PL236371B1 - Instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii z obiegiem parowym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest adiabatyczna instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii z obiegiem parowym.

Znane są układy magazynowania energii w skroplonym powietrzu typu LEAS ( Liquid Air Energy Storage) z aparaturą do odzysku ciepła i chłodu, wyposażone w instalacje do sprężania powietrza i przepuszczenia go przez wymienniki ciepła w celu wstępnego schłodzenia. Następnie powietrze jest rozprężane na turbinie, gdzie częściowo się wykrapla, a także możliwy jest odzysk części energii włożonej w jego sprężanie. Skroplone powietrze jest magazynowane. Podczas rozładowania magazynu skroplone powietrze oddaje część chłodu a następnie rozpręża się na turbinie, umożliwiając odzysk energii.

W zgłoszeniu patentowym US2017016577 przedstawiony jest układ LEAS o zwiększonej sprawności, w którym do odzysku energii zastosowano co najmniej dwa ekspandery wysokiego i niskiego ciśnienia zintegrowane na wylocie z instalacją do odzysku ciepła ze strumienia powietrza wylotowego.

W zgłoszeniu patentowym US2012151961 oraz US2015192065 opisane są układy LEAS zintegrowane z turbinami gazowymi, z możliwością dołączenia generatora pary w celu zwiększenia sprawności układu. W rozwiązaniach tych procesy skraplania i gazyfikacji powietrza połączono poprzez wymienniki ciepła i instalacje turbin gazowych w celu odzysku części energii niezbędnej w procesie skraplania.

W zgłoszeniu patentowym PL421441 opisana jest adiabatyczna instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii, posiadająca wielostopniową instalację sprężania i schładzania powietrza złożoną z połączonych szeregowo sprężarek na przemian z kolejnymi wymiennikami ciepła, oraz wymiennik wielostrumieniowy na ostatnim stopniu schładzania. Wymiennik wielostrumieniowy jest połączony na wylocie z separatorem fazy ciekłej i fazy gazowej. Faza ciekła jest kierowana do zbiornika magazynującego, a faza gazowa jest zawracana obwodem recyrkulacji na pierwszy stopień sprężania. Układu regazyfikacji fazy ciekłej ma obwód regazyfikacji łączący zbiornik magazynujący z turbiną gazową rozprężną. Do obwodu regazyfikacji przyłączone są inne wymienniki ciepła służące do optymalizacji przepływu ciepła pomiędzy obwodem regazyfikacji a wymiennikiem wielostrumieniowym. Ostatni wymiennik ciepła układu regazyfikacji, przyłączony do obwodu regazyfikacji przed turbiną gazową, wchodzi w skład obiegu grzewczego, do którego jest dołączony magazyn gorącego i zimnego czynnika przepływającego przez wymienniki ciepła wielostopniowego układu chłodzenia. W rozwiązaniu tym do układu regazyfikacji przyłączono moduł separacji tlenu w celu zwiększenia rentowności inwestycji.

Celem wynalazku podwyższania sprawności adiabatycznego układu magazynowania energii w skroplonym powietrzu poprzez zastosowanie dodatkowego obiegu parowego.

Instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii z obiegiem parowym, posiadająca wielostopniową instalację sprężania i schładzania powietrza złożoną z połączonych szeregowo sprężarek na przemian z kolejnymi wymiennikami ciepła, wymiennik wielostrumieniowy na ostatnim stopniu schładzania połączony na wylocie z separatorem fazy ciekłej i fazy gazowej, zbiornik magazynujący fazy ciekłej, obwód recyrkulacji fazy gazowej, układ regazyfikacji fazy ciekłej z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z turbiną rozprężną, oraz inne wymienniki ciepła do optymalizacji przepływu ciepła pomiędzy obwodem regazyfikacji a wymiennikiem wielostrumieniowym, przy czym ostatni z tych wymienników ciepła, przyłączony do obwodu regazyfikacji przed turbiną rozprężną, wchodzi w skład obiegu grzewczego łączącego magazyn gorącego i zimnego czynnika przepływającego przez wymienniki ciepła wielostopniowego układu sprężania i schładzania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w skład obiegu parowego wchodzi mieszalnik parowy połączony przewodem parowym z wytwornicą pary połączoną przewodem wodnym z pompą wodną, rozdzielacz faz połączony na wylocie wody z wlotem pompy wodnej, kondensator pary wodnej połączony na wylocie z rozdzielaczem faz, przy czym wlot kondensatora jest połączony z wylotem turbiny rozprężnej, obwód regazyfikacji jest połączony z turbiną rozprężną poprzez mieszalnik parowy, zaś rura grzewcza wytwornicy pary jest przyłączona do obiegu grzewczego pomiędzy magazynem gorącego czynnika a ostatnim wymiennikiem ciepła obwodu regazyfikacji.

