CN113090507A - 一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法 - Google Patents

一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法 Download PDF

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Abstract

一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法，系统包括：空气压缩系统，用于提供压缩空气，其入口为系统的空气入口；调压阀，其入口接空气压缩系统的出口，调节输出压缩空气的压力；涡流管，其入口接调压阀的出口，将压缩空气转变为冷热气流，其中冷气流为用户供冷；有机朗肯循环系统，以所述涡流管输出的热气流为热量，进行发电和供热。本发明能够提高压缩空气储能的能量利用率，使整个系统能量的利用最大化，解决用户的用电、用冷、用热和用水问题，减少化石燃料的消耗和温室气体的排放。

Description

一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与 方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及压缩空气储能(CAES)、涡流管制冷、有机朗肯循环(ORC)以及冷热电联供(CCHP)领域，特别涉及一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法。
背景技术
压缩空气储能(CAES)技术作为一种大规模电力储能技术，可以实现电网的“削峰填谷”，使实时平衡的“刚性”电力系统变得更加“柔性”，从而提高电网运行的安全性、经济性和灵活性，并且使用寿命长，储能容量大，具有广泛的推广应用前景。但目前在压缩空气储能系统中，效率相对较低、能源转换方式单一，进入发电过程时，需要通过燃烧化石燃料来对其进行补燃，这就导致在消耗能源的同时也会增加碳排放。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法，以期提高压缩空气储能的能量利用率，使整个系统能量的利用最大化，解决用户的用电、用冷、用热和用水问题，减少化石燃料的消耗和温室气体的排放。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，包括：
空气压缩系统，用于提供压缩空气，其入口为系统的空气入口；
调压阀7，其入口接空气压缩系统的出口，调节输出压缩空气的压力；
涡流管8，其入口接调压阀7的出口，将压缩空气转变为冷热气流，其中冷气流为用户供冷；
有机朗肯循环系统，以所述涡流管8输出的热气流为热量，进行发电和供热。
优选地，所述空气压缩系统包括压缩机组合和换热器组合，压缩机组合的出口接储气室6，储气室6接调压阀7为其提供压缩空气。
优选地，所述压缩机组合和换热器组合采用多级压缩、中间冷却的方式，压缩机组合由N个压缩机串接组成，换热器组合由N-1个换热器组成，每个换热器连接在相邻的两个压缩机之间，对前一压缩机的出气进行降温，换热器组合中的各换热器的冷源侧入口均为冷水。
优选地，所述有机朗肯循环系统包括3#换热器9、膨胀机10、发电机11、4#换热器12、工质泵13及5#换热器14，其中3#换热器9的热源侧入口接涡流管8的热气流出口，即为有机朗肯循环系统的热源入口，3#换热器9的热源侧出口接6#换热器15的热源侧入口，3#换热器9的冷源侧出口接膨胀机10的入口，气态工质在膨胀机10中膨胀做功，带动发电机11产生电能。
优选地，所述膨胀机10膨胀做功后的工质出口接4#换热器12的热源侧入口，4#换热器12的冷源侧入口为冷水，冷源侧出口接6#换热器15的冷源测入口，6#换热器15的冷源测出口接热用户为其提供热能。
优选地，所述4#换热器12的热源侧出口接工质泵13的入口，工质泵13的出口接5#换热器14的冷源测入口，5#换热器14的冷源测出口接3#换热器9的冷源侧入口，5#换热器14的热源侧入口接换热器组合的冷源侧出口，5#换热器14的热源侧出口接入热用户为用户提供热水。
优选地，膨胀机10和4#换热器12之间、工质泵13和5#换热器14之间添加一个共用的回热器，回热器中两侧分别通入膨胀机10的排汽和工质泵13加压后的液态有机工质，液态工质被膨胀机10的排汽加热后进入5#换热器14，膨胀机10的排汽被液态工质冷却后进入4#换热器12。
优选地，各压缩机和膨胀机根据整个系统的空间布局，可以选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。
本发明还提供了基于所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统的冷热电联供方法，流程如下：
