CN111894688A - 一种空气多级膨胀发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空气多级膨胀发电系统和方法，系统包括控制器、深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块；深冷泵一侧连接液化子系统，另一侧通过蒸发器与膨胀发电模块连接，所述膨胀发电模块还与空气压缩子系统连接；所述膨胀发电模块包括至少两个膨胀机；所述深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块均与控制器连接。本发明能够实现进入深冷泵的液化空气流量可调，保持各换热器出口处的空气温度相同且恒定，保证了整个系统冷热能量的充分合理利用，提高了系统的发电效率，满足工艺设计需求，采用多级换热器对进入多级膨胀机的空气进行加热，防止膨胀机内温度过低，影响膨胀机的正常稳定运行，提高了膨胀机的发电效率；确保整个系统在最佳状态稳定运行，发电效率高，避免出现排气压力过高和过低的情况。

Description

一种空气多级膨胀发电系统和方法
技术领域
本发明涉及深冷液化空气储能技术领域，具体涉及一种空气多级膨胀发电系统和方法。
背景技术
电力新能源发电呈高速发展趋势，然而新能源的随机性、间歇性、反调峰性等特点，其大规模并入电网将给系统安全稳定运行、调度等多方面带来不利影响，其中系统调峰能力不足已成为影响电网接纳新能源的主要约束。采用大规模能量型储能技术可提升电网调峰能力，是解决电网弃风限电问题重要手段，同时也能够改善风电对输电通道的占用，提高电网的灵活调控能力。
深冷液化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，并在电网负荷高峰期，利用释放储罐中的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。
目前，膨胀机作为深冷液化空气储能技术中压缩空气储能发电系统的核心做功部件，对压缩空气储能发电系统的效率具有很大的影响。压缩空气储能发电系统运行过程中，由于储气室的空气压力逐渐下降，为了维持膨胀机进口的压力恒定，通常采用节流阀将空气节流稳定至一个较低的压力，然后进入膨胀机膨胀做功，由于节流阀的使用，导致高压空气的做功能力下降，从而导致整个发电系统的发电效率低。
发明内容
为了克服上述现有技术中发电效率低的不足，本发明提供一种空气多级膨胀发电系统和方法，包括控制器、深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块；所述深冷泵一侧连接液化子系统，另一侧通过蒸发器与膨胀发电模块连接，所述膨胀发电模块还与空气压缩子系统连接；所述膨胀发电模块包括至少两个膨胀机；所述深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块均与控制器连接；
所述控制器用于对深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块进行控制；
所述深冷泵用于在控制器的控制下，将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
所述蒸发器用于在控制器的控制下，将加压后的液化空气进行汽化，得到常温空气；
所述膨胀发电模块用于在控制器的控制下，基于常温空气进行发电。
所述膨胀发电模块包括多级换热器、多级膨胀机和发电机；
膨胀发电模块中各膨胀机间分别设有换热器，各换热器用于加热输入各所述膨胀机的级前空气。
膨胀发电模块还包括发电机；
所有膨胀机均通过传动轴与发电机连接，所述控制器控制膨胀机对经过换热器的空气做功，带动所述传动轴转动，进而带动发电机工作将机械能转换为电能。
所有换热器的输入端与热介质储罐连接，所有换热器的输出端与冷介质储罐连接，用于对通过换热器的空气进行加热。
换热器与膨胀机之间以及第一级换热器与蒸发器之间均通过管道连接；
所述第一级换热器与蒸发器之间的管道上以及换热器与相应的前一级膨胀机之间的管道上均设有温度传感器。
每级换热器与热介质储罐之间通过管道连接；
每级换热器与热介质储罐之间的管道上均设有流量调节阀，用于调节热介质进入换热器的流量，保持各换热器出口处的空气温度相同。
所述控制器将温度传感器采集的温度与预设的温度阈值进行对比，当温度传感器采集的温度高于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度减小，当温度传感器采集的温度低于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度增大。
所述深冷泵出口处设有压力传感器，用于采集深冷泵出口处的压力。
还包括液化空气调节阀；
