CN115818750A - 一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统及其运行方法，所述耦合系统包括依次连接的深冷制冰子系统、液化空气储能子系统和海水淡化子系统；所述液化空气储能子系统包括压缩模块、储冷模块、发电模块和储热模块；所述海水淡化子系统包括第一换热模块和多效蒸发模块；所述深冷制冰子系统通过所述储冷模块与所述液化空气储能子系统相连；所述液化空气储能子系统的储热模块和发电模块分别独立地与所述海水淡化子系统的第一换热模块构成连接；所述耦合系统回收液化空气储能系统中释能阶段的低温废热，为低温多效海水淡化技术提供能量，且将液化空气储能系统的多余冷量进行高效经济地利用，具有较好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统及其运行方法。
背景技术
海水淡化是海水资源综合利用的重要途径。经过几十年的发展，目前，海水淡化技术主要有两个方向，即热法和膜法。热法主要包括低温多效(MED)、多级闪蒸(MSF)和压汽蒸馏淡化工艺。膜法包括反渗透(RO)和电渗析(ED)淡化工艺。目前热法的低温多效技术应用比较多。
低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于70℃的蒸馏淡化技术，其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入首效，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，然后通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。低温多效海水淡化技术具有使用寿命长、操作简单、运行可靠、产品水纯度高等优点而发展很快。但存在初投资大、运行成本(主要是能源)高等问题，因此，设计合理高效的海水淡化系统具有十分重要意义。
基于对上述问题的考虑，CN215233217U公开了一种火电厂脱硫烟气与低温多效海水淡化耦合装置，包括：原料海水进料管路、出料主管和烟气脱硫装置，原料海水进料管路的两端分别与低温多效海水淡化装置的出料口和烟气脱硫装置连通，出料主管的两端分别与低温多效海水淡化装置的入料口和烟气脱硫装置连通，解决了在同时含有燃煤锅炉及热法低温多效海水淡化装置的场所，低温多效海水淡化装置内易产生结垢，除垢和脱硫工作分开分别进行，不能有效结合，并且脱硫装置的脱硫原料耗费量大，成本高，产生的酸性废料得不到有效利用，造成大量资源浪费的问题，具有节约资源、节省成本的效果。但该装置依赖于火电厂设置，受地理条件限制，无法实现广泛的应用。
而液化空气储能作为一种新型大规模储能技术，其主要特点是在传统压缩空气储能的基础上，引入了低温液化过程，将高压空气液化并常压或低压储存，用电高峰时再从罐中释放液态空气并升压升温，推动透平机组发电，从而实现谷电峰用。液态空气储能具有大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制等突出优点，其应用场景广泛，可独立地输出冷、热、电能的储能系统。
综上所述，如何回收液化空气储能系统中释能阶段的低温废热，为低温多效海水淡化技术提供廉价优质、可直接使用的高温低压蒸汽，如何将液化空气储能系统的多余冷量的带高效而经济地利用，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统及其运行方法，所述耦合系统回收液化空气储能系统中释能阶段的低温废热，为低温多效海水淡化技术提供能量，且将液化空气储能系统的多余冷量进行高效经济地利用，具有较好的工业化应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统，所述耦合系统包括依次连接的深冷制冰子系统、液化空气储能子系统和海水淡化子系统；
所述液化空气储能子系统包括依次连接的压缩模块、储冷模块和发电模块，所述液化空气储能子系统还包括储热模块；所述压缩模块通过所述储热模块与所述发电模块相连；
所述海水淡化子系统包括第一换热模块和多效蒸发模块；
所述深冷制冰子系统通过所述储冷模块与所述液化空气储能子系统相连；
