CN118129521A - 一种液态空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态空气储能系统及方法，所述系统包括空气压缩单元、空气纯化单元、空气液化存储单元、空气膨胀发电单元、储冷单元和储热单元；空气压缩单元、空气纯化单元和空气液化存储单元依次通过空气液化循环管路连接，空气压缩过程产生的压缩热能经储热循环管路存储至储热单元，储冷单元冷能通过储冷循环管路传递至空气液化存储单元；空气液化存储单元和空气膨胀发电单元通过空气发电循环管路连接，压缩热由储热循环管路传递至储热单元，蒸发气化过程中产生的冷能经储冷循环管路传递至储冷单元。本发明通过一级或多级膨胀自增压循环，较常规液态空气储能系统具有较高的动力转换效率和空气液化效率，有利于提升系统稳定性和系统发电能力。

Description

一种液态空气储能系统及方法

技术领域

本发明涉及液态空气储能技术领域，更具体涉及一种液态空气储能系统及方法。

背景技术

大力发展可再生能源是构建新型能源体系的重要举措，然而具有间歇性和不稳定性的可再生能源，高比例接入电网，将会使电网的安全稳定运行面临严峻挑战。储能可提供削峰填谷、调频、黑启动等服务，能够解决可再生能源高比例接入的电网问题，被认为是新型电力系统的关键组成部分。基于新型深冷技术的液态空气储能技术具有储能密度大、绿色清洁、安全性高、不受限于地理条件等特点，是实现新能源并网消纳、合理吸收低谷电、余冷、余热资源，并可以稳定输出冷、热、电及工业用蒸汽等多种形式能源的新型大规模长时储能技术之一。虽然液态空气储能系统在提高能源利用效率和应对能源危机方面具有巨大的潜力，但是其系统效率和稳定性问题仍需要得到有效的解决。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种液态空气储能系统及方法，提高膨胀端制冷量，提升系统稳定性的同时有利于空气液化循环过程；通过回收和高效利用蒸发气化冷能、压缩热能、干燥洁净空气，提升系统效率的同时节省设备制造以及系统运行成本。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种液态空气储能系统，包括用于实现环境空气储能和释能过程的空气压缩单元、空气纯化单元、空气液化存储单元、空气膨胀发电单元、储冷单元和储热单元；空气压缩单元、空气纯化单元和空气液化存储单元依次通过空气液化循环管路连接，用于实现环境空气的压缩、净化和冷却后膨胀降压以获取液态空气并存储，空气压缩过程产生的压缩热能经储热循环管路存储至储热单元，储冷单元冷能通过储冷循环管路传递至空气液化存储单元；空气液化存储单元和空气膨胀发电单元通过空气发电循环管路连接，用于将存储的液体空气加压、蒸发气化并驱动空气膨胀机组做功，压缩热由储热循环管路传递至储热单元，蒸发气化过程中产生的冷能经储冷循环管路传递至储冷单元；所述空气纯化单元通过冷源管路接入冷却介质。

进一步优化技术方案，所述空气压缩单元包括用于提供动力的驱动单元、用于进行空气压缩的空气压缩机组和用于对空气压缩机组排气进行冷却的空气冷却器，驱动单元的输出端连接空气压缩机组的输入端，空气压缩机组的输出端连接空气冷却器的输入端；所述空气压缩机组包括原料压缩机组和循环压缩机组，原料压缩机组为一级或多级低压压缩机，循环压缩机组为一级或多级高压压缩机，原料压缩机组和循环压缩机组采用分轴并联连接，驱动电机分别与第一级原料压缩机和第一级循环压缩机的传动轴固接，原料压缩机和循环压缩机的输出端分别连接有第一冷却器和第二冷却器；所述原料压缩机组出口压力在在0.3MPa～2MPa之间；循环压缩机组出口压力在1MPa～8MPa之间，空气压缩机组的排气温度在100℃～500℃之间。

