CN114033515B - 具有引射汇流装置的液态压缩空气储能方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能方法及系统，充分利用了火电机组的有效质‑热能量流，通过流程优化，降低了现有储能过程中的电能消耗量，并实现能量梯级利用与存储，提升储能实施的整体能量转化效率。实现了储能技术与火电机组的高效耦合应用。本发明可有效地将火电机组与液态空气储能系统相耦合，可实现在火电电源侧储能与释能的自由转换过程，利用引射汇流装置对高、低品质的蒸汽掺混后再进行热量存储，实现了对储能热力系统合理地能级匹配，可以避免释能过程中熵增损失，达到了机组深度调峰与能量存储的双重能效，对促进可再生能源的消纳，提高电网稳定性具有重大意义。

Description

具有引射汇流装置的液态压缩空气储能方法及系统
技术领域
本发明属于汽轮机发电领域，具体涉及一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能方法及系统。
背景技术
目前，风电、光伏发电等再生能源电源正在快速兴起，但再生能源的间歇性以及随机性会对电网造成较大冲击，这也将严重制约其进一步的发展和整个电网的安全稳定性。
储能设施可以提供平滑发电的出力，削峰填谷，实现间歇性可再生能源电源与电网之间的协调发展。进一步，通过发电侧增设储能设施，可实现增强机组调节能力、有效支持可再生能源并网以及提供备用容量等多重功能。此外，火电机组与储能设施相结合，可部分程度弥补火电机组调节响应时间缓慢的缺陷。随着灵活性辅助服务市场逐渐完善，火电机组还可以通过储能的方式将其灵活性发挥至最大潜力，实现经济效益的最大化。
根据现有的技术类型划分，储能主要分为机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电化学储能(钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍铬电池)以及电磁储能(超导磁能储能)三种类型。但目前能够实现MW级大规模储能的只有抽水蓄能与压缩空气储能两种方式。抽水蓄能方式受地形条件的约束较大，且在北方气温特别低的情况下可能会有结冰的风险。而气态压缩空气储能的储能密度比较低，需要盐穴、山洞等较大存储空间，因此也将受地形条件的约束。而液态空气储能的技术，通过把空气液化可实现比较高的储能密度，存储空间较小，不受地理条件的限制，因而获得了越来越多的关注。
现有的液态空气储能技术，主要是与可再生能源发电系统相结合，与火电机组系统相互结合的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能方法及系统，能够实现火电电源侧，储能与释能的自由转换过程，储能过程中利用引射汇流装置对高、低品质的蒸汽掺混后再进行热量存储，实现了对储能热力系统合理地能级匹配，可以避免释能过程中熵增损失，同时可达到火电机组深度调峰与能量存储的双重能效。
为了达到上述目的，具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，包括汽轮机组，汽轮机组的冷再抽汽通过冷再抽汽利用储热管路连接冷再抽汽利用储热换热器、背压驱动式汽轮机和引射汇流装置引射流管路；
冷再抽汽利用储热换热器的热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用高温工质储罐，冷再抽汽利用高温工质储罐的工质作为热源通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器，冷再抽汽利用释能换热器放热后的工质出口连接冷再抽汽利用低温工质储罐，冷再抽汽利用低温工质储罐连接冷再抽汽利用储热换热器；
背压驱动式汽轮机连接多级间冷压缩机，多级间冷压缩机的热源循环回路连接多级压缩热收集换热器，多级压缩热收集换热器的热工质出口通过管路连接压缩热利用高温工质储罐，多级间冷压缩机的压缩空气出口连接液化换热器，液化换热器连接低温膨胀机，低温膨胀机连接汽液分离器，汽液分离器连接储液罐，储液罐连接汽化换热器，高温工质储罐的工质作为热源连接汽化换热器，汽化换热器的工质出口通过管路连接压缩热利用低温工质储罐，压缩热利用低温工质储罐连接多级压缩热收集换热器，汽化换热器中升温后的液体出口通过管路连接汇流抽汽利用释能换热器；
