CN113028738A - 一种液态空气储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态空气储能装置，包括：压缩系统、空气液化和储存系统、液态空气产品生产系统和膨胀发电系统，空气液化和储存系统的入口与压缩系统的出口连接，空气液化和储存系统出口与液态空气产品生产系统和膨胀发电系统的入口连接，空气液化和储存系统用于将所述压缩系统产生的高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离，液态空气产品生产系统的出口与产品储罐相连，用于将所述液态空气产品作为气体产品生产，膨胀发电系统的出口与仪表生产系统相连，用于发电，本装置实现了对电网的调峰调频，提高电网运行的经济性，保证电网的安全运行，实现能源的综合利用，并且达到资源能源利用的最优化。

Description

一种液态空气储能装置
技术领域
本发明涉及液态空气储能技术领域，具体涉及一种液态空气储能装置。
背景技术
目前大规模应用的储能技术有抽水蓄冷、空气储能以及电池储能，这几种技术成本相对其它储能技术较低，且能够实现较长时间和大容量储能。抽水蓄能是当前最为成熟的大规模储能技术，具有效率高，储能容量大，设备技术成熟等优势，但同时受到蓄水池选址难的限制，阻碍了其在广大地区的推广应用；电池储能在小规模分散式应用中前景广阔，在科研方面也有很多新技术在发展，但是由于其全寿命周期成本高，生产及后续处理存在环境污染等问题，目前在大规模使用上仍存在制约。
空气储能应用和研究比较广泛的是压缩空气储能和液态空气储能，压缩空气储能以空气内能形式进行能量储存，可以使用多种类型的储存方式，包括地下盐洞和高压气体储罐等，但由于压缩空气储能通常需要大容积存储空间，这直接限制了压缩空气储能的进一步发展；而液态空气储能虽然解决了储存空间的问题，但仍然存在一些缺陷：其一，压缩机出口的气态空气在液化中必须利用外部冷源进行冷量补充，增加了系统的投资的同时降低了系统的独立运行能力，在特定场景运行十分不便；其二，常规的液态空气储能系统，采用直接将液态空气汽化后进入透平膨胀做功的工艺流程，对空气中性价比较高的氧气以及稀有气体氩气未进行分离；其三，现有的液态空气储能工艺流程中的空气为纯化过滤后的洁净空气，但膨胀做功后的乏汽采用直接排放；上述液态空气储能的缺陷造成了资源和能源的浪费，且增加了系统的投资。
同时，现有液态空气储能只能满足用户对电能储存的需求，而对于某些特定的厂区，如对电和气同时有需求的客户，必须分别修建电和气储能系统来满足客户的需求，增加了成本和能源的消耗。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种液态空气储能装置。
本发明提供的技术方案是：
一种液态空气储能装置，其特征在于：包括：压缩系统(100)、空气液化和储存系统(200)、液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)；
所述空气液化和储存系统(200)的入口与所述压缩系统(100)的出口连接；所述空气液化和储存系统(200)出口与液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)的入口连接，所述空气液化和储存系统(200)用于将所述压缩系统(100)产生的高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离；
所述液态空气产品生产系统(300)的出口与产品储罐相连，用于将所述液态空气产品作为气体产品生产；
所述膨胀发电系统(400)的出口与仪表生产系统相连，用于发电。
优选的，所述空气液化和储存系统(200)包括：汽液分离器(204)、液态空气储罐(205)、冷量自平衡装置(202)和液化器(203)；所述液化气(203)包括A侧通道和C侧通道；
所述汽液分离器(204)的液体出口与液态空气储罐(205)的入口连接，所述汽液分离器(204)的气体出口与液化器(203)C侧通道入口相连，形成返流气释冷通道；
所述冷量自平衡装置(202)的入口与所述压缩系统(100)的出口连接，所述冷量自平衡装置(202)的出口连接所述液化器(203)A侧通道入口，所述液化器(203)A侧通道出口与所述压缩系统(100)的入口连接，形成膨胀制冷量的释放通道。
优选的，所述冷量自平衡装置(202)包括：四级膨胀机、阀门(201)、压力测点和温度测点；
所述四级膨胀机包括一级膨胀机(2021)、二级膨胀机(2022)、三级膨胀机(2023)和四级膨胀机(2024)；
所述压力测点包括压力测点1(P1)、压力测点2(P2)、压力测点3(P3)和压力测点4(P4)；
所述温度测点包括温度测点1(T1)、温度测点2(T2)、温度测点3(T3)和温度测点4(T4)；
