CN220893075U - 耦合工业余热的储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种耦合工业余热的储能系统。其包括：储能单元，与工业系统的余热通道通过余热利用单元连接，储能单元包括第一回路以及依次设置于第一回路上、且位于余热利用单元之后的压缩机和若干级储能模块，第一回路流经余热利用单元，不同储能模块用于对不同品位的热能进行储能；释能单元，包括第二回路和设置于第二回路上的透平发电机，第二回路流经各储能模块；各通路用于循环工质，工质用于带动热量在各通路中流动。本申请提供的耦合工业余热的储能系统，通过在工业系统的余热通道中设置余热利用单元以及设置多级储能模块，能够对工质中的热量进行较为彻底的存储，从而避免工业余热的浪费。

Description

耦合工业余热的储能系统

技术领域

本申请属于能源机械技术领域，更具体地说，是涉及一种耦合工业余热的储能系统。

背景技术

为实现对工业余热的有效利用，在工业系统中设置有卡诺电池储能系统。现有的卡诺电池储能系统，由于缺乏对不同品位段的热能的利用，导致其储能过程中，只能利用部分品位段的热能，导致其电-电转化效率较低，从而使得较多工业余热被浪费。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种耦合工业余热的储能系统，以解决现有技术中存在的工业余热浪费明显的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案是，提供一种耦合工业余热的储能系统，其包括：

储能单元，与工业系统的余热通道通过余热利用单元连接，所述储能单元包括第一回路以及依次设置于所述第一回路上、且位于所述余热利用单元之后的压缩机和若干级储能模块，所述第一回路流经所述余热利用单元，不同所述储能模块用于对不同品位的热能进行储能；

释能单元，包括第二回路和设置于所述第二回路上的透平发电机，所述第二回路流经各所述储能模块；

各回路用于循环工质，所述工质用于带动热量在各所述回路中流动。

可选地，所述储能单元还包括可再生能源发电装置，所述可再生能源发电装置与所述压缩机连接以提供电力。

可选地，所述可再生能源发电装置包括太阳能发电装置和/或风能发电装置。

可选地，同一所述储能模块包括若干子模块；不同所述子模块之间连通有第三通路，在所述第三通路上设置有调节阀。

可选地，所述压缩机至少设置有两级，各级所述压缩机在所述第一回路上串联设置，在各级所述压缩机之间连通有第四通路；在所述第三通路上设置有三通阀，所述三通阀的各支路分别连接两个不同所述子模块和所述第四通路。

可选地，在所述第四通路与所述子模块之间还连通有第五通路，所述第四通路与所述第五通路的连通点位于所述第三通路与所述第四通路连通点下游。

可选地，所述储能模块包括显热储能模块和潜热储能模块，所述子模块设置于所述显热储能模块。

可选地，所述显热储能模块设置有多个，不同所述显热储能模块用于对不同品位的热能进行储能，所述潜热储能模块设置于不同品位段的两个所述显热储能模块之间。

可选地，所述工业系统的余热通道与所述压缩机的入口处之间连通有第七通路；和/或，在所述压缩机的出口处与所述工业系统之间连通有第八通路。

可选地，所述透平发电机至少设置有两级。

可选地，在相邻两级所述透平发电机之间、且位于所述第二回路上设置有级间换热器；不同所述级间换热器通过第六回路分别与不同品位段的所述储能模块相连通。

可选地，在所述第二回路中、位于最后一级所述透平发电机与所述储能模块之间设置有泵装置。

可选地，在所述第二回路中、位于所述储能模块与第一级所述透平发电机之间设置有辅助燃料系统，所述辅助燃料系统用于加热所述第二回路中的工质。

本申请实施例提供的耦合工业余热的储能系统，至少具有以下有益效果：

使储能单元中的第一回路流经余热利用单元，如此，工质在第一回路中循环时，能够在余热利用单元的换热下升温，并流向压缩机，在压缩机的压缩作用下继续升温升压后将热量存储于各级储能模块中，经储能后的工质降温降压，循环流动至余热利用单元中进行再次换热。如此，通过在工业系统的余热通道中设置余热利用单元以及设置多级储能模块，能够对工质中的热量进行较为彻底的存储，从而避免工业余热的浪费。

而释能单元中的第二回路流经各储能模块，通过储能模块的释能使得工质带走热能流向透平发电机，从而实现热能到电能的转化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一些实施例中耦合工业余热的储能系统的示意图；

