CN111928524A - 一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法，该系统由第一汽轮机组、凝汽器、第二汽轮机组、第三汽轮机组、制冷压缩机、复叠制冷系统、吸收式制冷装置、空气压缩机、储冷装置、液体空气储罐、空气加热装置、空气膨胀机和控制阀门组成，该系统的运行方法包括包括储能模式和释能模式；该系统利用多余蒸汽驱动空气压缩机和复叠制冷系统，降低了能量传递损失并且深冷生产成本大幅度降低，汽轮机出口蒸汽潜热用于驱动吸收式制冷装置，产生的冷量用于冷却空气压缩机进口空气温度，降低压缩过程中空气温升从而减小耗功，提高了整体的储能效率。

Description

一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法
技术领域
本发明属于储能调峰技术领域，具体涉及一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法，适用于以燃煤机组为典型的各种热发电厂，能够提高燃煤机组的调峰能力和储能系统的经济性。
背景技术
目前我国风能、太阳能等可再生能源逐年迅猛发展，加之全社会用电量逐年攀升，电网用电峰谷差日益增大，电网对燃煤机组调峰次数及深度的要求均大幅提升。
目前提高燃煤机组调峰能力的技术主要有电锅炉蓄热技术、水罐蓄热技术、汽轮机蒸汽流程改造技术、电化学电池储能技术等，电锅炉蓄热技术是将电能转化为热能后用于供暖，调峰能力强，但能量品质大幅度降低、只适用于热电联产机组，水罐蓄热技术和汽轮机蒸汽流程改造技术热经济性较好、投资相对低，但调峰能力有限，也只适用于热电联产机组，电化学电池储能技术响应快、体积小、建设周期短，但寿命短、平均成本很高、安全风险大，是否适合建设大规模储能实施仍需工程示范验证。
发明内容
为克服现有燃煤机组调峰技术的不足，本发明提出一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法，空气压缩过程中温度升高的很快，大部分高品位电能因此转化为热能，这造成压缩机耗能很大、系统储能效率降低，此外深冷制取过程中耗能很大、COP很低，这也是影响液化空气储能系统经济性的关键因素，本发明可以有效解决这些问题。调峰期间机组产生大量多余的具备作功能力的蒸汽，利用其中一部分蒸汽驱动小汽轮机再带动空气压缩机压缩空气，减小了能量传递损失；利用另一部分蒸汽驱动小汽轮机再带动制冷压缩机压缩制冷工质，最终通过复叠制冷系统获得所需冷量，该部分冷量的生产成本基本为零；小汽轮机出口排汽的潜热用于驱动吸收式制冷装置，获得的低品位冷量用于冷却压缩机进口空气的温度，以减少每级压缩机耗功进而提高储能效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，由第一汽轮机组1、第一阀门2、凝汽器3、第二阀门4、第三阀门5、第二汽轮机组6、第三汽轮机组7、制冷压缩机8、复叠制冷系统9、吸收式制冷装置10、空气压缩机11、第四阀门12、储冷装置13、第五阀门14、液体空气储罐15、第六阀门16、空气加热装置17、空气膨胀机18和第七阀门19所组成；
所述第一汽轮机组1包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门2依次与低压缸和凝汽器3连接，中压缸出口通过第二阀门4与第三汽轮机组7蒸汽入口连接，中压缸出口通过第三阀门5与第二汽轮机组6蒸汽入口连接；第二汽轮机组6通过连接轴直接带动空气压缩机11压缩空气；第三汽轮机组7通过连接轴直接带动制冷压缩机8转动，制冷压缩机8驱动复叠制冷系统9，复叠制冷系统9通过第四阀门12与储冷装置13连接；吸收式制冷装置10空气冷却侧出口依次与空气压缩机11、储冷装置13降温液化侧入口、储冷装置13降温液化侧出口、第五阀门14、液体空气储罐15、第六阀门16、储冷装置13冷能回收侧入口、储冷装置13冷能回收侧出口、空气加热装置17和空气膨胀机18连接；第二汽轮机组6和第三汽轮机组7出口依次与吸收式制冷装置10蒸汽驱动侧入口、吸收式制冷装置10蒸汽驱动侧出口、第七阀门19和凝汽器3出口连接；该系统利用多余蒸汽驱动空气压缩机和复叠制冷系统，降低了能量传递损失并且大幅度降低深冷生产成本，汽轮机出口蒸汽潜热用于驱动吸收式制冷装置，产生的冷量用于冷却空气压缩机进口空气温度，降低压缩过程中空气温升从而减小耗功，提高了整体的储能效率。
所述第二阀门4、第三阀门5与第一汽轮机组1的中压缸出口连接，或根据发电机组情况优化筛选抽汽位置。
