CN117663684A - 一种冷热集成的液态空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种冷热集成的液态空气储能系统，包括：空气纯化单元，用于对空气进行纯化，脱除空气中的二氧化碳和水；空气压缩单元，与空气纯化单元连接，用于对纯化后的空气进行压缩并分级冷却；LNG冷能提供单元，与空气压缩单元连接，与压缩冷却后的空气间接换热；空气液化单元，与LNG冷能提供单元连接，用于对空气进一步降温、液化并储存；蓄冷单元，与空气液化单元连接，用于液态空气储存的冷能，并利用该冷能对空气液化；释能单元，与蓄冷单元连接，用于使在蓄冷单元释放冷能的液态空气升温气化及增压后膨胀发电。本发明可以更高效、更安全的完成电力的储能调峰任务，以缓解可再生能源和电网供需不匹配的问题。

Description

一种冷热集成的液态空气储能系统
技术领域
本发明属于LNG冷能利用技术领域，特别是冷热集成的液态空气储能系统。
背景技术
随着科技的发展，全球电力需求一直在持续增长。与此同时带来的就是严重的环境恶化问题。20世纪60年代，全球开始意识到环境问题，并逐渐开始重视并改善现状，最重要的方式之一就是发展可再生资源替代技术(水电、风能、太阳能、生物质能、潮汐)，以取代化石燃料(煤、石油、天然气)。但是目前的可再生能能源的开采已经达到瓶颈，很难再有进一步的发展。
因此储能调峰技术就显得尤为重要。当前的电力储能调峰技术有很多种，较为成熟的大规模的热力学储能调峰技术主要有压缩空气储能、液化空气储能。考虑到压缩空气储能的储能密度较小，需要巨大的储气库(一般为废弃的盐洞或者油田)。因此液化空气储能就作为目前国内外研究的重点。
同时了解到我国在LNG的使用上存在巨大的冷能浪费。2021年，我国进口LNG 7805万吨，其中约6000万吨的LNG气化进入管网。对于LNG接收站而言，LNG是利用开架式海水汽化器(ORV)或中间介质汽化器(IFV)直接或者间接以海水作为热源进行换热气化，使LNG温度上升至10℃左右后外输至管网。而在冬天的时候，海水不到5℃时，一般采用天然气燃烧作为热源，利用浸没式燃烧汽化器(SCV)和海水将LNG气化并且升温至要求温度。LNG在气化过程中会释放约830kJ/kg高品位冷量，即每吨LNG常压下的冷能相当于230kW·h的电能，按照600万吨每年规模的LNG接收站测算，相当于一台460MW燃气蒸汽联合循环发电机组的年发电量。通过对该部分冷能的有效利用，可满足相应用户的用冷需求，并可进一步降低LNG成本、实现节能减排，是典型的循环经济模式。我国产业政策鼓励发展LNG冷能利用项目，对进一步加快发展LNG冷能利用项目，实现绿色低碳发展和节能减排具有重大意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种冷热集成的液态空气储能系统。
本发明实施例采用的技术方案是：一种冷热集成的液态空气储能系统，包括：
空气纯化单元，用于对空气进行纯化，脱除空气中的二氧化碳和水；
空气压缩单元，与所述空气纯化单元连接，用于对纯化后的空气进行压缩和冷却，所述冷却包括采用导热油和水对压缩后的空气进行分级冷却；
LNG冷能提供单元，与所述空气压缩单元连接，并利用氮气作为换热介质吸收LNG的冷能，氮气再与压缩冷却后的空气换热释放冷能，使空气进一步降温；
空气液化单元，与所述LNG冷能提供单元连接，用于对吸收LNG冷能的空气进一步降温，使其液化并对液化后的空气进行储存；
蓄冷单元，与所述空气液化单元连接，用于吸收所述空气液化单元中液态空气储存的冷能，并利用该冷能在所述空气液化单元用于空气液化；
释能单元，与所述蓄冷单元连接，用于使在所述蓄冷单元释放冷能的液态空气升温气化及增压后进行膨胀发电。
可选实施例中，所述空气纯化单元包括空气压缩机和空气纯化器，所述空气压缩机的进气口连接空气输送管线，由所述空气输送管线输送的空气进入所述空气压缩机压缩后再进入所述空气纯化器纯化，以脱去二氧化碳和水。
