CN111173719A - 一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，在压缩子系统、储热储冷子系统、液化存储子系统和膨胀做功子系统之外增加了预热蒸发器。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在释能开始时，具有极低温度的液态空气在进入膨胀设备之前，可以优先利用外界寻常情况下无法被利用的低品质热能，然后再经由换热器进入膨胀机组做功，提高系统效率，同时液态空气的冷能被交换存储，可以在对外循环或者对内冷却器中提供冷源。

Description

一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统
技术领域
本发明涉及液化空气储能技术领域，尤其涉及一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统。
背景技术
提出的新兴液化空气储能技术利用富余能量将空气压缩并液化后存储，经液化后的空气采用罐体常压低温存储，具有储能密度高、不再需要地下洞穴的优势，可实现移动式存储。但是目前系统由于设备、技术等因素，能量利用效率不够理想，需要一种能够进一步提升系统效率的方案。
低品质热能一般情况下是指能量品质低或密度低，一般不被人们重视和利用难度较大的低温能源，是在生活中随处可见的能量，空气中的热量、海水中的热量、大地中的热量，工厂生产过程中产生的大量的余热、废热，以及汽车尾气排放的热量等等都是低品位热能，这部分热能产量大，而利用率较低，低品质热能浪费率较高，如果能够利用这部分能量将有利于提高液态空气储能系统能量转换效率。
发明内容
技术问题：现有的液化空气储能技术在释能时直接利用的是存储的压缩过程的热量，将极低温度的液态空气气化需要大量热量，以致于膨胀机前加热的热量就剩余小部分，膨胀过程初始温度不太高，做功能力不太强，系统效率不太高，而本发明在系统释能过程前增加预热蒸发器来优先利用环境中一般无法被使用的低品质热能，以提高系统效率，提出一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，同时液态空气的冷能被存储被利用。
技术方案：
一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，主要由压缩子系统、储热储冷子系统、液化存储子系统、膨胀做功子系统以及一个预热蒸发器组成。
进一步的，所述压缩过程：可再生能源如太阳能风能等间歇性的清洁能源在富余时，利用压缩机组将空气压缩至高压高温状态。
进一步的，所述储热储冷过程：压缩机组出口温度较高，利用级间和级后换热设备将压缩后的高温进行能量转化并且存储，用于在释能过程中加热已经气化了的工质，以进一步提高膨胀机组入口温度，进而提高做功能力，增加电能输出，而释能中完成换热之后的介质温度降低，经由储冷装置再次回到储能过程用于冷却高温气体，构成储热储冷介质的循环利用。
进一步的，所述液化存储过程：进一步冷却后的高压常温气体进入节流阀降温降压，使得工质进入湿蒸汽区域，同时存在气液两相状态，利用气液分离器将液态空气送入液空储槽存储供释能阶段使用，而分离出的低温气态空气用于节流阀前的冷却过程，换热后温度升高回到压缩机入口进行下一次循环。
进一步的，所述膨胀做功过程：在用电高峰时期，深冷泵将液空储槽中的液态空气加压先行送入预热蒸发器中气化，之后再利用储热装置中存储的压缩热量将空气进一步升温，进入膨胀机做功对外输出电能。
进一步的，所述液化空气储能系统由压缩机组，换热器I，冷却器，节流阀，气液分离器，液空储罐，深冷泵，预热蒸发器，换热器II，以及膨胀机组组成。
由于液态空气在预热蒸发器中具有极低的温度，因此可以利用寻常无法被使用到的低品质热能，如海水中的热量、大地中的热量，工厂生产过程中产生的大量的余热、废热等，先行将液空气化至常温态，而储热器存储的因压缩产生的高品质热能则全部用于膨胀机前的进一步升温过程，以提高膨胀过程做功能力，从而提高系统效率。
进一步的，所述预热蒸发器，采用一个换热装置，不限于管壳式换热器，进入换热器的两种工质分别为环境中具有低品质热能的废气废热等和液态空气，由于液态空气一侧具有极低温度，故对于换热器的材料有耐低温的要求，另外为防止另一侧工质存在温度降低后凝结的情况，需要进行加压处理。
本发明一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，在释能开始时增加了预热蒸发器，以利用低品质热能，提高系统效率。