所述复叠制冷系统9通过蒸汽驱动的制冷压缩机8来带动，调峰期间高负荷运行，非调峰期间基本不运行，获得的冷量保存在储冷装置13中，用于高压空气的降温液化。
所述吸收式制冷装置10由第二汽轮机6、第三汽轮机组7出口乏汽驱动，产生的冷量用于降低空气压缩机进口空气温度。
所述空气压缩机11表示一级或多级，当为多级时，空气经过压缩后进行冷却，冷却后的空气重新进入下一级空气压缩机提升压力直至末级。
所述空气加热装置17和空气膨胀机18为一级或者多级，空气加热装置17和空气膨胀机18数量一一对应，每级空气加热装置后串联对应的空气膨胀机。
所述空气加热装置17由第一汽轮机组1的抽汽作为热源，或根据情况由热力过程的储热量作为热源。
该系统适用于热电联产机组和纯凝机组，深冷制取成本大幅度降低，利用乏汽潜热驱动吸收式制冷机组冷却空气，压缩阶段空气温升较小、耗功较小，具有较高的储能效率和经济性。
所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统的运行方法，包括储能模式和释能模式，具体如下：
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门4、第三阀门5、第四阀门12、第五阀门14和第七阀门19，调整第一阀门2的开度，关闭第六阀门16；第一汽轮机组1中压缸出口的一部分蒸汽通过第三阀门5进入第二汽轮机组6推动其高速转动，第二汽轮机组6通过连接轴带动空气压缩机11压缩空气；第一汽轮机组1中压缸出口的另外一部分蒸汽通过第二阀门4进入第三汽轮机组7推动其高速转动，第三汽轮机组7通过连接轴带动制冷压缩机8旋转从而驱动复叠制冷系统9运行，利用输冷介质将复叠制冷系统9制取的冷量通过第四阀门12储存在储冷装置13中；第一汽轮机组1中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组1的低压缸作功，再进入凝汽器3放热生成凝结水；第二汽轮机组6和第三汽轮机组7出口排汽驱动吸收式制冷装置10制取低品位冷量，排汽凝结成水后通过第七阀门19送至凝汽器3出口，再继续进入燃煤机组热力系统；空气先经过吸收式制冷装置10冷却，再进入空气压缩机11中提高压力，高压空气先经储冷装置13降温液化后再通过第五阀门14进入液体空气储罐15储存；
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门4、第三阀门5、第四阀门12、第五阀门14和第七阀门19，打开第一阀门2和第六阀门16；低温液态空气从液体空气储罐15流出，经储冷装置13进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入空气加热装置17，高温高压空气进入空气膨胀机18膨胀作功输出电能，空气膨胀机18出口为常压常温空气，排入周围环境。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明基于级前冷却的液化空气储能调峰系统和方法，适用于以燃煤机组为典型的各种热发电厂，能够提高燃煤机组的调峰能力和储能系统的经济性，该系统利用多余蒸汽驱动空气压缩机和复叠制冷系统，降低了能量传递损失并且大幅度降低深冷生产成本，汽轮机出口蒸汽潜热用于驱动吸收式制冷装置，产生的冷量用于冷却空气压缩机进口空气温度，降低压缩过程中空气温升从而减小耗功，提高了整体的储能效率。
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
图中：
1-第一汽轮机组 2-第一阀门 3-凝汽器 4-第二阀门
5-第三阀门 6-第二汽轮机组 7-第三汽轮机组 8-制冷压缩机
9-复叠制冷系统 10-吸收式制冷装置 11-空气压缩机
12-第四阀门 13-储冷装置 14-第五阀门 15-液体空气储罐
16-第六阀门 17-空气加热装置 18-空气膨胀机 19-第七阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，由第一汽轮机组1、第一阀门2、凝汽器3、第二阀门4、第三阀门5、第二汽轮机组6、第三汽轮机组7、制冷压缩机8、复叠制冷系统9、吸收式制冷装置10、空气压缩机11、第四阀门12、储冷装置13、第五阀门14、液体空气储罐15、第六阀门16、空气加热装置17、空气膨胀机18和第七阀门19所组成。