进一步优化技术方案，所述空气纯化单元包括依次连接在第一冷却器冷源输出端上的冷源换热器、第一气液分离器和空气净化系统，空气净化系统的输出端连接循环压缩机的输入端。

进一步优化技术方案，所述空气液化存储单元包括依次连接在第二冷却器上用于空气冷却的空气液化膨胀自增压循环和用于进一步空气冷却降压液化的冷箱和用于储存液态空气的液态空气储罐；所述空气液化膨胀自增压循环包括空气增压端和空气膨胀端，空气增压端包括依次连接在第二冷却器冷源输出端上的用于实现空气增压的第一增压机、第二增压机和分别连接在第一增压机、第二增压机上的第三冷却器和第四冷却器；空气膨胀端包括分别与第一增压机、第二增压机相连的第一低温膨胀机和第二低温膨胀机；所述冷箱包括连接在第二冷却器上用于对空气进行换热的液化主换热器、通过第一节流阀连接在液化主换热器上的第二气液分离器、与第二气液分离器连接的过冷器，过冷器通过第二节流阀与液态空气储罐连接；所述液态空气储罐为杜瓦储罐或低温储槽，储罐压力在0.1～2MPa，液态空气在常压或带压力状况下储存；所述空气液化膨胀自增压循环为一级或多级，增压端级数与膨胀端级数一致，同级增压端与膨胀端以共轴串联形式连接。当空气液化膨胀自增压循环为一级时，第一低温膨胀机的入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间；当空气液化膨胀自增压循环为两级时，第一低温膨胀机的入口温度在0℃～-50℃之间，第二级低温膨胀机入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间，第一节流阀节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间。

进一步优化技术方案，所述空气膨胀发电单元包括依次连接在液体空气储罐上的低温泵、蒸发器、空气加热器、空气膨胀发电机组和发电机，空气膨胀发电机组为一级或多级膨胀发电机，一般级数与压缩机组总级数一致，所述膨胀机组为多级时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级膨胀发电机的进气温度在100℃～500℃之间。

进一步优化技术方案，所述储冷单元包括分别通过储冷循环管路连接在液化主换热器和蒸发器上的储冷装置以及设置在储冷循环管路上的冷流体输送设备备；所述储冷装置储冷形式为显热储冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中；液态空气在储冷装置中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；所述流体输送设备为泵、压缩机或风机。

进一步优化技术方案，所述储热单元包括分别通过储热循环管路上连接在空气冷却器和空气加热器上的储热装置，储热循环管路上设置有热流体输送设备；所述储热装置储热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种；采用的储热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中；所述流体输送设备为泵、压缩机或风机。

一种液态空气储能方法，该方法基于一种液态空气储能系统来进行，包括储能和释能两个过程，储能和释能过程不同时运行，储能时，空气压缩单元、空气纯化单元以及空气液化存储单元工作，空气发电膨胀单元关闭，储热单元回收存储压缩热，储冷单元释放冷能，将压缩空气冷却至低温；释能时则相反，空气压缩单元、空气液化存储单元的液化部分关闭，空气液化存储单元的液态空气储罐、空气纯化单元和空气发电膨胀单元工作，储冷单元回收存储蒸发气化冷能，储热单元释放压缩热，进一步提高空气温度，膨胀排气用于空气纯化单元再生。

进一步优化技术方案，储能阶段的流程为：利用驱动单元驱动原料压缩机将一定量的空气压缩至0.3MPa～2MPa，经空气纯化单元去除原料空气中的CO₂、水蒸气、氩成分，进入循环压缩机组压缩至1MPa～8MPa，压缩热被回收并存储于储热装置；循环压缩机组出口空气分为两股流，一股经增压透平膨胀机的增压端后进入主换热器冷却后经节流阀节流后进入气液分离器，节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间，气液分离器中的液态空气经过冷后进入液态空气储罐存储；另一股经液化主换热器后进入增压透平膨胀机的膨胀端后与气液分离器中的气态空气混合后回到主换热器释冷后回到原料压缩机入口处与环境空气混合，参与下次循环；储冷装置通过液化主换热器提供冷能；

释能阶段的流程为：低温液态空气经低温泵加压至3MPa～25MPa后进入蒸发器由液相转为气相，空气气化冷能被储冷装置吸收并存储；气化升温至100℃～500℃后的高压空气进入发电单元，依次经一级或多级空气加热器和膨胀机，储热装置释放热能加热进入各级膨胀机前的空气，驱动空气膨胀发电机组做功；末膨胀排气直接输出用于空气再生循环，或经蒸发冷却输出冷能和湿润洁净空气；储热单元多余热能直接为用户供热或加热膨胀排气用于空气再生循环。

