CN206267902U - 一种新型液化空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型液化空气储能系统，包括压缩装置、液化空气制备装置、蓄冷换热装置和透平装置，所述的液化空气制备装置包括膨胀机3、气液分离器4和液化空气罐5；所述的压缩装置将空气压缩后送入液化空气制备装置制备成液态空气，所述的蓄冷换热装置储存空气压缩过程中的压缩热，所述的液态空气经过蓄冷换热装置加热升温后驱动透平装置做功。本实用新型通过设有用于存储压缩装置的压缩空气的余热的第三蓄热器S3和第五蓄热器S5，将利用谷电或弃用电进行以热量的形式存储在第五蓄热器S5中，用于将经过蓄冷换热装置加热升温后的液态空气进行再加热具有液态空气能量密度高，同时储存占地面积小，加热效率和天然气加热相同。

Description

一种新型液化空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种液化空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能是基于燃气轮机技术提出的一种能量存储系统。空气经空气压缩机压缩后，在燃烧室中利用燃料燃烧加热升温，然后高温高压的燃气进入透平膨胀做功。燃气轮机的压气机需要消耗约2/3的透平输出功，因此，燃气轮机的净输出功远小于透平的输出功。压缩空气储能系统的压缩机和透平不同时工作，在储能时，压缩空气储能系统用电能将空气压缩并存于储气室中。在释能时，高压空气从储气室释放，进入燃烧室利用燃料燃烧加温，驱动透平发电。由于储能与释能分时工作，在释能过程中，并没有压缩机消耗透平的输出功，因此，相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统，压缩空气储能系统可以多产生2倍甚至更多的电力。压缩空气储能具有适用于大型系统(100MW级以上)、储能周期不受限制、系统成本低、寿命长等优点。但是，传统压缩空气储能系统(CAES)系统需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废旧矿井等，或是对化石燃料依赖比较高，从而大大限制了传统压缩空气储能系统的推广与应用。目前，为了解决传统压缩空气储能系统面临的依赖大型储气室问题，近年来国内外学者分别开展了液化空气储能系统的研究，使空气储能系统脱离对大型储气室的依赖。但是，由于将空气液化将消耗大量的能量，导致系统效率有所降低。目前，液化空气储能系统效率只有40％。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种占地少，投资低，运行安全及效率高的电能存储系统，适合于可再生能源发电的存储以及电力部门的移峰填谷。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种新型液化空气储能系统，包括压缩装置、液化空气制备装置、蓄冷换热装置和透平装置，所述压缩装置的出口经过液化空气制备装置连接至透平装置，所述蓄冷换热装置与压缩装置和透平装置均连接，所述的蓄冷换热装置储存空气压缩过程中的压缩热，所述的压缩装置将空气压缩后送入液化空气制备装置制备成液态空气，所述的液态空气经过蓄冷换热装置加热气化后驱动所述透平装置做功，所述的新型液化空气储能系统还包括第三蓄热器和第五蓄热器，其中：所述第三蓄热器的一侧与蓄冷换热装置连接，所述液化空气制备装置的气体出口通过第三蓄热器的另一侧与所述压缩装置的入口连接，所述第三蓄热器加热经过液化空气制备装置后的气态空气后送入压缩装置入口，所述蓄冷换热装置加热液态空气后的余热存储在第三蓄热器中，所述的第五蓄热器的一侧存储热，所述蓄冷换热装置经过第五蓄热器的另一侧换热后与透平机组连接，经过蓄冷换热装置加热升温后的液态空气通过第五蓄热器再加热后驱动透平装置做功。

所述的液化空气制备装置包括膨胀机、气液分离器和液化空气罐，所述压缩装置的出口通过膨胀机连通气液分离器的气体入口，所述气液分离器液体出口连通液化空气罐，所述液化空气罐通过管道依次与低温泵和所述蓄冷换热装置连接，所述气液分离器气体出口通过第十一换热器与第三蓄热器换热后与连通所述压缩装置的入口。

