RU2783246C2

RU2783246C2 - Method for accumulating and generating energy and apparatus for implementation thereof

Info

Publication number: RU2783246C2
Application number: RU2020142187A
Authority: RU
Inventors: Валерий Леонардович Ширяевский; Алексей Юрьевич Маркелов; Ольга Вячеславовна Черкасова; Владимир Иванович Могорычный
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Технический Центр "Экопромтех"
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-11-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of power engineering, in particular, to the field of accumulation and storage of energy. The method for accumulating and generating energy includes system charging, consisting in producing liquid atmospheric air, storing the liquid air in a cryogenic tank, and generating energy. Generation of energy includes the stages of heating liquid air and extracting cold into a cold accumulation system, heating air in a recuperator by a reverse expanded air flow from the last stage of a turbo expander, expanding air in several stages of the turbo expander while heating between the stages using a heating circuit wherein blasting atmospheric air is supplied for combustion, heated by the heat of the exhaust flue combustion gas, the preheated blasting air is supplied with fuel to a burner device for combustion, releasing cycle energy, the air is heated prior to expansion by the fuel combustion products. The exhaust air from the last expansion stage is directed to a recuperator located between the heat exchanger connected with the cold storage system and the first heater, and then discharged into the atmosphere.

EFFECT: increase in the overall efficiency of cryogenic energy accumulation systems, reduction in the exhaust of flue gases into the atmosphere when using traditional types of fuel.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к области накопления и хранения энергии, регулирования мощности крупных генерирующих станций (в том числе атомных), возобновляемой энергетики (накопление энергии ветрогенераторов и солнечных электростанций), сетевого регулирования мощности (в том числе суточного), а также к устройствам и способам выработки электроэнергии, в которых используется криогенная жидкость, такая как жидкий азот или жидкий воздух.The invention relates to the field of energy, in particular to the field of accumulation and storage of energy, power control of large generating stations (including nuclear), renewable energy (energy storage of wind turbines and solar power plants), network power control (including daily), as well as to devices and methods for generating electricity that use a cryogenic liquid, such as liquid nitrogen or liquid air.

Из современного уровня техники известны следующие решения накопителей энергии, включая системы высокой эффективности.The following energy storage solutions are known from the state of the art, including high efficiency systems.

Накопители с высокой эффективностью (около 90% или выше) могут быть обнаружены только среди гравитационных способов накопления энергии: гидроаккумулирующие электрические станции (ГАЭС) и твердотельные аккумулирующие электрические станции (ТАЭС). Однако применение ГАЭС и ТАЭС ограничено. High-efficiency storage (about 90% or higher) can only be found among gravity-based energy storage methods: pumped storage power plants (PSPPs) and solid-state storage power plants (SPPs). However, the use of HPS and TAPP is limited.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее устоявшейся технологией накопления энергии. ГАЭС накапливает потенциальную гидравлическую энергию, перекачивая воду из нижнего резервуара в поднятый напорный резервуар (фаза зарядки), используя дешевое электричество в периоды низкого спроса. ГАЭС имеет высокую эффективность, относительно низкие эксплуатационные расходы. Потребность в двух больших резервуарах на разных уровнях ограничивает применение ГАЭС, особенно вблизи крупных городов, и, как правило, приводит к очень высоким капитальным затратам.Hydro storage power plant (PSPP) is the most established energy storage technology. The pumped storage power plant accumulates potential hydraulic energy by pumping water from the lower reservoir to an elevated pressure reservoir (charging phase), using cheap electricity during periods of low demand. HPSP has high efficiency, relatively low operating costs. The need for two large tanks at different levels limits the use of pumped storage power plants, especially near large cities, and usually leads to very high capital costs.

Из твердотельных накопителей энергии известна промышленная система накопления энергии RU 2699855 C1, включающая в себя по меньшей мере одну энергетическую ячейку. Энергетическая ячейка содержит множество грузов, каретку, тележку, канат и главный привод. Система выполнена с возможностью вертикального перемещения грузов и закрепления грузов в энергетической ячейке либо в верхнем положении, либо в нижнем положении. Система заряжается при перемещении по крайней мере одного груза из множества грузов из нижнего положения в верхнее положение. Система разряжается при перемещении по крайней мере одного груза из множества грузов из верхнего положения в нижнее положение. Известная система накопления энергии относится к группе гравитационных накопителей. Эффективность этой группы методов одна из самых высоких среди прочих методов, но ей также присущи недостатки гравитационных способов накопления энергии: громоздкость и низкая плотность запасаемой энергии (Втч/кг). Время разрядки таких систем при высоте десятки метров – минуты, поэтому их масштабное и экономически рентабельное внедрение маловероятно и требует отдельной проработки. Гравитационный накопитель (RU 2699855 C1) вызывает сомнения в пригодности для большой энергетики.From solid-state energy storage known industrial energy storage system RU 2699855 C1, which includes at least one energy cell. The energy cell contains a plurality of weights, a carriage, a trolley, a rope and a main drive. The system is made with the possibility of vertical movement of goods and fixation of goods in the energy cell either in the upper position or in the lower position. The system is charged by moving at least one of the plurality of weights from the bottom position to the top position. The system is discharged when at least one of the plurality of weights is moved from an up position to a down position. The known energy storage system belongs to the group of gravitational storage devices. The efficiency of this group of methods is one of the highest among other methods, but it also has the disadvantages of gravitational methods of energy storage: bulkiness and low density of stored energy (Wh/kg). The discharge time of such systems at a height of tens of meters is minutes, so their large-scale and cost-effective implementation is unlikely and requires separate study. The gravitational storage device (RU 2699855 C1) raises doubts about its suitability for large-scale power generation.

Системное решение проблемы накопления энергии в РФ отсутствует на сегодняшний день, как со стороны генерации и сети, так и со стороны потребителя. Регулирование мощности в периоды «провала» энергопотребления и пиковые часы затруднительно для паровых ТЭС и АЭС по ряду причин. В ближайшие 5-10 лет ожидаемый ввод в эксплуатацию больших непостоянных генерирующих мощностей от возобновляемых источников энергии усугубит неравномерность сети. Это приведёт к вынужденному снижению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), связанному с отключением возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в момент избыточной генерации там, где объём генерируемой ими мощности значительный для сети (более 20%).There is no systematic solution to the problem of energy storage in the Russian Federation today, both from the side of generation and the network, and from the side of the consumer. Power regulation during periods of "failure" of energy consumption and peak hours is difficult for steam thermal power plants and nuclear power plants for a number of reasons. Over the next 5-10 years, the expected commissioning of large intermittent renewable energy generation capacity will exacerbate grid irregularities. This will lead to a forced decrease in the installed capacity utilization factor (ICUF), associated with the shutdown of renewable energy sources (RES) at the time of excess generation, where the amount of power generated by them is significant for the network (more than 20%).