引射汇流装置引射流管路连接引射汇流装置，引射汇流装置与来源于引射汇装置流卷吸流管路的中排蒸汽均匀掺混后，作为热源送入汇流抽汽利用储热换热器进行热交换，汇流抽汽利用储热换热器中吸热后的工质储存于汇流抽汽利用高温工质储罐，汇流抽汽利用高温工质储罐的工质作为热源连接汇流抽汽利用释能换热器，汇流抽汽利用释能换热器中的热源出口通过管路连接汇流抽汽利用低温工质储罐，汇流抽汽利用释能换热器的被加热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器，冷再抽汽利用释能换热器的空气出口连接多级储能发电汽轮机。
低温膨胀机连接低温膨胀机发电机。
引射汇流装置与汇流抽汽利用储热换热器间通过汇流抽汽利用管路连接。
汽轮机组包括锅炉，锅炉的主蒸汽通过管路连接火电汽轮机高压缸，锅炉的再热蒸汽通过管路连接火电汽轮机中压缸，火电汽轮机中压缸连接汽轮机低压缸，火电汽轮机高压缸的冷再抽汽送入引射汇流装置引射流管路，火电汽轮机中压缸的中排蒸汽送入引射汇装置流卷吸流管路。
一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统的工作方法，包括储能流程和释能流程；
储能流程包括以下步骤：
S11，将从汽轮机冷再抽汽利用管路中抽取的蒸汽分为三部分，第一部分抽汽与储热工质在冷再抽汽利用储热换热器中进行热交换，将热能储存至冷再抽汽利用高温工质储罐中，第二部分抽汽驱动背压式汽轮机推动多级间冷压缩机，第三部分抽汽通过引射汇流装置引射流管路进入引射汇流装置中，与引射汇装置流卷吸流管路送入的中排蒸汽混合后送入储热换热器，汇流抽汽在储热换热器中与储热工质进行热交换，将热能储存于汇流抽汽利用高温工质储罐中；
S12，多级间冷压缩机将空气压缩，压缩后的空气送入多级压缩热收集换热器中进行热交换，将压缩热量储存至压缩热利用高温工质储罐；
S13，被压缩后的空气进入液化换热器中吸收冷量，降温进入深冷状态；
S14，深冷状态的压缩空气依次通过低温膨胀机和汽液分离器，液化成液态空气储存在液态空气储罐中，未液化的压缩空气送入液化换热器，执行S13；
释能流包括以下步骤：
S21，低温液态空气储罐中的液化空气，进入汽化换热器进行回热加热，汽化换热器所利用的是存储于压缩热利用高温工质储罐中的压缩热，高温工质储罐中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐；
S22，汽化换热器中升温汽化后的压缩空气接着进入汇流抽汽利用释能换热器，利用存储在汇流抽汽利用高温工质储罐中的排汽余热能进行第二次升温，汇流抽汽利用高温工质储罐中放热后的循环工质进入汇流抽汽利用高温工质储罐；
S23，汇流抽汽利用释能换热器的压缩空气利用存储在冷再抽汽利用高温工质储罐中的储热能量进行膨胀前的第三次升温，冷再抽汽利用高温工质储罐中放热后的循环工质进入冷再抽汽利用低温工质储罐；
S24，三次升温后的压缩空气进入多级储能发电汽轮机，在多级储能发电汽轮机中膨胀做功，向外供电。
S12中通过导热流体换热冷却压缩空气，并将压缩热量储存在压缩热利用高温工质储罐中。
汇流抽汽利用储热换热器排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。
冷再抽汽利用储热换热器的热工质换热后冷凝成凝结水汇入凝结水系。
与现有技术相比，本发明的系统充分利用了火电机组的有效质-热能量流，通过流程优化，降低了现有储能过程中的电能消耗量，并实现能量梯级利用与存储，提升储能实施的整体能量转化效率。实现了储能技术与火电机组的高效耦合应用。本发明可有效地将火电机组与液态空气储能系统相耦合，可实现在火电电源侧储能与释能的自由转换过程，利用引射汇流装置对高、低品质的蒸汽掺混后再进行热量存储，实现了对储能热力系统合理地能级匹配，可以避免释能过程中熵增损失，达到了机组深度调峰与能量存储的双重能效，对促进可再生能源的消纳，提高电网稳定性具有重大意义。
本发明的方法将储能系统与火电机组相结合，在储能过程中，首先从汽轮机冷再抽汽利用管路中抽取蒸汽，第一部分与高温储热工质在冷再抽汽利用储热换热器中进行热交换，将热能储存至冷再抽汽利用高温工质储罐，第二部分驱动背压式汽轮机推动多级间冷压缩机，第三部分通过引射汇流装置引射流管路进入引射汇流装置与来源于引射汇装置流卷吸流管路的中排蒸汽均匀掺混后，与高温储热工质在汇流抽汽利用储热换热器进行热交换，将热能储存于汇流抽汽利用高温工质储罐；压缩后的空气进一步通过液化换热器形成液化空气后，被存储于低温液罐中，释能时利用所收集的多级压缩过程中的压缩热、及所储热能量进行温度提升，以增强释能透平做功能力。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