所述的压缩装置为二级空气压缩机，所述的蓄冷换热装置包括第一蓄热器、第二蓄热器和第四蓄热器，所述第一蓄热器和第二蓄热器分别通过第一换热器和第二换热器存储二级压缩机压缩空气过程中的压缩热，所述第四蓄热器依次通过第五换热器和第六换热器存储所述二级压缩机压缩空气过程中产生的级间热，所述第一蓄热器、第二蓄热器和第四蓄热器依次对制备成的液态空气进行加热升温。

所述透平装置包括三级透平机，所述蓄冷换热装置分别通过第八换热器、第九换热器、第十换热器对三级透平机级间的液化空气进行加热。

所述的透平装置的出口与第七换热器的一侧连通，所述蓄冷换热装置通过第七换热器的另一侧后连通所述透平装置。

所有上述换热器的工作温度范围为-196℃～1000℃。

所述的膨胀机使用的介质处于零下196℃的温度及18MPa压力环境下。

所述的第四蓄热器所处的温度小于400℃。

所述的第三蓄热器所处的温度为100℃～190℃。。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过设有第三蓄热器加热经过液化空气制备装置后的气态空气后送入压缩装置入口和第五蓄热器，第五蓄热器利用谷电或弃用电进行以热量的形式存储在第五蓄热器中，将经过蓄冷换热装置加热升温后的液态空气进行再加热，因此，液态空气能量密度高，同时储存占地面积小，回收压缩热和冷量火用可以减少系统能源消耗，大大提高了发电效率，其加热效率和天然气加热相同，但本系统不依赖于化石燃料，不带来环境污染，效率却与有天然气补燃的相同甚至更高，充放电效率最高可达80％。

附图说明

图1为本实用新型一种液化空气储能系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

一种新型液化空气储能系统，包括压缩装置、液化空气制备装置、蓄冷换热装置和透平装置，所述压缩装置的出口经过液化空气制备装置连接至透平装置，所述蓄冷换热装置与压缩装置和透平装置均连接，所述的蓄冷换热装置储存空气压缩过程中的压缩热，所述的压缩装置将空气压缩后送入液化空气制备装置制备成液态空气，所述的液态空气经过蓄冷换热装置加热气化后驱动所述透平装置做功，所述的新型液化空气储能系统还包括第三蓄热器S3和第五蓄热器S5，其中：所述第三蓄热器S3的一侧与蓄冷换热装置连接，所述液化空气制备装置的气体出口通过第三蓄热器S3的另一侧与所述压缩装置的入口连接，所述第三蓄热器S3加热经过液化空气制备装置后的气态空气后送入压缩装置入口，所述蓄冷换热装置加热液态空气后的余热存储在第三蓄热器S3中，所述的第五蓄热器S5的一侧存储热，所述蓄冷换热装置经过第五蓄热器S5的另一侧换热后与透平机组连接，经过蓄冷换热装置加热升温后的液态空气通过第五蓄热器S5再加热后驱动透平装置做功。

所述的液化空气制备装置包括膨胀机3、气液分离器4和液化空气罐5，所述压缩装置的出口通过膨胀机3连通气液分离器4的气体入口，所述气液分离器4液体出口连通液化空气罐5，所述液化空气罐5通过管道依次与低温泵和所述蓄冷换热装置连接，所述气液分离器4气体出口通过第十一换热器HX11与第三蓄热器S3换热后与连通所述压缩装置的入口。

所述的压缩装置为二级空气压缩机1，所述的蓄冷换热装置包括第一蓄热器S1、第二蓄热器S2和第四蓄热器S4，所述第一蓄热器S1和第二蓄热器S2分别通过第一换热器HX1和第二换热器HX2存储二级压缩机压缩空气过程中的压缩热，所述第四蓄热器S4依次通过第五换热器HX5和第六换热器HX6存储所述二级压缩机压缩空气过程中产生的级间热，所述第一蓄热器S1、第二蓄热器S2和第四蓄热器S4依次对制备成的液态空气进行加热升温，所述的气液分离器4的气体入口依次连接第一换热器HX1和第二换热器HX2。

