CN112178615B - 一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统，液态压缩空气储能系统与燃煤发电机组整体耦合，增加了煤机调峰能力的同时，在储能‑发电过程挖掘企业盈利点，增加对外工业供汽、压缩空气以及冷量，促进了煤机由传统电源向综合能源服务基地转型，提升煤电在新形势下的生存能力和可持续发展能力。本发明合理匹配利用燃煤发电机组的冷源、热源及驱动源，运行方式灵活。此外，在燃煤发电机组单独售电的基础上，增加了工业供汽、压缩空气和冷量等产品，促进了煤机由传统电源向综合能源服务基地转型，提升煤电在新形势下的生存能力和可持续发展能力。

Description

一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统

【技术领域】

本发明属于热能综合利用技术领域，涉及一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统。

【背景技术】

随着全球经济、能源和环保形势的发展，当前燃煤电站将面临更为严格的环保要求和严峻的市场经营形势，主要表现为：1)电量调度由铭牌调度逐步向节能调度调整，要求燃煤电站持续进行节能降耗；2)火电发电小时数下降，发电侧盈利能力降低；3)可再生能源利用率低，火电机组灵活性调峰需求迫切，燃煤电站由当前的电源主力逐步向调峰主力转型，低年利用小时、低负荷率和频繁调峰是燃煤电站未来一段时期的主要现状，这一现状的持续时间取决于风电光水等新能源电力发展以及储能技术工业化生产。

目前风能、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。

外挂于燃煤发电机组汽水循环之外的调峰能力提升技术主要有：电锅炉蓄热技术、水罐蓄热技术、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居民供暖，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；水罐蓄热技术热经济性较好，但存在初投资较大、对长时间连续性的深度调峰要求适应性较差等缺点；电化学电池储能技术响应快、体积小、建设周期短，但存在整体寿命短、工业污染大等缺点。

液态压缩空气储能技术具有寿命长、环境污染小、运行维护费用低等特点，具备规模化推广应用潜力。但目前尚未有液态压缩空气储能技术与火电机组结合的公开报道。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统，本发明储能系统与煤电热力系统高效耦合，增加了煤机调峰能力的同时，在储能-发电过程挖掘企业盈利点，增加对外工业供汽、压缩空气以及冷量，促进了煤机由传统电源向综合能源服务基地转型，提升煤电在新形势下的生存能力和可持续发展能力。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统，包括：

燃煤发电机组，所述燃煤发电机组包括锅炉、汽轮机组以及加热单元；所述汽轮机组带动发电机发电，加热单元用于加热汽轮机组排汽的凝结水，将加热的凝结水输送至锅炉；

液化空气储能发电系统，所述液化空气储能发电系统包括同轴连接的第一空气压缩机和第二空气压缩机，所述第一空气压缩机由背压汽轮机驱动，第二空气压缩机由电动机驱动；第一空气压缩机的出口通过第一气水换热器与第二空气压缩机的入口相连，第二空气压缩机的出口通过第二气水换热器与制冷膨胀机的入口相连，制冷膨胀机的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的气体出口通过第三气水换热器连接至第一空气压缩机的入口，液体出口连接液化空气存储装置，液化空气存储装置的出口通过升压泵及加热器组与空气膨胀发电机相连。

本发明进一步的改进在于：

所述汽轮机组包括同轴设置的高压缸、中压缸以及低压缸；锅炉的新蒸汽出口与高压缸进汽口相连，高压缸的排汽口与锅炉再热器进口相连，锅炉再热器出口与中压缸的进汽口相连，中压缸的排汽口与低压缸的进汽口相连；低压缸与发电机的转轴相连，带动发电机发电；低压缸的排汽口连接凝汽器，凝汽器的出口依次连接凝结水泵、低压加热器组、给水泵以及高压加热器组，高压加热器组的出口与锅炉相连。

所述背压汽轮机与第一空气压缩机之间设置有第一离合器-齿轮箱，发电机与第二空气压缩机之间设置有第二离合器-齿轮箱。

所述背压汽轮机的汽源取自锅炉再热器出口的蒸汽；背压汽轮机的排汽作为低压等级工业蒸汽输出，中间抽汽作为高压等级工业蒸汽输出。

所述锅炉再热器出口的部分蒸汽分为三路，第一路通过第一阀门组进入背压汽轮机，第二路通过第二阀门组和第三阀门组输出高压等级工业蒸汽，第三路通过第二阀门组和第四阀门组输出低压等级工业蒸汽；背压汽轮机的中间抽汽通过第五阀门组输出高压等级工业蒸汽，排汽通过第六阀门组输出低压等级工业蒸汽。

