CN111648833B - 一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，包括储能单元、液化单元、储液单元、气化单元和释能单元：储能单元包括依次连接的压缩装置、第一换热器和冷却器；释能单元包括依次连接的膨胀装置和第二换热器；液化单元包括进口端与冷却器的出口端相通的液化装置；气化单元包括出口端与第二换热器的进口端相通的蒸发装置；储液单元包括连接于液化装置和蒸发装置之间的储液装置；蒸发装置和第二换热器之间还连通有气体缓冲装置；蒸发装置中生成的气态工质在气体缓冲装置中暂存后进入第二换热器。通过在蒸发装置和第二换热器之间设置气体缓冲装置，可以缩短液化空气储能系统调节输出频率过程中的响应时间，提高调频性能。

Description

一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，具体涉及一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统。
背景技术
压缩空气储能系统是以空气为介质的大规模储能系统，在用电低峰将电能转化为压缩空气的势能储存，在用电高峰通过压缩空气推动透平做功释放电能。液化空气储能系统是在压缩空气储能的基础上提出的新型储能系统。与压缩空气储能系统相比，液态空气储能系统储能密度大，不需要大型的压力存储容器，摆脱了地理条件的限制，更具发展和应用优势。
参与电网调频是液化空气储能系统的主要应用方向之一。在电网中，大多数调频机组为火电机组和水电机组，该类发电设备均为旋转机械，调节性能受到机械惯性和物理磨损的制约。同时，火电机组响应时间长，不适合参与较短周期的调频控制，而水电机组的调频容量、性能也易受地域与季节的制约。风电和光伏发电大规模接入电网，对于调频性能提出了更高的要求。液化空气储能系统能够双向调频，即在电网负荷增加时，储能系统放电，电网负荷减小时，储能系统充电，其作为一种新型调频手段备受关注。
膨胀透平在参与调频的过程中，需要调节机前阀门开度以实现输出功率的变化，而液态罐中的液态空气需要先吸热汽化后再进行膨胀做功，这增加了调频过程中系统的响应时间，不利于系统的调频性能。为解决这一问题，本发明提出了一种在透平前增加气体缓冲装置的新型液化空气储能系统，以此来缩短液化空气储能系统的响应时间，实现液化空气储能技术在电网调频领域的应用和推广。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术中液化空气储能系统的调频过程存在响应时间较长的技术问题，本发明提出一种利用气体缓冲装置提升调频性能的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，以缩短系统响应时间，提升系统调频性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，包括储能单元、液化单元、储存液态工质的储液单元、气化单元和释能单元：
所述储能单元包括通过管路依次连接的压缩装置、第一换热器和冷却器；
所述释能单元包括通过管路依次相通的第二换热器和膨胀装置；
所述液化单元包括进口端与所述冷却器的出口端相通的液化装置；
所述气化单元包括出口端与所述第二换热器的进口端相通的蒸发装置；
所述储液单元包括连接于所述液化装置和所述蒸发装置之间的储液装置；
所述储能单元、所述液化单元、所述储液单元、所述气化单元和所述释能单元形成工质以气相－液相－气相的流动、换热和储存的通道；
所述蒸发装置和所述第二换热器之间还连通有气体缓冲装置；所述蒸发装置中生成的气态工质在所述气体缓冲装置中暂存后进入所述第二换热器，以缩短所述膨胀装置调节输出频率和/或输出功率过程中的响应时间；
储能阶段时，气态工质经过所述压缩装置压缩后依次经过所述第一换热器和所述冷却器进行逐步冷却，经过冷却后的气态工质经过所述液化装置液化后存储在所述储液装置中；释能阶段时，所述储液装置内的液态工质经过所述蒸发装置蒸发形成气态工质后进入所述气体缓冲装置中暂存，然后经过所述第二换热器升温后进入所述膨胀装置进行膨胀做功。
进一步地，还包括与所述第一换热器和所述第二换热器构成换热循环通道的高温储热装置和低温储热装置，所述换热循环通道内设有换热介质；
高温储热过程中，换热介质收集气态工质在经过所述第一换热器的过程中产生的高温热量，并存储在所述高温储热装置中；低温储热过程中，换热工质收集气态工质在经过所述第二换热器的过程中产生的低温热量，并存储在所述低温储热装置中。
进一步地，所述蒸发装置和所述储液装置之间还连通有用于增加所述储液装置流出液态工质的流体压力的深冷泵。
进一步地，所述蒸发装置和所述液化装置之间还连通有储冷装置，液态工质在所述蒸发装置中蒸发产生的冷能被储冷介质收集后存储在所述储冷装置中，所述储冷装置中储冷介质存储的冷能用于对所述液化装置中的工质进行冷却降温；所述液化装置和所述蒸发装置之间还设有供经过所述液化装置(4)释放冷能后的储冷介质回流至所述蒸发装置的介质通道。
进一步地，所述气体缓冲装置为内部具有空腔的气体缓冲罐。
