CN114109543A - 利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能方法及系统，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，配合火电机组高低旁路抽汽的运行模式，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。

Description

利用汽轮机旁路补热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，具体涉及一种利用汽轮机旁路补热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，提供一种利用汽轮机旁路补热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，储能过程中汽轮机开启高压及低压旁路运行，可达到机组深度调峰与能量存储的双重能效。
为了达到上述目的，利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，包括锅炉，锅炉连接汽轮机高压旁路和汽轮机低压旁路，汽轮机高压旁路中的蒸汽通过管路连接高旁抽汽利用储热换热器和背压驱动式小汽轮机，汽轮机低压旁路中的蒸汽通过管路连接低旁抽汽利用储热换热器；
高旁抽汽利用储热换热器的热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用高温工质储罐，高旁抽汽利用高温工质储罐的工质作为热源通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器，高旁抽汽利用释能换热器放热后的工质出口连接高旁抽汽利用低温工质储罐，高旁抽汽利用低温工质储罐连接高旁抽汽利用储热换热器；
背压驱动式小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低旁抽汽利用释能换热器；
低旁抽汽利用储热换热器的储热工质出口通过管路连接低旁抽汽利用高温工质储罐，低旁抽汽利用高温工质储罐的工质作为热源连接低旁抽汽利用释能换热器，低旁抽汽利用释能换热器中的热源出口通过管路连接低旁抽汽利用低温工质储罐，低旁抽汽利用释能换热器的被加热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器，高旁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。
锅炉的主蒸汽管路连接火电汽轮机高压缸，火电汽轮机高压缸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，锅炉的再热蒸汽通过管路接入火电汽轮机中压缸中，火电汽轮机高压缸的蒸汽通过管路加入锅炉。
低温膨胀机连接低温膨胀机发电机。
高背压排汽利用储热换热器中换热后的排汽通过管路连接凝结水系；
抽汽利用储热换热器中换热后的蒸汽通过管路连接凝结水系。
汽轮机低压旁路接入凝汽器。
汽轮机高压旁路通过高旁抽汽利用储热管路连接高旁抽汽利用储热换热器和背压驱动式小汽轮机。
汽轮机低压旁路通过低旁抽汽利用管路连接低旁抽汽利用储热换热器。
利用汽轮机旁路补热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，从锅炉的汽轮机高压旁路中抽取蒸汽，一部分送入高旁抽汽利用储热换热器，与高温储热工质进行热交换，升温后的工质储存至高旁抽汽利用高温工质储罐，另一部分驱动背压式汽轮机推动多级间冷压缩机，从锅炉的汽轮机低压旁路中抽取蒸汽送入低旁抽汽利用储热换热器中，与高温储热工质在进行热交换，将升温后的工质储存于低旁抽汽利用高温工质储罐；
S12，多级间冷压缩机将空气压缩至高压状态，并与多级压缩热收集换热器进行热交换，将升温后的工质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通过低温膨胀机和汽液分离器，液化成液态空气储存在储液罐中，而未液化的压缩空气执行S13；
释能流程包括以下步骤：
S21，储液罐中的液化空气，进入汽化换热器进行回热加热，汽化换热器的热源为压缩热利用高温工质储罐中工质的压缩热，汽化换热器中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐；
S22，升温汽化后的压缩空气接着进入低旁抽汽利用释能换热器，低旁抽汽利用释能换热器中进行第二次升温，低旁抽汽利用释能换热器的热源为低旁抽汽利用高温工质储罐中的排汽余热，低旁抽汽利用释能换热器中放热后的循环工质进入低旁抽汽利用高温工质储罐；
S23，二次升温后的压缩空气进入高旁抽汽利用储热换热器，利用存储在高旁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，高旁抽汽利用储热换热器中放热后的循环工质进入高旁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。
高背压排汽利用储热换热器中换热后的排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系；
抽汽利用储热换热器中换热后的蒸汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。
汽轮机低压旁路的蒸汽送入凝汽器。
与现有技术相比，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，配合火电机组高低旁路抽汽的运行模式，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，首先从汽轮机高压旁路中抽取蒸汽，一部分与高温储热工质在高旁抽汽利用储热换热器中进行热交换，另一部分驱动背压式汽轮机推动多级间冷压缩机，接着从汽轮机低压旁路中抽取蒸汽，与高温储热工质在低旁抽汽利用储热换热器进行热交换，将热能储存于低旁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、低旁抽汽利用释能换热器；3、低旁抽汽利用高温工质储罐；4、低旁抽汽利用低温工质储罐；5、低旁抽汽利用储热换热器；6、低旁抽汽利用管路；7、高旁抽汽利用高温工质储罐；8、高旁抽汽利用低温工质储罐；9、高旁抽汽利用释能换热器；10、高旁抽汽利用储热换热器；11、高旁抽汽利用储热管路；12、背压驱动式小汽轮机；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、汽轮机高压旁路；27、汽轮机低压旁路；28、汽轮机低压缸。
