CN113279829A - 一种压缩空气储能与火力发电耦合的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能与火力发电耦合的系统及方法，该系统通过梯级利用压缩空气储能过程中产生的压缩热部分替代了火力发电除氧加热自用汽。空气经多级空气压缩机压缩存储于盐穴的过程中，经若干个低温换热器和一个中温换热器以提取压缩过程中产生的热量，并储存于低温储热罐和中温储热罐中。低温储热罐中工质将高压压缩空气再热用于膨胀发电，中温储罐内工质将常温补水加热至除氧蒸汽，供给火力发电除氧器，替代除氧自用汽。该方法可大幅提升压缩空气储能效率，同时显著降低火力发电除氧自用汽量，增加其供热出力。

Description

一种压缩空气储能与火力发电耦合的系统及方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，涉及一种压缩空气储能与火力发电耦合的系统及方法。

背景技术

在目前碳达峰、碳减排的新形势下，作为新能源消纳主力的储能技术已日渐受到国家层面的关注和推动。压缩空气储能技术作为目前安全性好、储能密度大、自带调频等优点，相比电化学储能具有较多优势。目前在国内、国际已经和正在开展的较大容量绝热压缩空气储能示范项目采用天然盐穴等定容空间作为压缩空气储存媒介，为了保障膨胀时间，盐穴内的空气将会通过调节阀降低到压力较低的状态(约为正常储存压力的70％)。这样会带来大量的做功能力损失，即电动压缩机需要在储能压缩过程中额外存储大约30％的压力能，且相对应产生的压缩热在系统中无法消纳，通常由冷却水通过间冷器带走。因此，对这部分富裕压缩热进行利用有助于提升压缩空气储能整体的效率，同时提升经济效益。

对这部分能量的利用去向进行合理和可行地利用是一个值得深入的问题：尽管火力发电的热效率或热经济性在设计落成后基本不太可能有额外较大的提升，但挖掘工艺潜力和小型技术改造是目前较常规的提效降耗手段。本发明拟将压缩空气储能富裕的压缩热与火力发电除氧系统耦合，对这部分能量进行充分的梯级利用，提升电厂系统效率，提供额外热源，减少除氧自用汽。所减少的火力发电除氧自用汽可作为外供热量，提升电厂热经济性。

发明内容

本发明的目的是将压缩空气储能与火力发电除氧系统相耦合，梯级利用压缩空气储能系统中的压缩热，完成火力发电除氧系统自用汽的部分替代，提升火力发电循环效率，增加供热能力。

为了耦合压缩空气储能与火力发电，并满足火力发电具体参数要求，本发明采用以下方案：

一种压缩空气储能与火力发电耦合的方法，在给定的压缩空气储存压力下，采用多级压缩机和多级膨胀机储存和释放空气压力能。在压缩侧，前若干级压缩机为低压比压缩机，控制每一级空气出口温度在145～155℃低温，最后一级压缩机采用中压比压缩机，控制空气出口温度在275～285℃中温。

对压缩机压缩热梯级利用，采用中低温两种压缩空气出口温度和储热介质：在每级低压比压缩机出口设置压缩侧低温换热器，用于将压缩空气的低温压缩热传递给从低温储冷罐来的低温储热工质，经换热后存储于低温储热罐中；在中压比压缩机出口设置压缩侧中温换热器，用于将压缩空气的中温压缩热传递给从中温储冷罐来的工质，经换热后存储于中温储热罐中。

在释放储存的压缩空气能量过程中，通过低温储热罐中的低温储热工质对压缩空气再热，将低温压缩热返还给高压压缩空气，提高能量释放效率，降温后的低温储热工质存储于低温储冷罐。

通过中温储热罐和中温储冷罐与火力发电耦合，将中温储热罐中的储热工质与来自电厂的补水通过耦合侧中温换热器换热，使补水被加热至除氧蒸汽参数的蒸汽，储热工质换热后返回中温储冷罐，该过程利用了中温压缩热替代了部分用于除氧系统的自用汽。

本发明的有益效果为：

本发明方法梯级利用了压缩空气储能压缩过程中的压缩热，且可完全利用膨胀机入口压力与盐穴储存压力间的节流压力能所对应的压缩热，将整个压缩过程中的压缩热梯级存储于低温、中温两种储热介质中，分别应用于膨胀作功过程的空气再热以及电厂除氧系统的自用汽，提高了系统整体的热效率。

本发明方法对压缩热的梯级利用考虑了储热介质的成本。采用了若干级低压比压缩机和低膨胀比膨胀机，因而大部分所需要的低温储热介质可采用水，成本较低；为与火力发电耦合，最后一级中温储热介质采用导热油，相对价格较高，但占系统储热介质的比重较小且为一次性投入，相比系统压缩热的梯级利用带来的收益，该部分成本的增加是有益的，利于提高项目经济性。