Электрораспределительные сети, в том числе автономных энергосистем, зачастую поддерживаются парком дизель-генераторов и газовых турбин открытого цикла, которые обеспечивают электроэнергию в периоды повышенного спроса и чрезвычайные ситуации, такие как неожиданный отказ электростанции. Такие генерирующие активы сжигают ископаемое топливо с низкой эффективностью и могут стать значительным источником загрязнения атмосферы.Electricity distribution networks, including off-grids, are often supported by a fleet of diesel generators and open-cycle gas turbines that provide power during times of high demand and emergencies such as unexpected power plant failure. Such generating assets burn fossil fuels at low efficiency and can be a significant source of air pollution.

Также среди других способов накопления энергии можно упомянуть: водородные накопители энергии, накопление энергии на сжатом воздухе и криогенные накопители энергии.Also, among other ways of energy storage, we can mention: hydrogen energy storage, compressed air energy storage and cryogenic energy storage.

Водородные накопители энергии имеют большую плотность энергии (800-10000 Втч/кг), но для них неизбежны большие потери в процессе производства водорода и при его транспортировке. Эффективность водородных систем накопления энергии достигает обычно не более 20-35% при больших капитальных затратах, что отрицательно сказывается на периоде окупаемости. Следовательно, водородный накопитель не может рассматриваться, как система накопления энергии высокой эффективности.Hydrogen energy storage devices have a high energy density (800–10,000 Wh/kg), but they inevitably suffer large losses in the process of hydrogen production and transportation. The efficiency of hydrogen energy storage systems usually reaches no more than 20-35% at high capital costs, which negatively affects the payback period. Therefore, the hydrogen storage cannot be considered as a high efficiency energy storage system.

Системы накопления сжатого воздуха (CAES) используют потенциальную энергию сжатого воздуха для хранения электричества. Воздух сжимается, затем хранится в большом резервуаре (обычно в специальной подземной пещере). Во время фазы разряда воздух выпускается из резервуара, нагревается и затем расширяется через турбину, которая приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Эффективность CAES в части генерации не превысит эффективности газотурбинных установок, так как на стадии генерации используются похожие циклы. Также применение CAES ограничено требованиями сооружения больших резервуаров для хранения сжатого воздуха.Compressed Air Storage Systems (CAES) use the potential energy of compressed air to store electricity. The air is compressed, then stored in a large tank (usually in a special underground cavern). During the discharge phase, air is released from the reservoir, heated and then expanded through a turbine that drives a generator to generate electricity. The efficiency of CAES in terms of generation will not exceed the efficiency of gas turbine plants, since similar cycles are used at the generation stage. Also, the use of CAES is limited by the requirements of building large compressed air storage tanks.

Ключевой недостаток известных и широко распространённых аккумуляторных Li-Ion батарей, накапливающих электроэнергию, как потенциальную химическую энергию, способных быстро реагировать на изменения нагрузки, повышая стабильность системы – снижение эффективности с течением времени, что ограничивает срок их полезного использования (коэффициент деградации составляет около 6,9% на 1000 циклов).The key disadvantage of the well-known and widely used rechargeable Li-Ion batteries that store electricity as potential chemical energy and are able to quickly respond to load changes, increasing system stability is the decrease in efficiency over time, which limits their useful life (degradation coefficient is about 6. 9% for 1000 cycles).

В WO2007-096656A1 раскрыта криогенная система накопления энергии, которая использует разность температур и фаз между низкотемпературным жидким воздухом, жидким азотом или криогенным газом и окружающим воздухом или отработанным теплом для хранения энергии в периоды низкой потребности и/или избыточного производства, высвобождая накопленную энергию позже для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса и/или ограниченной выработки. Система содержит средство для ожижения воздуха в периоды низкой потребности в электричестве, средство для хранения полученного жидкого воздуха и турбодетандер для расширения жидкого воздуха. Расширительная турбина соединена с генератором для выработки электроэнергии, когда это необходимо для сглаживания дефицита между спросом и предложением. Эффективность циклов, предложенных в известном изобретении, не превышает 50-70%, этого может быть недостаточно для быстрой окупаемости проекта. Для работы в режиме генерации стадия ожижения может быть избыточна, так как для резервного энергоснабжения рациональнее хранить жидкий воздух в танкерах с вакуумной теплоизоляцией.WO2007-096656A1 discloses a cryogenic energy storage system that uses temperature and phase differences between low temperature liquid air, liquid nitrogen or cryogenic gas and ambient air or waste heat to store energy during periods of low demand and/or excess production, releasing stored energy later for power generation during periods of high demand and/or limited generation. The system comprises a means for liquefying the air during periods of low demand for electricity, a means for storing the resulting liquid air, and a turbo-expander for expanding the liquid air. The expansion turbine is connected to a generator to generate electricity when needed to bridge the gap between supply and demand. The efficiency of the cycles proposed in the known invention does not exceed 50-70%, this may not be enough for a quick payback of the project. For operation in the generation mode, the liquefaction stage may be redundant, since for backup power supply it is more rational to store liquid air in tankers with vacuum thermal insulation.

Известна система аккумулирования энергии, позволяющая повысить экономичность путем уменьшения потерь энергии при сжатии и сжижении газа (Патент SU 1578369 A1). Существенный недостаток известного способа состоит в том, что холод криогенной жидкости не запасается и не используется повторно в цикле ожижения, фактически выбрасывается в атмосферу, что приводит к ухудшению удельных показателей цикла ожижения и общей эффективности системы в целом.Known energy storage system that improves efficiency by reducing energy losses during compression and liquefaction of gas (Patent SU 1578369 A1). A significant drawback of the known method is that the cold of the cryogenic liquid is not stored and not reused in the liquefaction cycle, it is actually released into the atmosphere, which leads to a deterioration in the specific indicators of the liquefaction cycle and the overall efficiency of the system as a whole.