进一步优化技术方案，当不含储冷单元时，采用回收蒸发器冷量的工艺技术来对压缩空气进行再液化，压缩空气来自于膨胀机抽气，压力在0.3MPa～5MPa之间。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明提供的一种液态空气储能系统及方法，通过一级或多级膨胀自增压循环，较常规液态空气储能系统具有较高的动力转换效率和空气液化效率，有利于提升系统稳定性和系统发电能力。

本发明在不含储冷单元时，采用回收蒸发器冷量的工艺技术来对膨胀机抽气进行再液化，节省设备制造以及系统运行成本；通过热能、冷能以及干燥洁净空气的回收利用，实现了系统冷-热-电-空气联供，有效提高了能量的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5为本发明实施例5的结构示意图。

其中：101.原料压缩机、102、第一冷却器、103.冷源换热器、104.第一气液分离器、105.空气净化系统、106.循环压缩机、107.第二冷却器；

201.液化主换热器、202.第一低温膨胀机、203.第一增压机、204.第三冷却器、205.第二增压机、206.第四冷却器、207.第二低温膨胀机、208.第一节流阀、209.第二气液分离器、210.过冷器、211.第二节流阀、212.液态空气储罐、213.低温泵、214.蒸发器、215.第三节流阀、216.第三气液分离器、217.第三增压机、218.第五冷却器；

301.第一加热器、302.第一发电膨胀机、303.第二加热器、304.第二发电膨胀机；

401.储冷装置、402.第一冷流体输送设备、403.第二冷流体输送设备；

501.储热装置、502.第一热流体输送设备、503.第二热流体输送设备；

A1.空气液化循环管路、B1.空气发电循环管路、C1.储冷循环管路、H1.储热循环管路、H2、供热管路、L1.冷源管路、M.驱动单元、G.发电机、39.供冷输出、40.再生循环、41.供热输出。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种液态空气储能系统，如图1所示，包括空气压缩单元、空气纯化单元、空气液化存储单元、空气膨胀发电单元、储冷单元和储热单元，空气压缩单元、空气纯化单元、空气液化存储单元依次通过空气液化循环管路A1连接，用来实现环境空气的压缩、净化和冷却后膨胀降压，以获取液态空气并存储，空气压缩过程产生的压缩热能经储热循环管路H1存储至储热单元，储冷单元冷能通过储冷循环管路C1传递至空气液化存储单元；空气液化存储单元和空气膨胀发电单元通过空气发电循环管路B1连接，用来将存储的液体空气加压、蒸发气化并驱动空气膨胀机组做功，压缩热由储热循环管路H1传递至储热单元，蒸发气化过程中产生的冷能经储冷循环管路C1传递至储冷单元；所述空气纯化单元通过冷源管路L1接入冷却介质。

空气压缩单元包括驱动单元M、空气压缩机组和空气冷却器，驱动单元用来给空气压缩机组提供动力，空气压缩机组用来进行空气压缩，空气冷却器用来对空气压缩机组排气进行冷却，驱动单元的输出端连接空气压缩机组的输入端，空气压缩机组的输出端连接空气冷却器的输入端。

驱动单元M为驱动电机或风力机，当为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种为电源。

空气压缩机组包括原料压缩机101和循环压缩机106，原料压缩机和循环压缩机采用分轴并联连接，驱动电机分别与原料压缩机101和循环压缩机106的传动轴固接。

空气冷却器包括第一冷却器102和第二冷却器107，第一冷却器102和第二冷却器107的输入端分别与原料压缩机和循环压缩机的输出端连接。

原料压缩机组出口压力在0.3MPa～2MPa之间；循环压缩机组出口压力在1MPa～8MPa之间。当压缩机组设置为多台压缩机时，多台压缩机采用共轴串联或分轴并联的形式，并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级压缩机排气均经过空气冷却器，压缩机和冷却器均集成空气净化与纯化设备，用来除去空气中的固体物及杂质气体。