本发明方法可实践性较强，与火力发电耦合的改造代价较低，在设计压缩空气储能电厂时，只需要从临近火力发电厂引入一根补水管道和一根外供除氧蒸汽管道以及一台中温换热器即可实现；被替代的除氧蒸汽可直接在火力发电厂内并入已有的外供线路，不需对已有热网走向进行改造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明压缩空气储能部分简图；

图2是本发明火力发电部分简图；

图中标号：

CL1-第一级低压比压缩机；CL2-第二级低压比压缩机；CL3-第三级低压比压缩机；CL4-第四级低压比压缩机；CM-中压比压缩机；CXL1-压缩侧低温换热器1；CXL2-压缩侧低温换热器2；CXL3-压缩侧低温换热器3；CXL4-压缩侧低温换热器4；CXM-压缩侧中温换热器；E1-第一级膨胀机；E2-第二级膨胀机；E3-第三级膨胀机；E4-第四级膨胀机；EX1-膨胀再热器1；EX2-膨胀再热器2；EX3-膨胀再热器3；EX4-膨胀再热器4；OX-耦合侧中温换热器

具体实施方式

下面参考附图对本发明的实施例进行说明。在此过程中，为确保说明的明确性和便利性，我们可能对图示中线条的宽度或构成要素的大小进行夸张的标示。

如图1所示为本发明压缩空气储能侧的系统示意，储能过程中，来自电网的富裕电量驱动电动机，推动各级空气压缩机对空气进行加压，在第一级低压比压缩机CL1出口，被压缩加热的空气温度达到145～155℃，并通过压缩侧低温换热器CXL1与来自低温储热罐的工质进行换热，随后进入第二级低压比压缩机CL2入口，被换热升温的工质进入低温储热罐存储，类似的，空气经过第二、三、四级低压比压缩机CL2、CL3、CL4逐级压缩并经过压缩侧低温换热器CXL2、CXL3、CXL4提取压缩热，随后进入中压比压缩机CM。空气经中压比压缩机CM压缩后出口温度达到275～285℃，进入压缩侧中温换热器CXM与来自中温储冷罐的工质进行换热后存储于压缩空气盐穴中，被加热的工质存储于中温储热罐。

在压缩空气膨胀释能时，存储于压缩空气盐穴内的高压空气通过节流阀降低并稳定在固定压力后通往膨胀再热器1EX1，与来自低温储热罐来的工质进行换热升温，随后进入第一级膨胀机E1进行膨胀作功，推动发电机发电，换热降温后的工质进入低温储冷罐中；类似的，空气经过膨胀再热器EX2、EX3、EX4再热后，进入第二、三、四级膨胀机E2、E3、E4膨胀推动发电机发电，最后排入大气。

在与火力发电除氧系统耦合时(可与膨胀释能发电过程不同步，但必须在下一次空气压缩储能前)，存储于中温储热罐中的工质与通过中继泵中继后的来自火力发电厂补水泵后的补水(图2中B1处)在耦合侧中温换热器OX中进行换热，补水被加热至除氧蒸汽，并返回至火力发电厂除氧器进汽管道(图2中D1处)，被冷却后的工质存储于中温储冷罐中用于下一次空气压缩过程的压缩热提取。通过该过程，火力发电除氧蒸汽被部分替代，原先用于加热除氧器的部分富余汽轮机排汽可用于对厂外供热的补充。

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 (4)

1.一种压缩空气储能与火力发电耦合的方法，其特征在于：空气在压缩过程中被划分为多级低压比压缩和中压比压缩，压缩过程中产生低温和中温两种品质的压缩热，分别采用低温储热工质及中温储热工质对两种品质的压缩热进行提取和存储，并根据其温度品位进行梯级利用。

2.一种压缩空气储能与火力发电耦合的方法，其特征在于：通过压缩侧中温换热器提取的压缩热储存于中温储热罐内，用于与火力发电的除氧系统耦合，替代除氧自用汽，具体过程为：中压比压缩机压缩过程中产生的中温压缩热，通过压缩侧中温换热器传递给来自中温储冷罐的工质，工质升温后存储于中温储热罐内；当需要替代火力发电除氧器自用汽时，中温储热罐内工质通过耦合侧中温换热器加热来自电厂的常温补水，补水经换热后送至除氧器前管道作为除氧蒸汽；换热冷却后的中温储热工质存储于中温储冷罐中，用于下一次压缩储气过程压缩侧中温换热器的压缩热提取。

3.一种压缩空气储能与火力发电耦合的方法，其特征在于：通过压缩侧低温换热器提取的压缩热储存于低温储热罐内，用于膨胀释能时的空气再热；具体过程为：低压比压缩机压缩过程中产生的低温压缩热，通过压缩侧低温换热器传递给来自低温储冷罐的工质，工质升温后存储于低温储热罐内；释能时，低温储热罐内工质通过膨胀再热器加热来自盐穴中的高压空气和膨胀机出口的空气，换热降温后的低温储热工质存储于低温储冷罐中，用于下一次压缩储气过程压缩侧低温换热器的压缩热提取。

4.一种压缩空气储能与火力发电耦合的系统，其特征在于：采用如权利要求1-3所述的方法进行耦合。

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