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，利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，包括锅炉25，锅炉25连接汽轮机高压旁路26和汽轮机低压旁路27，汽轮机高压旁路26中的蒸汽通过管路连接高旁抽汽利用储热换热器10和背压驱动式小汽轮机12，汽轮机低压旁路27中的蒸汽通过管路连接低旁抽汽利用储热换热器5；
高旁抽汽利用储热换热器10的热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用高温工质储罐7，高旁抽汽利用高温工质储罐7的工质作为热源通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器9，高旁抽汽利用释能换热器9放热后的工质出口连接高旁抽汽利用低温工质储罐8，高旁抽汽利用低温工质储罐8连接高旁抽汽利用储热换热器10；
背压驱动式小汽轮机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低旁抽汽利用释能换热器2；
低旁抽汽利用储热换热器5的储热工质出口通过管路连接低旁抽汽利用高温工质储罐3，低旁抽汽利用高温工质储罐3的工质作为热源连接低旁抽汽利用释能换热器2，低旁抽汽利用释能换热器2中的热源出口通过管路连接低旁抽汽利用低温工质储罐4，低旁抽汽利用释能换热器2的被加热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器9，高旁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。
锅炉25的主蒸汽管路连接火电汽轮机高压缸23，火电汽轮机高压缸23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，锅炉25的再热蒸汽通过管路接入火电汽轮机中压缸24中，火电汽轮机高压缸23的蒸汽通过管路加入锅炉25。低温膨胀机19连接低温膨胀机发电机20。
高背压排汽利用储热换热器5中换热后的排汽通过管路连接凝结水系；
抽汽利用储热换热器10中换热后的蒸汽通过管路连接凝结水系。
汽轮机低压旁路27接入凝汽器。
汽轮机高压旁路26通过高旁抽汽利用储热管路11连接高旁抽汽利用储热换热器10和背压驱动式小汽轮机12。
汽轮机低压旁路27通过低旁抽汽利用管路6连接低旁抽汽利用储热换热器5。
利用汽轮机旁路补热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，从锅炉25的汽轮机高压旁路26中抽取蒸汽，一部分送入高旁抽汽利用储热换热器，与高温储热工质进行热交换，升温后的工质储存至高旁抽汽利用高温工质储罐7，另一部分驱动背压式汽轮机12推动多级间冷压缩机13，从锅炉25的汽轮机低压旁路27中抽取蒸汽送入低旁抽汽利用储热换热器5中，与高温储热工质在进行热交换，将升温后的工质储存于低旁抽汽利用高温工质储罐3；
S12，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，将升温后的工质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，而未液化的压缩空气执行S13；
释能流程包括以下步骤：
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的热源为压缩热利用高温工质储罐15中工质的压缩热，汽化换热器22中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐16；
S22，升温汽化后的压缩空气接着进入低旁抽汽利用释能换热器2，低旁抽汽利用释能换热器2中进行第二次升温，低旁抽汽利用释能换热器2的热源为低旁抽汽利用高温工质储罐3中的排汽余热，低旁抽汽利用释能换热器2中放热后的循环工质进入低旁抽汽利用高温工质储罐4；
S23，二次升温后的压缩空气进入高旁抽汽利用储热换热器11，利用存储在高旁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，高旁抽汽利用储热换热器11中放热后的循环工质进入高旁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。
高背压排汽利用储热换热器5中换热后的排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系；
抽汽利用储热换热器10中换热后的蒸汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。
汽轮机低压旁路27的蒸汽送入凝汽器。
高旁抽汽利用高温工质储罐7用于储存抽汽蒸汽热能；
低旁抽汽利用高温工质储罐3用于储存低旁抽汽蒸汽热能；
多级间冷压缩机13用于压缩空气；
多级压缩热收集换热器14用于收集压缩空气时的压缩热量，并存储在压缩热利用高温工质储罐15中；
液化换热器22用于吸收压缩后空气的冷量，使压缩后的空气降温进入深冷状态；
低温膨胀机19用于降低深冷状态压缩空气的压力和温度；
汽液分离器17用于分离液态空气和气态空气；
储液罐21用于存储液态空气。
储能流程开始后，汽轮机开启高低旁路的运行方式，来自火电机组高低旁路抽汽的大部分流量在高温蒸汽换热器中与储热工质进行换热，将高品质热量存储于高温工质储热罐中，蒸汽放热形成疏水回流至汽轮机热力系统。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，接着进一步利于高温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。本发明提出了一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统。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，配合火电机组高低旁路抽汽的运行模式，达到了机组深度调峰与能量存储的双重能效。