所述液化空气调节阀一端连接于液化子系统和深冷泵之间，另一端连接液化子系统，用于基于压力传感器采集深冷泵出口处的压力调节进入深冷泵的液化空气的流量。
还包括循环风机和蓄冷装置；
所述循环风机输入端与蒸发器输出端连接，其输出端通过蓄冷装置与蒸发器输入端连接，用于将液化空气汽化过程中释放的冷能进行存储。
另一方面，本发明还提供一种空气多级膨胀发电方法，包括：
控制器控制深冷泵将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
控制器控制蒸发器将加压后的液化空气进行汽化，得到常温气态空气；
控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电。
所述控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电，包括：
所述控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，且所述控制器基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度；
所述控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量；
所述控制器基于流量调节阀的开度、液化空气调节阀的开度和循环风机出口处的空气流量控制膨胀发电模块中的换热器对常温空气进行加热，并将加热后的空气传输给膨胀发电模块中的膨胀机；
所述膨胀机对加热后的空气做功，带动发电机的传动轴转动；
所述发电机将传动轴转动的机械能转换为电能。
控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，包括：
所述控制器将温度传感器采集的温度与预设的温度阈值进行对比，当温度传感器采集的温度高于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度减小，当温度传感器采集的温度低于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度增大。
所述基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度，包括：
所述控制器将深冷泵出口处的压力与预设的压力阈值进行对比，当深冷泵出口处的压力高于预设的压力阈值时，所述控制器将液化空气调节阀的开度增大，当深冷泵出口处的压力低于预设的压力阈值时，所述控制器将液化空气调节阀的开度减小。
所述控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量，包括：
当循环风机出口处的空气流量高于预设的流量阈值时，所述控制器降低循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量减小，当循环风机出口处的空气流量低于预设的流量阈值时，所述控制器加快循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量增大。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的空气多级膨胀发电系统包括控制器、深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块；所述深冷泵一侧连接液化子系统，另一侧通过蒸发器与膨胀发电模块连接，所述膨胀发电模块还与空气压缩子系统连接；所述膨胀发电模块包括至少两个膨胀机；所述深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块均与控制器连接；深冷泵用于在控制器的控制下，将来自于液化子系统的液化空气进行加压；蒸发器用于在控制器的控制下，将加压后的液化空气进行汽化，得到常温空气；膨胀发电模块用于在控制器的控制下，基于常温空气进行发电，通过膨胀发电模块大大提高了发电效率；
本发明中的液化空气调节阀一端连接于液化子系统和深冷泵之间，另一端连接液化子系统，实现进入深冷泵的液化空气流量可调；
换热器与热介质储罐之间的管道上设有多个流量调节阀，通过流量调节阀实现进入换热器的热介质的流量可调，并结合温度传感器，保持各换热器出口处的空气温度相同且恒定，保证了整个系统冷热能量的充分合理利用，提高了系统的发电效率，满足工艺设计需求。
本发明中的蓄冷装置将液化空气汽化过程中释放的冷能进行存储，通过循环风机控制进入第一级加热器的空气流量，维持各级加热器和各级膨胀机出口温度在设定温度；
本发明采用多级膨胀机，有效增加了膨胀机做功能力，同时多级膨胀可实现高压比膨胀，充分释放空气中压力能；
本发明采用多级换热器对进入多级膨胀机的空气进行加热，防止膨胀机内温度过低，影响膨胀机的正常稳定运行，提高了膨胀机的发电效率；