所述液化空气储能子系统的储热模块和发电模块分别独立地与所述海水淡化子系统的第一换热模块构成连接。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述压缩模块包括依次连接的空气净化装置和压缩机组。
优选地，所述储冷模块包括依次构成循环连接的第一冷却装置、液空储罐、低温泵、汽化装置以及深冷存储装置。
优选地，所述深冷存储装置包括填充床。
优选地，所述填充床的填充物质包括玄武岩。
优选地，所述发电模块包括透平机组。
优选地，所述透平机组包括至少2个透平，例如2个、3个、4个、5个或6个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，且串联设置。
优选地，所述储热模块包括依次连接的第二冷却装置、储热装置以及加热装置。
优选地，所述压缩机组分别独立地与所述第一冷却装置和所述第二冷却装置相连，所述汽化装置和所述加热装置分别独立地与所述透平机组相连。
作为本发明优选的技术方案，所述压缩机组包括至少2台压缩机，例如2台、3台、4台、5台或6台等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，且串联设置。
优选地，所述第二冷却装置包括级间冷却装置。
优选地，所述加热装置包括级间加热装置。
作为本发明优选的技术方案，所述第一换热模块包括依次连接的蒸汽净化装置、增压机、第一换热器和第二换热器。
优选地，所述第一换热器和所述第二换热器独立地包括管壳式管换热器。
优选地，所述液化空气储能子系统通过储热模块的储热装置与所述海水淡化子系统第一换热模块的第一换热器构成连接。
优选地，所述液化空气储能子系统通过所述发电模块的透平机组与所述海水淡化子系统第一换热模块的第二换热器相连。
作为本发明优选的技术方案，所述多效蒸发模块包括蒸发器、第三换热器、凝结水泵、淡水泵、盐水泵和海水泵。
优选地，所述蒸发器不少于4个，例如4个、5个、6个或7个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，且串联设置。
优选地，所述凝结水泵与所述第一蒸发器相连。
优选地，所述盐水泵与所述第n蒸发器相连，其中n为蒸发器的数量。
本发明中，与第一换热模块相连的蒸发器为第一蒸发器，其后的蒸发器按顺序依次命名为“第二蒸发器”、“第三蒸发器”至“第n蒸发器”。
优选地，所述淡水泵与所述第三换热器相连。
优选地，海水泵通过所述第三换热器后分别与各个蒸发器相连。
作为本发明优选的技术方案，所述第n蒸发器还与所述蒸汽净化装置相连。
第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的的耦合系统的运行方法，所述运行方法包括两种运行模式：
a.用电低谷模式：
一方面，常温常压空气进入所述液化空气储能子系统的压缩模块进行压缩，并将压缩热存储于储热模块；储冷模块中的冷量，一部分将高压空气液化为液态空气进行储存，另一部分用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽进入海水淡化子系统的第一换热模块第一换热器吸收液化空气储能子系统储热模块中的热量，然后进入多效蒸发模块实现海水淡化；
b.用电高峰模式：
一方面，储存的液态空气经汽化后用于发电，与此同时吸收储热模块的热量提高发电模块(即其中的透平机组)进口温度，以提升发电模块的输出功；并且，储冷模块(即其中的深冷存储装置)产生的冷能用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽进入海水淡化子系统的第一换热模块吸收液化空气储能子系统发电模块(即其中透平机组出口常压空气)的热量，然后进入多效蒸发模块实现海水淡化。
实际上，本发明的用电低谷期间即为储能阶段，用电高峰期间即为释能阶段。
所述运行方法更具体的包括：
a.用电低谷模式：