可选实施例中，所述液态空气储能系统还包括太阳能集热储热单元，所述太阳能集热储热单元与所述释能单元的末端连接，用于与膨胀发电后的空气换热使空气升温，升温后的空气进入所述空气纯化器，用于对所述空气纯化器内的分子筛进行吹扫再生。
可选实施例中，所述空气压缩单元包括多个串联的压缩冷却机组，每个所述压缩冷却机组分别包括沿空气的流动方向依次连接的压缩机、导热油冷却器及水冷却器；位于最上游的所述压缩冷却机组中的所述压缩机的入口连接所述空气纯化单元，每个所述压缩冷却机组中的所述压缩机的出口分别其与同组的所述导热油冷却器的热流体侧的入口连接，以使经所述压缩机压缩后的空气依次流经所述导热油冷却器及所述水冷却器的热流体侧，并与流经所述导热油冷却器的冷流体侧的导热油和流经所述水冷却器的冷流体侧的水进行换热降温。
可选实施例中，所述LNG冷能提供单元包括氮气闭合循环管线以及串联于所述氮气闭合循环管线上的第一氮气换热器和第二氮气换热器，所述第一氮气换热器的冷流体侧入口连接LNG输送管线，所述第一氮气换热器的热流体侧和所述第二氮气换热器的第一冷流体侧均串联于所述氮气闭合循环管线上，所述第二氮气换热器的热流体侧入口与所述空气压缩单元连接，用于使经所述空气压缩单元压缩冷却后的空气进入所述第二氮气换热器与所述氮气闭合循环管线内的氮气进行换热降温。
可选实施例中，所述空气液化单元包括依次连接的氮气释冷换热器、液力透平、气液分离器和液态空气储罐，其中，所述氮气释冷换热器的热流体侧入口与所述第二氮气换热器的热流体侧出口连接，所述氮气释冷换热器的热流体侧出口与所述液力透平的入口连接，所述液态空气储罐的气体出口与所述氮气释冷换热器的第一冷流体侧入口连接，所述氮气释冷换热器的第一冷流体侧出口与所述第二氮气换热器的第二冷流体侧入口连接，所述第二氮气换热器的第二冷流体侧出口与所述空气压缩单元的最上游的压缩机组的入口连接。
可选实施例中，所述蓄冷单元包括蓄冷换热器和蓄冷填充床，所述蓄冷换热器的热流体侧出口与所述蓄冷填充床的冷流体侧入口连接，所述蓄冷填充床的冷流体侧出口与所述蓄冷换热器的热流体侧入口连接；所述蓄冷填充床的热流体侧出口与所述氮气释冷换热器的第二冷流体侧入口连接，所述氮气释冷换热器的第二冷流体侧出口与所述蓄冷填充床的热流体侧入口连接；所述蓄冷换热器的冷流体侧入口与所述液态空气储罐的出口连接，所述蓄冷换热器的冷流体侧出口与所述释能单元连接。
可选实施例中，所述释能单元包括沿空气的流动方向依次连接的液态空气增压泵、海水换热器和多个空气膨胀发电机组，所述液态空气增压泵的入口与所述蓄冷单元连接，用于将所述空气液化单元的与所述蓄冷单元换热升温后的液态空气增压后送入所述海水换热器换热后复温成气态空气，所述气态空气进入所述空气膨胀发电机组膨胀发电。
可选实施例中，所述空气膨胀发电机组包括沿空气的流动方向依次连接的水释热换热器、导热油释热换热器和膨胀发电机，所述水释热换热器的冷流体侧入口与所述海水换热器的热流体侧出口连接，以使将所述海水换热器复温成的气态空气依次流经所述水释热换热器的冷流体侧和所述导热油释热换热器的冷流体侧，并与流经所述导热油释热换热器的热流体侧的导热油和流经所述水释热换热器的热流体侧的水进行换热升温，每个所述空气膨胀发电机组中的所述膨胀发电机的入口分别与其同组的所述导热油释热换热器的冷流体侧出口连接。
可选实施例中，所述导热油冷却器的冷流体侧入口连接第一导热油罐，所述导热油冷却器的冷流体侧出口连接第二导热油罐，以使所述第一导热油罐内的低温导热油流经所述导热油冷却器吸收空气的压缩热升温后储存于所述第二导热油罐；
所述水冷却器的冷流体侧入口连接第一水罐，所述水冷却器的冷流体侧出口连接第二水罐，以使所述第一水罐内的低温水流经所述水冷却器吸收空气的压缩热升温后储存于所述第二水罐；