本发明通过液化空气调节阀控制进入深冷泵的液化空气的流量和压力，通过多个温度传感器和流量调节阀调节通过换热器的空气温度，确保整个系统在最佳状态稳定运行，发电效率高，避免出现排气压力过高和过低的情况。
附图说明
图1是本发明实施例中空气多级膨胀发电系统结构图；
图2是本发明实施例中空气多级膨胀发电方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种空气多级膨胀发电系统，用于深冷液化空气储能，空气多级膨胀发电系统结构如图1所示，包括控制器、深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块；深冷泵一侧连接液化子系统，另一侧通过蒸发器与膨胀发电模块连接，膨胀发电模块还与空气压缩子系统连接；膨胀发电模块包括至少两个膨胀机；深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块均与控制器连接；
控制器用于对深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块进行控制；
深冷泵用于在控制器的控制下，将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
蒸发器用于在控制器的控制下，将加压后的液化空气进行汽化，得到常温空气；
膨胀发电模块用于在控制器的控制下，基于常温空气进行发电。
膨胀发电模块中各膨胀机间分别设有换热器，各换热器用于加热输入各膨胀机的级前空气。膨胀发电模块还包括发电机；即膨胀发电模块包括多级换热器、多级膨胀机和发电机；本发明实施例中膨胀机设有4级，换热器也设有4级，图1中的HE1-HE4即为多级换热器，图1中的E1-E4即为多级膨胀机，图1中的G即为发电机。
其中，第一级换热器一侧与蒸发器连接，其另一侧与第一级膨胀机连接，第一级膨胀机再通过第二级蒸发器与第二级膨胀机连接，最后一级膨胀机与空气压缩子系统连接，为空气压缩子系统提供洁净空气，即第一级换热器HE1的一侧与蒸发器连接，第一级换热器HE1的另一侧与第一级膨胀机E1连接，第一级膨胀机E1再通过第二级蒸发器HE2连接第二级膨胀机E2，依次类推，第4级膨胀机E4与空气压缩子系统连接，本发明设置了多级膨胀机，且采用多级换热器和多级膨胀机交替排列，与现有技术中未采用换热器的膨胀发电系统相比，能够维持每级膨胀机入口出空气温度恒定，提高了膨胀机的做功效率。
所有膨胀机均通过传动轴与发电机连接，即E1-E4通过一个传动轴与G连接，控制器控制膨胀机对经过换热器的空气做功，进而带动发电机工作，发电机将传动轴转动的机械能转换为电能并输出。
所有换热器的输入端与热介质储罐连接，所有换热器的输出端与冷介质储罐连接，用于对通过换热器的空气进行加热，即热介质储罐中的热介质通过所有换热器，对通过换热器的空气进行加热，热介质的温度降低，变为冷介质回到冷介质储罐。
换热器与膨胀机之间以及第一级换热器与蒸发器之间均通过管道连接；
第一级换热器与蒸发器之间的管道上以及换热器与相应的前一级膨胀机之间的管道上均设有温度传感器。
每级换热器与热介质储罐之间通过管道连接；
每级换热器与热介质储罐之间的管道上均设有流量调节阀，用于调节热介质进入换热器的流量，保持各换热器出口处的空气温度相同，即换热器HE1-HE4与热介质储罐之间的管道上均设有流量调节阀，如图1中的V1-V4，流量调节阀的设置用于控制换热器出口温度恒定，保证了整个系统冷热能量的充分合理利用，提高了系统的发电效率，满足工艺设计需求。
深冷泵出口处设有压力传感器，用于采集深冷泵出口处的压力。本发明实施例1中的深冷泵为变频泵，通过调节深冷泵的转速调节深冷泵出口处的液化空气的压力和流量。
本发明实施例提供的空气多级膨胀发电装置还包括液化空气调节阀，图1中的V即为液化空气调节阀；
液化空气调节阀一端连接于液化子系统和深冷泵之间，另一端连接液化子系统，用于基于压力传感器采集深冷泵出口处的压力调节进入深冷泵的液化空气的流量。
本发明实施例1提供的空气多级膨胀发电系统还包括循环风机和蓄冷装置；
循环风机输入端与蒸发器输出端连接，其输出端通过蓄冷装置与蒸发器输入端连接，蓄冷装置用于将液化空气汽化过程中释放的冷能进行存储，循环风机用于控制进入第一级加热器的空气流量，维持各级加热器和各级膨胀机出口温度在设定温度。
实施例2
基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种空气多级膨胀发电方法，如图2所示，具体过程如下：
控制器控制深冷泵将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
控制器控制蒸发器将加压后的液化空气进行汽化，得到常温气态空气；
控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电。