Известна криогенная аккумулирующая система (Патент RU 92093 U1) состоящая из последовательно соединенных источника энергии, криогенной холодильной машины с устройствами очистки и обезвоживания воздуха, разделителем газов и теплообменником системы охлаждения холодильной машины, теплоизолированного резервуара для хранения криогенной жидкости. В качестве накапливаемой криогенной жидкости используют сжиженный атмосферный азот. В известной системе не используется внешняя теплота на стадии генерации для подогрева азота перед расширением (в данном случае – криогенным двигателем), что значительно сокращает количество вырабатываемой электрической энергии, и, как следствие, снижает общую эффективность.A cryogenic storage system is known (Patent RU 92093 U1) consisting of a series-connected energy source, a cryogenic refrigerating machine with air purification and dehydration devices, a gas separator and a heat exchanger of the refrigerating machine cooling system, a thermally insulated reservoir for storing cryogenic liquid. Liquefied atmospheric nitrogen is used as the stored cryogenic liquid. The known system does not use external heat at the generation stage to preheat nitrogen before expansion (in this case, by a cryogenic engine), which significantly reduces the amount of electrical energy generated, and, as a result, reduces the overall efficiency.

PCT/BR2006/000177 раскрывает устройство для выработки энергии из жидкого воздуха, которое использует окружающее тепло атмосферного воздуха для обеспечения тепловой энергии для процесса испарения. Это решение нецелесообразно, поскольку требуется очень большая площадь поверхности теплопередачи для предотвращения образования ледяной «шубы» на испарителе во время испарения и нагревания холодной криогенной жидкости. В известной системе не используется внешняя теплота на стадии генерации для подогрева азота перед расширением (в данном случае – криогенным двигателем), что значительно сокращает количество вырабатываемой электрической энергии, и, как следствие, снижает общую эффективность.PCT/BR2006/000177 discloses a device for generating energy from liquid air, which uses the ambient heat of atmospheric air to provide thermal energy for the evaporation process. This solution is impractical because a very large heat transfer surface area is required to prevent the formation of an ice "coat" on the evaporator during evaporation and heating of the cold cryogenic liquid. The known system does not use external heat at the generation stage to preheat nitrogen before expansion (in this case, by a cryogenic engine), which significantly reduces the amount of electrical energy generated, and, as a result, reduces the overall efficiency.

Известна система рециркуляции теплоты компрессоров WO 2019/158921. В известном изобретении предлагается рекуперировать теплоту со стадии сжатия в цикле ожижения воздуха, накапливать её и хранить, затем в нужный момент затратить накопленную теплоту на подогрев воздуха, направляемого на расширение, т.е. генерацию. Известная система представляет интерес, так как фактически не использует внешнее топливо, является автономной, относится к возобновляемым источникам энергии. Однако эффективность системы из-за сложного многостадийного процесса преобразования энергии (трансформация электрической энергии сначала в теплоту процесса сжатия, хранение теплоты сжатия, затем передача тепловой энергии сжатия через промежуточный контур теплоносителя (или несколько контуров) рабочему телу перед расширением на стадии генерации), в котором неизбежны потери на каждой из стадий, ограничена, в оптимистичном сценарии теоретически не превышает 70-80%, в реальных условиях скорее всего не превысит 60%. Окупаемость таких систем может потребовать государственного субсидирования, что вероятно будет препятствовать их повсеместному использованию.Known compressor heat recirculation system WO 2019/158921. In a well-known invention, it is proposed to recover heat from the compression stage in the air liquefaction cycle, accumulate it and store it, then, at the right time, use the accumulated heat to heat the air sent for expansion, i.e. generation. The known system is of interest, since it does not actually use external fuel, is autonomous, and belongs to renewable energy sources. However, the efficiency of the system due to the complex multi-stage energy conversion process (transformation of electrical energy first into the heat of the compression process, storage of the heat of compression, then transfer of the thermal energy of compression through the intermediate coolant circuit (or several circuits) to the working fluid before expansion at the generation stage), in which losses are inevitable at each of the stages, is limited, in the optimistic scenario theoretically does not exceed 70-80%, in real conditions it most likely will not exceed 60%. The payback of such systems may require government subsidies, which is likely to prevent their widespread use.

Известны способ и устройство (US 9705382 B2), являющиеся ближайшим аналогом заявленного изобретения, для регулирования мощности сети и резервного электроснабжения важных объектов, таких как дата-центры или больницы. Известное устройство носит название «криогенератора». Указанные способ и устройство предназначены для работы с низкопотенциальным сторонним источником теплоты (до 150 ^оС и выше), причем передача теплоты происходит между перегревателем и источником теплоты через промежуточный контур с циркулирующим теплоносителем. Ещё одна отличительная особенность схемы, предложенной в известном изобретении: первичное испарение жидкого криогена (воздуха, азота или др.) осуществляется возвратом потока, выходящего из последней ступени турбины, в испаритель. Недостатки такой схемы: There is a known method and device (US 9705382 B2), which is the closest analogue of the claimed invention, for regulating the power of the network and backup power supply of important facilities, such as data centers or hospitals. The known device is called "cryogenerator". Said method and device are designed to operate with a low-potential third-party heat source (up to 150 ^° C and above), and heat transfer occurs between the superheater and the heat source through an intermediate circuit with a circulating coolant. Another distinctive feature of the scheme proposed in the well-known invention: the primary evaporation of liquid cryogen (air, nitrogen, etc.) is carried out by returning the flow leaving the last stage of the turbine to the evaporator. The disadvantages of this scheme:

- наличие промежуточного контура между источником теплоты и нагревателем, - the presence of an intermediate circuit between the heat source and the heater,

- завышенные требования к теплоносителю, так как, в виду отсутствия атмосферного испарителя, в нагреватель поступает сжатый криоген после испарителя с отрицательной температурой -170..-150^оС, при этом максимум температуры на выходе может достигать +150^оС и выше в зависимости от используемого источника теплоты, - excessive requirements for the coolant, since, due to the absence of an atmospheric evaporator, compressed cryogen enters the heater after the evaporator with a negative temperature ^of -170..-150 ° C, while the maximum outlet temperature can reach +150 ^° C and higher, depending from the heat source used,

- ограничение спектра используемых теплоносителей из-за наличия промежуточного контура и широкого диапазона рабочих температур (от -170..-150^оС до +150^оС и выше).- limitation of the range of heat carriers used due to the presence of an intermediate circuit and a wide range of operating temperatures (from -170..-150 ^o C to +150 ^o C and above).