所述水释热换热器的热流体侧入口连接所述第二水罐，所述水释热换热器的热流体侧出口连接第一水罐，以使所述第二水罐内的高温水流经所述水释热换热器将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于所述第一水罐；
所述导热油释热换热器的热流体侧入口连接所述第二导热油罐，所述导热油释热换热器的冷流体侧出口连接所述第一导热油罐，以使所述第二导热油罐内的高温导热油流经所述导热油释热换热器将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于所述第一导热油罐。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：本发明采用LNG间接换热方案，保证系统安全性的同时，大大降低了液态空气储能的空气流量，节约了系统的建设成本。系统通过采用分级蓄热循环，收集并利用压缩空气的余热，提高了系统效率，对于空气纯化单元再生所需要的热量和吹扫再生空气也是由太阳能和系统本身提供的，保证了系统的安全性。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本发明。
本发明中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1为本发明实施例的冷热集成的液态空气储能系统的示意图。
附图标记：
1-空气输送管线；2-空气压缩机；3-空气纯化器；
4-集热场；5-第一储罐；6-第二储罐；7-蒸汽发生换热器；8-太阳能输送管线；
9-第一压缩机；10-第一导热油冷却器；11-第一水冷却器；12-第二压缩机；13-第二导热油冷却器；14-第二水冷却器；
15-第一导热油罐；16-第二导热油罐；17-第一水罐；18-第二水罐；
19-氮气闭合循环管线；20-第一氮气换热器；21-第二氮气换热器；22-LNG输送管线；
23-氮气释冷换热器；24-第一冷流体侧；25-第二冷流体侧；26-热流体侧；27-液力透平；28-气液分离器；29-液态空气储罐；
30-蓄冷换热器；31-蓄冷填充床；
32-液态空气增压泵；33-海水换热器；34-水释热换热器；35-导热油释热换热器；36-膨胀发电机；
37-风机。
具体实施方式
为了使得本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种冷热集成的液态空气储能系统。该液态空气储能系统包括空气纯化单元、空气压缩单元、LNG冷能提供单元、空气液化单元、蓄冷单元和释能单元。
空气纯化单元连接空气输送管线1，空气纯化单元用于对空气输送管线1输送来的空气进行纯化，脱除空气中的二氧化碳和水。
空气压缩单元与空气纯化单元连接，空气压缩单元用于对纯化后的空气进行压缩并对压缩后的空气采用导热油和水进行分级冷却，导热油和水收集空气压缩过程产生的余热。
LNG冷能提供单元与空气压缩单元连接，LNG冷能提供单元利用氮气作为换热介质吸收LNG的冷能，氮气再与压缩冷却后的空气换热释放冷能，使空气进一步降温。
空气液化单元与LNG冷能提供单元连接，空气液化单元用于对吸收了LNG冷能的空气进一步降温，使其液化并对液化后的空气进行储存。
蓄冷单元与空气液化单元连接，蓄冷单元用于吸收空气液化单元中液态空气储存的冷能，并利用该冷能在空气液化单元用于空气液化。
释能单元与蓄冷单元连接，用于使在蓄冷单元释放冷能的液态空气升温气化及增压后进行膨胀发电。
本发明实施例的液态空气储能系统采用LNG间接换热方案，保证系统安全性；液态空气储能系统在空气压缩单元通过采用导热油和水进行分级降温并蓄热，收集压缩空气的余热，提高了系统效率。
在一些实施例中，如图1所示，空气纯化单元包括空气压缩机2和空气纯化器3，空气压缩机2的进气口连接空气输送管线1，由空气输送管线1输送的空气进入空气压缩机2压缩后再进入空气纯化器3纯化，以脱去空气中的二氧化碳和水。