W korzystnym wykonaniu instalacji, rozdzielacz faz jest połączony na wylocie powietrza z dodatkową turbiną rozprężną poprzez podgrzewacz.

W rozwiązaniu według wynalazku w jednej instalacji następuje skraplanie i regazyfikacja powietrza, z możliwością szybkiego podwyższenia sprawności układu poprzez uruchomienie obiegu parowego, zwiększającego ilość czynnika rozprężanego na turbinie.

PL 236 371 B1

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat technologiczny instalacji, a fig. 2 przedstawia schemat blokowy adiabatycznego układu magazynowania energii w skroplonym powietrzu z obiegiem parowym.

Jak przedstawiono na fig. 1, magazynowanie energii w skroplonym powietrzu składa się z procesu skraplania powietrza poprzez wstępne sprężanie, schłodzenie oraz zdławienie, oraz jego zmagazynowanie w izolowanych zbiornikach po oddzieleniu fazy ciekłej od gazowej. Faza gazowa jest mieszana z powietrzem wlotowym. Zmagazynowane skroplone powietrze jest wykorzystane po regazyfikacji do generacji energii elektrycznej poprzez ekspansję w turbinie rozprężnej. W takim układzie energia elektryczna jest używana do zasilenia sprężarek. Turbina połączona jest z generatorem pozwala na ponowne uzyskanie energii elektrycznej w dogodnym czasie. Aby podwyższyć opłacalność ekonomiczną układu, zastosowano dodatkowy obieg parowy z kondensacją pary, który zwiększa ilość czynnika rozprężanego na turbinie oraz wpływa na jego parametry termodynamiczne, co pozwala znacząco podnieść sprawność magazynu energii.

Cały proces może być podzielony na trzy fazy: ładowanie, magazynowanie i rozładowanie. Ładowanie rozpoczyna się poza godzinami zwiększonego zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy występuje nadwyżka energii w sieci i jest ona relatywnie tania. Sprężony i schłodzony gaz trafia na zawór dławiący, gdzie w wyniku negatywnego efektu Joule’a-Thomsona ochładza się i częściowo skrapla. Faza ciekła jest magazynowana.

Kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrasta, ciśnienie cieczy jest podnoszone pompą kriogeniczną. W fazie rozładowania następuje regazyfikacja fazy ciekłej poprzez ogrzewanie za pomocą zmagazynowanego wcześniej czynnika chłodniczego pracującego w obiegu z kolejnymi wymiennikami ciepła układu recyrkulacji. Następnie gaz kierowany jest na turbinę rozprężną połączoną z generatorem w celu odzyskania energii. Aby poprawić efektywność ekonomiczną magazynu dodano obieg parowy. Para wytwarzana jest kosztem ciepła powstałego w wyniku wstępnego sprężania powietrza, a następnie zmagazynowanego w gorącym ciekłym czynniku roboczym, na przykład w wysokowrzącym oleju. Następnie para jest mieszana ze zregazyfikowanym powietrzem, a połączony strumień powietrza i pary kierowany jest na turbinę rozprężną. Za turbiną zachodzi kondensacja wody, która w postaci ciekłej jest kierowana na pompę i zawracana do obiegu.

Jak przedstawiono na fig. 2, instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii z obiegiem parowym E ma za wlotem powietrza 1 wielostopniową instalację sprężania i schładzania powietrza złożoną z połączonych szeregowo sprężarek 3, 5, 7 na przemian z wymiennikami ciepła 4, 6, 8. Ostatni stopień schładzania stanowi wymiennik wielostrumieniowy 9 połączony na wylocie z separatorem 11 fazy ciekłej i fazy gazowej. Faza ciekła przepływa do zbiornika magazynującego 15. Faza gazowa przepływa przez wymiennik wielostrumieniowy 9 a następnie obwodem recyrkulacji 14 do mieszalnika 2 za wlotem powietrza 1 do obiegu powietrza A obejmującego wielostopniową instalację sprężania i schładzania powietrza.