空气纯化单元包括依次连接在第一冷却器102冷源输出端上的冷源换热器103、第一气液分离器104和空气净化系统105，空气净化系统105的输出端连接循环压缩机106的输入端，通过空气纯化单元用来去除原料空气中的CO₂、水蒸气和氩这些对空气压缩、冷却、液化设备正常工作和液态空气的产量有影响的杂质气体。其中，冷源换热器采用的冷却介质为制冷剂、水或空气，冷源换热器通过冷源管路L1接入冷却介质，来降低空气纯化单元入口温度。空气净化系统105为双塔并联或单塔间歇式运行空气净化系统。

空气液化存储单元包括空气液化膨胀自增压循环、冷箱和液态空气储罐212，空气液化膨胀自增压循环、冷箱和液态空气储罐212，依次连接在第二冷却器107上，空气液化膨胀自增压循环用来进行空气冷却，冷箱用来进一步空气冷却降压液化，液体空气储罐212用来存储压缩后的液态空气。

空气液化膨胀自增压循环包括空气增压端和空气膨胀端，空气增压端包括第一增压机203、第三冷却器204、第二增压机205和第四冷却器206，第一增压机203、第三冷却器204、第二增压机205和第四冷却器206依次连接在第二冷却器107的冷源输出端上。空气膨胀端包括第一低温膨胀机202和第二低温膨胀机207，第一低温膨胀机202和第二低温膨胀机207分别与第一增压机203和第二增压机205连接。

冷箱包括液化主换热器201、第二气液分离器209和过冷器210，液化主换热器201连接在第二冷却器107的冷源输出端，液化主换热器201还与第一低温膨胀机202和第二低温膨胀机207连接，第二气液分离器209通过第一节流阀208与液化主换热器201连接，过冷器210连接在第二气液分离器209上，过冷器210通过第二节流阀211与液态空气储罐212连接。

液态空气储罐212为杜瓦储罐或低温储罐，储罐压力在0.1～2MPa，液态空气在常压或带压力状况下储存。

空气液化膨胀自增压循环为一级或多级，增压端级数与膨胀端级数一致，同级增压端与膨胀端以共轴串联形式连接。空气液化膨胀自增压循环为一级或多级，空气增压端级数与空气膨胀端级数一致，同级空气增压端与空气膨胀端以共轴串联形式连接。当空气液化自增压循环与为一级时，第一低温膨胀机202入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间；当空气液化自增压循环为两级时，第一低温膨胀端202入口温度在0℃～-50℃之间，第二低温膨胀机207入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间。第一节流阀208节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间。

空气膨胀发电单元包括依次连接在液体空气储罐212上的低温泵213、蒸发器214、空气加热器、空气膨胀发电机组和发电机G，低温泵213为往复式、离心式或混合式，将液态空气增压至3MPa～25MPa，空气加热器包括第一加热器301和第二加热器303，空气膨胀发电机组包括第一发电膨胀机302和第二发电膨胀机304，第一发电膨胀机302和第二发电膨胀机304分别与第一加热器301和第二加热器304的热源输出端连接。

空气膨胀发电机组的进气温度在100℃～500℃之间，当膨胀机组为多级时，多台膨胀机为共轴串联形式或分轴并联形式，本申请中，第一发电膨胀机302和第二发电膨胀机304为共轴串联形式，发电机G与两级膨胀机组的传送轴固接。

储冷单元包括储冷装置401，储冷装置401分别通过储冷循环管路C1连接在液化主换热器201和蒸发器214上，储冷循环管路C1上设置有冷流体输送设备，其中冷流体输送设备包括设置在与液化主换热器201连接的储冷循环管路上的第一冷流体输送设备402和设置在与蒸发器214连接的储冷循环管路上的第二冷流体输送设备403。

储冷装置401的储冷形式为显热储冷或固液相变蓄冷中的一种或组合，当采用显热储冷介质时，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；当采用固液相变蓄冷介质时，是固液相变温度在81K～273K的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中，液态空气在储冷装置401中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热。冷流体输送设备为泵、压缩机或风机。

储热单元包括储热装置501，储热装置501通过储热循环管路H1连接在空气冷却器和空气加热器上，储热循环管路H1上设置有热流体输送设备，其中热流体输送设备包括设置在与空气冷却器连接的储热循环管路上的第一热流体输送设备502和设置在与空气加热器连接的储热循环管路上的第二热流体输送设备503。