第一汽轮机组1包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门2依次与低压缸和凝汽器3连接，中压缸出口通过第二阀门4与第三汽轮机组7蒸汽入口连接，中压缸出口通过第三阀门5与第二汽轮机组6蒸汽入口连接；第二汽轮机组6通过连接轴直接带动空气压缩机11压缩空气；第三汽轮机组7通过连接轴直接带动制冷压缩机8转动，制冷压缩机8驱动复叠制冷系统9，复叠制冷系统9通过第四阀门12与储冷装置13连接；吸收式制冷装置10空气冷却侧出口依次与空气压缩机11、储冷装置13降温液化侧入口、储冷装置13降温液化侧出口、第五阀门14、液体空气储罐15、第六阀门16、储冷装置13冷能回收侧入口、储冷装置13冷能回收侧出口、空气加热装置17和空气膨胀机18连接；第二汽轮机组6和第三汽轮机组7出口依次与吸收式制冷装置10蒸汽驱动侧入口、吸收式制冷装置10蒸汽驱动侧出口、第七阀门19和凝汽器3出口连接。本发明系统利用多余蒸汽驱动空气压缩机和复叠制冷系统，降低了能量传递损失并且大幅度降低深冷生产成本，汽轮机出口蒸汽潜热用于驱动吸收式制冷装置，产生的冷量用于冷却空气压缩机进口空气温度，降低压缩过程中空气温升从而减小耗功，提高了整体的储能效率。
本发明一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统可以按照以下储能模式和释能模式运行。
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门4、第三阀门5、第四阀门12、第五阀门14和第七阀门19，调整第一阀门2的开度，关闭第六阀门16；第一汽轮机组1中压缸出口的一部分蒸汽通过第三阀门5进入第二汽轮机组6推动其高速转动，第二汽轮机组6通过连接轴带动空气压缩机11压缩空气；第一汽轮机组1中压缸出口的另外一部分蒸汽通过第二阀门4进入第三汽轮机组7推动其高速转动，第三汽轮机组7通过连接轴带动制冷压缩机8旋转从而驱动复叠制冷系统9运行，利用输冷介质将复叠制冷系统9制取的冷量通过第四阀门12储存在储冷装置13中；第一汽轮机组1中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组1的低压缸作功，再进入凝汽器3放热生成凝结水；第二汽轮机组6和第三汽轮机组7出口排汽驱动吸收式制冷装置10制取低品位冷量，排汽凝结成水后通过第七阀门19送至凝汽器3出口，再继续进入燃煤机组热力系统；空气先经过吸收式制冷装置10冷却，再进入空气压缩机11中提高压力，高压空气先经储冷装置13降温液化后再通过第五阀门14进入液体空气储罐15储存。
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门4、第三阀门5、第四阀门12、第五阀门14和第七阀门19，打开第一阀门2和第六阀门16；低温液态空气从液体空气储罐15流出，经储冷装置13进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入空气加热装置17，高温高压空气进入空气膨胀机18膨胀作功输出电能，空气膨胀机18出口为常压常温空气，排入周围环境。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：由第一汽轮机组(1)、第一阀门(2)、凝汽器(3)、第二阀门(4)、第三阀门(5)、第二汽轮机组(6)、第三汽轮机组(7)、制冷压缩机(8)、复叠制冷系统(9)、吸收式制冷装置(10)、空气压缩机(11)、第四阀门(12)、储冷装置(13)、第五阀门(14)、液体空气储罐(15)、第六阀门(16)、空气加热装置(17)、空气膨胀机(18)和第七阀门(19)所组成；
所述第一汽轮机组(1)包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门(2)依次与低压缸和凝汽器(3)连接，中压缸出口通过第二阀门(4)与第三汽轮机组(7)蒸汽入口连接，中压缸出口通过第三阀门(5)与第二汽轮机组(6)蒸汽入口连接；第二汽轮机组(6)通过连接轴直接带动空气压缩机(11)压缩空气；第三汽轮机组(7)通过连接轴直接带动制冷压缩机(8)转动，制冷压缩机(8)驱动复叠制冷系统(9)，复叠制冷系统(9)通过第四阀门(12)与储冷装置(13)连接；吸收式制冷装置(10)空气冷却侧出口依次与空气压缩机(11)、储冷装置(13)降温液化侧入口、储冷装置(13)降温液化侧出口、第五阀门(14)、液体空气储罐(15)、第六阀门(16)、储冷装置(13)冷能回收侧入口、储冷装置(13)冷能回收侧出口、空气加热装置(17)和空气膨胀机(18)连接；第二汽轮机组(6)和第三汽轮机组(7)出口依次与吸收式制冷装置(10)蒸汽驱动侧入口、吸收式制冷装置(10)蒸汽驱动侧