Как мера для предотвращения замерзания и решения проблемы выбора теплоносителя авторами указанного изобретения предложено добавление в схему, так называемого, основного нагревателя (между испарителем и перегревателем) с теплоносителем, отличающимся от используемого в перегревателе, оба при этом отбирают теплоту от стороннего источника тепловой энергии с низким потенциалом и передают в цикл криогенератора, или, как вариант, первый теплоноситель может нагреваться от контура второго теплоносителя. Но такая схема приводит к потере холода с потенциалом -90^оС и выше, с которым рабочее тело поступает в основной нагреватель, как заявлено в изобретении. Холод с температурой -90^оС и выше (до 0^оС) может использоваться на стадии ожижения или во вспомогательных процессах. Его фактическая потеря, путём нагревания низкопотенциальным теплом, отрицательно сказывается на эффективности системы.As a measure to prevent freezing and solve the problem of choosing a coolant, the authors of this invention proposed adding to the circuit the so-called main heater (between the evaporator and superheater) with a coolant different from that used in the superheater, both of which take heat from an external source of thermal energy with low potential and transferred to the cryogenerator cycle, or, alternatively, the first coolant can be heated from the second coolant circuit. But such a scheme leads to the loss of cold with a potential ^of -90 ° C and above, with which the working fluid enters the main heater, as stated in the invention. Cold with a temperature of -90 ^o C and above (up to 0 ^o C) can be used at the liquefaction stage or in auxiliary processes. Its actual loss, by heating with low-grade heat, adversely affects the efficiency of the system.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в разработке способа и устройства для накопления и генерации энергии (стадии разрядки), применимых в криогенных системах накопления энергии для достижения высокой эффективности (более 90%), работающих, как в режиме накопителей энергии, так и в режиме криогенераторов, используемых для резервного энергоснабжения или пиковой генерации, применение которых может быть экономически целесообразно для сетей, генерирующих предприятий (в том числе АЭС и ветроэлектростанций) и потребителей.The technical task of the claimed invention is to develop a method and device for the accumulation and generation of energy (discharging stage), applicable in cryogenic energy storage systems to achieve high efficiency (more than 90%), operating both in the mode of energy storage and in the mode of cryogenerators, used for backup power supply or peak generation, the use of which may be economically feasible for networks, generating enterprises (including nuclear power plants and wind farms) and consumers.

Технический результат заключается в повышении общей эффективности криогенных систем накопления энергии (более 90%), снижении выбросов дымовых газов в атмосферу при использовании традиционных видов топлива.The technical result consists in increasing the overall efficiency of cryogenic energy storage systems (more than 90%), reducing flue gas emissions into the atmosphere when using traditional fuels.

Под общей эффективностью (в некоторой научной литературе встречаются также названия эффективность цикла зарядки/разрядки, эффективность полного цикла) систем накопления энергии понимается отношение электрической энергии, полученной на стадии генерации (разрядки) за период разрядки, к электрической энергии, затраченной на стадии ожижения (зарядки) за период зарядки. Причем следует учитывать, что длительность периодов зарядки и разрядки может отличаться. Зарядка системы обычно осуществляется в ночное время и длится около 8-12 часов, разрядка системы происходит в пиковые часы энергопотребления системы и составляет в среднем около 4 ч.Under the overall efficiency (in some scientific literature there are also names efficiency of the charge / discharge cycle, efficiency of the full cycle) of energy storage systems is understood as the ratio of the electrical energy received at the generation (discharge) stage during the discharge period to the electrical energy spent at the liquefaction (charging) stage ) for the charging period. It should also be noted that the duration of the periods of charging and discharging may differ. Charging the system is usually carried out at night and lasts about 8-12 hours, discharging the system occurs during peak hours of system power consumption and averages about 4 hours.

Эффективность заявленных способа и устройства повышается, а количество выбросов в атмосферу при получении 1 кВт электрической энергии уменьшается за счет рекуперации остаточной (после косвенного подогрева воздуха перед расширением в ступени турбодетандера) тепловой энергии дымовых газов горения топлива на подогрев атмосферного воздуха перед горелочным устройством, подаваемого на горение топлива. Такой подход позволяет максимально снизить потери тепловой энергии. Подобный процесс не реализуем, например, в традиционных газотурбинных установках, в которых (без комбинированного цикла) присутствуют значительные потери теплоты с отходящим газом, которую нельзя рекуперировать на подогрев воздуха перед компрессором из-за технических ограничений оборудования. Заявленные способ и устройство позволяют рекуперацией теплоты дымовых газов на подогрев воздуха, подаваемого на горение топлива, минимизировать потери теплоты с дымовыми газами. Технических ограничений по подаче нагретого воздуха в горелочное устройство практически нет, так как нагрев воздуха происходит после дутьевого вентилятора, перед горелочным устройством. Благодаря использованию криогенной системы накопления энергии, сжатие и ожижение газообразного воздуха происходит в ночное время (в провал энергопотребления), а генерация в пиковые часы, в которые воздух, подаваемый на турбодетандер, может быть косвенно подогрет вспомогательным циклом, предлагаемым в заявленных способе и устройстве. В этом заключается преимущество заявленного изобретения в сравнении с классическими пиковыми газотурбинными и дизельными установками: более низкий удельный выброс на получение 1 кВт электрической энергии и более высокая эффективность использования топлива. Сокращение расхода топлива на получение 1 кВт электрической энергии особенно актуально для изолированных энергосистем, где используется дорогое жидкое топливо со сложной инфраструктурой доставки.The efficiency of the claimed method and device is increased, and the amount of emissions into the atmosphere upon receipt of 1 kW of electrical energy is reduced due to the recovery of the residual (after indirect heating of the air before expansion in the turboexpander stage) thermal energy of the flue gases of fuel combustion for heating the atmospheric air in front of the burner supplied to fuel combustion. This approach allows you to minimize the loss of thermal energy. Such a process is not implemented, for example, in traditional gas turbine plants, in which (without a combined cycle) there are significant heat losses with the exhaust gas, which cannot be recovered for air heating before the compressor due to technical limitations of the equipment. The claimed method and device allow flue gas heat recovery for heating the air supplied to fuel combustion to minimize heat loss with flue gases. There are practically no technical restrictions on the supply of heated air to the burner, since the air is heated after the blower fan, before the burner. Due to the use of a cryogenic energy storage system, the compression and liquefaction of gaseous air occurs at night (during the power consumption dip), and the generation occurs during peak hours, during which the air supplied to the turboexpander can be indirectly heated by the auxiliary cycle proposed in the claimed method and device. This is the advantage of the claimed invention in comparison with the classical peak gas turbine and diesel plants: lower specific emission per 1 kW of electrical energy and higher fuel efficiency. Reducing fuel consumption for obtaining 1 kW of electrical energy is especially important for isolated power systems, where expensive liquid fuels with a complex delivery infrastructure are used.