所述透平装置包括三级透平机2，所述蓄冷换热装置分别通过第八换热器HX8、第九换热器HX9、第十换热器HX10对三级透平机2级间的液化空气进行加热。

所述的透平装置的出口与第七换热器HX7的一侧连通，所述蓄冷换热装置通过第七换热器HX7的另一侧后连通所述透平装置。

所有上述换热器的工作温度范围为-196℃～1000℃。

所述的膨胀机3使用的介质处于零下196℃的温度及18MPa压力环境下。

所述的第四蓄热器S4所处的温度小于400℃。

所述的第三蓄热器S3所处的温度为100℃～190℃。。

优选的，以上所有上述换热器的工作温度范围为-196℃～1000℃。

优选的，所述的膨胀机3使用的介质处于零下196℃的温度及18MPa压力环境下。

优选的，所述的第四蓄热器S4所处的温度小于400℃。

优选的，所述的第三蓄热器S3所处的温度为461℃左右。

所述压缩空气及液化空气制备过程与发电过程错时运行。本实用新型整个系统的工作原理如下：在储电过程中，空气压缩机1工作，本实用新型中涉及到两级压缩，根据实际过程，可能需要多级压缩。空气压缩机带有级间冷却系统，同时，将压缩空气的余热通过热媒油将热存放在第四蓄热器S4，为下周期冷却压缩空气节约能量。在第三蓄热器S3中，余热温度不同，分级存放，便于余热的梯级利用。空气离开空气压缩机后温度约为150℃左右，空气压力约为18MPa。压缩空气经过第一换热器HX1和第二换热器HX2后被冷却，所用的冷却介质一是来自气液分离器的低温冷空气，另一部分是来自上周期在液态空气释放过程中储存在第一蓄热器S1和第二蓄热器S2中的冷能。对经过第一换热器HX1和第二换热器HX2冷却后，压缩空气温度达到90K左右，压力保持不变。然后经过膨胀机3，在膨胀机3中，低温高压的压缩空气变为低温常压的气液混合物，在此过程中由焦耳汤姆逊效应，过程表现为吸收热量。气液混合物进入气液分离器4。在气液分离器4中，气体返回经过第二换热器HX1和第二换热器HX2变为288K后与环境空气混合进入第十一换热器HX11，通过第十一换热器HX11与第三蓄热器S3换热，第三蓄热器S3的蓄热温度为100～190℃，其热量来自经过上周期用于级间加热的热媒油的余热。经过第十一换热器HX11,空气在吸入压缩空气前，其温度升高到450K。从气液分离器4分离出的液态空气进入液态空气储罐5进行存放，此时压力为常压，温度为80K左右。液态空气的存放安全，占地少。主要是做好保温，防止外界热量的进入。

在释放能量发电过程中，液化空气储罐5的液态空气中首先由低温泵加热，空气的焓值由1R升高到2R状态。然后经过第三换热器HX3和第四换热器HX4将液态空气的冷量火用回收，储存在第一蓄热器S1和第二蓄热器S2中，经过第三换热器HX3和第四换热器HX4的换热后，所述液态空气气化，升温，变为常温、高压的空气。压力约为6.5MPa,温度约为280K。在进入利用压缩热预热前，先用从透平装置出来的空气来预热这部分常温高压空气，即通过第七换热器HX7换热，对透平装置出来的空气余热进行回收，此时空气可以加热到436K左右，以提高本系统的加热效率。

本系统中空气压缩过程中产生的压缩热蓄存在蓄热材料中，用于发电过程中三级透平机2的级间加热。在发电过程中，通过第一蓄热器S1和第二蓄热器S2可以将液态高压空气升温至常温高压。在进入三级透平机2发电前，还要进行两次加热。第一次是来自储能过程中存放的压缩热，即第四蓄热器S4，这部分热量可以将待发电的常温高压空气升温到600K左右。第二次是第五蓄热器S5，可以将压缩空气加热到1273K，然后高温高压的空气进入燃气轮机发电，发电效率大大提高。充放电效率最高可达80％。

为提高空气的温度，本实用新型在利用压缩热进行预热空气的基础上，利用S5用于蓄存大量的来自于热。这部分热由谷电或可再生能源发电时的弃用电转换而来。将蓄热材料加热至1000℃以，且达到热饱和。在发电阶段，可以将经过级间加热的压缩空气进一步加热。通过提高压缩空气的焓值来提高发电效率。