空气纯化器3的具体结构不限，例如空气纯化器3可以包括吸附罐和装设于吸附罐内的分子筛。
由于分子筛的再生需要高温热源，考虑绿色理念，本系统采用的是太阳能集热储热单元提供热量。如图1所示，液态空气储能系统还包括太阳能集热储热单元。太阳能集热储热单元与释能单元的末端连接，以使在释能单元膨胀发电后的空气在太阳能集热储热单元吸收热能而升温，升温后的空气进入空气纯化器3，用于对空气纯化器3内的分子筛进行吹扫再生，去除杂质，使空气纯化器3恢复活性。空气纯化单元再生所需的作为再生气体的洁净空气由系统本身提供，洁净空气的热量由太阳能集热储热单元提供，保证了系统的安全性。
继续结合图1，太阳能集热储热单元包括通过太阳能输送管线8依次连接的集热场4、第一储罐5和蒸汽发生换热器7。集热场4可以包括但不限于例如太阳能热水器或光热电站等用于汇集太阳的热能的结构。第一储罐5内储存有换热介质，该换热介质可以为例如导热熔盐或导热油等。换热介质能够在太阳能输送管线8内循环流动以吸收集热场4的热能，并在蒸汽发生换热器7内将吸收的热能释放给空气，以使空气升温而能够用于对空气纯化器3进行吹扫再生。换热介质优选采用液态的，避免采用气态的换热介质发生泄露的风险。
为了便于储存集热场4的热能，有效利用该热能与空气进行换热，太阳能集热储热单元还可以包括第二储罐6，第二储罐6设于蒸汽发生换热器7与集热场4之间的太阳能输送管线8上。第二储罐6内也储存有与第一储罐5内相同的换热介质。
可以理解的是，在释能单元经过膨胀发电后的空气也可以直接进入集热场4，吸收集热场4的热能升温至高温后用于空气纯化器3的再生。
在一些实施例中，空气压缩单元包括多个串联的压缩冷却机组，每个压缩冷却机组分别包括沿空气的流动方向依次连接的压缩机、导热油冷却器及水冷却器。位于最上游的压缩冷却机组中的压缩机的入口连接空气纯化单元，即连接空气纯化单元的空气纯化器3的出口。每个压缩冷却机组中的压缩机的出口分别其与同组的导热油冷却器的热流体侧的入口连接，以使经压缩机压缩后的空气依次流经导热油冷却器及水冷却器的热流体侧，并与流经导热油冷却器的冷流体侧的导热油和流经水冷却器的冷流体侧的水进行换热降温，导热油和水均升温蓄热。
示例性的，如图1所示，空气压缩单元包括两个压缩冷却机组，即第一压缩冷却机组和第二压缩冷却机组。第一压缩冷却机组包括第一压缩机9、第一导热油冷却器10和第一水冷却器11。第二压缩冷却机组包括第二压缩机12、第二导热油冷却器13和第二水冷却器14。
第一压缩机9的出口连接第一导热油冷却器10的热流体侧入口，第一导热油冷却器10的热流体侧出口连接第一水冷却器11的热流体侧入口，第一水冷却器11的热流体侧出口连接第二压缩机12的入口；第二压缩机12的出口连接第二导热油冷却器13的热流体侧入口，第二导热油冷却器13的热流体侧出口连接第二水冷却器14的热流体侧入口，第二水冷却器14的热流体侧出口连接LNG冷能提供单元，以使空气依次在第二导热油冷却器13和第二水冷却器14换热降温后进入LNG冷能提供单元继续与氮气换热降温。
第一导热油冷却器10的冷流体侧入口和第二导热油冷却器13的冷流体侧入口分别与第一导热油罐15连接，第一导热油冷却器10的冷流体侧出口和第二导热油冷却器13的冷流体侧出口分别与第二导热油罐16连接。第一导热油罐15内的导热油分别在两个导热油冷却器内与空气换热升温后并进入到第二导热油罐16，收集空气压缩过程产生的余热，该余热可用于释能阶段的空气膨胀发电。
第一水冷却器11的冷流体侧入口和第二水冷却器14的冷流体侧入口分别与第一水罐17连接，第一水冷却器11的冷流体侧出口和第二水冷却器14的冷流体侧出口分别与第二水罐18连接。第一水罐17内的水分别在两个水冷却器内与空气换热升温后并进入到第二水罐18，收集空气压缩过程产生的余热，该余热可用于释能阶段的空气膨胀发电。
本发明实施例的液态空气储能系统先利用导热油，再利用水进行对空气的压缩热进行分级储存，高温空气先通过导热油冷却器将较高温度的热储存在导热油中，再通过水冷却器将较低温度的热储存在水中，分级储热的性能更好，热量利用更充分，提高了系统效率。