储热装置501的储热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种，采用的储热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中。热流体输送设备为泵、压缩机或风机。

一种液态空气储能方法，基于一种液态空气储能系统来进行，包括储能和释能两个过程，储能和释能过程不能同时运行，储能时，空气压缩单元、空气纯化单元以及空气液化存储单元工作，空气发电膨胀单元关闭，储热单元回收存储压缩热，储冷单元释放冷能，将压缩空气冷却至低温；释能时则相反，空气压缩单元、空气液化存储单元的液化部分关闭，空气液化存储单元的液态空气储罐、空气纯化单元、空气发电膨胀单元工作，储冷单元回收存储蒸发气化冷能，储热单元释放压缩热，进一步提高空气温度，膨胀排气用于空气纯化单元再生。储能阶段的流程为：利用驱动单元驱动原料压缩机将一定量的空气压缩至0.3MPa～2MPa，经纯化单元去除原料空气中的CO₂、水蒸气、氩成分，进入循环压缩机组压缩至1MPa～8MPa，压缩热被回收并存储于储热装置。循环压缩机组出口空气分为两股流，一股经增压透平膨胀机的增压端后进入主换热器冷却后经节流阀节流后进入气液分离器，节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间，气液分离器中的液态空气经过冷后进入液态空气储罐存储；另一股经液化主换热器后进入增压透平膨胀机的膨胀端后与气液分离器中的气态空气混合后回到主换热器释冷后回到原料压缩机入口处与环境空气混合，参与下次循环，储冷装置通过液化主换热器提供冷能。

释能阶段的流程为：低温液态空气经低温泵加压至3MPa～25MPa后进入蒸发器由液相转为气相，空气气化冷能被储冷装置吸收并存储；气化升温至100℃～500℃后的高压空气进入发电单元，依次经一级或多级空气加热器和膨胀机，储热装置释放热能加热进入各级膨胀机前的空气，驱动空气膨胀发电机组做功；末膨胀排气直接输出用于空气再生循环，或经蒸发冷却输出冷能和湿润洁净空气；储热单元多余热能直接为用户供热或加热膨胀排气用于空气再生循环。

实施例1

本实施例的结构示意图如图1所示，在储能阶段，环境空气经原料压缩机101和第一冷却器102后，进入空气纯化单元去除原料空气中的CO₂、水蒸气、氩成分，再经循环压缩机106和第二冷却器107。与此同时，储热装置501通过储热循环管路H1连接第一冷却器102和第二冷却器107，回收并储存原料压缩机101和循环压缩机106产生的压缩热。该系统设有两级增压透平膨胀机，第二冷却器107出口空气分为两股气流，其中一股气流经液化主换热器201换热后进入第一级增压透平机的膨胀端第一低温膨胀机202，压缩气体膨胀降压时向同轴第一增压机203输出机械功且温度降低后与第二气液分离器209中的气态空气混合；另一股气流依次流经两级增压透平膨胀机的两级增压端第一增压机203和第二增压机205，以及每级增压机出口连接的第三冷却器204和第四冷却器206后进入液化主换热器201，再分为两股气流，其中一股气流进入第二低温膨胀机207压缩气体膨胀降压时向同轴第二增压机205输出机械功且温度降低后与第二气液分离器209中的气态空气混合；另一股气流经第一节流阀208节流液化后，进入第二气液分离器209。与此同时，储冷装置401通过储冷循环管路C1连接液化主换热器201对空气进行冷却。第二气液分离器209中的气态空气与第一低温膨胀机202和第二低温膨胀机207出口空气混合后经液化主换热器201换热后通过空气液化循环管路A1回到空气净化系统105出口处，参与下次循环。第二气液分离器209中的液态空气经过冷器210和第二节流阀211后的液态空气分为两股，其中一股进入液态空气储罐212存储；另一股依次经过冷器210、液化主换热器201后经空气液化循环管路A1回到原料压缩机101入口处与环境空气混合，参与下次循环。