所述一级膨胀机(2021)的入口与阀门(201)的出口相连，所述一级膨胀机(2021)的出口与二级膨胀机(2022)的入口相连，并在所述一级膨胀机(2021)的出口管道上安装温度测点1(T1)和压力测点1(P1)；
所述二级膨胀机(2022)的出口与三级膨胀机(2023)的入口相连，并在所述二级膨胀机(2022)的出口管道上安装温度测点2(T2)和压力测点2(P2)；
所述三级膨胀机(2023)的出口与四级膨胀机(2024)的入口相连，并在所述三级膨胀机(2023)的出口管道上安装温度测点3(T3)和压力测点3(P3)；
所述四级膨胀机(2024)的出口与液化器(203)的A侧入口相连，并在所述四级膨胀机(2024)的出口管道上安装温度测点4(T4)和压力测点4(P4)。
优选的，所述膨胀机的类型为螺杆膨胀机或涡轮膨胀机。
优选的，所述液态空气产品生产系统(300)包括：液态空气分离装置(303)和气体产品储存装置(304)；
所述液态空气分离装置(303)的出口与气体产品储存装置(304)的入口连接，用于气体产品的生产与储存。
优选的，所述装置还包括：回热利用系统(500)和换热器；
所述回热利用系统(500)通过所述换热器与所述压缩系统(100)和所述膨胀发电系统(400)连接，用于将压缩过程的热量回收并在膨胀过程中利用。
优选的，所述回热利用系统(500)包括：热罐(501)、冷罐(502)、第一冷却器(504)、第二冷却器(505)、第一再热器(506)、第二再热器(507)；
所述冷罐(502)的出口分别与所述第一冷却器(504)和所述第二冷却器(505)的冷侧入口连接；
所述第一冷却器(504)和所述第二冷却器(505)的出口与热罐(501)的入口连接，用于完成对压缩热的回收工艺；
所述热罐(501)的出口与第一再热器(506)和第二再热器(507)的热侧入口连接；
所述第一再热器(506)和第二再热器(507)的热侧出口连接至所述冷罐(502)的入口，完成对膨胀过程的再热工艺。
优选的，所述压缩系统(100)包括：第一压缩机(101)、空气纯化器(102)、第二压缩机(103)；
所述第一压缩机(101)与所述第二冷却器(505)相连，形成第一级空气压缩和级间冷却；
所述第二冷却器(505)出口与所述空气纯化器(102)入口通过常温管道相连；
所述空气纯化器(102)、第二压缩机(103)以及第一冷却器(504)依次连接，形成第二级空气压缩和级后冷却。
优选的，所述膨胀发电系统(400)包括：第一膨胀机(401)和第二膨胀机(402)；
所述第二再热器(507)的冷侧、第一膨胀机(401)、第一再热器(506)的冷侧和第二膨胀机(402)依次连接，形成空气再热和膨胀的工艺通道。
优选的，所述空气液化和储存系统(200)还包括：液体流量计(F1)和气体流量计(F2)；
所述液化气(203)还包括B侧通道和D侧通道；
所述液体流量计(F1)入口与所述液化器(203)的B侧通道出口相连，所述液体流量计(F1)出口与汽液分离器(204)的入口相连，形成空气液化通道；
所述气体流量计(F2)的入口与所述液化器(203)的D侧通道出口连接，所述气体流量计(F2)的出口与第二再热器(507)的冷侧入口连接，形成液态空气气化通道。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明涉及一种液态空气储能装置，包括：压缩系统(100)、空气液化和储存系统(200)、液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)，所述空气液化和储存系统(200)的入口与所述压缩系统(100)的出口连接，所述空气液化和储存系统(200)出口与液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)的入口连接，所述空气液化和储存系统(200)用于将所述压缩系统(100)产生的高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离，所述液态空气产品生产系统(300)的出口与产品储罐相连，用于将所述液态空气产品作为气体产品生产，所述膨胀发电系统(400)的出口与仪表生产系统相连，用于发电，本装置实现了对电网的调峰调频，提高电网运行的经济性，保证电网的安全运行，能够实现能源的综合利用，并且达到资源能源利用的最优化。
2、本发明提供一种液态空气储能装置，通过调节系统的膨胀制冷量，提高整个系统的独立运行能力，对于特定的用户场景，如远离液态气体产品生产地的区域，具有很好的自适应效果，且具备平抑风电和光伏的上网波动问题。
3、本发明提供一种液态空气储能装置，该装置既可为用户提供气体产品(液氧、液氮、液氩以及仪表气)，亦可为用户提供电能供应，根据用户对电和气的需求，可平衡调节装置的发电量和气体产品的产量，一套装置具备提供多种产品服务的能力，满足用户需求的同时，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明储能装置示意图；
