CN111928525A - 一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统和方法，该系统由第一汽轮机组、凝汽器、第二汽轮机组、制冷压缩机、复叠制冷系统、冷却装置、储冷装置、空气压缩机、液体空气储罐、加热器、空气膨胀机、储热系统和控制阀门组成，该系统的运行方法包括包括储能模式和释能模式；本发明利用多余蒸汽驱动复叠制冷系统获得所需冷量，深冷生产成本大幅度降低，有效利用蒸汽潜热，提高了储能效率，同时利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
Description
技术领域
本发明属于储能调峰技术领域，具体涉及一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统和方法，适用于以燃煤机组为典型的各种热发电厂，能够提高燃煤机组的调峰能力和储能系统的经济性。
背景技术
目前我国风能、太阳能等可再生能源逐年迅猛发展，加之全社会用电量逐年攀升，电网用电峰谷差日益增大，电网对燃煤机组调峰次数及深度的要求均大幅提升。
目前提高燃煤机组调峰能力的技术主要有电锅炉蓄热技术、水罐蓄热技术、汽轮机蒸汽流程改造技术、电化学电池储能技术等，电锅炉蓄热技术是将电能转化为热能后用于供暖，调峰能力强，但能量品质大幅度降低、只适用于热电联产机组，水罐蓄热技术和汽轮机蒸汽流程改造技术热经济性较好、投资相对低，但调峰能力有限，也只适用于热电联产机组，电化学电池储能技术响应快、体积小、建设周期短，但寿命短、平均成本很高、安全风险大，是否适合建设大规模储能实施仍需工程示范验证。
发明内容
为克服现有燃煤机组调峰技术的不足，本发明提出一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统和方法，深冷制取过程中耗能较大、COP很低，制冷温度在﹣150℃时制冷COP一般不超过0.2，这也是影响液化压缩空气储能技术经济性的关键因素，本发明可以有效解决这一问题。调峰期间机组产生大量多余的具备作功能力的蒸汽，直接利用这部分蒸汽驱动小汽轮机再带动压缩机压缩制冷工质，最终通过复叠制冷系统获得所需冷量，该部分冷量的生产成本基本为零；小汽轮机出口中压排汽的热量被储存起来，膨胀过程中用于加热低温空气，空气压缩机的出口温度可以进一步降低，提高了储能效率；调峰期间凝汽器工作负荷低，冷却装置利用率不高，利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，由第一汽轮机组1、第一阀门2、第二阀门3、凝汽器4、第二汽轮机组5、制冷压缩机6、复叠制冷系统7、冷却装置8、第三阀门9、第四阀门10、储冷装置11、空气压缩机12、液体空气储罐13、加热器14、空气膨胀机15、储热系统16、第五阀门17、第六阀门18和第七阀门19所组成；
所述第一汽轮机组1包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门2依次与低压缸、凝汽器4连接，中压缸出口通过第二阀门3与第二汽轮机组5蒸汽入口连接；第二汽轮机组5通过连接轴直接带动制冷压缩机6转动，制冷压缩机6驱动复叠制冷系统7，复叠制冷系统7通过第七阀门19与储冷装置11连接；冷却装置8通过第三阀门9与凝汽器4连接、通过第四阀门10与复叠制冷系统7连接；空气压缩机12出口依次与储冷装置11降温液化侧入口、储冷装置11降温液化侧出口、液体空气储罐13、储冷装置11冷能回收侧入口、储冷装置11冷能回收侧出口、加热器14低温侧入口、加热器14低温侧出口和空气膨胀机15连接；第二汽轮机组5出口依次与储热系统16高温侧入口、储热系统16高温侧出口、第五阀门17和凝汽器4出口连接，储热系统16通过第六阀门18与加热器14连接；该系统利用多余蒸汽驱动复叠制冷系统获得所需冷量，深冷生产成本大幅度降低，有效利用了蒸汽潜热，提高了储能效率，同时利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
所述第二阀门3与第一汽轮机组1的中压缸出口连接，或根据发电机组情况优化筛选抽汽位置。
所述复叠制冷系统7通过蒸汽驱动的制冷压缩机6来带动，调峰期间高负荷运行，非调峰期间基本不运行，获得的冷量保存在储冷装置11中，用于高压空气的降温液化。
所述空气压缩机12表示一级或多级，当为多级时，空气经过压缩后进入对应的冷却器，冷却后的空气重新进入下一级压缩机提升压力直至末级。