所述加热器组包括依次相连的第一加热器和第二加热器，第一加热器的入口与升压泵的出口相连，第二加热器的出口与空气膨胀发电机的入口相连；第一加热器的热源取自低压加热器组出口的高温凝结水，换热后输送回低压加热器的入口；第二加热器的热源取自高压加热器出口的高温给水，换热后输送回高压加热器的入口。

所述第一气水换热器和第二气水换热器的冷源均取自低压加热器组进口凝结水，换热后输送回低压加热器的出口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明液态压缩空气储能系统与燃煤发电机组整体耦合，合理匹配利用燃煤发电机组的冷源、热源及驱动源，运行方式灵活。此外，在燃煤发电机组单独售电的基础上，增加了工业供汽、压缩空气和冷量等产品，促进了煤机由传统电源向综合能源服务基地转型，提升煤电在新形势下的生存能力和可持续发展能力。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的系统示意图。

其中：1-锅炉；2-高压缸；3-中压缸；4-低压缸；5-发电机；6-凝汽器；7-凝结水泵；8-低压加热器组；9-给水泵；10-高压加热器组；11-背压汽轮机；12-第一空气压缩机；13-第一气水换热器；14-第二空气压缩机；15-第一离合器-齿轮箱；16-电动机；17-第二气水换热器；18-制冷膨胀机；19-气液分离器；20-第三气水换热器；21-液化空气存储装置；22-升压泵；23-第一加热器；24-第二加热器；25-空气膨胀发电机；26-第一阀门组；27-第二阀门组；28-第三阀门组；29-第四阀门组；30-第五阀门组；31-第六阀门组；32-第二离合器-齿轮箱。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统，包括燃煤发电机组、液化空气储能发电系统、工业供汽系统、压缩空气外供系统、供冷系统等部分组成。

锅炉1出口新蒸汽依次经过汽轮机高压缸2做功后返回锅炉1再热器二次提温后，部分进入中压缸3和低压缸4做功驱动发电机5发电，低压缸4排汽进入凝汽器6冷凝，依次流经凝结水泵7、低压加热器组8、给水泵9和高压加热器组10后进入锅炉吸热，完成燃煤发电机组汽水热力系统循环。

空气经第一空气压缩机12和第二空气压缩机14梯级加压后进入制冷膨胀机18实现降温，在气液分离器19实现空气的液态和气态分离，液态进入存储装置21，气态回至压缩机12再进行加压，此为空气的液化压缩过程。

储能发电过程为：液化空气存储装置21出口的液态空气经升压泵22加压以及第一加热器23和第二加热器24梯级加热升温后进入空气膨胀发电机25做功，排气排入大气环境。

本发明的原理：

电网要求燃煤发电机组参与深度调峰时，空气压缩液化过程启动：液态压缩空气储能发电系统的压缩机由煤机某级蒸汽拖动汽轮机实现驱动，中间抽汽及排汽用于工业蒸汽外供，空气压缩过程的热量用于加热低温凝结水，实现中间热量的回收利用，一部分压缩空气可对外供出，高压空气膨胀降温后部分液化存储至装置中，部分仍呈气态，将冷量对外供出后再回到压缩机入口进行压缩。电网要求燃煤发电机组提高电负荷时，储能系统的发电过程启动：液态空气经升压泵提压后再由燃煤发电机组凝结水和给水梯级加热升温后进入膨胀发电机发电，接带厂用电系统或对外供出。

本发明将燃煤发电机组热力循环和液化压缩空气储能发电系统有机耦合，空气压缩机采用背压汽轮机11和电动机16的双驱动配置方案，系统安全可靠性高。背压汽轮机11、第一空气压缩机12、第二空气压缩机14和电动机16同轴连接，其中背压汽轮机11和第一空气压缩机12之间设置有第一离合器-齿轮箱15，第二空气压缩机14和电动机16之间置有第二离合器-齿轮箱32。背压汽轮机11或电动机16其中一个故障，仍能保障压缩系统正常稳定运行。

背压汽轮机11汽源取自锅炉1再热器出口蒸汽，排汽用于低压等级工业蒸汽。背压汽轮机11设置有中间抽汽，用于高压等级工业蒸汽。当汽轮机故障或停运时，由再热蒸汽直接供给高压等级和低压等级工业蒸汽：第五阀门组30和第六阀门组31关闭，第二阀门组27、第三阀门组28和第四阀门组29开启，再热蒸汽分别进入高压和低压等级工业蒸汽管路。为保障燃煤发电机组汽水质量平衡，等外供工业蒸汽流量的除盐水需同时补充至凝汽器6内。