Заявленное изобретение позволяет повысить эффективность криогенных систем накопления энергии за счет использования природного газа (или другого углеводородного топлива) для косвенного подогрева воздуха перед ступенями турбодетандера (турбины). Описанный подход является альтернативой использованию на стадии генерации в криогенных системах накопления электрической энергии таких источников теплоты, как бросовой теплоты, теплоты отходящих газов технологических процессов, пиковых газотурбинных установок (ГТУ), что не позволяет получить эффективность КСНЭ более 90% (без учета мощности ГТУ). Также, в отличие от ГТУ или дизельных электростанций, заявленные устройство и способ позволяют не только генерировать электрическую мощность в пиковые часы, но и потреблять её в часы провала энергопотребления. Поэтому заявленное изобретение может также рассматриваться, как гибридная электростанция.The claimed invention makes it possible to increase the efficiency of cryogenic energy storage systems through the use of natural gas (or other hydrocarbon fuel) for indirect air heating in front of the turboexpander (turbine) stages. The described approach is an alternative to the use at the generation stage in cryogenic systems for the accumulation of electrical energy of such heat sources as waste heat, the heat of waste gases of technological processes, peak gas turbine units (GTP), which does not allow to obtain an efficiency of CVSS of more than 90% (without taking into account the power of GTP) . Also, unlike gas turbines or diesel power plants, the claimed device and method make it possible not only to generate electrical power during peak hours, but also to consume it during power consumption failure hours. Therefore, the claimed invention can also be considered as a hybrid power plant.

Технический результат достигается тем, что способ накопления и генерации энергии включает The technical result is achieved by the fact that the method of energy storage and generation includes

получение жидкого атмосферного воздуха,obtaining liquid atmospheric air,

подачу жидкого воздуха в криогенный танк,supply of liquid air to the cryogenic tank,

хранение жидкого воздуха в криогенном танке, storage of liquid air in a cryogenic tank,

генерацию энергии (разрядки), при этом energy generation (discharge), while

стадия генерации включает generation stage includes

нагрев жидкого воздуха с отбором холода в систему накопления холода, liquid air heating with cold extraction into the cold storage system,

косвенный подогрев воздуха в рекуператоре обратным потоком расширенного воздуха из последней ступени турбодетандера, indirect heating of the air in the recuperator by the reverse flow of expanded air from the last stage of the turboexpander,

расширение в несколько ступеней турбодетандера с косвенным подогревом между ступенями с использованием для каждой из ступеней цикла, содержащего подачу дутьевого воздуха из атмосферы на горение, его подогрев теплотой отходящего дымового газа горения, подачу подогретого воздуха с топливом (природного газа или другого углеводородного топлива) на горелочное устройство, сжигание топлива в подогретом воздухе с выделением энергии,expansion in several stages of a turbo-expander with indirect heating between stages using for each of the stages a cycle containing the supply of blast air from the atmosphere to combustion, its heating with the heat of the exhaust combustion flue gas, the supply of heated air with fuel (natural gas or other hydrocarbon fuel) to the burner a device that burns fuel in heated air with the release of energy,

косвенный нагрев воздуха перед расширением продуктами сгорания топлива, indirect heating of air before expansion by products of combustion of fuel,

косвенную передачу остаточной тепловой энергии отходящего дымового газа горения атмосферному воздуху, подаваемому на горение, перед выбросом в атмосферу, indirect transfer of the residual heat energy of the exhaust flue gas of combustion to the atmospheric air supplied to combustion before being released into the atmosphere,

направление выхлопа из последней ступени расширения (для выравнивания температур и количества теплоты между ступенями) в рекуператор между последним теплообменником, связанным с системой накопления холода, и перед первым основным подводом теплоты перед расширением, где он отдаёт остаточную теплоту поступающему после испарения на стадию генерации потоку воздуха, direction of the exhaust from the last expansion stage (to equalize temperatures and the amount of heat between the stages) to the heat exchanger between the last heat exchanger associated with the cold storage system and before the first main heat supply before expansion, where it gives off residual heat to the air flow entering the generation stage after evaporation ,

выброс выхлопа в атмосферу после передачи теплоты входному потоку воздуха.emission of exhaust into the atmosphere after the transfer of heat to the inlet air flow.

Технический результат также достигается тем, что устройство накопления и генерации энергии содержит блок получения жидкого атмосферного воздуха, блок накопления холода, криогенный танк, криогенный насос, рекуператор, по крайней мере, одну пару последовательно соединенных нагревателя с нагревательным контуром, и турбодетандера, при этом выход криогенного танка через криогенный насос соединен с блоком накопления холода, выход блока накопления холода соединен с первым входом рекуператора, второй вход которого соединен с выходом последнего турбодетандера, первый выход рекуператора соединен с входом нагревателя, выход которого соединен с турбодетандером, при этом к нагревателю параллельно подключен нагревательный контур.The technical result is also achieved by the fact that the energy storage and generation device contains a unit for obtaining liquid atmospheric air, a cold storage unit, a cryogenic tank, a cryogenic pump, a recuperator, at least one pair of heaters connected in series with a heating circuit, and a turboexpander, while the output of the cryogenic tank through a cryogenic pump is connected to the cold storage unit, the output of the cold storage unit is connected to the first inlet of the recuperator, the second inlet of which is connected to the outlet of the last turboexpander, the first outlet of the recuperator is connected to the inlet of the heater, the outlet of which is connected to the turboexpander, while the heater is connected in parallel heating circuit.