在一些实施例中，如图1所示，LNG冷能提供单元包括氮气闭合循环管线19以及串联于氮气闭合循环管线19上的第一氮气换热器20和第二氮气换热器21。氮气闭合循环管线19内流通有换热介质氮气。第一氮气换热器20的冷流体侧入口连接LNG输送管线22，通过LNG输送管线22向第一氮气换热器20的冷流体侧提供LNG。第一氮气换热器20的热流体侧串联于氮气闭合循环管线19上，氮气闭合循环管线19内流通的氮气在第一氮气换热器20内吸收LNG的冷能并降温。第二氮气换热器21的第一冷流体侧也串联于氮气闭合循环管线19上，吸收LNG冷能的氮气进入第二氮气换热器21的第一冷流体侧。第二氮气换热器21的热流体侧入口与空气压缩单元(第二水冷却器14的热流体侧出口)连接，用于使经空气压缩单元压缩冷却后的空气进入第二氮气换热器21的热流体侧与第二氮气换热器21的第一冷流体侧的氮气换热而降温。
采用氮气作为换热介质，LNG在系统中不与空气直接换热，都是通过氮气作为中间换热介质进行间接换热，避免空气直接与易燃易爆的LNG接触，降低了安全隐患，提升了系统的安全性。
LNG输送管线22上可以设置输送泵，为LNG的输送提供动力。氮气闭合循环管线19上可以设置风机37，为氮气的循环流动提供动力。
在一些实施例中，如图1所示，空气液化单元包括依次连接的氮气释冷换热器23、液力透平27、气液分离器28和液态空气储罐29，其中，氮气释冷换热器23的热流体侧26的入口与第二氮气换热器21的热流体侧出口连接，氮气释冷换热器23的热流体侧26的出口与液力透平27的入口连接，以使在第二氮气换热器21中吸收了氮气携带的LNG冷能的空气进入氮气释冷换热器23中进一步换热降温并液化，液化的液态空气储存于液态空气储罐29中。液态空气储罐29的气体出口与氮气释冷换热器23的第一冷流体侧24入口连接，氮气释冷换热器23的第一冷流体侧24出口与第二氮气换热器21的第二冷流体侧入口连接，第二氮气换热器21的第二冷流体侧出口与空气压缩单元的最上游的压缩机组的入口连接。如此，液态空气储罐29中的气态空气(下文称为返回气)进入氮气释冷换热器23用于与空气换热释放冷能，并进入到第二氮气换热器21继续参与空气的降温后再与来自空气纯化单元的空气混合继续循环利用，不仅提高了空气的利用率，而且有效利用返回气中蕴含的冷能，还可以减小纯化前压缩空气流量，降低纯化前压缩空气温度的增加。
在一些实施例中，如图1所示，蓄冷单元包括蓄冷换热器30和蓄冷填充床31。蓄冷换热器30的热流体侧出口与蓄冷填充床31的冷流体侧入口连接，蓄冷填充床31的冷流体侧出口与蓄冷换热器30的热流体侧入口连接；蓄冷填充床31的热流体侧出口与氮气释冷换热器23的第二冷流体侧25入口连接，氮气释冷换热器23的第二冷流体侧25出口与蓄冷填充床31的热流体侧入口连接；蓄冷换热器30的冷流体侧入口与液态空气储罐29的出口连接，蓄冷换热器30的冷流体侧出口与释能单元连接。蓄冷换热器30的热流体侧的循环流体与蓄冷换热器30的冷流体侧的液态空气换热，吸收液态空气的冷能，液态空气升温。蓄冷换热器30的热流体侧的循环流体再进入蓄冷填充床31的冷流体侧与蓄冷填充床31的热流体侧的循环流体换热，蓄冷填充床31的热流体侧的循环流体吸收冷能降温，并进入氮气释冷换热器23的第二冷流体侧25用于与空气换热，使空气液化。通过蓄冷换热器30提取液态空气的冷能，并将该冷能储存于蓄冷填充床31用于在氮气释冷换热器23中释放给空气使空气降温和液化。
蓄冷换热器30的热流体侧的循环流体和蓄冷填充床31的热流体侧的循环流体可以均采用低温氮气，满足稳定性和热力学性能、储能系统循环效率与系统经济性要求。上述循环流体的循环管线上可以设置风机37，以为循环流体的流动提供动力。