出口、第七阀门(19)和凝汽器(3)出口连接；该系统利用多余蒸汽驱动空气压缩机和复叠制冷系统，降低了能量传递损失并且大幅度降低深冷生产成本，汽轮机出口蒸汽潜热用于驱动吸收式制冷装置，产生的冷量用于冷却空气压缩机进口空气温度，降低压缩过程中空气温升从而减小耗功，提高了整体的储能效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述第二阀门(4)、第三阀门(5)与第一汽轮机组(1)的中压缸出口连接，或根据发电机组情况优化筛选抽汽位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述复叠制冷系统(9)通过蒸汽驱动的制冷压缩机(8)来带动，调峰期间高负荷运行，非调峰期间基本不运行，获得的冷量保存在储冷装置(13)中，用于高压空气的降温液化。
4.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述吸收式制冷装置(10)由第二汽轮机(6)、第三汽轮机组(7)出口乏汽驱动，产生的冷量用于降低空气压缩机(11)进口空气温度。
5.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述空气压缩机(11)表示一级或多级，当为多级时，空气经过压缩后进行冷却，冷却后的空气重新进入下一级空气压缩机提升压力直至末级。
6.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述空气加热装置(17)和空气膨胀机(18)为一级或者多级，空气加热装置(17)和空气膨胀机(18)数量一一对应，每级空气加热装置后串联对应的空气膨胀机。
7.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述空气加热装置(17)由第一汽轮机组(1)的抽汽作为热源，或根据情况由热力过程的储热量作为热源。
8.根据权利要求1所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统，其特征在于：该系统适用于热电联产机组和纯凝机组，深冷制取成本大幅度降低，利用乏汽潜热驱动吸收式制冷机组冷却空气，压缩阶段空气温升较小、耗功较小，具有较高的储能效率和经济性。
9.权利要求1至8任一项所述的一种基于级前冷却的液化空气储能调峰系统的运行方法，其特征在于：包括储能模式和释能模式，具体如下：
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门(4)、第三阀门(5)、第四阀门(12)、第五阀门(14)和第七阀门(19)，调整第一阀门(2)的开度，关闭第六阀门(16)；第一汽轮机组(1)中压缸出口的一部分蒸汽通过第三阀门(5)进入第二汽轮机组(6)推动其高速转动，第二汽轮机组(6)通过连接轴带动空气压缩机(11)压缩空气；第一汽轮机组(1)中压缸出口的另外一部分蒸汽通过第二阀门(4)进入第三汽轮机组(7)推动其高速转动，第三汽轮机组(7)通过连接轴带动制冷压缩机(8)旋转从而驱动复叠制冷系统(9)运行，利用输冷介质将复叠制冷系统(9)制取的冷量通过第四阀门(12)储存在储冷装置(13)中；第一汽轮机组(1)中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组(1)的低压缸作功，再进入凝汽器(3)放热生成凝结水；第二汽轮机组(6)和第三汽轮机组(7)出口排汽驱动吸收式制冷装置(10)制取低品位冷量，排汽凝结成水后通过第七阀门(19)送至凝汽器(3)出口，再继续进入燃煤机组热力系统；空气先经过吸收式制冷装置(10)冷却，再进入空气压缩机(11)中提高压力，高压空气先经储冷装置(13)降温液化后再通过第五阀门(14)进入液体空气储罐(15)储存；
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门(4)、第三阀门(5)、第四阀门(12)、第五阀门(14)和第七阀门(19)，打开第一阀门(2)和第六阀门(16)；低温液态空气从液体空气储罐(15)流出，经储冷装置(13)进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入空气加热装置(17)，高温高压空气进入空气膨胀机(18)膨胀作功输出电能，空气膨胀机(18)出口为常压常温空气，排入周围环境。
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