图2为本申请一些实施例中储能单元的示意图；

图3为本申请一些实施例中释能单元的示意图；

图4为本申请一些实施例中工业系统的示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。

当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

可以理解的是，本申请各实施例描述中，工质以蒸汽为例。

请一并参阅图1至图4，现对本申请实施例提供的耦合工业余热的储能系统进行说明。

参考图1，本申请实施例所述的耦合工业余热的储能系统，包括储能单元10和释能单元20。

本实施例中，储能单元10与工业系统40的余热通道通过余热利用单元30连接。参考图1和图4，可以理解的是，本实施例中，工业系统40为稠油开采系统，其包括依次循环连通的稠油注采井410、蒸汽分离器420、处理站430、水处理系统440和锅炉系统450，其中，前述的余热利用单元30设置于蒸汽分离器420和处理站430之间。

具体地，稠油开采系统的工艺流程为：从油田稠油注采井410开采出来的采出液经过蒸汽分离器420后，经过蒸汽分离器420分离出来的除气采出液进入其他工艺流程中进行后续处理，而经过蒸汽分离器420分离出来的低温低压蒸汽(例如160℃-180℃、以及0.52MPa-0.65MPa的蒸汽)进入余热利用单元30进行换热，并转化为70℃左右的热水，热水依次经过处理站430、水处理系统440和锅炉系统450后，重新转化为高温高压蒸汽，以用于稠油开采。也即，本申请所述的工业余热，为经过蒸汽分离器420分离出来的低温低压蒸汽。

可以理解的是，前述的余热利用单元30为蒸汽-蒸汽换热器。其一侧与稠油开采工艺流程相耦合，其中，进口为前述的160℃-180℃、0.52MPa-0.65MPa的低温低压蒸汽，出口为70℃左右的热水；其另一侧则与储能单元10相耦合，其中，进口为低温蒸汽，出口为高温蒸汽。

参考图1，可以理解的是，储能单元10包括第一回路111以及压缩机120和各级储能模块130，第一回路111用于循环工质，以用于使经余热利用单元30换热的工质在第一回路111中循环一次后再次回到余热利用单元30中进行换热，在本实施例中，工质为蒸汽。压缩机120和各级储能模块130设置于第一回路111上且位于余热利用单元30之后，举例地说，第一回路111沿顺向分别流经余热处理单元、压缩机120和各级储能模块130，如此，经过余热利用单元30换热形成的饱和蒸汽能够经过压缩机120的压缩后形成高温高压的过热蒸汽，以流向各级储能模块130进行热能存储，经过储能模块130的储能后，过热蒸汽转化为低温低压蒸汽或非饱和水并回流至余热利用单元30，以进行再次换热。

参考图1和图2，需要理解的是，不同级别的储能模块130用于存储不同品位段的热能，例如，在工质为蒸汽的情况下，储能模块130可设置为显热储能模块131和潜热储能模块132，或者，也可以设置为多个显热储能模块131，以用于对不同状态的蒸汽进行储能。经过压缩机120压缩后蒸汽为过热蒸汽，其在转化为低温低压蒸汽或非饱和水的过程中，不同的降温阶段分别会释放大量的显热和潜热，例如，过热蒸汽降温为饱和蒸汽的过程中会释放大量显热，饱和蒸汽转化为饱和水的过程中释放潜热，饱和水降温为非饱和水的过程中释放显热。

因此，通过设置多级储能模块130对过热蒸汽降温过程中释放的热能进行储能，以实现对过热蒸汽在不同降温阶段释放的热能充分利用，能够避免过多工业余热的浪费，从而有利于提高卡诺电池储能系统的储能效率。

参考图1，释能单元20包括第二回路211和设置于第二回路211上的透平发电机220，其中，第二回路211流经各级储能模块130，第二回路211中流动有循环工质，工质用于将储能模块130释放的热能传送至透平发电机220以进行发电。在一些实施例中，第二回路211中的工质可以为蒸汽。