在压缩空气时，采用分级压缩的形式，各级间保持压缩比一致，保证压缩效率最高。在透平内膨胀发电过程中，也采用分级膨胀的方式，各级间膨胀比相同，保证发电效率最高。由于气体膨胀发电的过程是一个吸热过程，因此，本实用新型中采取级间再热。而且再热也分为两次再热，一部分利用蓄存的压缩热，另一部分利用由谷电或弃用电转化而来的蓄存在蓄热材料中。

在蓄热器S5中，采取的是蓄热的方式。就是首先用电将蓄热材料加热，将电以热的形式存放。然后，高压空气通过换热的方式吸收热量，提高空气焓值。在第一蓄热器S1、第一蓄热器S2、第一蓄热器S3和第一蓄热器S4中，热能是通过热媒油或冷媒介质传递，最终存放在蓄能材料中的。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种新型液化空气储能系统，包括压缩装置、液化空气制备装置、蓄冷换热装置和透平装置，所述压缩装置的出口经过液化空气制备装置连接至透平装置，所述蓄冷换热装置与压缩装置和透平装置均连接，所述的蓄冷换热装置储存空气压缩过程中的压缩热，所述的压缩装置将空气压缩后送入液化空气制备装置制备成液态空气，所述的液态空气经过蓄冷换热装置加热气化后驱动所述透平装置做功，其特征在于，所述的新型液化空气储能系统还包括第三蓄热器(S3)和第五蓄热器(S5)，其中：所述第三蓄热器(S3)的一侧与蓄冷换热装置连接，所述液化空气制备装置的气体出口通过第三蓄热器(S3)的另一侧与所述压缩装置的入口连接，所述第三蓄热器(S3)加热经过液化空气制备装置后的气态空气后送入压缩装置入口，所述蓄冷换热装置加热液态空气后的余热存储在第三蓄热器(S3)中，所述的第五蓄热器(S5)的一侧存储热，所述蓄冷换热装置经过第五蓄热器(S5)的另一侧换热后与透平机组连接，经过蓄冷换热装置加热升温后的液态空气通过第五蓄热器(S5)再加热后驱动透平装置做功。

2.根据权利要求1所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的液化空气制备装置包括膨胀机(3)、气液分离器(4)和液化空气罐(5)，所述压缩装置的出口通过膨胀机(3)连通气液分离器(4)的气体入口，所述气液分离器(4)液体出口连通液化空气罐(5)，所述液化空气罐(5)通过管道依次与低温泵和所述蓄冷换热装置连接，所述气液分离器(4)气体出口通过第十一换热器(HX11)与第三蓄热器(S3)换热后连通所述压缩装置的入口。

3.根据权利要求1所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的压缩装置为二级空气压缩机(1)，所述的蓄冷换热装置包括第一蓄热器(S1)、第二蓄热器(S2)和第四蓄热器(S4)，所述第一蓄热器(S1)和第二蓄热器(S2)分别通过第一换热器(HX1)和第二换热器(HX2)存储二级压缩机压缩空气过程中的冷能，所述第四蓄热器(S4)依次通过第五换热器(HX5)和第六换热器(HX6)存储所述二级压缩机压缩空气过程中产生的级间热，所述第一蓄热器(S1)、第二蓄热器(S2)和第四蓄热器(S4)依次对制备成的液态空气进行加热升温。

4.根据权利要求1所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述透平装置包括三级透平机(2)，所述蓄冷换热装置分别通过第八换热器(HX8)、第九换热器(HX9)、第十换热器(HX10)对三级透平机(2)级间的液化空气进行加热。

5.根据权利要求1所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的透平装置的出口与第七换热器(HX7)的一侧连通，所述蓄冷换热装置通过第七换热器(HX7)的另一侧后连通所述透平装置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所有上述换热器的工作温度范围为-196℃～1000℃。

7.根据权利要求2所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的膨胀机(3)使用的介质处于零下196℃的温度及18MPa压力环境下。

8.根据权利要求3所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的第四蓄热器(S4)所处的温度小于400℃。

9.根据权利要求1所述的新型液化空气储能系统，其特征在于，所述的第三蓄热器(S3)所处的温度为100℃～190℃。