在释能阶段，液态空气储罐212输出的低温液态空气经过低温泵213加压至高压后进入蒸发器214由液相转为气相。与此同时，储冷装置401通过储冷循环管路C1连接蒸发器214回收并储存高压液态空气蒸发气化过程中释放的冷量。气化后的高压空气进入空气膨胀发电单元，依次经过第一加热器301、第一发电膨胀机302、第二加热器303和第二发电膨胀机304。且储热装置501通过储热循环管线H1连接第一加热器301和第二加热器303加热进入第一发电膨胀机302和第二发电膨胀机304前的空气，驱动空气膨胀机组做功。第二发电膨胀机304出口连接供冷及洁净空气管路，通过供热管路H2将膨胀排气直接输出用于空气再生循环40，或经蒸发冷却输出冷能和湿润洁净空气供冷输出39；第二热流体输送设备503出口连接供热管路H2，将储热单元热能直接为用户供热输出41或加热膨胀排气用于空气再生循环40。

实施例2

本实施例是对实施例1的一种变形，采用再液化技术回收液态空气气化冷量，不含储冷单元，增设再液化单元，在膨胀发电单元膨胀机出口处引一股压缩空气，用于回收蒸发器冷量，其结构示意图如图2所示。

再液化单元包括第三节流阀215和第三气液分离器216，第三气液分离器216通过储冷循环管路C1连接在蒸发器214和液态空气储罐212的输入端，第三节流阀215设置在蒸发器214与第三气液分离器216之间的气态管路上。

在储能阶段，液化主换热器201冷能仅由第一低温膨胀机202、第二低温膨胀机207和第二气液分离器209反流提供。

在释能阶段，由空气膨胀发电单元中第一发电膨胀机302的出口空气分为两股气流，一股气流经蒸发器214用来回收高压液态空气蒸发气化过程中释放的冷量，并通过第三节流阀215降压液化后，进入第三气液分离器214内进行冷能供应，未液化空气经蒸发器214换热后通过储冷循环管路C1排空；另外一股气流进入到第二加热器303参与后续膨胀发电过程，实现系统简化、降本增效的目的。

实施例3

本实施例的主体结构与实施例1相同，减少了一级空气液化膨胀自增压循环，仅保留一级，去掉实施例1中的第二增压机205、第四冷却器206和第二低温膨胀机207，其结构示意图如图3所示。空气液化膨胀自增压循环包括第一低温膨胀机202、第一增压机203和第三冷却器204。

在储能阶段，第二冷却器107出口空气分为两股气流，其中一股气流经液化主换热器201换热后进入到第一低温膨胀机202的膨胀端，压缩气体膨胀降压时向同轴第一增压机203输出机械功且温度降低后与第二气液分离器209中的气态空气混合；另一股气流依次经过第一增压机203和第三冷却器204后进入液化主换热器201，再经第一节流阀208降压液化后，进入到第二气液分离器209，与此同时，储冷装置401通过储冷循环管路C1连接液化主换热器201对空气进行冷却，实现了系统的简化。

本实施例的释能阶段的过程与实施例1中的释能阶段的过程相同，此处不再进行详细叙述。

实施例4

本实施例的主体结构与实施例1相同，另增加了一组空气压缩单元，其结构如图4所述，新增的空气压缩单元包括设置在经过过冷器210和液化主换热器201后的空气液化循环管路上的第三增压机217和第五冷却器218，第五冷却器218的输出端连接在空气净化系统105的输出端。

在储能阶段，第二气液分离器209中的液态空气经过冷器210和第二节流阀211后的液态空气分为两股气流，其中一股气流进入液态空气储罐212进行存储；另一股气流依次经过过冷器210、液化主换热器201后经增设的第三压缩机217和第五冷却器218加压冷却，第二气液分离器209中的气态空气与第一低温膨胀机202和第二低温膨胀机207出口空气混合后经液化主换热器201换热后的空气液化循环管路A1与第五冷却器出来的气体管路进行混合，经混合后回到空气净化系统105的出口处，参与下次循环，降低空气净化成本。

本实施例的释能阶段的过程与实施例1中的释能阶段的过程相同，此处不再进行详细叙述。

实施例5

本实施例的主体结构与实施例1-3相比发生一定变形，仅保留一级膨胀自增压循环，只保留第一低温膨胀机202、第一增压机203和第三冷却器204的同时，进出增压端和膨胀端的气流由第二冷却器107出口的两股气流改为第二冷却器107出口的同一股气流。