参考图1和图2，在一些实施例中，储能单元10还包括可再生能源发电装置140，可再生能源发电装置140与压缩机120连接以提供电力。

在一些实施方式中，可再生能源发电装置140包括太阳能发电装置和/或风能发电装置。

通过将压缩机120与可再生能源发电装置140连接，能够使得可再生能源发电装置140产生的电能驱动压缩机120，由压缩机120对饱和蒸汽压缩形成过热蒸汽，再由储能模块130对过热蒸汽中的热能进行存储。也即，可再生发电装置产生的热能能够间接地存储于储能模块130中，如此，当可再生能源发电装置140处于发电状态时，电能直接驱动压缩机120从而间接地存储于储能模块130，当可再生能源发电装置140处于停止状态时，压缩机120则由其他电力另行驱动，从而能够解决可再生能源发电(特别是太阳能或风能)存在的间接性问题。

参考图1和图2，在一些实施例中，同一储能模块130包括若干子模块1301；不同子模块1301之间连通有第三通路112，在第三通路112上设置有调节阀。需要理解的是，本实施例中的储能模块130以显热储能模块131为例，以及，以子模块1301设置有两个为例。

在对同一品位段的工质进行储能时，经过储能的工质虽然仍处于同一品位段，但其温度及压力等参数均有所降低，且流量可能也有所变化，由此导致工质在同一储能模块130中的储能效率较低。为此，通过在同一储能模块130中设置多个子模块1301，且在子模块1301之间连通第三通路112，当工质在第一子模块1301中经过一次储能后，虽然其参数有所变化，但通过调节阀对工质相关参数的调节后，能够使得工质的参数能够与第二子模块1301的高效运行区间相匹配，从而有利于提高储能效率。

参考图1和图2，可以理解的是，为使压缩机120能够充分地对工质进行压缩以使工质的参数能够达到储能模块130的最佳工况，同时也为了使对经过储能的工质的剩余热能以充分利用，在前述实施例的基础上，压缩机120至少设置有两级，各级压缩机120在第一回路111上串联设置。

参考图2，本实施例中，以压缩机120设置有两级为例，分别为第一压缩机121和第二压缩机122，在第一压缩机121和第二压缩机122之间连通有第四通路113，也即，由第一压缩机121压缩后的工质经第四通路113流动至第二压缩机122。同时，在第三通路112上设置有三通阀，三通阀的各支路分别连接两个不同子模块1301和第四通路113。

具体地，经过储能模块130中的第一子模块1301储能后的部分工质流向第三通路112，同时，被第一压缩机121压缩的工质流向第四通路113，此时，第三通路112中工质的温度大于第四通路113中工质的温度，又由于，第三通路112与第四通路113相连通，因此，第三通路112中的部分工质流向第二子模块1301中进行再次储能，第三通路112中的另外部分工质则流向第四通路113并与第四通路113中的工质相混合后，混合工质的温度得到一定程度的提升后再进入第二压缩机122，从而实现对第三通路112中经过储能的工质的热能进行充分利用，也能使得进入第二压缩机122的工质的参数能够更加适配第二压缩机122的高效运行区间工况。

参考图2，在进一步的实施例中，在第四通路113与第二子模块1301之间还连通有第五通路114，第四通路113与第五通路114的连通点位于第三通路112与第四通路113连通点下游，同时，在第四通路113与第五通路114的连通处设置有三通阀。

经第一压缩机121压缩后的工质流进第四通路113以进入第二压缩机122，此时，由于第三通路112与第四通路113相连通，第三通路112中经过储能的部分工质也流向第四通路113，由此导致第四通路113中流向第二压缩机122的工质流量较大，可能超出第二压缩机122的工况极限从而影响第二压缩机122的稳定工作。

为此，通过在第四通路113上设置三通阀，并在三通阀的其中一支路与第二子模块1301之间连通第五通路114，由三通阀对第四通路113中的工质进行分流，以将第四通路113中流进第二压缩机122的工质流量降至合理区间；同时，第五通路114中经混合的工质则流向第二子模块1301，由第二子模块1301对其蕴含的热量进行储能。

参考图1和图2，在一些实施例中，储能模块130包括显热储能模块131和潜热储能模块132，子模块1301设置于显热储能模块131。例如，显热储能模块131可以设置于潜热储能模块132之前，或者，也可以是是潜热储能模块132设置于显热储能模块131之前。

可以理解的是，本申请实施例的耦合工业余热的储能系统，其储能单元10中循环的工质是蒸汽。又由于，过热蒸汽在降温至饱和蒸汽的过程中释放的热能为显热，饱和蒸汽在降温至饱和水的过程中释放的热能为潜热，饱和水在降温至非饱和水的过程中释放的热能为显热，因此，通过设置显热储能模块131和潜热储能模块132，能对过热蒸汽在降温至非饱和水的各个阶段所释放的热能以充分利用。

