明的重要性是不言而喻的，绝大部分电能目前仍是火力发电，火力发电燃烧过程产生的废物对环境不可避免会造成影响，且面对火力发电所依靠的煤等燃料的有限性和日趋增长的需求性两者之间的矛盾日益凸显。利用高压空气膨胀为发电设备提供能量是目前替代火力发电的方法之一，但是目前对于空气的压缩、存储技术需要通过空气压缩机、循环压缩机、深冷泵三次增压，这样的工艺先将经过空气压缩机和循环压缩机加压的高压液态空气存储于高压液体储罐中，其后再经过深冷泵加压至110～120bar左右后送入蒸发器，这种方法的高压空气膨胀发电过程中的一些中间环节浪费的能量相当惊人。
发明内容
本申请人通过对空气膨胀发电技术和高压液态空气存储技术的深入研究，得出采用两次加压，用空气压缩机和循环压缩机直接加压至112bar存储在高压液体储罐中，然后直接进入蒸发器，不需要深冷泵再次加压；且空气圧缩过程、存储过程、膨胀过程中所采用的降温、加热水能够循环利用，且能够为外界提供冷量和热量，实现了冷热电联供。
本发明是通过如下技术方案实现冷热电联供的：
本发明提供一种基于高压液体的冷热电联供电能替代系统，所述系统包括制备液态空气的子系统、利用所述液态空气的发电子系统、利用其中的热能的制冷子系统和制热子系统；
所述制备液态空气的子系统包括空气压缩机、空气循环压缩机和液态空气储存器，所述空气压缩机和所述循环空气压缩机分别设有级间换热器。
优选的，所述空气压缩机和所述空气循环压缩机间设有筛分压缩空气的分子筛，且于所述分子筛出口和所述空气循环压缩机入口相连的管路上设有与冷箱返回流管相连的支路。
优选的，所述空气循环压缩机与所述液态空气储存器间的管路上依次设有增压端、所述空气循环压缩机、换热器、所述冷箱、气液分离罐和所述液态空气储存器。
优选的，所述增压端将空气压缩至112bar，并于112bar下储存在所述液态空气储存器中。
优选的，所述空气压缩机和所述空气循环压缩机的级数分别至少为四级，所述换热器分别设于所述二三级间。
优选的，所述发电子系统包括将高压液态空气加热并气化的蒸发器、将所述气化空气加热的膨胀机前换热器、膨胀所述空气的空气膨胀机和发电机。
优选的，所述空气膨胀机的级数至少为四级，各级间换热器的数目至少为两个。
优选的，所述利用其中热能的制热子系统所利用的热能包括所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质与被其降温的空气间的热交换所获得的能量。
优选的，所述利用其中的热能的制冷子系统所利用的热能包括所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质与被其降温的空气间的热交换所获得的能量和膨胀机前换热器中的换热介质与被其加热的的空气间的热交换所取得的能量。
优选的，所述制备液态空气的子系统中的换热器与所述膨胀机前换热器间设有溴化锂机组，所述溴化锂机组利用所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质的能量以向外界提供制冷的能量和制热的能量。
一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代方法，所述方法包括如下步骤：
(1)高压液态空气的存储：
将过滤的空气在制备液态空气的子系统中压缩、降温、液化、分离和存储；其中换热器中的换热介质被空气加热后经溴化锂机组进入所述发电子系统中的膨胀机前换热器；
(2)空气膨胀发电：
将步骤(1)中所存储的高压液态空气在所述蒸发器中加热、气化，然后将所述气化空气在膨胀机前换热器中加热、再将所述加热后的空气在膨胀机中膨胀，空气膨胀过程中为发电机提供动力，其中的换热器中的换热介质被冷却后返回到所述制备液态空气的子系统中的换热器中；
(3)制热：
所述步骤(1)中换热器中换热介质为制热子系统提供能量进行制热；
(4)制冷：
所述步骤(1)中换热器中换热介质和所述步骤(2)中膨胀机前换热器中的换热介质为制冷子系统提供能量进行制冷。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术法案具有如下有益效果：
1、本发明通过空气压缩机和循环压缩机将空气压缩至高压，然后通过冷箱进行液化，然后气液分离并存储高压液体空气，所存储的高压液态空气通过蒸发器后进入膨胀机组为发电设备提供能量，仅通过两次压缩就达到所要求的高压，节省了深冷泵加压的过程，也就节省深冷泵加压过程所消耗的能量，设备加工和维修费用。
2、本发明提供的技术方案空气压缩、存储和膨胀过程中的降温、加热过程使用的换热介质实现了能量的循环利用，方便快捷，节省了能量和人力。
3、本发明提供的技术方案通过对空气的压缩存储和对压缩空气的膨胀过程进行发电，且空气圧缩过程和存储过程中换热器中的的换热介质通过热交换为空气降温、同时换热器中的换热介质被加热后进入到制冷子系统和制热子系统，为其制冷和制热提供了能量，且膨胀过程中换热器中采用的换热介质通过热交换为空气升温，同时换热介质的温度下降，为外界提供了冷量，如此即实现了冷热电联供，大大避免了能量和资源的浪费。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1：本发明所使用的冷热电联供电能替代系统示意图。