一方面，常温常压(20℃，1atm)空气经净化后进入所述液化空气储能子系统的压缩模块进行压缩，并通过第二冷却装置将压缩热存储于储热装置中；压缩后的高压(6-7MPa)空气通过第一冷却装置，吸收深冷存储装置中的的冷量，冷却至液态进行储存；储存的液态空气经低温泵增压后进入汽化装置，将冷能存储后汽化，进入透平机组做功；而储存至深冷存储装置的冷能，一部分用于冷却压缩后的高温高压空气，将其液化为液态空气进行储存，另一部分用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽与第n蒸发器回收的蒸汽汇流，依次经净化和增压后(压力为0.3-0.5MPa)进入海水淡化子系统的第一换热器吸收液化空气储能子系统储热装置中的热量，使蒸汽温度≥70℃，然后进入多效蒸发模块，实现海水淡化。
b.用电高峰模式：
一方面，储存的液态空气经低温泵增压后进入汽化装置，将冷能存储后汽化，进入透平机组做功，与此同时，透平机组吸收储热装置中的压缩热进行级间加热，提高输出功，得到温度不低于80℃，的常压空气；而储存至深冷存储装置的冷能用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽与第n蒸发器回收的蒸汽汇流，依次经净化和增压后(压力为0.3-0.5MPa)进入海水淡化子系统的第二换热器吸收液化空气储能子系统透平机组发电后空气中的热量，使蒸汽温度≥70℃，然后进入多效蒸发模块，实现海水淡化。
本发明中，“低温”、“高温”、“低压”、“高压”并非至特定数值下的温压，仅为表示相对状态。上述具体运行过程中示例性地列举出了可行范围。
作为本发明优选的技术方案，运行模式为用电低谷模式时，海水淡化子系统的常温常压蒸汽经第一换热模块吸热后，温度不低于70℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，运行模式为用电低谷模式时，通过所述第一换热模块的第一换热器进行吸热，且热源介质包括导热油，所述导热油进入壳程。
作为本发明优选的技术方案，运行模式为用电高峰模式时，海水淡化子系统的常温常压蒸汽经第一换热模块吸热后，温度不低于70℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，运行模式为用电高峰模式时，通过所述第一换热模块的第二换热器进行吸热，且热源介质包括空气，所述空气进入壳程。
作为本发明优选的技术方案，所述多效蒸发模块经最后一级蒸发后得到的蒸汽，一部分返回至第一换热模块进行循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述耦合系统将液化空气储能子系统用电低谷储能期间多余的压缩热或用电高峰期间空气透平出口的高温空气用于加热低温多效海水淡化子系统首效入口的常温常压；用深冷制冰子系统吸收深冷存储装置中多余冷量，生产冰块，实现了能源的高效利用。所述耦合系统可布置在码头周边，售卖给过往船舶，因此，特别适用于沿海和海岛的海水淡化厂；
(2)本发明所系统具有两种运行模式，用电峰谷期间灵活运行、节能环保，具有一定的经济效益和较大的推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统，用电低谷阶段的运行流程示意图。
图2是本发明实施例1提供的一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统，用电高峰阶段的运行流程示意图。
其中，1-液化空气储能子系统，11-空气净化装置，12-压缩机组，13-第一冷却装置，14-液空储罐，15-低温泵，16-汽化装置，17-深冷存储装置，18-透平机组，19-第二冷却装置，110-储热装置，111-加热装置，2-海水淡化子系统，21-蒸汽净化装置，22-增压机，23-第一换热器，24-第二换热器，251-第一蒸发器，252-第二蒸发器，253-第三蒸发器，254-第四蒸发器，26-凝结水泵，27-第三换热器，28-淡水泵，29-盐水泵，210-海水泵，3-深冷制冰子系统，
箭头方向代表物料流动方向。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统及其运行方法，所述耦合系统包括依次连接的深冷制冰子系统3、液化空气储能子系统1和海水淡化子系统2；
所述液化空气储能子系统1包括依次连接的压缩模块、储冷模块和发电模块，所述液化空气储能子系统1还包括储热模块；所述压缩模块通过所述储热模块与所述发电模块相连；