所述空气压缩机12由电能或蒸汽驱动。
所述加热器14和空气膨胀机15为一级或者多级，加热器14和空气膨胀机15数量一一对应，每级加热器后串联对应的空气膨胀机。
所述储热系统16用于存储第二汽轮机组5出口中压排汽的潜热和部分显热，提高了蒸汽的综合利用率。
所述冷却装置8可以同时为凝汽器4和复叠制冷系统7提供冷却，降低了复叠制冷系统7的建设成本。
该系统适用于热电联产机组和纯凝机组，深冷制取成本大幅度降低，还能有效利用蒸汽的潜热，具有良好的经济性。
所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统的运行方法，包括储能模式和释能模式，具体如下：
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门3、第四阀门10、第五阀门17和第七阀门19，调整第一阀门2和第三阀门9的开度，关闭第六阀门18；第一汽轮机组1中压缸出口的大部分蒸汽进入第二汽轮机组5推动其高速转动，第二汽轮机组5通过连接轴带动制冷压缩机6旋转从而驱动复叠制冷系统7运行，利用输冷介质将复叠制冷系统7制取的冷量通过第七阀门19储存在储冷装置11中，第二汽轮机组5出口的中压排汽进入储热系统16释放热量，储热系统16内储热介质吸收热量温度升高，中压排汽冷凝成水后通过第五阀门17排至凝汽器4出口，再继续进入燃煤机组热力系统；第一汽轮机组1中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组1的低压缸作功，再进入凝汽器4凝结放热给冷却装置8中的冷却水；冷却装置8中部分冷却水通过第三阀门9进入凝汽器4冷却由第一汽轮机组1低压缸出口排出的乏汽，其余冷却水通过第四阀门10进入复叠制冷系统7冷却制冷工质，吸收热量后的冷却水回到冷却装置8；使用电能或蒸汽驱动空气压缩机12压缩空气，高压空气经过储冷装置11降温液化后进入液体空气储罐13储存；
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门3、第四阀门10、第五阀门17和第七阀门19，打开第一阀门2、第三阀门9和第六阀门18；低温液态空气从液体空气储罐13流出，经储冷装置11进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入加热器14，高温传热介质从储热系统16通过第六阀门18进入加热器14加热空气，生成的低温传热介质回到储热系统16重新加热，加热器14内产生的高温高压空气进入空气膨胀机15膨胀作功输出电能，空气膨胀机15出口为常压常温空气，排入周围环境。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统和方法，适用于以燃煤机组为典型的各种热发电厂，能够提高燃煤机组的调峰能力和储能系统的经济性，该系统利用多余蒸汽驱动复叠制冷系统获得所需冷量，深冷生产成本大幅度降低，有效利用了蒸汽潜热，提高了储能效率，同时利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
图中：
1-第一汽轮机组 2-第一阀门 3-第二阀门 4-凝汽器
5-第二汽轮机组 6-制冷压缩机 7-复叠制冷系统 8-冷却装置
9-第三阀门 10-第四阀门 11-储冷装置 12-空气压缩机
13-液体空气储罐 14-加热器 15-空气膨胀机 16-储热系统
17-第五阀门 18-第六阀门 19-第七阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，由第一汽轮机组1、第一阀门2、第二阀门3、凝汽器4、第二汽轮机组5、制冷压缩机6、复叠制冷系统7、冷却装置8、第三阀门9、第四阀门10、储冷装置11、空气压缩机12、液体空气储罐13、加热器14、空气膨胀机15、储热系统16、第五阀门17、第六阀门18和第七阀门19所组成。
第一汽轮机组1包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门2依次与低压缸、凝汽器4连接，中压缸出口通过第二阀门3与第二汽轮机组5蒸汽入口连接；第二汽轮机组5通过连接轴直接带动制冷压缩机6转动，制冷压缩机6驱动复叠制冷系统7，复叠制冷系统7通过第七阀门19与储冷装置11连接；冷却装置8通过第三阀门9与凝汽器4连接、通过第四阀门10与复叠制冷系统7连接；空气压缩机12出口依次与储冷装置11降温液化侧入口、储冷装置11降温液化侧出口、液体空气储罐13、储冷装置11冷能回收侧入口、储冷装置11冷能回收侧出口、加热器14低温侧入口、加热器14低温侧出口和空气膨胀机15连接；第二汽轮机组5出口依次与储热系统16高温侧入口、储热系统16高温侧出口、第五阀门17和凝汽器4出口连接，储热系统16通过第六阀门18与加热器14连接。本发明系统利用多余蒸汽驱动复叠制冷系统获得所需冷量，深冷生产成本大幅度降低，有效利用了蒸汽潜热，提高了储能效率，同时利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