控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电，包括：
控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，且控制器基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度；
控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量；
控制器基于流量调节阀的开度、液化空气调节阀的开度和循环风机出口处的空气流量控制膨胀发电模块中的换热器对常温空气进行加热，并将加热后的空气传输给膨胀发电模块中的膨胀机；
膨胀机对加热后的空气做功，带动发电机的传动轴转动；
发电机将传动轴转动的机械能转换为电能。
控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，包括：
控制器将温度传感器采集的温度与预设的温度阈值进行对比，当温度传感器采集的温度高于预设的温度阈值时，控制器将流量调节阀的开度减小，使得通过换热器的热介质流量减小，进而使换热器与蒸发器/膨胀机之间管道内空气的温度降低；当温度传感器采集的温度等于预设的温度阈值时，流量调节阀的开度不变；当温度传感器采集的温度低于预设的温度阈值时，控制器将流量调节阀的开度增大，使得通过换热器的热介质流量增大，进而使换热器与蒸发器/膨胀机之间管道内空气的温度升高。从蒸发器出来的常温空气经过第一级换热器后，温度会升高，再经过第一级膨胀机后，温度会降低，经过第二级换热器后，温度又会升高，即每级膨胀机发电后，从膨胀机出来的空气温度都会下降，常温空气依次经过所有膨胀机后，压力持续降低，即最后从一级膨胀机出来的空气压力最低，进入空气压缩子系统。本发明实施例中，通过控制器调节流量调节阀的开度，实现通过换热器的热介质流量可调，进而控制换热器出口空气温度，即控制进入下级膨胀机的入口空气温度。控制器通过单回路PID控制方法调节流量调节阀的开度。
基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度，包括：
控制器将深冷泵出口处的压力与预设的压力阈值进行对比，当深冷泵出口处的压力高于预设的压力阈值时，控制器将液化空气调节阀的开度增大，开度增大后，进入深冷泵的液化空气流量就会加大，深冷泵出口处的压力随之增大；当深冷泵出口处的压力等于预设的压力阈值时，液化空气调节阀的开度不变；当深冷泵出口处的压力低于预设的压力阈值时，控制器将液化空气调节阀的开度减小，开度减小后，进入深冷泵的液化空气流量就会减小，深冷泵出口处的压力随之减小；即从液化子系统出来的液化空气分成两路，一部分通过装有液化空气调节阀的管道回到液化子系统，一部分进入蒸发器，本发明实施例通过调节液化空气调节阀的开度，与现有技术节流阀的使用，大大提高了整个系统的发电效率。本发明实施例中，控制器采用PID控制方式调节液化空气调节阀的开度。
控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量，包括：
当循环风机出口处的空气流量高于预设的流量阈值时，控制器降低循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量减小，当循环风机出口处的空气流量低于预设的流量阈值时，控制器加快循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量增大。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种空气多级膨胀发电系统，其特征在于，包括控制器、深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块；
所述深冷泵一侧连接液化子系统，另一侧通过蒸发器与膨胀发电模块连接，所述膨胀发电模块还与空气压缩子系统连接；所述膨胀发电模块包括至少两个膨胀机；所述深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块均与控制器连接；
所述控制器用于对深冷泵、蒸发器和膨胀发电模块进行控制；
所述深冷泵用于在控制器的控制下，将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
所述蒸发器用于在控制器的控制下，将加压后的液化空气进行汽化，得到常温空气；
所述膨胀发电模块用于在控制器的控制下，基于常温空气进行发电。
2.根据权利要求1所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，所述膨胀发电模块中各膨胀机间分别设有换热器，各换热器用于加热输入各所述膨胀机的级前空气。