参考图1和图2，在一些实施方式中，显热储能模块131设置有多个，本实施方式以两个为例，分别为第一显热储能模块1311和第二显热储能模块1312；同时，潜热储能模块132设置有一个，潜热储能模块132设置于两个显热储能模块131之间。各储能模块130分别负责对不同品位段的热能进行存储。

在具体设置方式中，对于显热储能模块131而言，第一显热储能模块1311的储存材料可以是熔融盐，也可以是固定储热材料(例如沙-岩石-矿物油、耐火砖等)，其具体类型炣根据高温段循环工质来确定；而第二显热储能模块1312的的储存材料可以是低温段相变材料，比如蜡类相变材料、盐类相变材料等，其具体可结合循环工质参数及应用场景的条件来选取。

对于潜热储能模块132而言，其储存材料的工作温度范围在工质潜热温度范围附近，例如是NaNO3，NaNO3-KNO3等相变材料；其具体材料需根据系统应用场景的温度范围来选取。

举例地说，第一显热储能模块1311负责对过热蒸汽降温至饱和蒸汽的过程中所释放的显热进行储能，潜热储能模块132用于对饱和蒸汽降温至饱和水的过程中所释放的潜热进行储能，第二显热储能模块1312则用于对饱和水在降温至非饱和水的过程中所释放显热进行储能；同时，在一些实施方式中，前述实施例中的各子模块1301设置于第二显热储能模块1312中。

可以理解的是，稠油开采系统中经过蒸汽分离器420分理出来的低温低压蒸汽的温度比第一回路111中经余热利用单元30换热后的蒸汽的温度要高，基于此，为使得此些低温低压蒸汽能够得到较好的利用，参考图1、图2和图4，在一些实施例中，工业系统的余热通道与压缩机120的入口处之间连通有第七通路115，也即，稠油开采系统中经过蒸汽分离器420分理出来的低温低压蒸汽除了进入余热利用单元30中之外，还通过第七通路115进入压缩机120中，与第一回路111中的蒸汽一起被压缩机120压缩以升温升压为高温高压蒸汽。如此，通过将稠油开采系统中经过蒸汽分离器420分理出来的低温低压蒸汽与经余热利用单元30换热后的蒸汽相混合，能够提高第一回路111中进入压缩机120的蒸汽的温度，从而能够提高压缩机120的压缩效率。

进一步的，同样参考图1、图2和图4，在压缩机130的出口处与工业系统之间连通有第八通路116，需要理解的是，第八通路116可以直接与压缩机120的出口相连通，也可以直接与第一回路111相连通。也即，经过压缩机120压缩形成的高温高压蒸汽能够部分经过第八通路116进入稠油开采系统中以用于稠油开采，从而减少稠油开采系统中处理站430、水处理系统440和锅炉系统450的处理量。

参考图3，在一些实施例中，透平发电机220至少设置有两级，不同级的透平发电机220由不同从参数的工质驱动发电。例如，透平发电机220可以设置有两级，也可以设置有三级，如此，当工质由储能模块130释能加热后，可先进入第一级透平发电机220发电，经过一级发电后的工质的温度等参数有所降低，从而进入下一级透平发电机220进行发电，从而能够避免工质中剩余热能的浪费。

进一步的，在前述实施例的基础上，在相邻两级透平发电机220之间、且位于第二回路211上设置有级间换热器230；不同级间换热器230通过第六回路212分别与不同品位段的储能模块130相连通。

以下以不同实施方式详述本实施例。

在一些实施方式中，透平发电机220设置有两级，级间换热器230设置于两级透平发电机220之间，同时，储能模块130以设置有一个为例。其中，级间换热器230一侧通过第六回路212与储能模块130连通，级间换热器230另一侧则与第二回路211相连通。工质由释能模块释能加热后沿第六回路212流至级间换热器230与第二回路211中的工质进行热交换，使得第二回路211中经过一次发电的工质的温度压力等参数有所提高，以更适应下一级透平发电机220的发电工况。