其中，预热蒸发器中液态空气具有极低的温度，因此可以利用寻常无法被使用到的低品质热能，如海水中的热量、大地中的热量，工厂生产过程中产生的大量的余热、废热等，先行将液空气化至常温态，而储热器存储的因压缩产生的高品质热能则全部用于膨胀机前的进一步升温过程，以提高膨胀过程做功能力，从而提高系统效率。
利用预热蒸发器后，膨胀机组入口温度提高，系统平均高温热源温度提高，在低温热源温度不变的前提下，根据卡诺循环理论，提高系统平均高温热源温度有利于提高系统循环效率。
本发明的预热蒸发器中，具有低品质热源的带压工质将液态空气的冷能存储，可以在对外循环或者对内冷却器中提供冷源。
本发明存储的液态空气的冷能在对外循环的使用中，用于在冷却器中进一步冷却工质。
本发明存储的液态空气的冷能在对外循环的使用中，结合电厂的朗肯循环，用于在冷凝器中降低系统平均低温热源的温度，在锅炉中温度，即系统平均高温热源温度不变的前提下，降低低温热源温度，有利于提高电厂朗肯循环的效率。
有益效果：本发明可以利用外界低品质热能，具有较高的系统效率，另外将液态空气的冷能存储，可以作为低温热源在对外循环或者对内冷却器中使用。
附图说明
图1为本液化空气储能系统的设备流程图。
图2为等效卡诺循环示意图。
图3为预热蒸发器中的工作流程。
图4为液态空气的冷能对外在电厂朗肯循环中的使用情况。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，包括：压缩子系统、储热储冷子系统、液化存储子系统、膨胀做功子系统以及一个预热蒸发器。
在本实施例中，压缩子系统的压缩过程为，可再生能源如太阳能风能等间歇性的清洁能源在富余时，利用压缩机组将空气压缩至高压高温状态。
在本实施例中，储热储冷子系统的储热储冷过程为，压缩机组出口温度较高，利用级间和级后换热设备将压缩后的高温进行能量转化并且存储，用于在释能过程中加热已经气化了的工质，以进一步提高膨胀机组入口温度，进而提高做功能力，增加电能输出，而释能中完成换热之后的介质温度降低，经由储冷装置再次回到储能过程用于冷却高温气体，构成储热储冷介质的循环利用。
在本实施例中，液化存储子系统的液化存储过程为，进一步冷却后的高压常温气体进入节流阀降温降压，使得工质进入湿蒸汽区域，同时存在气液两相状态，利用气液分离器将液态空气送入液空储槽存储供释能阶段使用，而分离出的低温气态空气用于节流阀前的冷却过程，换热后温度升高回到压缩机入口进行下一次循环。
在本实施例中，膨胀做功子系统的膨胀做功过程为，在用电高峰时期，深冷泵将液空储槽中的液态空气加压先行送入预热蒸发器中气化，之后再利用储热装置中存储的压缩热量将空气进一步升温，进入膨胀机做功对外输出电能。
在本实施例中，系统由压缩机组、换热器I、冷却器、节流阀、气液分离器、液空储罐、深冷泵、预热蒸发器、换热器II以及膨胀机组组成。
在本实施例中，具体储能过程为，利用用电低谷时期的富余电力驱动压缩机将空气压缩成高温高压状态，后进入换热器I，通过储热装置将热量存储，在冷却器中进行进一步的冷却过程后，工质进入节流阀降温降压，到达气液两相区进行分离，所得液态空气进入液空储罐存储用于用电高峰期的释能过程，所得气态工质用来在冷却器进一步降低空气温度。
在本实施例中，具体释能过程为，在用电高峰时期利用深冷泵将液空储罐中存储的液态空气先行输到预热蒸发器中气化成为高压常温气体，随后再利用换热器II将储热装置存储的压缩过程的热量进一步升温送入膨胀机入口，进入膨胀发电过程。
本发明释能时，液态空气在预热蒸发器中因温度很低，可以利用低品质热能如工业废气废热等，相比于利用储热器中的热量进行液态空气的气化及加热的方式，该方法具有更高的效率。
利用热机循环最高理论可达效率为卡诺循环进行分析：
卡诺系统高温热源温度表示为T r1，低温热源温度表示为T r2，其循环效率效率表示为
η t,c=1-T r2/T r1，由此可见提高高温热源温度T r1，或者降低低温热源温度T r2有利于提升循环效率。
在本发明系统中，引用平均温度的概念，将其转换成等效卡诺循环进行分析，如图2所示，循环平均高温热源表示为T m1，平均低温热源表示为T m2，系统在液空储能压力确定的前提下平均低温热源温度随之确定，而利用了低品质热能工况的膨胀机前释能温度高于未利用的情况，故对应的平均高温热源温度T m2,利用低品质热能工况>T m2,未利用地品质热能工况，结合卡诺循环分析可知，平均低温热源温度确定的情况下，较高的平均高温热源温度具有较高的循环效率，即系统利用了低品质热能情况下具有较高的循环效率。