所述压缩模块包括依次连接的空气净化装置11和压缩机组12；所述储冷模块包括依次构成循环连接的第一冷却装置13、液空储罐14、低温泵15、汽化装置16以及深冷存储装置17；所述深冷存储装置17包括填充床；所述填充床的填充物质包括玄武岩；所述发电模块包括透平机组18；所述储热模块包括依次连接的第二冷却装置19、储热装置110以及加热装置111；所述压缩机组12分别独立地与所述第一冷却装置13和所述第二冷却装置19相连，所述汽化装置16和所述加热装置111分别独立地与所述透平机组18相连；所述第二冷却装置19为级间冷却装置；所述加热装置111为级间加热装置。
所述海水淡化子系统2包括第一换热模块和多效蒸发模块；
所述第一换热模块包括依次连接的蒸汽净化装置21、增压机22、第一换热器23和第二换热器24；所述第一换热器23和所述第二换热器24独立地包括管壳式管换热器；所述第一换热器23的热源介质为导热油，且导热油走壳程；第二换热器24的热源介质为空气，且空气走壳程。
所述液化空气储能子系统1通过储热模块的储热装置110与所述海水淡化子系统2第一换热模块的第一换热器23构成连接；所述液化空气储能子系统1通过所述发电模块的透平机组18与所述海水淡化子系统2第一换热模块的第二换热器24相连。
所述多效蒸发模块包括蒸发器、第三换热器27、凝结水泵26、淡水泵28、盐水泵29和海水泵210；所述蒸发器为4个，且串联设置；所述凝结水泵26与所述第一蒸发器251相连；所述盐水泵29与所述第四蒸发器254相连；所述淡水泵28与所述第三换热器27相连；海水泵210通过所述第三换热器27后分别与各个蒸发器相连；所述第四蒸发器254还与所述蒸汽净化装置21相连。
所述深冷制冰子系统3通过所述储冷模块与所述液化空气储能子系统1相连。
上述耦合系统的运行方法包括：
a.用电低谷模式：
一方面，常温常压(20℃，1atm)空气经净化后进入所述液化空气储能子系统1的压缩模块进行压缩，并通过第二冷却装置19将压缩热存储于储热装置110中；压缩后的高压(6.5MPa)空气通过第一冷却装置13，吸收深冷存储装置17中的的冷量，冷却至液态进行储存；储存的液态空气经低温泵15增压后(-127℃，12MPa)进入汽化装置16，将冷能存储后汽化，进入透平机组18做功；而储存至深冷存储装置17的冷能，一部分用于冷却压缩后的高温高压空气，将其液化为液态空气进行储存，另一部分用于制冰；
另一方面，常温常压(20℃，0.101MPa)蒸汽与第四蒸发器254回收的蒸汽汇流后依次经净化和增压后(压力为0.4MPa)进入海水淡化子系统2的第一换热器23吸收液化空气储能子系统1储热装置110中的热量，使蒸汽达70℃，然后进入多效蒸发模块，实现海水淡化。
用电低谷阶段的运行流程示意图如图1所示。
b.用电高峰模式：
一方面，储存的液态空气经低温泵15增压后(-127℃，12MPa)进入汽化装置16，将冷能存储后汽化，进入透平机组18做功，与此同时，透平机组18吸收储热装置110中的压缩热进行级间加热，提高输出功，得到温度为85℃，的常压(1atm)空气；而储存至深冷存储装置17的冷能用于制冰；
另一方面，常温常压(20℃，0.101MPa)蒸汽与第四蒸发器254回收的蒸汽汇流后依次经净化和增压后(压力为0.4MPa)进入海水淡化子系统2的第二换热器24吸收液化空气储能子系统1透平机组18发电后空气(85℃，常压)中的热量，使蒸汽达74℃，然后进入多效蒸发模块，实现海水淡化。
用电高峰阶段的运行流程示意图如图2所示。
为清楚直接的表示两种阶段的运行流程，图1中未展示出第二换热器24，图2中未展示出第一换热器23。
本发明通过上述实施例来说明本发明的系统和详细方法，但本发明并不局限于上述系统和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述系统和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种液化空气储能和低温多效海水淡化耦合系统，其特征在于，所述耦合系统包括依次连接的深冷制冰子系统、液化空气储能子系统和海水淡化子系统；
所述液化空气储能子系统包括依次连接的压缩模块、储冷模块和发电模块，所述液化空气储能子系统还包括储热模块；所述压缩模块通过所述储热模块与所述发电模块相连；