在储能阶段，第二冷却器107出口空气分为两股气流，其中一股气流依次经增压透平膨胀机的增压端第一增压机203和第三冷却器204后进入液化主换热器201，再进入透平膨胀机的膨胀端第一低温膨胀机202，压缩气体膨胀降压的同时向同轴的第一增压机203输出机械功且温度降低后进入第二气液分离器209；另一股气流直接进入液化主换热器201后经第一节流阀208节流液化后，进入到第二气液分离器209；与此同时，储冷装置401通过储冷循环管路C1连接液化主换热器201对空气进行冷却，实现同股气流经过增压机和膨胀机，设备轴向平衡，稳定性得到保障。

本实施例的释能阶段的过程与实施例1中的释能阶段的过程相同，此处不再进行详细叙述。

Claims (10)

1.一种液态空气储能系统，其特征在于：包括用于实现环境空气储能和释能过程的空气压缩单元、空气纯化单元、空气液化存储单元、空气膨胀发电单元、储冷单元和储热单元；空气压缩单元、空气纯化单元和空气液化存储单元依次通过空气液化循环管路(A1)连接，用于实现环境空气的压缩、净化和冷却后膨胀降压以获取液态空气并存储，空气压缩过程产生的压缩热能经储热循环管路(H1)存储至储热单元，储冷单元冷能通过储冷循环管路(C1)传递至空气液化存储单元；空气液化存储单元和空气膨胀发电单元通过空气发电循环管路(B1)连接，用于将存储的液体空气加压、蒸发气化并驱动空气膨胀机组做功，压缩热由储热循环管路(H1)传递至储热单元，蒸发气化过程中产生的冷能经储冷循环管路(C1)传递至储冷单元；所述空气纯化单元通过冷源管路(L1)接入冷却介质。

2.根据权利要求1所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述空气压缩单元包括用于提供动力的驱动单元(M)、用于进行空气压缩的空气压缩机组和用于对空气压缩机组排气进行冷却的空气冷却器，驱动单元的输出端连接空气压缩机组的输入端，空气压缩机组的输出端连接空气冷却器的输入端；所述空气压缩机组包括原料压缩机组和循环压缩机组，原料压缩机组为一级或多级低压压缩机，循环压缩机组为一级或多级高压压缩机，原料压缩机组和循环压缩机组采用分轴并联连接，驱动电机分别与第一级原料压缩机(101)和第一级循环压缩机(106)的传动轴固接，原料压缩机(101)和循环压缩机(106)的输出端分别连接有第一冷却器(102)和第二冷却器(107)；所述原料压缩机组出口压力在在0.3MPa～2MPa之间；循环压缩机组出口压力在1MPa～8MPa之间，空气压缩机组的排气温度在100℃～500℃之间。

3.根据权利要求2所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述空气纯化单元包括依次连接在第一冷却器(102)冷源输出端上的冷源换热器(103)、第一气液分离器(104)和空气净化系统(105)，空气净化系统(105)的输出端连接循环压缩机(106)的输入端。

4.根据权利要求2所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述空气液化存储单元包括依次连接在第二冷却器(107)上用于空气冷却的空气液化膨胀自增压循环和用于进一步空气冷却降压液化的冷箱和用于储存液态空气的液态空气储罐(212)；

所述空气液化膨胀自增压循环包括空气增压端和空气膨胀端，空气增压端包括依次连接在第二冷却器(107)冷源输出端上的用于实现空气增压的第一增压机(203)、第二增压机(205)和分别连接在第一增压机(203)、第二增压机(205)上的第三冷却器(204)和第四冷却器(206)；空气膨胀端包括分别与第一增压机(203)、第二增压机(205)相连的第一低温膨胀机(202)和第二低温膨胀机(207)；

所述冷箱包括连接在第二冷却器(107)上用于对空气进行换热的液化主换热器(201)、通过第一节流阀(208)连接在液化主换热器上的第二气液分离器(209)、与第二气液分离器连接的过冷器(210)，过冷器(210)通过第二节流阀(211)与液态空气储罐(212)连接；所述液态空气储罐(212)为杜瓦储罐或低温储槽，储罐压力在0.1～2MPa，液态空气在常压或带压力状况下储存；