图中：1-一级空气压缩机、2-二级空气压缩机、3-空压机级间换热器、4-三级空气压缩机、5-四级空气压缩机、6-空压机后换热器、7-分子筛、8-一级空气循环压缩机、9-二级空气循环压缩机、10-循环压缩机级间换热器、11-三级空气循环压缩机、12-四级空气循环压缩机、13-增压端、14-循环压缩机后换热器、15-冷箱、16-气液分离罐、17-高压液体储罐、18-蒸发器、19-一级空气膨胀机前换热器、20-一级空气膨胀机、21-二级空气膨胀机前第一换热器、22-二级空气膨胀机前第二换热器、23-二级空气膨胀机、24-三级空气膨胀机前第一换热器、25-三级空气膨胀机前第二换热器、26-三级空气膨胀机、27-四级空气膨胀机前第一换热器、28-四级空气膨胀机前第二换热器、29-四级空气膨胀机、30-热水储罐、31-溴化锂机组、32-中温储罐、33-常温储罐、34-冷却器、35-蓄冷罐、36-制冷膨胀机、37-过滤器。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于高压液体的冷热电联供电能替代系统，所述系统包括制备液态空气的子系统、利用所述液态空气的发电子系统、利用其中的热能的制冷系统和制热系统；
所述制备液态空气的子系统包括依次连接的一级空气压缩机1、二级空气压缩机2、空压机级间换热器3、三级空气压缩机4、四级空气压缩机5、空压机后换热器6、分子筛7、一级空气循环压缩机8、二级空气循环压缩机9、循环压缩机级间换热器10、三级空气循环压缩机11、四级空气循环压缩机12、增压端(13)、循环压缩机后换热器14、冷箱15、气液分离罐16和高压液体储罐17。
所述分子筛7用于筛分压缩空气，且于所述分子筛出口和所述一级空气循环压缩机8入口相连的管路上设有与冷箱15返回流管相连的支路。
所述发电子系统包括蒸发器18、一级空气膨胀机前换热器19、一级空气膨胀机20、二级空气膨胀机前第一换热器21、二级空气膨胀机前第二换热器22、二级空气膨胀机23、三级空气膨胀机前第一换热器24、三级空气膨胀机前第二换热器25、三级空气膨胀机26、四级空气膨胀机前第一换热器27、四级空气膨胀机前第二换热器28和四级空气膨胀机29和发电机。
所述蒸发器18用于将高压液态空气加热并气化、所述空气膨胀机膨胀空气使之从高压降至低压，在此过程中，空气经过膨胀机的叶轮带动叶轮及轴高速旋转，膨胀机轴通过齿轮箱和联轴器与发电机轴相连，带动发电机发电。
所述制冷子系统和制热子系统，包括从制备液态空气的子系统的所述换热器到发电子系统的所述换热器间依次设置的热水储罐30、溴化锂机组31和中温储罐32以及反向依次设置的常温储罐33和冷却器34。
所述制热系统所利用的热能是所述制备液态空气的子系统中的换热器中的水与被其降温的空气进行热交换所得的热能。
优选的，所述制冷系统所利用的热能是所述制备液态空气的子系统中的换热器中的水与被其降温的空气进行热交换所得的能量和外界空气进入膨胀机前换热器中，并与被其加热的的空气进行热交换所取得的能量。
所述溴化锂机组31内含有制冷剂。
所述冷箱和所述蒸发器通过蓄冷罐35连接。
所述冷箱设有制冷膨胀机36。
一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代方法，所述方法包括如下步骤：
(1)高压液态空气的存储：
空气通过过滤器36过滤之后进入到一级空气压缩机1被压缩后进入到二级空气压缩机2，二级空气压缩机2压缩后进入到级间换热器3降温后进入到三级空气压缩机4，三级空气压缩机4压缩后进入到四级空气压缩机5，四级空气压缩机5压缩后进入到空压机后换热器6降温后进入到分子筛7，分子筛7出口流股与冷箱15返回流股混合后进入到一级循环压缩机8被压缩后进入到二级循环压缩机9，二级循环压缩机9压缩后进入到循环压缩机级间换热器10降温后进入三级循环压缩机11，三级循环压缩机11压缩后进入到四级空气压缩机12，四级循环压缩机12压缩后进入到增压端13，增压端13压缩到112bar，进入到循环压缩机后换热器14降温后进入冷箱，高压气态空气在冷箱15中液化为高压液态空气，进入到气液分离罐16进行气液分离，液态空气存储在112bar的高压储罐17中，气态空气通过管路与分子筛7出口流股混合后进入到一级循环压缩机8。
(2)空气膨胀发电：
112bar，-152℃的高压液体空气进入到所述蒸发器18被空气加热并气化后成为气态空气，气态空气进入到一级空气膨胀机前换热器19被加热后进入到一级空气膨胀机20被膨胀，然后再进入到二级空气膨胀机前第一换热器21和二级空气膨胀机前第二换热器22被加热后进入到二级空气膨胀机23被膨胀，然后进入到三级空气膨胀机前第一换热器24和三级空气膨胀机前第二换热器25被加热后进入到三级空气膨胀机26被膨胀，然后入到四级空气膨胀机前第一换热器27和四级空气膨胀机前第二换热器28被加热后进入到四级空气膨胀机29被膨胀，所述被膨胀的空气从高压降至低压，在此过程中所释放的能量经过膨胀机的叶轮带动叶轮及轴高速旋转，膨胀机轴通过齿轮箱和联轴器与发电机轴相连，带动发电机发电。
(3)制热：