Нагревательный контур включает дутьевой вентилятор, предназначенный для подачи воздуха на горение, горелочное устройство, дымосос, при этом первый выход утилизатора теплоты дымовых газов горения соединен с горелочным устройством, второй выход соединен с дымососом.The heating circuit includes a draft fan designed to supply combustion air, a burner device, a smoke exhauster, while the first outlet of the combustion flue gas heat recovery unit is connected to the burner device, the second output is connected to the smoke exhauster.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.The claimed invention is illustrated in the drawings.

На Фиг. 1. представлена схема заявленного устройства, на фиг. 2 показана схема, раскрывающая один из вариантов реализации цикла ожижения для заявленного устройства, на фиг. 3 показана схема, раскрывающая возможный вариант реализации системы накопления холода для заявленного устройства.On FIG. 1. shows a diagram of the claimed device, in Fig. 2 shows a diagram showing one of the embodiments of the liquefaction cycle for the claimed device, in FIG. 3 shows a diagram showing a possible implementation of a cold storage system for the claimed device.

Заявленный способ может быть реализован с использованием заявленного устройства следующим образом (Фиг. 1). The claimed method can be implemented using the claimed device as follows (Fig. 1).

Атмосферный воздух проходит стадию ожижения (зарядки системы) в блоке получения жидкого атмосферного воздуха 1 с подводом холода, запасённого на стадии генерации в блоке накопления холода 2, затем поступает в виде жидкости в криогенный танк 3 на стадию хранения (предпочтительно с вакуумной теплоизоляцией), затем в нужный момент (в момент пикового спроса или в случае необходимости) жидкий воздух поступает на стадию генерации, где сжимается криогенным насосом (КН) 4 до давления более 35 атм (предпочтительно 70-250 атм), испаряется и нагревается с передачей холода в блоке передачи холода 5, затем подогревается косвенно в рекуператоре (РП) 6 (предпочтительно кожухотрубном или «труба в трубе») отработанным воздухом, выходящим из последней ступени расширения турбодетандера (ТД) 7, затем проходит через M расположенных последовательно пар нагревателей ТО_Г1… ТО_ГМ8 и ступеней расширения ТД_M 7 (предпочтительно M=2..4, степень расширения определяется, как начальное давление расширения в степени (1/M)), нагрев воздуха генерации осуществляется косвенно в нагревателях ТО_Г1… ТО_ГМ 8 с использованием M нагревательных контуров, каждый нагревательный контур включает дутьевой вентилятор (ВД) 9 ВД₁…ВД_M, подающий воздух на горение через утилизатор теплоты (УТ) 10 дымовых газов горения УТ₁…УТ_М (пластинчатого или кожухотрубного типа) в горелочное устройство (ГУ) 11 ГУ₁…ГУ_М, где подогретый воздух смешивается с топливом (природным газом или другим углеводородным топливом), энергия сгорания топлива косвенно передаётся в нагревателе ТО_Г1… ТО_ГМ 8 воздуху, поступающему на генерацию, а дымовой газ горения после передачи теплоты воздуху генерации, направляется обратно в утилизатор теплоты 10 УТ₁…УТ_M, где косвенно передаёт остаточную теплоту воздуху, подаваемому на горение, разрежение во вспомогательном нагревательном контуре поддерживается дымососом 12 Д₁…Д_M, выбрасывающим дымовой газ горелок через трубу 13 в атмосферу, выхлоп воздуха из последней ступени турбодетандера 7 направляется через рекуператор 6 в атмосферу, температура нагрева воздуха перед ступенью турбодетандера 7 нагревательным контуром в нагревателе 8 составляет от 800 до 1600 К (предпочтительная 1000-1400 К).Atmospheric air goes through the stage of liquefaction (charging the system) in the block for obtaining liquid atmospheric air 1 with the supply of cold stored at the generation stage in the block for accumulating cold 2, then it enters in the form of a liquid into the cryogenic tank 3 for the storage stage (preferably with vacuum thermal insulation), then at the right moment (at the moment of peak demand or if necessary), liquid air enters the generation stage, where it is compressed by a cryogenic pump (KP) 4 to a pressure of more than 35 atm (preferably 70-250 atm), evaporates and heats up with cold transfer in the transmission unit cold 5, then it is heated indirectly in the heat exchanger (RP) 6 (preferably shell-and-tube or “pipe in pipe”) by the exhaust air leaving the last expansion stage of the turboexpander (TD) 7, then passes through M pairs of heaters TO _G1 ... TO _GM 8 arranged in series and TD expansion stages _M 7 (preferably M=2..4, the expansion ratio is defined as the initial expansion pressure in the step (1/M)), generation air is heated indirectly in heaters TO _G1 ... TO _GM 8 using M heating circuits, each heating circuit includes a blower fan (VD) 9 VD ₁ ... VD _M , supplying combustion air through the heat exchanger (UT) 10 flue gases of combustion UT ₁ ... UT _M (lamellar or shell-and-tube type) into the burner device (GU) 11 GU ₁ ... GU _M , where the heated air is mixed with fuel (natural gas or other hydrocarbon fuel), the fuel combustion energy is indirectly is transferred in the heater TO _G1 ... TO _GM 8 to the air supplied to the generation, and the combustion flue gas after transferring heat to the generation air is sent back to the heat recovery unit 10 UT ₁ ... UT _M , where it indirectly transfers the residual heat to the air supplied to combustion, rarefaction during the auxiliary heating circuit is supported by a smoke exhauster 12 D ₁ ...D _M , ejecting the flue gas of the burners through the pipe 13 into the atmosphere, the exhaust air from the last stage of the turboexpander and 7 is sent through the heat exchanger 6 to the atmosphere, the air heating temperature in front of the turboexpander stage 7 by the heating circuit in the heater 8 is from 800 to 1600 K (preferably 1000-1400 K).