其中，1、多级储能发电汽轮机；2、汇流抽汽利用释能换热器；3、汇流抽汽利用高温工质储罐；4、汇流抽汽利用低温工质储罐；5、汇流抽汽利用储热换热器；6、汇流抽汽利用管路；7、冷再抽汽利用高温工质储罐；8、冷再抽汽利用低温工质储罐；9、冷再抽汽利用释能换热器；10、冷再抽汽利用储热换热器；11、冷再抽汽利用储热管路；12、背压驱动式汽轮机；13、多级间冷压缩机；14、多级压缩热收集换热器；15、压缩热利用高温工质储罐；16、压缩热利用低温工质储罐；17、汽液分离器；18、液化换热器；19、低温膨胀机；20、低温膨胀机发电机；21、储液罐；22、汽化换热器；23、火电汽轮机高压缸；24、火电汽轮机中压缸；25、锅炉；26、引射汇流装置引射流管路；27、引射汇装置流卷吸流管路；28、汽轮机低压缸；29、引射汇流装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，包括汽轮机组，汽轮机组的冷再抽汽通过冷再抽汽利用储热管路11连接冷再抽汽利用储热换热器10、背压驱动式汽轮机12和引射汇流装置引射流管路26；
冷再抽汽利用储热换热器10的热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用高温工质储罐7，冷再抽汽利用高温工质储罐7的工质作为热源通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器9，冷再抽汽利用释能换热器9放热后的工质出口连接冷再抽汽利用低温工质储罐8，冷再抽汽利用低温工质储罐8连接冷再抽汽利用储热换热器10；
背压驱动式汽轮机12连接多级间冷压缩机13，多级间冷压缩机13的热源循环回路连接多级压缩热收集换热器14，多级压缩热收集换热器14的热工质出口通过管路连接压缩热利用高温工质储罐15，多级间冷压缩机13的压缩空气出口连接液化换热器18，液化换热器18连接低温膨胀机19，低温膨胀机19连接汽液分离器17，汽液分离器17连接储液罐21，储液罐21连接汽化换热器22，高温工质储罐15的工质作为热源连接汽化换热器22，汽化换热器22的工质出口通过管路连接压缩热利用低温工质储罐16，压缩热利用低温工质储罐16连接多级压缩热收集换热器14，汽化换热器22中升温后的液体出口通过管路连接汇流抽汽利用释能换热器2；低温膨胀机19连接低温膨胀机发电机20。
引射汇流装置引射流管路26连接引射汇流装置29，引射汇流装置29与来源于引射汇装置流卷吸流管路27的中排蒸汽均匀掺混后，作为热源送入汇流抽汽利用储热换热器5进行热交换，汇流抽汽利用储热换热器5中吸热后的工质储存于汇流抽汽利用高温工质储罐3，汇流抽汽利用高温工质储罐3的工质作为热源连接汇流抽汽利用释能换热器2，汇流抽汽利用释能换热器2中的热源出口通过管路连接汇流抽汽利用低温工质储罐4，汇流抽汽利用释能换热器2的被加热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器9，冷再抽汽利用释能换热器9的空气出口连接多级储能发电汽轮机1。引射汇流装置29与汇流抽汽利用储热换热器5间通过汇流抽汽利用管路6连接。
汽轮机组包括锅炉25，锅炉25的主蒸汽通过管路连接火电汽轮机高压缸23，锅炉25的再热蒸汽通过管路连接火电汽轮机中压缸24，火电汽轮机中压缸24连接汽轮机低压缸28，火电汽轮机高压缸23的冷再抽汽送入引射汇流装置引射流管路26，火电汽轮机中压缸24的中排蒸汽送入引射汇装置流卷吸流管路27。
步骤一，储能流程开始后，首先从汽轮机组冷再抽汽利用储热管路11中抽取蒸汽，第一部分与高温储热工质在冷再抽汽利用储热换热器10中进行热交换，将热能储存至冷再抽汽利用高温工质储罐7，第二部分驱动背压驱动式汽轮机12推动多级间冷压缩机13，第三部分通过引射汇流装置引射流管路26进入引射汇流装置29与来源于引射汇装置流卷吸流管路27的中排蒸汽均匀掺混后，与高温储热工质在汇流抽汽利用储热换热器5进行热交换，将热能储存于汇流抽汽利用高温工质储罐3；汇流抽汽利用储热换热器5的排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。冷再抽汽利用储热换热器10的热工质换热后冷凝成凝结水汇入凝结水系。从汽轮机组中所抽取蒸汽放热形成疏水回流至火电机组热力系统中。
步骤二，多级间冷压缩机13将空气压缩至高压状态，并与多级压缩热收集换热器14进行热交换，将压缩热量储存至压缩热利用高温工质储罐15；通过导热流体换热冷却压缩空气，并将压缩热量储存在压缩热利用高温工质储罐15中。
步骤三，被压缩后的空气进入液化换热器18中吸收冷量，降温进入深冷状态；
步骤四，深冷状态的压缩空气再通过低温膨胀机19和汽液分离器17，液化成液态空气储存在液态空气储罐21中，而未液化的压缩空气重新进入步骤三。