利用压缩机组合对空气进行压缩，得到压缩空气；
通过调压阀7调节至合适压力后送入涡流管8；
通入涡流管8的压缩空气被分成冷气流和热气流两股流体，其中冷气流用于供冷，热气流送至有机朗肯循环系统进行发电和供热。
具体地，在有机朗肯循环系统中，首先利用所述热气流将有机工质加热成为气态并在膨胀机10中膨胀做功，带动发电机11产生电能，降温后的热气流供至6#换热器15；
有机朗肯循环系统中有机工质在4#换热器12中由气态冷凝为液态，其中释放的热量通过冷水吸收，加热后的冷水通入6#换热器15，被降温后的热气流再次加热，然后送往热用户进行供热；
而在压缩空气的过程中，高温压缩空气在级间冷却器所释放的热量分别被通入的冷水吸收，被加热后的冷水供给5#换热器14对由水泵10输送的液态工质进行预热，然后送往热用户进行供热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、利用涡流管使高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流的特点，将热气流用于对有机朗肯循环系统提供热量，冷气流用于供冷，利用有机朗肯循环系统中的膨胀机膨胀做功产生电能，实现冷热电联供。
2、本发明在对空气进行压缩的过程中，通过级间冷却器对高温压缩空气所释放的热量进行再利用。
3、本发明利用能量梯级利用原理，对涡流管出口热气流进行高效地利用，热气流为有机朗肯循环系统提供热量，使气态有机工质在膨胀机中膨胀做功从而带动发电机发电，从而将各部分热量通过各换热器合理的利用起来。
4、本发明同时热气流的剩余热量继续对冷水进行加热并输送至热用户。在具有良好的经济效益和环境效益的同时满足用户的用电、用冷、用热和用水需求。
5、本发明通过将压缩空气过程中的级间冷却所释放的热量和有机朗肯循环系统中的低品位能量加以利用，实现了压缩空气中所蕴含能量的充分利用，使整个系统能量的利用最大化，并且无需使用额外的化石燃料，可以减少温室气体的排放。
6、本发明系统将涡流管与空气压缩系统、有机朗肯循环系统进行耦合，结构紧凑，在部件上以及形式上选择的多样性使得整个系统适应性更强，同时流量的合理分配使得系统运行更加的灵活。
7、本发明添加的回热器可以减少有机朗肯循环系统的冷源损失，进一步增加循环效率。
总之，与通常的压缩空气储能技术相比，本发明具有很高的能量利用率的同时，可以将大型的压缩空气储能装置微小化，也会减少化石燃料的消耗和温室气体的排放，同时还可以解决用户的用电、用冷、用热和用水问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
其中1为1#压缩机，2为2#压缩机，3为3#压缩机，4为1#换热器，5为2#换热器，6为储气室，7为调压阀，8为涡流管，9为3#换热器，10为膨胀机，11为发电机，12为4#换热器，13为工质泵，14为5#换热器，15为6#换热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明为一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，主要包括空气压缩系统、涡流管8和有机朗肯循环系统，空气压缩系统提供压缩空气，涡流管8将压缩空气转变为冷热气流，冷气流为用户供冷，有机朗肯循环系统则以该热气流为热量，进行发电和供热。
以上是本发明的主题技术路线，在此基础上，以下做出细节或者进一步优化说明。
1、空气压缩系统。
本发明中，针对压缩要求或者冷水吸收中间冷却过程的热量要求，空气压缩系统可采用压缩机组合和换热器组合，以提高压缩性能，压缩机组合和换热器组合采用单级或多级压缩、中间冷却的方式对空气进行压缩，即，压缩机组合由N个压缩机串接组成，换热器组合由N-1个换热器组成，每个换热器连接在相邻的两个压缩机之间，对前一压缩机的出气进行降温，其中换热器组合中的各换热器的冷源侧入口均为冷水。
在图1所示的实施例中，选择三级压缩，二级冷却。其中压缩机组合包括依次串接的1#压缩机1、2#压缩机2和3#压缩机3，1#压缩机1的进气口即为压缩机组合的进气口，3#压缩机3的出气口即为压缩机组合的出气口。换热器组合则包括1#换热器4和2#换热器5，1#压缩机1的出气口接1#换热器4的热源侧入口，1#换热器4的热源侧出口接2#压缩机2的进气口，2#压缩机2的出气口接2#换热器5的热源侧入口，2#换热器4的热源侧出口接3#压缩机3的入口。1#换热器4和2#换热器5的冷源侧入口均为冷水，即换热器组合的进水口，1#换热器4和2#换热器5的冷源侧出口即为换热器组合的冷源侧出口。
2、储气室6。
储气室6并非必需部件，但是当其设置时，其入口接压缩机组合的出口，用于将压缩空气储存备用。
3、调压阀7。