3.根据权利要求2所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，所述膨胀发电模块还包括发电机；
所有膨胀机均通过传动轴与发电机连接，所述控制器控制膨胀机对经过换热器的空气做功，带动所述传动轴转动，进而带动发电机工作将机械能转换为电能。
4.根据权利要求2所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，所有换热器的输入端与热介质储罐连接，所有换热器的输出端与冷介质储罐连接，用于对通过换热器的空气进行加热。
5.根据权利要求2所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，所述换热器与膨胀机之间以及第一级换热器与蒸发器之间均通过管道连接；
所述第一级换热器与蒸发器之间的管道上以及换热器与相应的前一级膨胀机之间的管道上均设有温度传感器。
6.根据权利要求2所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，每级换热器与热介质储罐之间通过管道连接；
每级换热器与热介质储罐之间的管道上均设有流量调节阀，用于调节热介质进入换热器的流量，保持各换热器出口处的空气温度相同。
7.根据权利要求1所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，所述深冷泵出口处设有压力传感器，用于采集深冷泵出口处的压力。
8.根据权利要求7所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，还包括液化空气调节阀；
所述液化空气调节阀一端连接于液化子系统和深冷泵之间，另一端连接液化子系统，用于基于压力传感器采集深冷泵出口处的压力调节进入深冷泵的液化空气的流量。
9.根据权利要求1所述的空气多级膨胀发电系统，其特征在于，还包括循环风机和蓄冷装置；
所述循环风机输入端与蒸发器输出端连接，其输出端通过蓄冷装置与蒸发器输入端连接，用于将液化空气汽化过程中释放的冷能进行存储。
10.一种空气多级膨胀发电方法，其特征在于，包括：
控制器控制深冷泵将来自于液化子系统的液化空气进行加压；
控制器控制蒸发器将加压后的液化空气进行汽化，得到常温气态空气；
控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电。
11.根据权利要求10所述的空气多级膨胀发电方法，其特征在于，所述控制器控制膨胀发电模块基于蒸发器输出的常温空气进行发电，包括：
所述控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，且所述控制器基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度；
所述控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量；
所述控制器基于流量调节阀的开度、液化空气调节阀的开度和循环风机出口处的空气流量控制膨胀发电模块中的换热器对常温空气进行加热，并将加热后的空气传输给膨胀发电模块中的膨胀机；
所述膨胀机对加热后的空气做功，带动发电机的传动轴转动；
所述发电机将传动轴转动的机械能转换为电能。
12.根据权利要求11所述的空气多级膨胀发电方法，其特征在于，所述控制器基于温度传感器采集的温度控制流量调节阀的开度，包括：
所述控制器将温度传感器采集的温度与预设的温度阈值进行对比，当温度传感器采集的温度高于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度减小，当温度传感器采集的温度低于预设的温度阈值时，所述控制器将流量调节阀的开度增大。
13.根据权利要求11所述的空气多级膨胀发电方法，其特征在于，所述基于压力传感器采集的深冷泵出口处的压力控制液化空气调节阀的开度，包括：
所述控制器将深冷泵出口处的压力与预设的压力阈值进行对比，当深冷泵出口处的压力高于预设的压力阈值时，所述控制器将液化空气调节阀的开度增大，当深冷泵出口处的压力低于预设的压力阈值时，所述控制器将液化空气调节阀的开度减小。
14.根据权利要求11所述的空气多级膨胀发电方法，其特征在于，所述控制器基于循环风机的转速控制循环风机出口处的空气流量，包括：
当循环风机出口处的空气流量高于预设的流量阈值时，所述控制器降低循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量减小，当循环风机出口处的空气流量低于预设的流量阈值时，所述控制器加快循环风机的转速，使得循环风机出口处的空气流量增大。
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