在本发明中，利用低品质热源的预热蒸发器采用一个换热装置，不限于管式换热器。结合图3对预热蒸发器内部换热过程进行说明：温度极低的液态空气进入换热器经由低品质热能加热气化，温度升高，而热品质热能的温度降低，成为低温热源可以对外或者对内使用。
其中，低温热源对内冷却器的使用指液态空气的冷能被存储之后在冷却器中用来进一步冷却工质。低温热源对外部循环的使用可以结合电厂的朗肯循环，如图4所示。
液态空气的冷能作为冷凝器中的低温冷源时，结合图2所示卡诺循环的效率的分析，由于液态空气具有极低的温度，用它作为低温冷源可以进一步降低循环的平均低温热源T m2，在锅炉中的温度，即系统的平均高温热源温度T m1确定的情况下，降低平均低温热源T m2有利于提高朗肯循环系统效率。
其中，预热蒸发器由于其中进行换热的液态空气温度极低，故该蒸发器应选用耐低温的材料。预热蒸发器在利用低品质热源与液态空气换热时，为预防废气废热等工质的温度降低后凝结的情况出现，需进行加压处理。

Claims (9)

1.一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于，包括：压缩子系统、储热储冷子系统、液化存储子系统、膨胀做功子系统以及一个预热蒸发器。
2.根据权利要求1所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述压缩子系统的压缩过程为，利用多级压缩机组将空气压缩至高压高温状态，配备有级间和级后换热冷却装置。
3.根据权利要求1所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述储热储冷子系统的储热储冷过程为，利用级间和级后换热设备将压缩后的高温进行能量转化并且存储，该部分热量仅用于加热已经在预热蒸发器中气化了的液态空气，以在释能过程中进一步提高膨胀机组入口温度，而释能中完成换热之后的介质温度降低，经由储冷装置再次回到储能过程用于冷却高温气体，构成储热储冷介质的循环利用。
4.根据权利要求1所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述液化存储子系统的液化存储过程为，进一步冷却后的高压常温气体进入节流阀降温降压，使得工质进入湿蒸汽区域，同时存在气液两相状态，利用气液分离器将液态空气送入液空储槽存储供释能阶段使用，分离出的低温气态空气用于节流阀前的冷却过程，换热后温度升高回到压缩机入口进行下一次循环。
5.根据权利要求1所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述膨胀做功子系统的膨胀做功过程为，在用电高峰时期，深冷泵将液空储槽中的液态空气加压先行送入预热蒸发器中气化，之后再利用储热装置中存储的压缩热量将空气进一步升温，进入膨胀机做功对外输出电能。
6.根据权利要求1所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述系统由压缩机组、换热器I、冷却器、节流阀、气液分离器、液空储罐、深冷泵、预热蒸发器、换热器II以及膨胀机组组成。
7.根据权利要求6所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：具体储能过程为，利用用电低谷时期的富余电力驱动压缩机将空气压缩成高温高压状态，后进入换热器I，通过储热装置将热量存储，在冷却器中进行进一步的冷却过程后，工质进入节流阀降温降压，到达气液两相区进行分离，所得液态空气进入液空储罐存储用于用电高峰期的释能过程，所得气态工质用来在冷却器进一步降低空气温度，之后回到压缩机入口进行下一次循环。
8.根据权利要求6所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：具体释能过程为，在用电高峰时期利用深冷泵将液空储罐中存储的液态空气先行输到预热蒸发器中气化成为高压常温气体，随后再利用换热器II将储热装置存储的压缩过程的热量进一步升温送入膨胀机入口，进入膨胀发电过程。
9.根据权利要求6所述的一种带有预热蒸发器的液化空气储能系统，其特征在于：所述预热蒸发器采用换热装置，材料具有耐低温特性。
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