调压阀7较为重要，其入口接空气压缩系统的出口(当设置储气室6时，接储气室6的出口)，其作用主要是调节输出压缩空气的压力。
4、涡流管8。
涡流管8是本发明的重要部件，其入口接调压阀7的出口，将压缩空气转变为冷热气流，其中冷气流可直接为用户供冷。
5、有机朗肯循环系统。
有机朗肯循环系统是本发明的重要部件，其以所述涡流管8输出的热气流为热量，进行发电和供热。
在本发明的具体设置形式中，有机朗肯循环系统包含了3#换热器9、膨胀机10、发电机11、4#换热器12、工质泵13及5#换热器14。
其中3#换热器9的热源侧入口为有机朗肯循环系统的热源入口，接涡流管8的热气流出口，3#换热器9的热源侧出口接6#换热器15的热源侧入口，3#换热器9的冷源侧出口接膨胀机10的入口，气态工质在膨胀机10中膨胀做功，带动发电机11产生电能。
而膨胀做功后的工质出口接4#换热器12的热源侧入口，4#换热器12的冷源侧入口为冷水，冷源侧出口接6#换热器15的冷源测入口，被加热的冷水在6#换热器15中被热气流的预热再次加热，6#换热器15的冷源测出口接热用户为其提供热能。
4#换热器12的热源侧出口接工质泵13的入口，气态有机工质在4#换热器12中被冷凝为液态，然后通入工质泵13，工质泵13的出口接5#换热器14的冷源测入口，5#换热器14的冷源测出口接3#换热器9的冷源侧入口，5#换热器14的热源侧入口接换热器组合的冷源侧出口(在实施例中，即1#换热器4和2#换热器5的冷源侧出口)，5#换热器14的热源侧出口接入热用户为用户提供热水。
本发明中，换热器组合以冷水为换热介质，有机朗肯循环系统可以使用R245fa、R11、R12等工质，或者可以使用符合运行工况的两种或多种有机工质的混合物。根据系统工作条件及需求的不同，可对有机工质进行更换，本发明统一用工质代表说明。
本发明可在膨胀机10和4#换热器12之间以及工质泵13和5#换热器14之间添加一个共用的回热器，回热器中两侧分别通入膨胀机10的排汽和工质泵13加压后的液态有机工质，液态工质被膨胀机10的排汽加热后进入5#换热器14，膨胀机10的排汽被液态工质冷却后进入4#换热器12。
基于上述系统，本发明的工作流程如下：
首先利用压缩机组合将通入的空气加压为压缩空气(压力范围一般在0.7～1.1MPa之间)，通入储气室6中，同时在压缩空气的过程中高温压缩空气在级间冷却器即1#换热器4和2#换热器5中释放的热量通过冷水进行吸收。系统运行时压缩空气由储气室6经过调压阀7调节至合适压力(压力范围一般在0.5～0.9MPa之间，根据具体需求可调)后进入涡流管8，压缩空气被涡流管分离为冷气流和热气流两股流体(温度可在﹣46℃～127℃之间)，两股流体的温度可以通过调节热气端的阀进行调整。冷气流用来向用户供冷，热气流通入3#换热器9作为热源为有机朗肯循环系统提供热量，在3#换热器9中有机工质被加热至高温高压气态，并进入膨胀机10膨胀做功，从而带动发电机11发电。膨胀过后的有机工质进入4#换热器12被冷凝为液态，然后通过水泵13输送至5#换热器14利用换热器组合的出口热水进行预热，预热之后的有机工质进入3#换热器9进行下一轮循环，在预热过程中消耗掉部分热量的热水通往热用户进行供热。同时膨胀之后的有机工质在4#换热器12中冷凝所释放的热量通过冷水进行吸收，冷水被加热后进入6#换热器15被热气流的余热再次加热并送往热用户进行供热。其中3#换热器9的冷源测出口温度可根据所使用的有机工质的热力学性质进行调整，以产生高温高压的气态工质进入膨胀机10膨胀做功。同理，5#换热器14的冷源测出口温度也可根据所使用工质以及系统具体需求进行调整。
本发明中1#压缩机1、2#压缩机2、3#压缩机3和膨胀机10可以根据整个系统的空间布局，选择同轴和不同轴，也可以部分压缩机和膨胀机同轴，部分不同轴；膨胀机10与发电机11同轴连接。
本发明在入口处以及系统中某些管道之间均有控制阀，且都为电磁式，并且可带有射频控制装置。本发明工质泵可带有变频设施，可安装射频控制装置。
综上，本发明利用涡流管的特性，将涡流管与空气压缩系统、有机朗肯循环系统进行耦合，结构紧凑。涡流管冷气流出口用于供冷，根据梯级能量利用原理，将涡流管热气流出口的能量有效的利用起来，为有机朗肯循环系统提供热量，利用有机工质膨胀做功产生电能，热气流的余热用来对冷水进行二次加热，为热用户提供热能。同时利用冷水对空气压缩系统的级间冷却过程所释放的热量进行吸收，吸收的热量用来预热有机工质，使整个系统能量利用率最大化。同时，空气压缩系统中压缩级数的多样性和有机朗肯循环系统形式的多样性意味着系统可以灵活多变。可以根据实际需求通过调节调压阀、涡流管热气端的阀、水流量等对系统的供能形式做出调整。本发明所述的系统具有很高的能量利用率，以压缩空气作为能量来源，在减少碳排放的同时满足用户的用电、用冷、用热和用水需求，可根据实际需求灵活改变系统配置，且对环境友好，节能减排。