图2为本发明冷量自平衡装置示意图；
图3为本发明空气分离装置示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
如图1所示为本发明储能装置示意图，图中所述装置包括：压缩系统(100)、空气液化和储存系统200、液态空气产品生产系统300和膨胀发电系统400；
所述空气液化和储存系统200的入口与所述压缩系统100的出口连接；所述空气液化和储存系统200出口与液态空气产品生产系统300和膨胀发电系统400的入口连接，所述空气液化和储存系统200用于将所述压缩系统100产生的高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离；
所述液态空气产品生产系统300的出口与产品储罐相连，用于将所述液态空气产品作为气体产品生产；
所述膨胀发电系统400的出口与仪表生产系统相连，用于发电。
本装置实现了对电网的调峰调频，提高电网运行的经济性，保证电网的安全运行，能够实现能源的综合利用，并且达到资源能源利用的最优化。
所述空气液化和储存系统200包括：汽液分离器204、液态空气储罐205、冷量自平衡装置202和液化器203；所述液化气203包括A侧通道和C侧通道；
所述汽液分离器204的液体出口与液态空气储罐205的入口连接，所述汽液分离器204的气体出口与液化器203的C侧通道入口相连，形成返流气释冷通道；
所述冷量自平衡装置202的入口与所述压缩系统100的出口连接，所述冷量自平衡装置202的出口连接所述液化器203的A侧通道入口，所述液化器203的A侧通道出口与所述压缩系统100的入口连接，形成膨胀制冷量的释放通道。
如图2所示为本发明冷量自平衡装置示意图，所述冷量自平衡装置202包括：四级膨胀机、阀门201、压力测点和温度测点；
所述四级膨胀机包括一级膨胀机2021、二级膨胀机2022、三级膨胀机2023和四级膨胀机2024；
所述压力测点包括压力测点1P1、压力测点2P2、压力测点3P3和压力测点4P4；
所述温度测点包括温度测点1T1、温度测点2T2、温度测点3T3和温度测点4T4；
所述一级膨胀机2021的入口与阀门201的出口相连，所述一级膨胀机(2021)的出口与二级膨胀机2022的入口相连，并在所述一级膨胀机2021的出口管道上安装温度测点1T1和压力测点1P1；
所述二级膨胀机2022的出口与三级膨胀机2023的入口相连，并在所述二级膨胀机2022的出口管道上安装温度测点2T2和压力测点2P2；
所述三级膨胀机2023的出口与四级膨胀机2024的入口相连，并在所述三级膨胀机2023的出口管道上安装温度测点3T3和压力测点3P3；
所述四级膨胀机2024的出口与液化器203的A侧入口相连，并在所述四级膨胀机2024的出口管道上安装温度测点4T4和压力测点4P4。
其中，膨胀机的类型为螺杆膨胀机或涡轮膨胀机。
所述液态空气产品生产系统300包括：液态空气分离装置303和气体产品储存装置304；
所述液态空气分离装置303的出口与气体产品储存装置304的入口连接，用于气体产品的生产与储存。
本装置通过调节系统的膨胀制冷量，提高整个系统的独立运行能力，对于特定的用户场景，如远离液态气体产品生产地的区域，具有很好的自适应效果，且具备平抑风电和光伏的上网波动问题。
另外，该装置还包括：回热利用系统500和换热器；
所述回热利用系统500通过所述换热器与所述压缩系统100和所述膨胀发电系统400连接，用于将压缩过程的热量回收并在膨胀过程中利用。
所述回热利用系统500包括：热罐501、冷罐502、第一冷却器504、第二冷却器505、第一再热器506、第二再热器507；
所述冷罐502的出口分别与所述第一冷却器504和所述第二冷却器505的冷侧入口连接；
所述第一冷却器504和所述第二冷却器505的出口与热罐501的入口连接，用于完成对压缩热的回收工艺；
所述热罐501的出口与第一再热器506和第二再热器507的热侧入口连接；
所述第一再热器506和第二再热器507的热侧出口连接至所述冷罐502的入口，完成对膨胀过程的再热工艺。
所述压缩系统100包括：第一压缩机101、空气纯化器102、第二压缩机103；
所述第一压缩机101与所述第二冷却器505相连，形成第一级空气压缩和级间冷却；
所述第二冷却器505出口与所述空气纯化器102入口通过常温管道相连；
所述空气纯化器102、第二压缩机103以及第一冷却器504依次连接，形成第二级空气压缩和级后冷却。
所述膨胀发电系统400包括：第一膨胀机401和第二膨胀机402；
所述第二再热器507的冷侧、第一膨胀机401、第一再热器506的冷侧和第二膨胀机402依次连接，形成空气再热和膨胀的工艺通道。
所述空气液化和储存系统200还包括：液体流量计F1和气体流量计F2；
所述液化气203还包括B侧通道和D侧通道；
所述液体流量计F1入口与所述液化器203的B侧通道出口相连，所述液体流量计F1出口与汽液分离器204的入口相连，形成空气液化通道；