所述海水淡化子系统包括第一换热模块和多效蒸发模块；
所述深冷制冰子系统通过所述储冷模块与所述液化空气储能子系统相连；
所述液化空气储能子系统的储热模块和发电模块分别独立地与所述海水淡化子系统的第一换热模块构成连接。
2.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述压缩模块包括依次连接的空气净化装置和压缩机组；
优选地，所述储冷模块包括依次构成循环连接的第一冷却装置、液空储罐、低温泵、汽化装置以及深冷存储装置；
优选地，所述深冷存储装置包括填充床；
优选地，所述填充床的填充物质包括玄武岩；
优选地，所述发电模块包括透平机组；
优选地，所述储热模块包括依次连接的第二冷却装置、储热装置以及加热装置；
优选地，所述压缩机组分别独立地与所述第一冷却装置和所述第二冷却装置相连，所述汽化装置和所述加热装置分别独立地与所述透平机组相连。
3.根据权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述第二冷却装置包括级间冷却装置；
优选地，所述加热装置包括级间加热装置。
4.根据权利要求2或3所述的耦合系统，其特征在于，所述第一换热模块包括依次连接的蒸汽净化装置、增压机、第一换热器和第二换热器；
优选地，所述第一换热器和所述第二换热器独立地包括管壳式管换热器；
优选地，所述液化空气储能子系统通过储热模块的储热装置与所述海水淡化子系统第一换热模块的第一换热器构成连接；
优选地，所述液化空气储能子系统通过所述发电模块的透平机组与所述海水淡化子系统第一换热模块的第二换热器相连。
5.根据权利要求4所述的耦合系统，其特征在于，所述多效蒸发模块包括蒸发器、第三换热器、凝结水泵、淡水泵、盐水泵和海水泵；
优选地，所述蒸发器不少于4个，且串联设置；
优选地，所述凝结水泵与第一蒸发器相连；
优选地，所述盐水泵与第n蒸发器相连，其中n为蒸发器的数量；
优选地，所述淡水泵与所述第三换热器相连；
优选地，海水泵通过所述第三换热器后分别与各个蒸发器相连。
6.根据权利要求5所述的耦合系统，其特征在于，所述第n蒸发器还与所述蒸汽净化装置相连。
7.一种如权利要求1-6任一项所述耦合系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括两种运行模式：
a.用电低谷模式：
一方面，常温常压空气进入所述液化空气储能子系统的压缩模块进行压缩，并将压缩热存储于储热模块；储冷模块中的冷量，一部分将高压空气液化为液态空气进行储存，另一部分用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽进入海水淡化子系统的第一换热模块第一换热器吸收液化空气储能子系统储热模块中的热量，然后进入多效蒸发模块实现海水淡化；
b.用电高峰模式：
一方面，储存的液态空气经汽化后用于发电，与此同时吸收储热模块的热量提高发电模块进口温度，以提升发电模块的输出功；并且，储冷模块产生的冷能用于制冰；
另一方面，常温常压蒸汽进入海水淡化子系统的第一换热模块吸收液化空气储能子系统发电模块出口的热量，然后进入多效蒸发模块实现海水淡化。
8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，运行模式为用电低谷模式时，海水淡化子系统的常温常压蒸汽经第一换热模块吸热后，温度不低于70℃；
优选地，运行模式为用电低谷模式时，通过所述第一换热模块的第一换热器进行吸热，且热源介质包括导热油，所述导热油进入壳程。
9.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，运行模式为用电高峰模式时，海水淡化子系统的常温常压蒸汽经第一换热模块吸热后，温度不低于80℃；
优选地，运行模式为用电高峰模式时，通过所述第一换热模块的第二换热器进行吸热，且热源介质包括空气，所述空气进入壳程。
10.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述多效蒸发模块经最后一级蒸发后得到的蒸汽，一部分返回至第一换热模块进行循环。
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