Claims (10)

1.利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，包括锅炉(25)，锅炉(25)连接汽轮机高压旁路(26)和汽轮机低压旁路(27)，汽轮机高压旁路(26)中的蒸汽通过管路连接高旁抽汽利用储热换热器(10)和背压驱动式小汽轮机(12)，汽轮机低压旁路(27)中的蒸汽通过管路连接低旁抽汽利用储热换热器(5)；
高旁抽汽利用储热换热器(10)的热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用高温工质储罐(7)，高旁抽汽利用高温工质储罐(7)的工质作为热源通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器(9)，高旁抽汽利用释能换热器(9)放热后的工质出口连接高旁抽汽利用低温工质储罐(8)，高旁抽汽利用低温工质储罐(8)连接高旁抽汽利用储热换热器(10)；
背压驱动式小汽轮机(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低旁抽汽利用释能换热器(2)；
低旁抽汽利用储热换热器(5)的储热工质出口通过管路连接低旁抽汽利用高温工质储罐(3)，低旁抽汽利用高温工质储罐(3)的工质作为热源连接低旁抽汽利用释能换热器(2)，低旁抽汽利用释能换热器(2)中的热源出口通过管路连接低旁抽汽利用低温工质储罐(4)，低旁抽汽利用释能换热器(2)的被加热工质出口通过管路连接高旁抽汽利用释能换热器(9)，高旁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所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，锅炉(25)的主蒸汽管路连接火电汽轮机高压缸(23)，火电汽轮机高压缸(23)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)，锅炉(25)的再热蒸汽通过管路接入火电汽轮机中压缸(24)中，火电汽轮机高压缸(23)的蒸汽通过管路加入锅炉(25)。
3.根据权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热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)。
4.根据权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，高背压排汽利用储热换热器(5)中换热后的排汽通过管路连接凝结水系；
抽汽利用储热换热器(10)中换热后的蒸汽通过管路连接凝结水系。
5.根据权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，汽轮机低压旁路(27)接入凝汽器。
6.根据权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，汽轮机高压旁路(26)通过高旁抽汽利用储热管路(11)连接高旁抽汽利用储热换热器(10)和背压驱动式小汽轮机(12)。
7.根据权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统，其特征在于，汽轮机低压旁路(27)通过低旁抽汽利用管路(6)连接低旁抽汽利用储热换热器(5)。
8.权利要求1所述的一种利用汽轮机旁路补热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，从锅炉(25)的汽轮机高压旁路(26)中抽取蒸汽，一部分送入高旁抽汽利用储热换热器，与高温储热工质进行热交换，升温后的工质储存至高旁抽汽利用高温工质储罐(7)，另一部分驱动背压式汽轮机(12)推动多级间冷压缩机(13)，从锅炉(25)的汽轮机低压旁路(27)中抽取蒸汽送入低旁抽汽利用储热换热器(5)中，与高温储热工质在进行热交换，将升温后的工质储存于低旁抽汽利用高温工质储罐(3)；
S12，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，将升温后的工质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，而未液化的压缩空气执行S13；
释能流程包括以下步骤：
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)的热源为压缩热利用高温工质储罐(15)中工质的压缩热，汽化换热器(22)中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐(16)；
S22，升温汽化后的压缩空气接着进入低旁抽汽利用释能换热器(2)，低旁抽汽利用释能换热器(2)中进行第二次升温，低旁抽汽利用释能换热器(2)的热源为低旁抽汽利用高温工质储罐(3)中的排汽余热，低旁抽汽利用释能换热器(2)中放热后的循环工质进入低旁抽汽利用高温工质储罐(4)；
S23，二次升温后的压缩空气进入高旁抽汽利用储热换热器(11)，利用存储在高旁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，高旁抽汽利用储热换热器(11)中放热后的循环工质进入高旁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。
9.根据权利要求8所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，高背压排汽利用储热换热器(5)中换热后的排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系；
抽汽利用储热换热器(10)中换热后的蒸汽冷凝成凝结水汇入凝结水系。
10.根据权利要求8所述的一种利用汽轮机旁路补热的液态压缩空气储能系统的工作方法，其特征在于，汽轮机低压旁路(27)的蒸汽送入凝汽器。
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