在一些实施例中，继续结合图1，释能单元包括沿空气的流动方向依次连接的液态空气增压泵32、海水换热器33和多个空气膨胀发电机36组。液态空气增压泵32的入口与蓄冷单元连接，具体的，液态空气增压泵32的入口与蓄冷单元的蓄冷换热器30的冷流体侧出口连接，用于将空气液化单元的与蓄冷单元换热升温后的液态空气增压后送入海水换热器33与低温海水换热，使液态空气复温成气态空气，气态空气进入空气膨胀发电机36组膨胀发电，为电网提供电能，以更为高效的完成电力的调峰任务，缓解电厂设备的使用压力和可再生能源的波动。
如图1所示，空气膨胀发电机36组包括沿空气的流动方向依次连接的水释热换热器34、导热油释热换热器35和膨胀发电机36。水释热换热器34的冷流体侧入口与海水换热器33的热流体侧出口连接，以使在海水换热器33内复温成的气态空气依次流经水释热换热器34的冷流体侧和导热油释热换热器35的冷流体侧，并与流经导热油释热换热器35的热流体侧的导热油和流经水释热换热器34的热流体侧的水进行换热升温，每个空气膨胀发电机36组中的膨胀发电机36的入口分别与其同组的导热油释热换热器35的冷流体侧出口连接。经海水换热器33复位气化的空气依次分别吸收水和导热油的热量形成高温高压空气，最后经膨胀发电机36膨胀做功输出电力至电网，提高发电功率。
可选实施例中，继续结合图1，水释热换热器34的热流体侧入口连接第二水罐18，水释热换热器34的热流体侧出口连接第一水罐17，以使第二水罐18内的高温水流经水释热换热器34将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于第一水罐17。导热油释热换热器35的热流体侧入口连接第二导热油罐16，导热油释热换热器35的冷流体侧出口连接第一导热油罐15，以使第二导热油罐16内的高温导热油流经导热油释热换热器35将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于第一导热油罐15。两台膨胀发电机36前分别通过水释热换热器34和导热油释热换热器35，使空气分别吸收空气压缩单元储存在第二水罐18和第二导热油罐16内的热水和导热油蕴含的热量，提高发电功率。
本发明冷热集成的液态空气储能系统，在储能阶段，利用电网中的电力驱动空气压缩机2对空气进行压缩并送入空气纯化器3，空气经过空气纯化器3脱除二氧化碳和水，后经压缩冷却机组压缩增压后分别进入导热油冷却器和水冷却器进行换热降温，再通过第二氮气换热器21和氮气释冷换热器23吸收来自LNG和液态空气的冷能并液化(空气的液化位置与LNG的温度有关，如果LNG的温度较低例如-165℃左右，空气将会在第二氮气换热器21内发生液化，如果LNG的温度较高例如-130℃左右，空气将会部分在第二氮气换热器21内发生液化，部分在氮气释冷换热器23内发生液化，或者全部在氮气释冷换热器23内发生液化)，再经液力透平27使空气降温降压，低温的空气再经气液分离器28进行气液分离(如果降压后的液态空气无相变且带压存储，气液分离器28将作为安全设备存在)，液态空气进入液态空气储罐29储存，实现了通过液态空气对LNG冷能的储存，便于根据电网峰谷灵活释能，增加电网调峰的灵活性。
本发明的冷热集成的液态空气储能系统，并没有与空气进行直接换热，而是采用氮气循环作为中间介质，因此从根本上避免了因为换热器泄露而造成的安全问题；其次，液态空气储能系统设置了太阳能集热储热单元，为空气纯化单元中的空气纯化器3再生提供绿色热源；再次，空气压缩热是由水和导热油作为蓄热介质进行分级储存的，并将热量梯级释放于释能阶段，使能量利用表现更优。
本发明的冷热集成的液态空气储能系统适用于在LNG接收站附近，利用LNG的冷能来提高液态空气储能的性能。以此同时，对LNG冷能加以利用，避免了LNG冷能的浪费，可以更高效、更安全的完成电力的储能调峰任务，以缓解可再生能源和电网供需不匹配的问题。同时满足整个系统绿色的理念，对于工程实际具有极大的指导意义。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。而且上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。