本发明一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统可以按照以下储能模式和释能模式运行。
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门3、第四阀门10、第五阀门17和第七阀门19，调整第一阀门2和第三阀门9的开度，关闭第六阀门18；第一汽轮机组1中压缸出口的大部分蒸汽进入第二汽轮机组5推动其高速转动，第二汽轮机组5通过连接轴带动制冷压缩机6旋转从而驱动复叠制冷系统7运行，利用输冷介质将复叠制冷系统7制取的冷量通过第七阀门19储存在储冷装置11中，第二汽轮机组5出口的中压排汽进入储热系统16释放热量，储热系统16内储热介质吸收热量温度升高，中压排汽冷凝成水后通过第五阀门17排至凝汽器4出口，再继续进入燃煤机组热力系统；第一汽轮机组1中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组1的低压缸作功，再进入凝汽器4凝结放热给冷却装置8中的冷却水；冷却装置8中部分冷却水通过第三阀门9进入凝汽器4冷却由第一汽轮机组1低压缸出口排出的乏汽，其余冷却水通过第四阀门10进入复叠制冷系统7冷却制冷工质，吸收热量后的冷却水回到冷却装置8；使用电能或蒸汽驱动空气压缩机12压缩空气，高压空气经过储冷装置11降温液化后进入液体空气储罐13储存。
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门3、第四阀门10、第五阀门17和第七阀门19，打开第一阀门2、第三阀门9和第六阀门18；低温液态空气从液体空气储罐13流出，经储冷装置11进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入加热器14，高温传热介质从储热系统16通过第六阀门18进入加热器14加热空气，生成的低温传热介质回到储热系统16重新加热，加热器14内产生的高温高压空气进入空气膨胀机15膨胀作功输出电能，空气膨胀机15出口为常压常温空气，排入周围环境。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：由第一汽轮机组(1)、第一阀门(2)、第二阀门(3)、凝汽器(4)、第二汽轮机组(5)、制冷压缩机(6)、复叠制冷系统(7)、冷却装置(8)、第三阀门(9)、第四阀门(10)、储冷装置(11)、空气压缩机(12)、液体空气储罐(13)、加热器(14)、空气膨胀机(15)、储热系统(16)、第五阀门(17)、第六阀门(18)和第七阀门(19)所组成；
所述第一汽轮机组(1)包括依次连接的高压缸、中压缸和低压缸，中压缸出口通过第一阀门(2)依次与低压缸、凝汽器(4)连接，中压缸出口通过第二阀门(3)与第二汽轮机组(5)蒸汽入口连接；第二汽轮机组(5)通过连接轴直接带动制冷压缩机(6)转动，制冷压缩机(6)驱动复叠制冷系统(7)，复叠制冷系统(7)通过第七阀门(19)与储冷装置(11)连接；冷却装置(8)通过第三阀门(9)与凝汽器(4)连接、通过第四阀门(10)与复叠制冷系统(7)连接；空气压缩机(12)出口依次与储冷装置(11)降温液化侧入口、储冷装置(11)降温液化侧出口、液体空气储罐(13)、储冷装置(11)冷能回收侧入口、储冷装置(11)冷能回收侧出口、加热器(14)低温侧入口、加热器(14)低温侧出口和空气膨胀机(15)连接；第二汽轮机组(5)出口依次与储热系统(16)高温侧入口、储热系统(16)高温侧出口、第五阀门(17)和凝汽器(4)出口连接，储热系统(16)通过第六阀门(18)与加热器(14)连接；该系统利用多余蒸汽驱动复叠制冷系统获得所需冷量，深冷生产成本大幅度降低，有效利用了蒸汽潜热，提高了储能效率，同时利用已有冷却装置为复叠制冷系统提供冷却，降低了复叠制冷系统的建设成本，同时提高了燃煤机组设备的利用率。