Жидкий воздух может подаваться в блок получения жидкого атмосферного воздуха 1, например, по трубопроводу, либо он может быть получен в результате ожижения с использованием необходимого оборудования непосредственно для целей его применения в заявленном способе и устройстве. Например, жидкий атмосферный воздух может быть получен методом ожижения по циклу Клода или по циклу Линде или по циклу Капицы или каскадному или смесевому иди другому известному циклу ожижения с подводом накопленного холода.Liquid air can be supplied to the unit for obtaining liquid atmospheric air 1, for example, through a pipeline, or it can be obtained as a result of liquefaction using the necessary equipment directly for the purposes of its use in the claimed method and device. For example, liquid atmospheric air can be obtained by liquefaction according to the Claude cycle or the Linde cycle or the Kapitza cycle or cascade or mixed or other known liquefaction cycle with the supply of stored cold.

Цикл ожижения воздуха для заявленного устройства может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на фиг. 2, следующим образом. The air liquefaction cycle for the claimed device can be implemented using the device, the diagram of which is shown in Fig. 2 as follows.

Воздух из атмосферы проходит блок очистки от механических примесей и удаления влаги 14, затем блок удаления CO₂ 15, затем поступает на сжатие через компрессоры 16 К₁…К_N до давления оптимального для выбранного цикла ожижения (предпочтительно до 150 атм), где охлаждается после каждой ступени в теплообменниках 17 ТО₁…ТО_N в атмосферных охладителях (или с использованием принудительной подачи теплоносителя), затем сжатый воздух поступает в трехходовой теплообменник 18, где охлаждается до приблизительно 100 К обратным потоком газовой фазы из фазового сепаратора 20 и холодом, накопленным на стадии генерации в блоке накопления холода 2, затем охлаждённый сжатый воздух расширяется в дроссельном клапане 19 и поступает в фазовый сепаратор 20, откуда газовая фаза направляется в трехходовой теплообменник 18, а жидкая фаза направляется на стадию хранения жидкого воздуха (запасённой энергии) в криотанк 3. В нужный момент времени (например, в пиковый период энергопотребления) жидкий воздух сжимается криогенным насосом КН 4 (до давления 70-250 атм) и подаётся в блок передачи холода 5 (представляющий собой теплообменник или группу последовательных теплообменников) для испарения воздуха и его нагрева, а также отбора холода системой накопления холода 2, затем воздух проходит рекуператор РП 6 для отбора теплоты выхлопа последней ступени, затем работает цикл генерации со вспомогательным циклом нагрева с использованием природного газа, работа и состав которого описаны выше применительно к Фиг. 1.The air from the atmosphere passes through a block for removing mechanical impurities and removing moisture 14, then a block for removing CO ₂ 15, then it is compressed through compressors 16 K ₁ ... K _N to the optimum pressure for the selected liquefaction cycle (preferably up to 150 atm), where it is cooled after of each stage in the heat exchangers 17 TO ₁ ...TO _N in atmospheric coolers (or using forced coolant supply), then the compressed air enters the three-way heat exchanger 18, where it is cooled to approximately 100 K by the reverse flow of the gas phase from the phase separator 20 and the cold accumulated on generation stage in the cold storage unit 2, then the cooled compressed air expands in the throttle valve 19 and enters the phase separator 20, from where the gas phase is sent to the three-way heat exchanger 18, and the liquid phase is sent to the storage stage of liquid air (stored energy) in cryotank 3. At the right time (for example, during the peak period of energy consumption), liquid air compresses is pumped by a cryogenic pump KN 4 (up to a pressure of 70-250 atm) and supplied to the cold transfer unit 5 (representing a heat exchanger or a group of successive heat exchangers) for air evaporation and heating, as well as cold extraction by the cold accumulation system 2, then the air passes through the heat exchanger RP 6 to extract the exhaust heat of the last stage, then the generation cycle is operated with an auxiliary heating cycle using natural gas, the operation and composition of which are described above in relation to FIG. one.

Накопление холода в заявленных способе и устройстве может быть реализовано с использованием блока накопления холода (Фиг. 3), в котором накопление холода осуществляется в момент генерации путём его косвенного отбора через теплообменники 21 и 22 с использованием контуров пропана и метанола, соответственно, с помощью перекачки пропана из теплой ёмкости ТТП 23 в холодную ХТП 24 насосом НП2 25, перекачки метанола из тёплой ёмкости ТТМ 26 в холодную ХТМ 27 насосом НМ2 28. В момент зарядки (ожижения) холод возвращается в цикл ожижения с использованием теплообменников 29 и 30 для контуров метанола и пропана, соответственно, с помощью перекачки метанола из ХТМ 27 насосом НМ1 31, установленным после теплообменника 29, перекачки пропана из ХТП 24 в ТТП 23 насосом НП1 32, установленным после теплообменника 30, а также дополнительное охлаждение пропана перед возвратом холода в цикл ожижения может осуществляться через теплообменник 33 газообразным потоком из фазового сепаратора, устанавливаемого во всех циклах ожижения.The accumulation of cold in the claimed method and device can be implemented using a cold accumulation unit (Fig. 3), in which the accumulation of cold is carried out at the time of generation by indirect selection through heat exchangers 21 and 22 using propane and methanol circuits, respectively, by pumping propane from the warm tank TTP 23 to the cold HTP 24 using the pump NP2 25, pumping methanol from the warm tank TTM 26 to the cold KTM 27 using the pump NM2 28. At the moment of charging (liquefaction), the cold returns to the liquefaction cycle using heat exchangers 29 and 30 for methanol and propane, respectively, by pumping methanol from KhTM 27 with pump NM1 31 installed after heat exchanger 29, pumping propane from KhTP 24 to TTP 23 with pump NP1 32 installed after heat exchanger 30, and additional cooling of propane before returning cold to the liquefaction cycle can be carried out through heat exchanger 33 with a gaseous flow from a phase separator installed in all liquefaction cycles.

Подтверждением возможности реализации предложенного способа и устройства, а также достижения технического результата являются следующие примеры.The following examples confirm the possibility of implementing the proposed method and device, as well as achieving a technical result.