进一步地，所述气体缓冲罐设有用于导流以使工质均匀稳定流向所述第二换热器的罐内导流结构。
进一步地，所述工质为空气，或空气与氮气、氧气、二氧化碳、甲烷、乙烯中一种或多种的组合。
进一步地，所述膨胀装置的膨胀输出端连接有发电机。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，储能阶段时，气态工质经过所述压缩装置压缩后依次经过所述第一换热器和所述冷却器进行逐步冷却，经过冷却后的气态工质经过所述液化装置液化后存储在所述储液装置中；释能阶段时，所述储液装置内的液态工质经过所述蒸发装置蒸发形成气态工质后进入所述气体缓冲装置中暂存，然后经过所述第二换热器升温后进入所述膨胀装置进行膨胀做功；与现有技术中，液态工质先吸热汽化再进行膨胀做功的方式相比，可以缩短液化空气储能系统调节输出频率和/或输出功率过程中的响应时间，提高液化空气储能系统的调频性能，实现液化空气储能技术在电网调频领域的应用和推广。
2.本发明提供的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，在所述蒸发装置和所述液化装置之间设置可存储气态工质蒸发生成的冷能的储冷装置，用于降低液化装置中的温度，可以提高液化装置中气态工质的液化率。
3.本发明提供的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，利用第一换热器和高温储热装置储存气态介质压缩过程中产生的高温热量，并利用第二换热器和低温储热装置储存气态介质膨胀过程中产生的低温热量，第一换热器、高温储热装置、第二换热器和低温储热装置可以构成能量循环通道，可以实现系统能量的回收和利用，提高系统储能效率。
4.本发明提供的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，气体缓冲罐内罐内导流结构的设置，蒸发装置汽化产生的工质在气体缓冲罐内经过罐内导流结构的导流作用后，工质可以长时间均匀稳定地向第二换热器内输送，从而提高液化空气储能系统的调频性能。
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为本发明实施例中利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统的组成结构示意图。
附图标记说明：1、压缩装置；2、第一换热器；3、冷却器；4、液化装置；5、储液装置；6、储冷装置；7、蒸发装置；8、气体缓冲装置；9、第二换热器；10、膨胀装置；11、发电机；12、高温储热装置；13、低温储热装置；14、深冷泵。
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。
如图1所示的一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，包括储能单元、液化单元、储存液态工质的储液单元、气化单元和释能单元。所述储能单元包括通过管路依次连接的压缩装置1、第一换热器2和冷却器3。所述释能单元包括通过管路依次相通的第二换热器9和膨胀装置10，膨胀装置10的膨胀输出端连接有发电机11。所述液化单元包括进口端与所述冷却器3的出口端相通的液化装置4。所述气化单元包括出口端与所述第二换热器9的进口端相通的蒸发装置7。所述储液单元包括连接于所述液化装置4和所述蒸发装置7之间的储液装置5。所述储能单元、所述液化单元、所述储液单元、所述气化单元和所述释能单元形成工质以气相－液相－气相的流动、换热和储存的通道；所述蒸发装置7和所述第二换热器9之间还连通有气体缓冲装置8；所述蒸发装置7中生成的气态工质在所述气体缓冲装置8中暂存后进入所述第二换热器9，以缩短所述膨胀装置10调节输出频率和/或输出功率过程中的响应时间。
在本实施例中，液化空气储能系统还包括储热单元，储热单元包括与所述第一换热器2和所述第二换热器9构成换热循环通道的高温储热装置12和低温储热装置13，所述换热循环通道内设有换热介质。高温储热过程中，换热介质收集气态工质在经过所述第一换热器2的过程中产生的高温热量，并存储在所述高温储热装置12中；低温储热过程中，换热工质收集气态工质在经过所述第二换热器9的过程中产生的低温热量，并存储在所述低温储热装置13中。而且，高温储热装置12储存的高温热量可以用于第二换热器9中气态工质的升温，低温储热装置13储存的低温热量可以用于对第一换热器2中气态工质的降温。通过利用第一换热器2和高温储热装置12储存气态介质压缩过程中产生的高温热量，并利用第二换热器9和低温储热装置13储存气态介质膨胀过程中产生的低温热量，可以实现系统能量的回收和利用，提高系统储能效率。
在本实施例中，所述蒸发装置7和所述液化装置4之间还连通有储冷装置6，液态工质在所述蒸发装置7中蒸发产生的冷能被储冷介质收集后存储在所述储冷装置6中，所述储冷装置6中储冷介质存储的冷能用于对所述液化装置4中的工质进行冷却降温；液化装置4和蒸发装置7之间还设有供经过液化装置4释放冷能后的储冷介质回流至蒸发装置7的介质通道。储冷装置6的设置可以提高液化空气储能系统的液化效率。