所述空气液化膨胀自增压循环为一级或多级，增压端级数与膨胀端级数一致，同级增压端与膨胀端以共轴串联形式连接。当空气液化膨胀自增压循环为一级时，第一低温膨胀机(202)的入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间；当空气液化膨胀自增压循环为两级时，第一低温膨胀机(202)的入口温度在0℃～-50℃之间，第二级低温膨胀机(207)入口温度在-50℃～-140℃之间，排气压力在0.1～2MPa之间，第一节流阀(208)节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间。

5.根据权利要求4所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述空气膨胀发电单元包括依次连接在液体空气储罐(212)上的低温泵(213)、蒸发器(214)、空气加热器、空气膨胀发电机组和发电机(G)，空气膨胀发电机组为一级或多级膨胀发电机，一般级数与压缩机组总级数一致，所述膨胀机组为多级时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级膨胀发电机的进气温度在100℃～500℃之间。

6.根据权利要求5所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述储冷单元包括分别通过储冷循环管路(C1)连接在液化主换热器(201)和蒸发器(214)上的储冷装置(401)以及设置在储冷循环管路(C1)上的冷流体输送设备；所述储冷装置(401)储冷形式为显热储冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中；液态空气在储冷装置(401)中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；所述流体输送设备(402、403)为泵、压缩机或风机。

7.根据权利要求5所述的一种液态空气储能系统，其特征在于：所述储热单元包括分别通过储热循环管路(H1)上连接在空气冷却器和空气加热器上的储热装置(501)，储热循环管路(H1)上设置有热流体输送设备；所述储热装置(501)储热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种；采用的储热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中；所述流体输送设备(502、503)为泵、压缩机或风机。

8.一种液态空气储能方法，该方法基于权利要求1-7任一项所述的一种液态空气储能系统来进行，包括储能和释能两个过程，储能和释能过程不同时运行，储能时，空气压缩单元、空气纯化单元以及空气液化存储单元工作，空气发电膨胀单元关闭，储热单元回收存储压缩热，储冷单元释放冷能，将压缩空气冷却至低温；释能时则相反，空气压缩单元、空气液化存储单元的液化部分关闭，空气液化存储单元的液态空气储罐、空气纯化单元、空气发电膨胀单元工作，储冷单元回收存储蒸发气化冷能，储热单元释放压缩热，进一步提高空气温度，膨胀排气用于空气纯化单元再生。

9.根据权利要求8所述的一种液态空气储能方法，其特征在于：储能阶段的流程为：利用驱动单元驱动原料压缩机将一定量的空气压缩至0.3MPa～2MPa，经空气纯化单元去除原料空气中的CO₂、水蒸气、氩成分，进入循环压缩机组压缩至1MPa～8MPa，压缩热被回收并存储于储热装置；循环压缩机组出口空气分为两股流，一股经增压透平膨胀机的增压端后进入主换热器冷却后经节流阀节流后进入气液分离器，节流前温度在-140℃～-196℃之间，节流后压力在0.1～2MPa之间，气液分离器中的液态空气经过冷后进入液态空气储罐存储；另一股经液化主换热器后进入增压透平膨胀机的膨胀端后与气液分离器中的气态空气混合后回到主换热器释冷后回到原料压缩机入口处与环境空气混合，参与下次循环；储冷装置通过液化主换热器提供冷能；

释能阶段的流程为：低温液态空气经低温泵加压至3MPa～25MPa后进入蒸发器由液相转为气相，空气气化冷能被储冷装置吸收并存储；气化升温至100℃～500℃后的高压空气进入发电单元，依次经一级或多级空气加热器和膨胀发电机，储热装置释放热能加热进入各级膨胀机前的空气，驱动空气膨胀发电机组做功；末膨胀排气直接输出用于空气再生循环，或经蒸发冷却输出冷能和湿润洁净空气；储热单元多余热能直接为用户供热或加热膨胀排气用于空气再生循环。

10.根据权利要求9所述的一种液态空气储能方法，其特征在于：当不含储冷单元时，采用回收蒸发器冷量的工艺技术来对压缩空气进行再液化，压缩空气来自于膨胀机抽气，压力在0.3MPa～5MPa之间。