CN205063999U - 一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其采用活塞膨胀机和向心透平膨胀机相组合的形式，通过设置活塞膨胀机的进气控制系统，实现对活塞膨胀机的膨胀级数控制，提高活塞膨胀机的效率；将活塞膨胀机和向心透平膨胀机联合配置，利用活塞膨胀机实现高压段膨胀，而采用向心透平膨胀机实现低压段膨胀。该系统充分利用了高压气体的整体焓值，同时采用再热流程可以提高系统的效率，与常规的采用节流阀控制进气压力恒定的高压气体膨胀系统相比，具有膨胀比大、系统整体效率高等优点。

Description

一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统

技术领域

本实用新型涉及气体膨胀发电技术领域，特别是一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统。

背景技术

随着我国电网容量的不断增长，峰谷差不断增大，可再生能源和分布式供能的蓬勃发展，对大规模发展储能发电产业的需求也越来越大。对于目前国家实施的“智能电网”的建设，大规模储能发电系统更是其不可或缺的部分。为解决电能大规模存储问题，耗费了巨大的人力和财力，开发了各种各样的储能方式，蓄电池组、机械飞轮、超级电容器堆、超导磁储电等等，终因效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大等，难以运作。目前已经广泛采用的大规模储能发电系统是抽水蓄能方式和压缩空气储能。

压缩空气储能系统是一种新型储能技术，由于其高效率、低成本、高寿命，不会带来污染和生态问题，逐渐成为各国目前研究的重点。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来，驱动膨胀机工作，带动发电机发电，完成了电能—空气势能—电能的转化。

膨胀机作为压缩空气储能发电系统的核心做功部件，对压缩空气储能发电系统的效率具有很大的影响。在大型的压缩空气储能发电系统中，由于空气流量大，膨胀机可以采用常规的轴流透平系统，具有很高的效率，但是当空气的流量较小时，设计和制造小型高效的轴流透平存在很大难度。

此外，压缩空气储能发电系统运行过程中，由于储气室的空气压力逐渐下降，为了维持膨胀机进口的压力恒定，通常采用节流阀将空气节流稳定至一个较低的压力，然后进入膨胀机膨胀做功。由于节流阀的使用，导致高压空气的做功能力下降，从而使系统的效率降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统。该系统将活塞膨胀机和向心透平膨胀机有机地耦合在一起，能够合理地利用高压气体的能量，从而提高膨胀发电系统的效率。

为实现上述目的，本实用新型提供一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，包括活塞膨胀机组、透平膨胀机组及再热器；所述活塞膨胀机组的进气口与高压气体进气管路连接，高压气体通过高压气体进气管路进入活塞膨胀机组；所述活塞膨胀机组的排气口与所述透平膨胀机组的进气口连接，将排气供给透平膨胀机组；所述再热器设于活塞膨胀机组和透平膨胀机组的进气管路上，用于加热系统中做功的气体；所述阀门设于所述活塞膨胀机组的进气管路上，用于控制气体的流动方向，从而控制高压气体在活塞膨胀机组中的流程；所述透平膨胀机组位于活塞膨胀机组的下游，利用活塞膨胀机组的排气作为动力源进行做功。

优选地，所述活塞膨胀机组采用多缸结构形式，其每级气缸通过曲柄连杆与主轴连接。

优选地，所述活塞膨胀机组包括至少一台活塞膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

优选地，所述活塞膨胀机组设置有离合器，所述离合器安装在活塞膨胀机组的主轴上，以实现每级活塞曲柄连杆与主轴的连接与脱离，从而实现活塞膨胀机组的级数控制。

优选地，所述透平膨胀机组采用多级串联结构，通过一根主轴输出功率。

优选地，所述透平膨胀机组包括至少一台向心透平膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

优选地，所述向心透平膨胀机的进气压力为0.2～5MPa。

优选地，所述活塞膨胀机组设有膨胀控制系统，实现膨胀工况的控制。

优选地，所述再热器的热源包括太阳能热源、生物质能热源、外界余热废热热源或压缩机的压缩热热源。

本实用新型为了合理地利用高压气体的能量，将活塞膨胀机组和向心透平膨胀机组有机地耦合在一起。当高压气体需要进行膨胀做功时，首先进入活塞式膨胀机组进行高压段的膨胀，高压气体在其中膨胀做功，将气体的压力降低至一定的低压，同时输出相应的膨胀功。为了进一步地提高系统的效率，配置相应的气体管道阀门，根据高压气体的压力来控制活塞膨胀机的级数。高压气体经过活塞膨胀机组膨胀做功后压力温度降低，然后继续进入向心透平膨胀机组，气体在其中进一步地膨胀做功。同时，为了提高系统的做功能力和效率，采用再热循环流程，通过再热器对气体工质进行级间加热。

对比于传统的单独采用向心透平膨胀机组的系统而言，该系统由于引进了活塞式膨胀机组，取代节流阀，摒弃了节流损失，从而有效地提高了系统的效率。以储气压力15MPa、储气容积500m3的压缩空气储能系统为例，采用高压气体膨胀发电的联合膨胀动力系统要比采用传统系统提高10％以上的效率。

附图说明

图1为本实用新型所提供应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统的一种具体实施方式的结构示意图。