参考图3，在另一些实施方式中，透平发电机220设置有三级，级间换热器230设置于相邻两级透平发电机220之间，储能模块130设置有多个(亦即前述实施例中描述的不同品位段的显热储能模块131和/或潜热储能模块132)，不同级间换热器230一侧通过第六回路212与不同储能模块130连通，各级间换热器230另一侧则与第二回路211相连通。本实施方式中的运行原理与上一实施方式中一致，在此不作赘述。而与上一实施方式不同的是，通过设置多个级间换热器230及多个透平发电机220，能够充分利用各储能模块130中存储的热能对第二回路211中的工质进行加热，从而使得更多热能能够用于发电，以提高发电效率。

需要理解的是，级间换热器230也可以设置更多个，具体设置方式可根据不同品位段的储能模块130数量而匹配设置，同样的，透平发电机220的数量也相应调整设置。

参考图1和图3，在一些实施例中，在第二回路211中、位于最后一级透平发电机220与储能模块130之间设置有泵装置240。举例而言，在前述设置有第一显热储能模块1311、第二显热储能模块1312和潜热储能模块132，以及，在透平发电机220设置有三级的实施例中，在最后一级透平发电机220与第二显热储能模块1312之间设置有泵装置240。通过设置泵装置240，能够使得第二回路211中的工质在进入第二显热储能模块1312前，其压力能够得到一定程度的提升，从而提高工质在第二回路211中的循环速度，以提高释能单元20的发电效率。

参考图1和图3，在一些实施例中，在第二回路211中、位于储能模块130与第一级透平发电机220之间设置有辅助燃料系统250，辅助燃料系统250用于加热第二回路211中的工质。举例而言，在前述设置有第一显热储能模块1311、第二显热储能模块1312和潜热储能模块132，以及，在透平发电机220设置有三级的实施例中，辅助燃料系统250设置于第一显热储能模块1311与第一级透平发电机220之间。可以理解的是，辅助燃料系统250可以是锅炉系统，其用于对第二回路211中进入透平发电机220之前的工质(也即蒸汽)加热，以提高蒸汽的温度，以使得各透平发电机220能够处于高效运行区间。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种耦合工业余热的储能系统，其特征在于，包括：

储能单元，与工业系统的余热通道通过余热利用单元连接，所述储能单元包括第一回路以及依次设置于所述第一回路上、且位于所述余热利用单元之后的压缩机和若干级储能模块，所述第一回路流经所述余热利用单元，不同所述储能模块用于对不同品位的热能进行储能；

释能单元，包括第二回路和设置于所述第二回路上的透平发电机，所述第二回路流经各所述储能模块；

各回路用于循环工质，所述工质用于带动热量在各所述回路中流动。

2.如权利要求1所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述储能单元还包括可再生能源发电装置，所述可再生能源发电装置与所述压缩机连接以提供电力。

3.如权利要求1所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：同一所述储能模块包括若干子模块；不同所述子模块之间连通有第三通路，在所述第三通路上设置有调节阀。

4.如权利要求3所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述压缩机至少设置有两级，各级所述压缩机在所述第一回路上串联设置，在各级所述压缩机之间连通有第四通路；在所述第三通路上设置有三通阀，所述三通阀的各支路分别连接两个不同所述子模块和所述第四通路。

5.如权利要求4所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：在所述第四通路与所述子模块之间还连通有第五通路，所述第四通路与所述第五通路的连通点位于所述第三通路与所述第四通路连通点下游。

6.如权利要求3至5任一所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述储能模块包括显热储能模块和潜热储能模块，所述子模块设置于所述显热储能模块。

7.如权利要求6所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述显热储能模块设置有多个，不同所述显热储能模块用于对不同品位的热能进行储能，所述潜热储能模块设置于不同品位段的两个所述显热储能模块之间。

8.如权利要求3至5任一所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述工业系统的余热通道与所述压缩机的入口处之间连通有第七通路；和/或，在所述压缩机的出口处与所述工业系统之间连通有第八通路。

9.如权利要求1所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：所述透平发电机至少设置有两级。

10.如权利要求9所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：在相邻两级所述透平发电机之间、且位于所述第二回路上设置有级间换热器；不同所述级间换热器通过第六回路分别与不同品位段的所述储能模块相连通。

11.如权利要求1、9或10任一所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：在所述第二回路中、位于最后一级所述透平发电机与所述储能模块之间设置有泵装置。

12.如权利要求1、9或10任一所述的耦合工业余热的储能系统，其特征在于：在所述第二回路中、位于所述储能模块与第一级所述透平发电机之间设置有辅助燃料系统，所述辅助燃料系统用于加热所述第二回路中的工质。