压缩过程的压缩热释放。空气经第一空气压缩机12加压升温后进入第一气水换热器13，将热量释放给煤机凝结水；第二空气压缩机14和第二气水换热器17的放热过程同理。从燃煤发电机组低压加热器组8入口引部分凝结水进入第一气水换热器13和第二气水换热器17，吸热升温后再回至低压加热器组8出口，避免压缩热外排造成能源浪费，同时排挤低压缸抽汽提高机组做功能力。

外供冷量。第二空气压缩机14出口的高压空气经制冷膨胀机18降温后，气态空气仍处于较低温度，通过第三气水换热器20将该部分冷量对外供出。

膨胀过程的吸热。液化空气存储装置21出口的液化空气经升压泵22升压后，在进入空气膨胀发电机25之前，由燃煤发电机组提供热源：从低压加热器组8出口引高温凝结水进入第一加热器23将低温空气初级加热，放热后的凝结水回至低压加热器组8入口，升温后的空气再进入第二加热器24，由从高压加热器10出口引高温给水进行二次加热，放热后的给水再回至高压加热器10入口。从温度对口、合理匹配的原则，采用煤机热力系统的不同等级的热源对压缩空气进行梯级加热，可有效提升系统的整体效率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于液态压缩空气储能系统的电汽气冷多联供系统，其特征在于，包括：

燃煤发电机组，所述燃煤发电机组包括锅炉（1）、汽轮机组以及加热单元；所述汽轮机组带动发电机（5）发电，加热单元用于加热汽轮机组排汽的凝结水，将加热的凝结水输送至锅炉（1）；

所述汽轮机组包括同轴设置的高压缸（2）、中压缸（3）以及低压缸（4）；锅炉（1）的新蒸汽出口与高压缸（2）进汽口相连，高压缸（2）的排汽口与锅炉（1）再热器进口相连，锅炉（1）再热器出口与中压缸（3）的进汽口相连，中压缸（3）的排汽口与低压缸（4）的进汽口相连；低压缸（4）与发电机（5）的转轴相连，带动发电机（5）发电；低压缸（4）的排汽口连接凝汽器（6），凝汽器（6）的出口依次连接凝结水泵（7）、低压加热器组（8）、给水泵（9）以及高压加热器组（10），高压加热器组（10）的出口与锅炉（1）相连；

液化空气储能发电系统，所述液化空气储能发电系统包括同轴连接的第一空气压缩机（12）和第二空气压缩机（14），所述第一空气压缩机（12）由背压汽轮机（11）驱动，第二空气压缩机（14）由电动机（16）驱动；第一空气压缩机（12）的出口通过第一气水换热器（13）与第二空气压缩机（14）的入口相连，第二空气压缩机（14）的出口通过第二气水换热器（17）与制冷膨胀机（18）的入口相连，制冷膨胀机（18）的出口与气液分离器（19）的入口相连，气液分离器（19）的气体出口通过第三气水换热器（20）连接至第一空气压缩机（12）的入口，液体出口连接液化空气存储装置（21），液化空气存储装置（21）的出口通过升压泵（22）及加热器组与空气膨胀发电机（25）相连；

所述背压汽轮机（11）与第一空气压缩机（12）之间设置有第一离合器-齿轮箱（15），电动机（16）与第二空气压缩机（14）之间设置有第二离合器-齿轮箱（32）；

所述背压汽轮机（11）的汽源取自锅炉（1）再热器出口的蒸汽；背压汽轮机（11）的排汽作为低压等级工业蒸汽输出，中间抽汽作为高压等级工业蒸汽输出；

所述锅炉（1）再热器出口的部分蒸汽分为三路，第一路通过第一阀门组（26）进入背压汽轮机（11），第二路通过第二阀门组（27）和第三阀门组（28）输出高压等级工业蒸汽，第三路通过第二阀门组（27）和第四阀门组（29）输出低压等级工业蒸汽；背压汽轮机（11）的中间抽汽通过第五阀门组（30）输出高压等级工业蒸汽，排汽通过第六阀门组（31）输出低压等级工业蒸汽；

所述加热器组包括依次相连的第一加热器（23）和第二加热器（24），第一加热器（23）的入口与升压泵（22）的出口相连，第二加热器（24）的出口与空气膨胀发电机（25）的入口相连；第一加热器（23）的热源取自低压加热器组（8）出口的高温凝结水，换热后输送回低压加热器组（8）的入口；第二加热器（24）的热源取自高压加热器组（10）出口的高温给水，换热后输送回高压加热器组（10）的入口；

所述第一气水换热器（13）和第二气水换热器（17）的冷源均取自低压加热器组（8）进口凝结水，换热后输送回低压加热器组（8）的出口。

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