图中：

1.第一阀门2.第二阀门3.第三阀门4.第四阀门5.第五阀门6.第六阀门11.第一气缸12.第二气缸13.第三气缸21.第一离合器22.第二离合器31.第一主轴32.第二主轴41.第一再热器42.第二再热器43.第三再热器44.第四再热器51.第一向心透平膨胀机52.第二向心透平膨胀机

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本实用新型所提供应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统的一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施例中，本实用新型提供的联合膨胀动力系统主要由活塞膨胀机组和向心透平膨胀机组两大部分构成。

活塞膨胀机组与高压气体的进气连接，用于进行高压段的膨胀做功，主要由第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5、第六阀门6、第一气缸11、第二气缸12、第三气缸13、第一离合器21、第二离合器22、第一主轴31等构成，除第一气缸11之外，第二气缸12和第三气缸13的进气管路上分别设有第一再热器41和第二再热器42，以上部件通过管路按图示方式依次连接，通过阀门的开启和关闭控制高压气体的流动方向，并实现膨胀级数的控制；第一气缸11、第二气缸12、第三气缸13通过曲柄连杆机构与第一主轴31连接，第一离合器21、第二离合器22布置于第一主轴31上，用于离合第一级和第二级膨胀活塞的主轴连接。

向心透平膨胀机组与活塞膨胀系统的排气相连接，进行低压段的膨胀做功，主要由第一向心透平膨胀机51、第二向心透平膨胀机52、第二主轴32等构成，各向心透平膨胀机的进气管路上分别设有第三再热器43和第四再热器44，以上部件通过管路按图示方式依次连接。

工作时，高压气体通过管路经过第一阀门1进入第一气缸11中进行第一级膨胀做功，通过曲柄连杆将膨胀功经第一主轴31输出；膨胀后的气体压力温度降低，进入第一再热器41，利用外界热源对气体进行加热，加热后的气体经过第四阀门4进入第二气缸12中，进行第二级膨胀做功，通过曲柄连杆将膨胀功经第一主轴31输出；膨胀后的气体压力温度进一步降低，进入第二再热器42，利用外界热源对气体进行加热，加热后的气体经过第六阀门6进入第三气缸13中，进行第三级膨胀做功，通过曲柄连杆将膨胀功经第一主轴31输出。经过在活塞膨胀机中的三级膨胀，高压气体的压力降低至可以进入向心透平膨胀机的压力范围。

第三气缸13的排气经过第三再热器43加热升温后进入第一向心透平膨胀机51，进行膨胀做功，通过第二主轴32输出膨胀功；做功后的气体压力温度降低，进入第四再热器44，利用外界热源对气体进行加热，加热后的气体进入第二向心透平膨胀机52进一步膨胀做功，膨胀后气体排出，完成循环。

第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5和第六阀门6组成活塞膨胀系统的气路控制系统，通过阀门的关闭和开启调整活塞膨胀机的膨胀级数。

上述向心透平膨胀机的进口压力在5MPa至0.2MPa之间，再热器的热源可以为太阳能、生物质能、外界余热废热、压缩机的压缩热等。

当空气流量较小时，向心透平具有很高的效率，且设计制造较为简单，活塞式膨胀机可以适应高压力空气膨胀工况，其运行工况易于控制，效率较高。因此，通过将活塞式膨胀机和向心透平膨胀机相结合，形成了一种同时具有上述优势的新型联合动力膨胀系统。

上述实施例仅是本实用新型的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，活塞膨胀机组包括至少一台活塞膨胀机，可以为多台活塞膨胀机多级串联或者并联的形式；或者，向心透平膨胀机组包括至少一台向心透平膨胀机，可以为多级串联或者并联的形式等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

以上对本实用新型所提供的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，包括活塞膨胀机组、透平膨胀机组及再热器；所述活塞膨胀机组的进气口与高压气体进气管路连接，高压气体通过高压气体进气管路进入活塞膨胀机组；所述活塞膨胀机组的排气口与所述透平膨胀机组的进气口连接，将排气供给透平膨胀机组；所述再热器设于活塞膨胀机组和透平膨胀机组的进气管路上，用于加热系统中做功的气体；所述活塞膨胀机组的进气管路上设有阀门，用于控制气体的流动方向，从而控制高压气体在活塞膨胀机组中的流程；所述透平膨胀机组位于活塞膨胀机组的下游，利用活塞膨胀机组的排气作为动力源进行做功。

2.根据权利要求1所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述活塞膨胀机组采用多缸结构形式，其每级气缸通过曲柄连杆与主轴连接。

3.根据权利要求1所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述活塞膨胀机组包括至少一台活塞膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

4.根据权利要求2或3所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述活塞膨胀机组设置有离合器，所述离合器安装在活塞膨胀机组的主轴上，以实现每级活塞曲柄连杆与主轴的连接与脱离，从而实现活塞膨胀机组的级数控制。

5.根据权利要求1所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述透平膨胀机组采用多级串联结构，通过一根主轴输出功率。

6.根据权利要求1所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述透平膨胀机组包括至少一台向心透平膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

7.根据权利要求6所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述向心透平膨胀机的进气压力为0.2～5MPa。

8.根据权利要求1、2、3、5、6、7任一项所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述活塞膨胀机组设有膨胀控制系统，实现膨胀工况的控制。

9.根据权利要求8所述的应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，其特征在于，所述再热器的热源包括太阳能热源、生物质能热源、外界余热废热热源或压缩机的压缩热热源。