Układ regazyfikacji fazy ciekłej ma obwód regazyfikacji 25 łączący zbiornik magazynujący 15 z turbiną rozprężną 21. Do obwodu regazyfikacji 25 są przyłączone inne wymienniki ciepła do optymalizacji przepływu ciepła pomiędzy obwodem regazyfikacji 25 a wymiennikiem wielostrumieniowym 9. Ostatni wymiennik ciepła 19, przyłączony do obwodu regazyfikacji 25 przed turbiną rozprężną 21, wchodzi w skład obiegu grzewczego D łączącego magazyn 33 gorącego czynnika i magazyn 34 zimnego czynnika z wymiennikami ciepła 4, 6, 8 wielostopniowego układu sprężania i schładzania. W skład obiegu parowego E wchodzi mieszalnik parowy 20 połączony przewodem parowym z wytwornicą pary 29 połączoną przewodem wodnym z pompą wodną 32, rozdzielacz faz 30 połączony na wylocie wody z wlotem pompy wodnej 32, kondensator 22 pary wodnej połączony na wylocie z rozdzielaczem faz 30, a wlot kondensatora 22 jest połączony z wylotem turbiny rozprężnej 21. Obwód regazyfikacji 25 jest połączony z turbiną rozprężną 21 poprzez mieszalnik parowy 20, zaś rura grzewcza wytwornicy pary 29 jest przyłączona do obiegu grzewczego D. Obieg grzewczy D łączy stronę wlotową i wylotową wymienników ciepła 4, 6, 8, wielostopniowej instalacji sprężania i schładzania powietrza. Wymienniki te są częścią obiegu grzewczego D. W skład obiegu grzewczego D wchodzi także mieszalnik zbiorczy 28 łączącym strumienie wylotowe czynnika z wymienników ciepła 4, 6, 8, oraz podzielnik 27 rozdzielający strumień zimnego czynnika z magazynu 34 na trzy strumienie kierowane na pierwszy 4, drugi 6 i trzeci 8 wymiennik ciepła. Czynnik gorący z mieszalnika zbiorczego 28 trafia do magazynu 33, a następnie przepływa przez wytwornicę pary 29, gdzie oddają ciepło. Następnie część ciepła niskotemperaturowego tego strumienia jest oddawana do powietrza w ostatnim wymienniku ciepła 19, skąd strumień czynnika kierowany jest do magazynu 34 zimnego czynnika.