Пример 1. Криогенная система накопления энергии, реализованная в соответствии со схемой на Фиг. 2. КПД насосов и турбодетандеров, компрессоров 0,8. Расход жидкой фазы на генерацию 5,19 кг/с. Сжатие криогенным насосом на стадии генерации до 125 атм, расширение в 4 ступени (125-37,38-11,18-3,34 атм), подогрев в основных теплообменниках ТО_Г1… ТО_Г48осуществляется до температуры 1400 К перед каждой ступенью с использованием вспомогательного энергоэффективного цикла, также показанного на Фиг. 2, с применением природного газа, расход которого составляет около 226 м³/ч перед первой ступенью, и около 198 м³/ч перед каждой другой ступенью. Генерируемая мощность для 5,19 кг/с рабочего тела (жидкого воздуха) составляет около 7 МВт за вычетом работы насоса жидкого воздуха. Суммарно сгенерировано 55,74 МВтч, суммарно затрачено на ожижение 34,54 МВтч (удельные затраты на ожижение 831,85 кВт/(кг/с жидкой фазы)). Общая эффективность системы, выполненной в соответствии с заявленным способом и требованиями к устройству для его реализации составляет 161,4%. Удельная выработка электрической энергии к расходу топлива: 8,49 кВт/1 м³/ч газа.Example 1 A cryogenic energy storage system implemented in accordance with the diagram in FIG. 2. Efficiency of pumps and turboexpanders, compressors 0.8. The flow rate of the liquid phase for generation is 5.19 kg/s. Compression by a cryogenic pump at the generation stage up to 125 atm, expansion in 4 stages (125-37.38-11.18-3.34 atm), heating in the main TO heat exchangers_G1… THEN_G4eightcarried out up to a temperature of 1400 K before each stage using an energy efficient auxiliary cycle, also shown in FIG. 2, using natural gas, the flow rate of which is about 226 m³/h before the first stage, and about 198 m³/h before each other stage. The generated power for 5.19 kg/s of the working fluid (liquid air) is about 7 MW minus the operation of the liquid air pump. Total generated 55.74 MWh, total spent on liquefaction 34.54 MWh (specific liquefaction costs 831.85 kW/(kg/s liquid phase)). The overall efficiency of the system, made in accordance with the claimed method and the requirements for the device for its implementation is 161.4%. Specific generation of electrical energy to fuel consumption: 8.49 kW / 1 m³/h of gas.

Пример 2. Заявленное устройство по схеме, приведённой на Фиг. 2, позволяет получить криогенную систему накопления энергии с общей эффективностью от 95 до 150% и выше, зависящей от числа ступеней генерации и температуры нагрева между ступенями. Причем генерируемая мощность к расходу природного газа составляет не менее 8,3-8,5 кВт/(1 м³/ч газа), что существенно выше таких известных газотурбинных установок открытого цикла, как SGT-800 (около 3,57 кВт/1 м³/ч газа) или FT8^®Mobilepac^® (около 2,84 кВт/1 м³/ч газа). Энергоэффективная генерация позволяет повысить общую эффективность криогенной системы накопления энергии, снизить выбросы продуктов горения в атмосферу на получение 1 кВт электрической энергии, а также получить устройство, во-первых, с меньшим удельным расходом топлива на получение 1 кВт электрической энергии чем известные ГТУ, во-вторых, накапливать энергию в провал потребления, сглаживая суточный график энергопотребления, что положительно сказывается на парке генерирующего оборудования энергосистемы и позволяет относить предлагаемую систему накопления и генерации к гибридным электростанциям.Example 2. The claimed device according to the scheme shown in Fig. 2 makes it possible to obtain a cryogenic energy storage system with a total efficiency of 95 to 150% or more, depending on the number of generation stages and the heating temperature between the stages. Moreover, the generated power to the consumption of natural gas is at least 8.3-8.5 kW / (1 m ³ / h of gas), which is significantly higher than such well-known open cycle gas turbine plants as SGT-800 (about 3.57 kW / m ³ /h of gas) or FT8 ^® Mobilepac ^® (about 2.84 kW/1 m ³ /h of gas). Energy-efficient generation makes it possible to increase the overall efficiency of a cryogenic energy storage system, reduce emissions of combustion products into the atmosphere to obtain 1 kW of electrical energy, and also obtain a device, firstly, with a lower specific fuel consumption for obtaining 1 kW of electrical energy than known gas turbines, secondly, to accumulate energy in the consumption dip, smoothing the daily schedule of energy consumption, which has a positive effect on the fleet of generating equipment of the power system and allows us to classify the proposed accumulation and generation system as hybrid power plants.

Claims

1. A method of energy storage and generation, including charging the system, which consists in obtaining liquid atmospheric air, storing liquid air in a cryogenic tank and generating energy, characterized in that energy generation includes heating liquid air with cold extraction into the cold storage system, indirect air heating in the heat exchanger with a reverse flow of expanded air from the last stage of the turboexpander, expansion of air in several stages of the turboexpander with indirect heating between the stages using a heating circuit that provides supply of blast air from the atmosphere to combustion, its heating by the heat of the exhaust combustion flue gas, supply of heated blast air with fuel to the burner, combustion of fuel in heated air with the release of cycle energy, indirect heating of the air before expansion by the products of combustion of the fuel and indirect transfer of the residual thermal energy of the exhaust combustion flue gas to the blast air from the atmosphere the sphere supplied for combustion before being released into the atmosphere, as well as the direction of the exhaust air from the last expansion stage to the heat exchanger located between the heat exchanger connected to the cold storage system and the first heater, where it gives off residual heat to the air flow entering the generation stage after evaporation , after the transfer of heat to the inlet air flow, the exhaust in the form of gaseous air is released into the atmosphere.

2. The method according to claim 1, characterized in that the accumulation of cold is carried out using the pumping of liquid heat carriers through a heat exchanger for indirect transfer of heat from a warm container to a cold one at the time of discharging the device, and from a cold container to a warm one at the time of charging.

3. An energy storage and generation device containing a liquid atmospheric air production unit, a cold storage unit, a cryogenic tank, a cryogenic pump, a cold transfer unit, a heat exchanger, at least two pairs of heaters connected in series with a heating circuit and a turboexpander stage, with the output of the cryogenic tank through a cryogenic pump is connected to the cold transfer unit, the output of the cold transfer unit is connected to the first inlet of the recuperator, the second inlet of which is connected to the outlet of the last stage of the turboexpander, the first outlet of the recuperator is connected to the inlet of the heater, the outlet of which is connected to the first stage of the turboexpander.

4. The device according to claim 3, characterized in that the heating circuit includes a blower fan designed to supply combustion air, a burner device, a smoke exhauster, while the first outlet of the combustion flue gas heat exchanger is connected to the burner device, the second output is connected to the smoke exhauster.