所述步骤(1)中的换热器中的冷水用于降温压缩后的空气，同时冷水的温度被所述空气升高变为热水，所述热水依次流过热水储罐30、溴化锂机组31、中温储罐32，最后进入到发电子系统中的二级空气膨胀机前第二换热器22、三级空气膨胀机前第二换热器25，四级空气膨胀机前第二换热器28为进入膨胀机前的空气进行加热；所述溴化锂机组31得到热水的能量后，用于为外界提供热量；
所述二级空气膨胀机前第二换热器22、三级空气膨胀机前第二换热器25，四级空气膨胀机前第二换热器28中的水加热空气后经常温储罐33和冷却器34返回至空压机级间换热器3、空压机后换热器6、空气循环压缩机级间换热器10和空气循环压缩机后换热器14。
(4)制冷：
所述步骤(3)中所述的溴化锂机组31得到能量后，也可向外界制冷；
外界空气进入到步骤(2)中的一级空气膨胀机前换热器19、二级空气膨胀机前第一换热器21、三级空气膨胀机前第一换热器24、四级空气膨胀机前第一换热器27作为加热介质，同时所述外界空气被冷却，向外界提供制冷。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (11)
1.一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于：所述系统包括制备液态空气的子系统、利用所述液态空气的发电子系统、利用其中的热能的制冷子系统和制热子系统；
所述制备液态空气的子系统包括空气压缩机、空气循环压缩机和液态空气储存器，所述空气压缩机和所述循环空气压缩机分别设有级间换热器。
2.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述空气压缩机和所述空气循环压缩机间设有筛分压缩空气的分子筛，且于所述分子筛出口和所述空气循环压缩机入口相连的管路上设有与冷箱返回流管相连的支路。
3.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述空气循环压缩机与所述液态空气储存器间的管路上依次设有增压端、所述空气循环压缩机、换热器、所述冷箱、气液分离罐和所述液态空气储存器。
4.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述增压端将空气压缩至112bar，并于112bar下储存在所述液态空气储存器中。
5.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述空气压缩机和所述空气循环压缩机的级数分别至少为四级，所述换热器分别设于所述二三级间。
6.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述发电子系统包括将高压液态空气加热并气化的蒸发器、将所述气化空气加热的膨胀机前换热器、膨胀所述空气的空气膨胀机和发电机。
7.根据权利要求6所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述空气膨胀机的级数至少为四级，各级间换热器的数目至少为两个。
8.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述利用其中热能的制热子系统所利用的热能包括所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质与被其降温的空气间的热交换所获得的能量。
9.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述利用其中的热能的制冷子系统所利用的热能包括所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质与被其降温的空气间的热交换所获得的能量和膨胀机前换热器中的换热介质与被其加热的的空气间的热交换所取得的能量。
10.根据权利要求1所述的一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代系统，其特征在于，所述制备液态空气的子系统中的换热器与所述膨胀机前换热器间设有溴化锂机组，所述溴化锂机组利用所述制备液态空气的子系统中的换热器中的换热介质的能量以向外界提供制冷的能量和制热的能量。
11.一种基于高压液体的冷热电联供的电能替代方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将过滤的空气在制备液态空气的子系统中压缩、降温、液化、分离和存储；其中换热器中的换热介质被空气加热后经溴化锂机组进入发电子系统中的膨胀机前换热器；
(2)将所存储的高压液态空气在蒸发器中加热、气化，然后将所述气化空气在膨胀机前换热器中加热、再将所述加热后的空气在膨胀机中膨胀，空气膨胀过程中为发电机提供动力，其中的换热器中的换热介质被冷却后返回到所述制备液态空气的子系统中的换热器中；
(3)所述步骤(1)中换热器中的换热介质为制热子系统提供能量进行制热；
(4)所述步骤(1)中换热器中的换热介质和所述步骤(2)中膨胀机前换热器中的换热介质为制冷子系统提供能量进行制冷。
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