步骤五，释能时，低温液态空气储罐21中的液化空气，先进入汽化换热器22进行回热加热，汽化换热器所利用的是存储于压缩热利用高温工质储罐15中所收集的多级压缩过程中的压缩热，放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐16。
步骤六、升温汽化后的压缩空气接着进入汇流抽汽利用释能换热器2，利用利用存储在汇流抽汽利用高温工质储罐3中的排汽余热能进行第二次温度提升，放热后的循环工质进入汇流抽汽利用低温工质储罐4。
步骤七、最后压缩空气进入冷再抽汽利用储热换热器11，利用存储在冷再抽汽利用高温工质储罐7中的储热能量进行膨胀前的第三次升温，以提高压缩空气的做功能力，放热后的循环工质进入冷再抽汽利用低温工质储罐8。
步骤八、三次升温后的压缩空气进入多级储能发电汽轮机1，在多级储能发电汽轮机1中膨胀做功，向外供电。
低温膨胀机19驱动发电机组产生电能作用于弥补火电机组厂用电的消耗。
经过引射汇装置掺混后的蒸汽进入汇流抽汽利用储热换热器5，与导热流体进行换热，排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系统，升温后的导热流体储存入汇流抽汽利用高温工质储罐3，将排汽余热储存收集。
储能流程开始后，来自火电机组冷再抽汽的大部分流量在冷再抽汽利用储热换热器中与储热工质进行换热，将高品质热量存储于冷再抽汽利用高温工质储罐，蒸汽放热形成疏水回流至汽轮机热力系统。第二部分驱动背压式汽轮机推动多级间冷压缩机，第三部分通过引射汇流装置引射流管路进入引射汇流装置与来源于引射汇装置流卷吸流管路的中排蒸汽均匀掺混后，与高温储热工质在汇流抽汽利用储热换热器进行热交换，将热能储存于汇流抽汽利用高温工质储罐；释能过程中，高温工质储热罐经循环被流出，循环至空气提温换热器与汽化后的空气工质进行换热，升温至高温状态，有效增强储能发电汽轮机的做功能力。
释能过程中，低温液罐中的液化空气，抽吸进入低温泵提升压力，首先利用所收集的多级压缩过程中的压缩热在汽化换热器中进行回热加热，升温汽化，接着进一步利于汽轮机抽汽的储热能量提升发电汽轮机机入口的温度，提高压缩空气的做功能力。随后压缩空气进入储能发电汽轮机，在汽轮机中膨胀做功，向外供电。
现有的液态空气储能技术，与火电机组系统相互结合的研究较少。本发明能够实现火电电源侧，储能与释能的自由转换过程，储能过程中利用引射汇流装置对高、低品质的蒸汽掺混后再进行热量存储，实现了对储能热力系统合理地能级匹配，可以避免释能过程中熵增损失，同时可达到火电机组深度调峰与能量存储的双重能效。

Claims (8)

1.具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，其特征在于，包括汽轮机组，汽轮机组的冷再抽汽通过冷再抽汽利用储热管路（11）连接冷再抽汽利用储热换热器（10）、背压驱动式汽轮机（12）和引射汇流装置引射流管路（26）；
冷再抽汽利用储热换热器（10）的热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用高温工质储罐（7），冷再抽汽利用高温工质储罐（7）的工质作为热源通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器（9），冷再抽汽利用释能换热器（9）放热后的工质出口连接冷再抽汽利用低温工质储罐（8），冷再抽汽利用低温工质储罐（8）连接冷再抽汽利用储热换热器（10）；
背压驱动式汽轮机（12）连接多级间冷压缩机（13），多级间冷压缩机（13）的热源循环回路连接多级压缩热收集换热器（14），多级压缩热收集换热器（14）的热工质出口通过管路连接压缩热利用高温工质储罐（15），多级间冷压缩机（13）的压缩空气出口连接液化换热器（18），液化换热器（18）连接低温膨胀机（19），低温膨胀机（19）连接汽液分离器（17），汽液分离器（17）连接储液罐（21），储液罐（21）连接汽化换热器（22），压缩热利用高温工质储罐（15）的工质作为热源连接汽化换热器（22），汽化换热器（22）的工质出口通过管路连接压缩热利用低温工质储罐（16），压缩热利用低温工质储罐（16）连接多级压缩热收集换热器（14），汽化换热器（22）中升温后的液体出口通过管路连接汇流抽汽利用释能换热器（2）；