Claims (10)

1.一种冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，包括：
空气纯化单元，用于对空气进行纯化，脱除空气中的二氧化碳和水；
空气压缩单元，与所述空气纯化单元连接，用于对纯化后的空气进行压缩和冷却，所述冷却包括采用导热油和水对压缩后的空气进行分级冷却；
LNG冷能提供单元，与所述空气压缩单元连接，并利用氮气作为换热介质吸收LNG的冷能，氮气再与压缩冷却后的空气换热释放冷能，使空气进一步降温；
空气液化单元，与所述LNG冷能提供单元连接，用于对吸收LNG冷能的空气进一步降温，使其液化并对液化后的空气进行储存；
蓄冷单元，与所述空气液化单元连接，用于吸收所述空气液化单元中液态空气储存的冷能，并利用该冷能在所述空气液化单元用于空气液化；
释能单元，与所述蓄冷单元连接，用于使在所述蓄冷单元释放冷能的液态空气升温气化及增压后进行膨胀发电。
2.根据权利要求1所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气纯化单元包括空气压缩机和空气纯化器，所述空气压缩机的进气口连接空气输送管线，由所述空气输送管线输送的空气进入所述空气压缩机压缩后再进入所述空气纯化器纯化，以脱去二氧化碳和水。
3.根据权利要求2所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述液态空气储能系统还包括太阳能集热储热单元，所述太阳能集热储热单元与所述释能单元的末端连接，用于与膨胀发电后的空气换热使空气升温，升温后的空气进入所述空气纯化器，用于对所述空气纯化器内的分子筛进行吹扫再生。
4.根据权利要求1所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩单元包括多个串联的压缩冷却机组，每个所述压缩冷却机组分别包括沿空气的流动方向依次连接的压缩机、导热油冷却器及水冷却器；位于最上游的所述压缩冷却机组中的所述压缩机的入口连接所述空气纯化单元，每个所述压缩冷却机组中的所述压缩机的出口分别其与同组的所述导热油冷却器的热流体侧的入口连接，以使经所述压缩机压缩后的空气依次流经所述导热油冷却器及所述水冷却器的热流体侧，并与流经所述导热油冷却器的冷流体侧的导热油和流经所述水冷却器的冷流体侧的水进行换热降温。
5.根据权利要求1所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述LNG冷能提供单元包括氮气闭合循环管线以及串联于所述氮气闭合循环管线上的第一氮气换热器和第二氮气换热器，所述第一氮气换热器的冷流体侧入口连接LNG输送管线，所述第一氮气换热器的热流体侧和所述第二氮气换热器的第一冷流体侧均串联于所述氮气闭合循环管线上，所述第二氮气换热器的热流体侧入口与所述空气压缩单元连接，用于使经所述空气压缩单元压缩冷却后的空气进入所述第二氮气换热器与所述氮气闭合循环管线内的氮气进行换热降温。
6.根据权利要求5所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气液化单元包括依次连接的氮气释冷换热器、液力透平、气液分离器和液态空气储罐，其中，所述氮气释冷换热器的热流体侧入口与所述第二氮气换热器的热流体侧出口连接，所述氮气释冷换热器的热流体侧出口与所述液力透平的入口连接，所述液态空气储罐的气体出口与所述氮气释冷换热器的第一冷流体侧入口连接，所述氮气释冷换热器的第一冷流体侧出口与所述第二氮气换热器的第二冷流体侧入口连接，所述第二氮气换热器的第二冷流体侧出口与所述空气压缩单元的最上游的压缩机组的入口连接。