在本实施例中，所述蒸发装置7和所述储液装置5之间还连通有用于增加所述储液装置5流出液态工质的流体压力的深冷泵14。深冷泵14可以对储液装置5中流出的低温液态工质进行增压，提高后续低温液态工质汽化形成气态工质时的流量和压力，可以更好地为发电装置提供高压气体作为发电介质。
具体的，气体缓冲装置8为内部具有空腔的气体缓冲罐。气体缓冲罐的数量可以是一个或多个，多个气体缓冲罐可以采用并联或串联的方式连通在蒸发装置7和第二换热器9之间。优选的，所述气体缓冲罐设有用于导流以使工质均匀稳定流向所述第二换热器9的罐内导流结构。蒸发装置汽化产生的气态工质在气体缓冲罐内经过罐内导流结构的导流作用后，工质可以长时间均匀稳定地向第二换热器9内输送，从而提高液化空气储能系统的调频性能。
具体的，液化空气储能系统中流动的工质可以为空气，或空气与氮气、氧气、二氧化碳、甲烷、乙烯中一种或多种的组合。
综上所述，本发明实施例提供的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统的工作原理如下：在储能阶段过程中，气态工质经过所述压缩装置1压缩后依次经过所述第一换热器2和所述冷却器3进行逐步冷却，经过冷却后的气态工质经过所述液化装置4液化后存储在所述储液装置5中；在释能阶段过程中，所述储液装置5内的液态工质经过所述蒸发装置7蒸发形成气态工质后进入所述气体缓冲装置8中暂存，然后经过所述第二换热器9升温后进入所述膨胀装置10进行膨胀做功；与现有技术中，液态工质先吸热汽化再进行膨胀做功的方式相比，可以缩短液化空气储能系统调节输出频率和/或输出功率过程中的响应时间，提高液化空气储能系统的调频性能，实现液化空气储能技术在电网调频领域的应用和推广。
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 (5)

1.一种利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，包括储能单元、液化单元、储存液态工质的储液单元、气化单元和释能单元：
所述储能单元包括通过管路依次连接的压缩装置(1)、第一换热器(2)和冷却器(3)；
所述释能单元包括通过管路依次相通的第二换热器(9)和膨胀装置(10)；
所述液化单元包括进口端与所述冷却器(3)的出口端相通的液化装置(4)；
所述气化单元包括出口端与所述第二换热器(9)的进口端相通的蒸发装置(7)；
所述储液单元包括连接于所述液化装置(4)和所述蒸发装置(7)之间的储液装置(5)；
所述储能单元、所述液化单元、所述储液单元、所述气化单元和所述释能单元形成工质以气相-液相-气相的流动、换热和储存的通道；
其特征在于，所述蒸发装置(7)和所述第二换热器(9)之间还连通有气体缓冲装置(8)；所述气体缓冲装置(8)为内部具有空腔的气体缓冲罐,所述气体缓冲罐设有用于导流以使工质均匀稳定流向所述第二换热器(9)的罐内导流结构;所述蒸发装置(7)中生成的气态工质在所述气体缓冲装置(8)中暂存后进入所述第二换热器(9)，以缩短所述膨胀装置(10)调节输出频率和/或输出功率过程中的响应时间;
还包括与所述第一换热器(2)和所述第二换热器(9)构成换热循环通道的高温储热装置(12)和低温储热装置(13)，所述换热循环通道内设有换热介质；
高温储热过程中，换热介质收集气态工质在经过所述第一换热器(2)的过程中产生的高温热量，并存储在所述高温储热装置(12)中；低温储热过程中，换热工质收集气态工质在经过所述第二换热器(9)的过程中产生的低温热量，并存储在所述低温储热装置(13)中。
2.根据权利要求1所述的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，其特征在于，所述蒸发装置(7)和所述储液装置(5)之间还连通有用于增加所述储液装置(5)流出液态工质的流体压力的深冷泵(14)。
3.根据权利要求1所述的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，其特征在于，所述蒸发装置(7)和所述液化装置(4)之间还连通有储冷装置(6)，液态工质在所述蒸发装置(7)中蒸发产生的冷能被储冷介质收集后存储在所述储冷装置(6)中，所述储冷装置(6)中储冷介质存储的冷能用于对所述液化装置(4)中的工质进行冷却降温；所述液化装置(4)和所述蒸发装置(7)之间还设有供经过所述液化装置(4)释放冷能后的储冷介质回流至所述蒸发装置(7)的介质通道。
4.根据权利要求1所述的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，其特征在于，所述工质为空气，或空气与氮气、氧气、二氧化碳、甲烷、乙烯中一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的利用气体缓冲装置提升调频性能的液化空气储能系统，其特征在于，所述膨胀装置(10)的膨胀输出端连接有发电机(11)。
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