PL 236 371 B1

Faza ładowania rozpoczyna się na wlocie powietrza 1, gdzie powietrze atmosferyczne łączy się ze strumieniem obiegu recyrkulacji 14 i poprzez pierwszy mieszalnik 2 kierowane jest do pierwszej sprężarki 3, następnie do pierwszego wymiennika ciepła 4, gdzie następuje chłodzenie powietrza. Następnie strumień powietrza kierowany jest na drugą sprężarkę 5, zza której trafia do drugiego wymiennika ciepła 6, a następnie na trzecią sprężarkę 7 i trzeci wymiennik ciepła 8. W kolejnym etapie strumień powietrza trafia na wymiennik wielostrumieniowy 9, gdzie zachodzi kolejny proces schładzania. Z wymiennika wielostrumieniowego 9 strumień powietrza kierowany jest na zawór dławiący 10, gdzie w wyniku efektu Joule’a-Thompsona częściowo się wykrapla. Następnie powstały strumień dwufazowy trafia do separatora faz 11, gdzie jest rozdzielany na fazę ciekłą i gazową. Faza gazowa kierowana jest łącznikiem górnym 13 na wymiennik wielostrumieniowy 9 gdzie ogrzewa się a następnie przepływa obwodem recyrkulacji 14 do pierwszego mieszalnika 2 obiegu powietrza A. Faza ciekła kierowana jest łącznikiem dolnym 12 do zbiornika magazynującego 15. Gdy zapotrzebowanie na energię rośnie, rozpoczyna się proces regazyfikacji. Ciekłe powietrze ze zbiornika magazynującego 15 kierowane jest na pompę kriogeniczną 16, gdzie podnoszone jest jego ciśnienie a następnie ogrzewane jest w czwartym wymienniku 17, dalej w piątym wymienniku 18, a następnie ostatnim wymienniku ciepła 19 przed turbiną rozprężną 21. Czwarty wymiennik ciepła 17 jest częścią pierwszego obiegu chłodniczego B, do którego należy także pierwszy zbiornik czynnika zimnego 25, wymiennik wielostrumieniowy 9, oraz pierwszy zbiornik czynnika ciepłego 26. Piąty wymiennik 18 jest częścią drugiego obiegu chłodniczego C, do którego należy także drugi zbiornik czynnika zimnego 23, wymiennik wielostrumieniowy 9 oraz drugi zbiornik czynnika ciepłego 24. Powietrze ogrzane w ostatnim wymienniku ciepła 19 jest kierowane na turbinę rozprężną 21 lub mieszane ze strumieniem pary z obiegu parowego E w mieszalniku parowym 20. Po uruchomienia obiegu parowego E, na turbinę rozprężną 21 trafiają połączone strumienie pary i powietrza. Turbina rozprężna 21 jest połączona z generatorem energii elektrycznej. Strumień rozprężonej pary i powietrza trafia z wylotu turbiny do kondensatora 22, gdzie następuje wykroplenie wody, która spływa do rozdzielacza faz 30, skąd faza gazowa kierowana jest na zewnątrz układu przez wylot powietrza 31, natomiast faza ciekła jest kierowana na pompę wodną 32 obiegu parowego E, a następnie na wytwornicę pary 29 połączoną z mieszalnikiem pary 20.

W celu dalszego podwyższenia sprawności instalacji, rozdzielacz faz 30 może być połączony na wylocie powietrza 31 z co najmniej jednym kolejnym stopniem rozprężania, oddzielonym na fig. 1 przerywaną linią. W skład kolejnego stopnia rozprężania wchodzi podgrzewacz 35 połączony z dodatkową turbiną rozprężną 36 zakończoną kolejnym wylotem 37. Podgrzewacz 35 może być zasilany ciepłym czynnikiem z instalacji lub z zewnętrznego źródła ciepła.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu i odzysku energii z obiegiem parowym, posiadająca wielostopniową instalację sprężania i schładzania powietrza złożoną z połączonych szeregowo sprężarek na przemian z wymiennikami ciepła, wymiennik wielostrumieniowy na ostatnim stopniu schładzania połączony na wylocie z separatorem fazy ciekłej i fazy gazowej, zbiornik magazynujący fazy ciekłej, obwód recyrkulacji fazy gazowej, układ regazyfikacji fazy ciekłej z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z turbiną rozprężną, oraz inne wymienniki ciepła do optymalizacji przepływu ciepła pomiędzy obwodem regazyfikacji a wymiennikiem wielostrumieniowym, przy czym ostatni z tych wymienników ciepła, przyłączony do obwodu regazyfikacji przed turbiną rozprężną, wchodzi w skład obiegu grzewczego łączącego magazyn gorącego czynnika i magazyn zimnego czynnika przepływającego przez wymienniki ciepła wielostopniowego układu sprężania i schładzania, znamienna tym, że w skład obiegu parowego (E) wchodzi mieszalnik parowy (20) połączony przewodem parowym z wytwornicą pary (29) połączoną przewodem wodnym z pompą wodną (32), rozdzielacz faz (30) połączony na wylocie wody z wlotem pompy wodnej (32), kondensator (22) pary wodnej połączony na wylocie z rozdzielaczem faz (30), przy czym wlot kondensatora (22) jest połączony z wylotem turbiny rozprężnej (21), obwód regazyfikacji (25) jest połączony z turbiną rozprężną (21) poprzez mieszalnik parowy (20), zaś rura grzewcza wytwornicy pary (29) jest przyłączona do obiegu grzewczego (D) pomiędzy magazynem (33) gorącego czynnika a ostatnim wymiennikiem ciepła (19) obwodu regazyfikacji (25).
2. 2. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że rozdzielacz faz (30) jest połączony na wylocie powietrza (31) z dodatkową turbiną rozprężną (36) poprzez podgrzewacz (35).