所述气体流量计F2的入口与所述液化器203的D侧通道出口连接，所述气体流量计F2的出口与第二再热器507的冷侧入口连接，形成液态空气气化通道。
本装置既可为用户提供气体产品(液氧、液氮和液氩以及仪表气)，亦可为用户提供电能供应，根据用户对电和气的需求，可平衡调节装置的发电量和气体产品的产量，一套装置具备提供多种产品服务的能力，满足用户需求的同时，降低了成本。
其中，阀门201用于控制膨胀装置的进气量，其控制信号由：膨胀装置的出口温度信号TE4,液体流量计F1的流量信号FE1,液化空气出口温度信号TE5，气体流量计F2的流量信号FE2,气化空气出口温度信号TE6组成,上述信号经过比例积分调节，输出一个信号给阀门201，用于控制阀门201的开度，达到控制进入膨胀装置的进气量的目的，冷量自平衡装置202运行状态分为正常运行状态和初始运行状态。
另外，所述冷量自平衡装置202的初始运行状态及控制原理为：液态空气储能系统在初始运行时，无气化和返流气侧的冷量，所有冷量由冷量自平衡装置202提供，阀门201的流量控制需满足：
ma(ha-out-ha-in)＝mb(hb-in-hb-out)
本发明所述冷量自平衡装置202的正常运行状态及控制原理：正常运行时，液化器203中储存有液态空气气化及汽液分离器204的返流气的冷量，返流气的流量较小可以忽略，故冷量自平衡装置202仅需补偿不足的冷量，即满足：
ma(ha-out-ha-in)+md(hd-out-hd-in)＝mb(hb-in-hb-out)
mb为液体流量计F1的测量值，md为气体流量计F2的测量值，ma为冷量自平衡装置202的流量，h为测点处空气的焓值，根据测点的温度和压力推导得出。
如图3所示，本发明所涉及的空气分离装置包括；下塔T1，其进口与液态空气储罐205和汽化器203的D侧出口相连，构成空气分离系统300的气源入口；其出口与主冷凝蒸发器HX1连接，主冷凝蒸发器HX1分离出氧气和氮气，其出口分别与氧气压缩机COMP-O和COMP-N相连，另一个出口与上塔T2相连，上塔出口与增效塔T3的进口相连，增效塔T3的出口为粗氩气。
实施例2
基于同一发明构思，本发明还提供一种液态空气储能方法，所述方法包括：
利用压缩系统100的出口与空气液化和储存系统200连接，可将常压空气压缩；
通过空气液化和储存系统200的出口与液态空气产品生产系统300和膨胀发电系统400的入口连接，可将高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离；
通过液态空气产品生产系统300的出口连接产品储罐，膨胀发电系统400的出口与外界大气环境和仪表生产系统连接，回热利用系统500、压缩系统100和膨胀发电系统400连接，可将压缩过程的热量回收并在膨胀过程中利用。
所述回热利用系统500、压缩系统100和膨胀发电系统400连接，
所述回热利用系统500通过换热器与压缩系统100和膨胀发电系统400连接。本方法运行方式：压缩系统100在电网负荷低谷阶段，通过消纳电网的电力，对空气进行压缩并通过空气液化和储存子系统200进行液化储存，压缩的热量由回热利用系统500储存；
在电网负荷尖峰阶段，液态空气产品生产系统300及膨胀发电系统400运行，完成释能及液态气体产品的生产。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种液态空气储能装置，其特征在于，包括：压缩系统(100)、空气液化和储存系统(200)、液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)；
所述空气液化和储存系统(200)的入口与所述压缩系统(100)的出口连接；所述空气液化和储存系统(200)出口与液态空气产品生产系统(300)和膨胀发电系统(400)的入口连接，所述空气液化和储存系统(200)用于将所述压缩系统(100)产生的高压气态空气降温液化，进行储存液态空气，并进行空气分离；
所述液态空气产品生产系统(300)的出口与产品储罐相连，用于将所述液态空气产品作为气体产品生产；
所述膨胀发电系统(400)的出口与仪表生产系统相连，用于发电。
2.根据权利要求1所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述空气液化和储存系统(200)包括：汽液分离器(204)、液态空气储罐(205)、冷量自平衡装置(202)和液化器(203)；所述液化气(203)包括A侧通道和C侧通道；
所述汽液分离器(204)的液体出口与液态空气储罐(205)的入口连接，所述汽液分离器(204)的气体出口与液化器(203)C侧通道入口相连，形成返流气释冷通道；
所述冷量自平衡装置(202)的入口与所述压缩系统(100)的出口连接，所述冷量自平衡装置(202)的出口连接所述液化器(203)A侧通道入口，所述液化器(203)A侧通道出口与所述压缩系统(100)的入口连接，形成膨胀制冷量的释放通道。