7.根据权利要求6所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述蓄冷单元包括蓄冷换热器和蓄冷填充床，所述蓄冷换热器的热流体侧出口与所述蓄冷填充床的冷流体侧入口连接，所述蓄冷填充床的冷流体侧出口与所述蓄冷换热器的热流体侧入口连接；所述蓄冷填充床的热流体侧出口与所述氮气释冷换热器的第二冷流体侧入口连接，所述氮气释冷换热器的第二冷流体侧出口与所述蓄冷填充床的热流体侧入口连接；所述蓄冷换热器的冷流体侧入口与所述液态空气储罐的出口连接，所述蓄冷换热器的冷流体侧出口与所述释能单元连接。
8.根据权利要求4所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述释能单元包括沿空气的流动方向依次连接的液态空气增压泵、海水换热器和多个空气膨胀发电机组，所述液态空气增压泵的入口与所述蓄冷单元连接，用于将所述空气液化单元的与所述蓄冷单元换热升温后的液态空气增压后送入所述海水换热器换热后复温成气态空气，所述气态空气进入所述空气膨胀发电机组膨胀发电。
9.根据权利要求8所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀发电机组包括沿空气的流动方向依次连接的水释热换热器、导热油释热换热器和膨胀发电机，所述水释热换热器的冷流体侧入口与所述海水换热器的热流体侧出口连接，以使将所述海水换热器复温成的气态空气依次流经所述水释热换热器的冷流体侧和所述导热油释热换热器的冷流体侧，并与流经所述导热油释热换热器的热流体侧的导热油和流经所述水释热换热器的热流体侧的水进行换热升温，每个所述空气膨胀发电机组中的所述膨胀发电机的入口分别与其同组的所述导热油释热换热器的冷流体侧出口连接。
10.根据权利要求9所述的冷热集成的液态空气储能系统，其特征在于，所述导热油冷却器的冷流体侧入口连接第一导热油罐，所述导热油冷却器的冷流体侧出口连接第二导热油罐，以使所述第一导热油罐内的低温导热油流经所述导热油冷却器吸收空气的压缩热升温后储存于所述第二导热油罐；
所述水冷却器的冷流体侧入口连接第一水罐，所述水冷却器的冷流体侧出口连接第二水罐，以使所述第一水罐内的低温水流经所述水冷却器吸收空气的压缩热升温后储存于所述第二水罐；
所述水释热换热器的热流体侧入口连接所述第二水罐，所述水释热换热器的热流体侧出口连接第一水罐，以使所述第二水罐内的高温水流经所述水释热换热器将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于所述第一水罐；
所述导热油释热换热器的热流体侧入口连接所述第二导热油罐，所述导热油释热换热器的冷流体侧出口连接所述第一导热油罐，以使所述第二导热油罐内的高温导热油流经所述导热油释热换热器将蕴含的热量释放给复温后的气态空气后储存于所述第一导热油罐。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117937775A (zh) * 2024-03-25 2024-04-26 浙江浙能技术研究院有限公司 一种与lng接收转输站联合运行的新型储能发电系统
CN118273879A (zh) * 2024-03-28 2024-07-02 中海石油气电集团有限责任公司 一种基于lng冷能利用的氢液化耦合液态空气储能综合能源系统

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CN118273879A (zh) * 2024-03-28 2024-07-02 中海石油气电集团有限责任公司 一种基于lng冷能利用的氢液化耦合液态空气储能综合能源系统

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