Claims (10)

1.一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，包括：
空气压缩系统，用于提供压缩空气，其入口为系统的空气入口；
调压阀(7)，其入口接空气压缩系统的出口，调节输出压缩空气的压力；
涡流管(8)，其入口接调压阀(7)的出口，将压缩空气转变为冷热气流，其中冷气流为用户供冷；
有机朗肯循环系统，以所述涡流管(8)输出的热气流为热量，进行发电和供热。
2.根据权利要求1所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，所述空气压缩系统包括压缩机组合和换热器组合，压缩机组合的出口接储气室(6)，储气室(6)接调压阀(7)为其提供压缩空气。
3.根据权利要求2所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，所述压缩机组合和换热器组合采用多级压缩、中间冷却的方式，压缩机组合由N个压缩机串接组成，换热器组合由N-1个换热器组成，每个换热器连接在相邻的两个压缩机之间，对前一压缩机的出气进行降温，换热器组合中的各换热器的冷源侧入口均为冷水。
4.根据权利要求3所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，所述有机朗肯循环系统包括3#换热器(9)、膨胀机(10)、发电机(11)、4#换热器(12)、工质泵(13)及5#换热器(14)，其中3#换热器(9)的热源侧入口接涡流管(8)的热气流出口，即为有机朗肯循环系统的热源入口，3#换热器(9)的热源侧出口接6#换热器(15)的热源侧入口，3#换热器(9)的冷源侧出口接膨胀机(10)的入口，气态工质在膨胀机(10)中膨胀做功，带动发电机(11)产生电能。
5.根据权利要求4所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，所述膨胀机(10)膨胀做功后的工质出口接4#换热器(12)的热源侧入口，4#换热器(12)的冷源侧入口为冷水，冷源侧出口接6#换热器(15)的冷源测入口，6#换热器(15)的冷源测出口接热用户为其提供热能。
6.根据权利要求5所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，所述4#换热器(12)的热源侧出口接工质泵(13)的入口，工质泵(13)的出口接5#换热器(14)的冷源测入口，5#换热器(14)的冷源测出口接3#换热器(9)的冷源侧入口，5#换热器(14)的热源侧入口接换热器组合的冷源侧出口，5#换热器(14)的热源侧出口接入热用户为用户提供热水。
7.根据权利要求4或5或6所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，在膨胀机(10)和4#换热器(12)之间、工质泵(13)和5#换热器(14)之间添加一个共用的回热器，回热器中两侧分别通入膨胀机(10)的排汽和工质泵(13)加压后的液态有机工质，液态工质被膨胀机(10)的排汽加热后进入5#换热器(14)，膨胀机(10)的排汽被液态工质冷却后进入4#换热器(12)。
8.根据权利要求1所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于，各压缩机和膨胀机根据整个系统的空间布局，可以选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。
9.基于权利要求1所述基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统的冷热电联供方法，其特征在于，流程如下：
利用压缩机组合对空气进行压缩，得到压缩空气；
通过调压阀(7)调节至合适压力后送入涡流管(8)；
通入涡流管(8)的压缩空气被分成冷气流和热气流两股流体，其中冷气流用于供冷，热气流送至有机朗肯循环系统进行发电和供热。
10.根据权利要求9所述冷热电联供方法，其特征在于，所述有机朗肯循环系统中，首先利用所述热气流将有机工质加热成为气态并在膨胀机(10)中膨胀做功，带动发电机(11)产生电能，降温后的热气流供至6#换热器(15)；
有机朗肯循环系统中有机工质在4#换热器12中由气态冷凝为液态，其中释放的热量通过冷水吸收，加热后的冷水通入6#换热器(15)，被降温后的热气流再次加热，然后送往热用户进行供热；
在压缩空气的过程中，高温压缩空气在级间冷却器所释放的热量分别被通入的冷水吸收，被加热后的冷水供给5#换热器(14)对由水泵(10)输送的液态工质进行预热，然后送往热用户进行供热。
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