引射汇流装置引射流管路（26）连接引射汇流装置（29），引射汇流装置（29）与来源于引射汇装置流卷吸流管路（27）的中排蒸汽均匀掺混后，作为热源送入汇流抽汽利用储热换热器（5）进行热交换，汇流抽汽利用储热换热器（5）中吸热后的工质储存于汇流抽汽利用高温工质储罐（3），汇流抽汽利用高温工质储罐（3）的工质作为热源连接汇流抽汽利用释能换热器（2），汇流抽汽利用释能换热器（2）中的热源出口通过管路连接汇流抽汽利用低温工质储罐（4），汇流抽汽利用释能换热器（2）的被加热工质出口通过管路连接冷再抽汽利用释能换热器（9），冷再抽汽利用释能换热器（9）的空气出口连接多级储能发电汽轮机（1）。
2.根据权利要求1所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，其特征在于，低温膨胀机（19）连接低温膨胀机发电机（20）。
3.根据权利要求1所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，其特征在于，引射汇流装置（29）与汇流抽汽利用储热换热器（5）间通过汇流抽汽利用管路（6）连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统，其特征在于，汽轮机组包括锅炉（25），锅炉（25）的主蒸汽通过管路连接火电汽轮机高压缸（23），锅炉（25）的再热蒸汽通过管路连接火电汽轮机中压缸（24），火电汽轮机中压缸（24）连接汽轮机低压缸（28），火电汽轮机高压缸（23）的冷再抽汽送入引射汇流装置引射流管路（26），火电汽轮机中压缸（24）的中排蒸汽送入引射汇装置流卷吸流管路（27）。
5.权利要求1所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，包括储能流程和释能流程；
储能流程包括以下步骤：
S11，将从汽轮机冷再抽汽利用管路（11）中抽取的蒸汽分为三部分，第一部分抽汽与储热工质在冷再抽汽利用储热换热器（10）中进行热交换，将热能储存至冷再抽汽利用高温工质储罐（7）中，第二部分抽汽背压驱动式汽轮机（12）推动多级间冷压缩机（13），第三部分抽汽通过引射汇流装置引射流管路（26）进入引射汇流装置（29）中，与引射汇装置流卷吸流管路（27）送入的中排蒸汽混合后送入储热换热器（5），汇流抽汽在储热换热器（5）中与储热工质进行热交换，将热能储存于汇流抽汽利用高温工质储罐（3）中；
S12，多级间冷压缩机（13）将空气压缩，压缩后的空气送入多级压缩热收集换热器（14）中进行热交换，将压缩热量储存至压缩热利用高温工质储罐（15）；
S13，被压缩后的空气进入液化换热器（18）中吸收冷量，降温进入深冷状态；
S14，深冷状态的压缩空气依次通过低温膨胀机（19）和汽液分离器（17），液化成液态空气储存在储液罐（21）中，未液化的压缩空气送入液化换热器（18），执行S13；
释能流包括以下步骤：
S21，储液罐（21）中的液化空气，进入汽化换热器（22）进行回热加热，汽化换热器（22）所利用的是存储于压缩热利用高温工质储罐（15）中的压缩热，压缩热利用高温工质储罐（15）中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐（16）；
S22，汽化换热器（22）中升温汽化后的压缩空气接着进入汇流抽汽利用释能换热器（2），利用存储在汇流抽汽利用高温工质储罐（3）中的排汽余热能进行第二次升温，汇流抽汽利用高温工质储罐（3）中放热后的循环工质进入汇流抽汽利用低温工质储罐（4）；
S23，汇流抽汽利用释能换热器（2）的压缩空气利用存储在冷再抽汽利用高温工质储罐（7）中的储热能量进行膨胀前的第三次升温，冷再抽汽利用高温工质储罐（7）中放热后的循环工质进入冷再抽汽利用低温工质储罐（8）；
S24，三次升温后的压缩空气进入多级储能发电汽轮机（1），在多级储能发电汽轮机（1）中膨胀做功，向外供电。
6.根据权利要求5所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，S12中通过导热流体换热冷却压缩空气，并将压缩热量储存在压缩热利用高温工质储罐（15）中。
7.根据权利要求5所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，汇流抽汽利用储热换热器（5）排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。
8.根据权利要求5所述的一种具有引射汇流装置的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，冷再抽汽利用储热换热器（10）的热工质换热后冷凝成凝结水汇入凝结水系。
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