2.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述第二阀门(3)与第一汽轮机组(1)的中压缸出口连接，或根据发电机组情况优化筛选抽汽位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述复叠制冷系统(7)通过蒸汽驱动的制冷压缩机(6)来带动，调峰期间高负荷运行，非调峰期间基本不运行，获得的冷量保存在储冷装置(11)中，用于高压空气的降温液化。
4.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述空气压缩机(12)表示一级或多级，当为多级时，空气经过压缩后进入对应的冷却器，冷却后的空气重新进入下一级压缩机提升压力直至末级。
5.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述空气压缩机(12)由电能或蒸汽驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述加热器(14)和空气膨胀机(15)为一级或者多级，加热器(14)和空气膨胀机(15)数量一一对应，每级加热器后串联对应的空气膨胀机。
7.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述储热系统(16)用于存储第二汽轮机组(5)出口中压排汽的潜热和部分显热，提高了蒸汽的综合利用率。
8.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：所述冷却装置(8)同时为凝汽器(4)和复叠制冷系统(7)提供冷却，降低了复叠制冷系统(7)的建设成本。
9.根据权利要求1所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统，其特征在于：该系统适用于热电联产机组和纯凝机组，深冷制取成本大幅度降低，还能有效利用蒸汽的潜热，具有良好的经济性。
10.权利要求1至9任一项所述的一种基于弃热制冷的液化空气储能调峰系统的运行方法，其特征在于：包括储能模式和释能模式，具体如下：
储能模式：电网用电低谷、需要燃煤机组降低发电负荷时开启储能模式，打开第二阀门(3)、第四阀门(10)、第五阀门(17)和第七阀门(19)，调整第一阀门(2)和第三阀门(9)的开度，关闭第六阀门(18)；第一汽轮机组(1)中压缸出口的大部分蒸汽进入第二汽轮机组(5)推动其高速转动，第二汽轮机组(5)通过连接轴带动制冷压缩机(6)旋转从而驱动复叠制冷系统(7)运行，利用输冷介质将复叠制冷系统(7)制取的冷量通过第七阀门(19)储存在储冷装置(11)中，第二汽轮机组(5)出口的中压排汽进入储热系统(16)释放热量，储热系统(16)内储热介质吸收热量温度升高，中压排汽冷凝成水后通过第五阀门(17)排至凝汽器(4)出口，再继续进入燃煤机组热力系统；第一汽轮机组(1)中压缸出口的其余蒸汽先进入第一汽轮机组(1)的低压缸作功，再进入凝汽器(4)凝结放热给冷却装置(8)中的冷却水；冷却装置(8)中部分冷却水通过第三阀门(9)进入凝汽器(4)冷却由第一汽轮机组(1)低压缸出口排出的乏汽，其余冷却水通过第四阀门(10)进入复叠制冷系统(7)冷却制冷工质，吸收热量后的冷却水回到冷却装置(8)；使用电能或蒸汽驱动空气压缩机(12)压缩空气，高压空气经过储冷装置(11)降温液化后进入液体空气储罐(13)储存；
释能模式：电网用电高峰、需要燃煤机组提升发电负荷时开启释能模式，关闭第二阀门(3)、第四阀门(10)、第五阀门(17)和第七阀门(19)，打开第一阀门(2)、第三阀门(9)和第六阀门(18)；低温液态空气从液体空气储罐(13)流出，经储冷装置(11)进行冷能回收后生成的常温高压空气再进入加热器(14)，高温传热介质从储热系统(16)通过第六阀门(18)进入加热器(14)加热空气，生成的低温传热介质回到储热系统(16)重新加热，加热器(14)内产生的高温高压空气进入空气膨胀机(15)膨胀作功输出电能，空气膨胀机(15)出口为常压常温空气，排入周围环境。
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2020
- 2020-08-07 CN CN202010791504.5A patent/CN111928525A/zh active Pending
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