3.根据权利要求2所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述冷量自平衡装置(202)包括：四级膨胀机、阀门(201)、压力测点和温度测点；
所述四级膨胀机包括一级膨胀机(2021)、二级膨胀机(2022)、三级膨胀机(2023)和四级膨胀机(2024)；
所述压力测点包括压力测点1(P1)、压力测点2(P2)、压力测点3(P3)和压力测点4(P4)；
所述温度测点包括温度测点1(T1)、温度测点2(T2)、温度测点3(T3)和温度测点4(T4)；
所述一级膨胀机(2021)的入口与阀门(201)的出口相连，所述一级膨胀机(2021)的出口与二级膨胀机(2022)的入口相连，并在所述一级膨胀机(2021)的出口管道上安装温度测点1(T1)和压力测点1(P1)；
所述二级膨胀机(2022)的出口与三级膨胀机(2023)的入口相连，并在所述二级膨胀机(2022)的出口管道上安装温度测点2(T2)和压力测点2(P2)；
所述三级膨胀机(2023)的出口与四级膨胀机(2024)的入口相连，并在所述三级膨胀机(2023)的出口管道上安装温度测点3(T3)和压力测点3(P3)；
所述四级膨胀机(2024)的出口与液化器(203)的A侧入口相连，并在所述四级膨胀机(2024)的出口管道上安装温度测点4(T4)和压力测点4(P4)。
4.根据权利要求3所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述膨胀机的类型为螺杆膨胀机或涡轮膨胀机。
5.根据权利要求1所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述液态空气产品生产系统(300)包括：液态空气分离装置(303)和气体产品储存装置(304)；
所述液态空气分离装置(303)的出口与气体产品储存装置(304)的入口连接，用于气体产品的生产与储存。
6.根据权利要求1所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述装置还包括：回热利用系统(500)和换热器；
所述回热利用系统(500)通过所述换热器与所述压缩系统(100)和所述膨胀发电系统(400)连接，用于将压缩过程的热量回收并在膨胀过程中利用。
7.根据权利要求6所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述回热利用系统(500)包括：热罐(501)、冷罐(502)、第一冷却器(504)、第二冷却器(505)、第一再热器(506)、第二再热器(507)；
所述冷罐(502)的出口分别与所述第一冷却器(504)和所述第二冷却器(505)的冷侧入口连接；
所述第一冷却器(504)和所述第二冷却器(505)的出口与热罐(501)的入口连接，用于完成对压缩热的回收工艺；
所述热罐(501)的出口与第一再热器(506)和第二再热器(507)的热侧入口连接；
所述第一再热器(506)和第二再热器(507)的热侧出口连接至所述冷罐(502)的入口，完成对膨胀过程的再热工艺。
8.根据权利要求1所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述压缩系统(100)包括：第一压缩机(101)、空气纯化器(102)、第二压缩机(103)；
所述第一压缩机(101)与所述第二冷却器(505)相连，形成第一级空气压缩和级间冷却；
所述第二冷却器(505)出口与所述空气纯化器(102)入口通过常温管道相连；
所述空气纯化器(102)、第二压缩机(103)以及第一冷却器(504)依次连接，形成第二级空气压缩和级后冷却。
9.根据权利要求1所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述膨胀发电系统(400)包括：第一膨胀机(401)和第二膨胀机(402)；
所述第二再热器(507)的冷侧、第一膨胀机(401)、第一再热器(506)的冷侧和第二膨胀机(402)依次连接，形成空气再热和膨胀的工艺通道。
10.根据权利要求2所述的液态空气储能装置，其特征在于，所述空气液化和储存系统(200)还包括：液体流量计(F1)和气体流量计(F2)；
所述液化气(203)还包括B侧通道和D侧通道；
所述液体流量计(F1)入口与所述液化器(203)的B侧通道出口相连，所述液体流量计(F1)出口与汽液分离器(204)的入口相连，形成空气液化通道；
所述气体流量计(F2)的入口与所述液化器(203)的D侧通道出口连接，所述气体流量计(F2)的出口与第二再热器(507)的冷侧入口连接，形成液态空气气化通道。
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