一种实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统的制作方法

一种实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统
【技术领域】
1.本实用新型属于储能方面的动力传动技术领域，涉及一种实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统。


背景技术：

2.截止2019年底，光伏、风电累计装机容量分别达到2.05、2.1亿千瓦，占总装机容量(20.1亿千瓦)的10.2％和10.4％；年总发电量分别达到2243、4057亿千瓦时，占年总发电量(73253亿千瓦)的3％和5.5％。新能源电力未来将大幅快速发展，要求火电机组在当前基础上进一步挖掘调峰潜力。具备波动性及间歇性特点的可再生能源电能大规模并网，对电网削峰填谷、安全稳定运行水平提出了更高要求。建设大规模储能装置，提升电力系统运行灵活性及安全性，是解决新能源高比例消纳问题的有效途径。
3.目前，储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能。抽水蓄能技术成熟，效率较高，但存在地理位置限制等问题，难以大规模推广；电化学电池储能技术响应快、体积小、建设周期短，但存在整体寿命短、工业污染大等缺点。液态压缩空气储能技术具有寿命长、环境污染小、运行维护费用低等特点，具备规模化推广应用潜力。
4.现有压缩空气储能发电系统均应用于电网侧或用户侧，其中蓄热式系统以导热油或水为热载体，将储能压缩过程的压缩热用于释能膨胀发电过程的膨胀吸热，一定程度提升了系统整体电
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电转化效率。但仍存在压缩机放热和膨胀机吸热之间的强耦合关系，限制了系统整体的电
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电转化效率提升：对于空气膨胀发电机来讲，其内效率与入口空气温度成正比关系，要求空气压缩过程提供高温热量；对于空气压缩机来讲，最高效的应为等温压缩。综合来讲，现有蓄热式系统中压缩机和膨胀机的高效运行难以兼顾。
5.火电机组锅炉
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汽机及其热力系统存在大量的不同品质的热量，应用于火电机组的液态压缩空气储能发电系统，可将储能压缩过程的压缩热用于加热凝结水，排挤汽轮机抽汽，提高汽轮发电机组做功能力；由锅炉烟气提供释能膨胀发电过程的加热热源。本实用新型摒弃了压缩机放热和膨胀机吸热之间的强耦合关系，将液态压缩空气储能发电系统的储能和发电环节孤立处理，有利于压缩机和膨胀发电机的高效运行，提升压缩空气储能发电系统的整体效能。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统。
7.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
8.一种实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统，包括：
9.燃煤发电机组，所述燃煤发电机组的低压缸排汽口依次连接凝汽器、凝结水泵、低压加热器组、给水泵以及高压加热器组；
10.液态压缩空气储能系统，所述液态压缩空气储能系统用于将空气冷却液化后储
存；
11.液态压缩空气释能系统；所述液态压缩空气释能系统包括液化空气升压泵、空气膨胀发电机以及多级空气加热器，液化空气升压泵的入口与液态压缩空气储能系统相连，出口连接多级空气加热器，多级空气加热器的出口连接空气膨胀发电机，空气膨胀发电机的出口与大气连通，将做功后的空气外排；
12.烟气余热回收系统，所述烟气余热回收系统的入口与出口之间设置有若干级换热器，烟气余热回收系统的入口与燃煤发电机组的烟气出口相连，出口通过引风机与烟囱相连，将烟气余热回收与闭式水系统中的循环水进行换热；
13.闭式水系统，所述闭式水系统包括稳压水箱，稳压水箱通过闭式循环水升压泵将循环水输送至烟气余热回收系统的换热器中进行换热，换热后输送至液态压缩空气释能系统的多级空气加热器进行换热，换热后输送回闭式循环水升压泵完成循环过程。
14.本实用新型进一步的改进在于：
15.所述燃煤发电机组包括锅炉，所述锅炉的新蒸汽出口连接高压缸的进汽口，高压缸的排汽口与锅炉的再热器入口相连，锅炉的再热器出口连接中压缸的进汽口，中压缸的排汽口连接低压缸的进汽口相连；高压加热器组的出口与锅炉相连；高压缸、中压缸和低压缸同轴连接，共同驱动发电机发电。
16.所述烟气余热回收系统包括依次连接低温过热器、省煤器、空气预热器以及除尘器；低温过热器的入口与锅炉的烟气出口相连，除尘器的出口与引风机的入口相连；
17.除尘器与引风机之间设置第一级换热器，除尘器的出口与第一级换热器的烟气入口相连，第一级换热器的烟气出口与引风机的入口相连；空气预热器与除尘器之间设置第二级换热器；空气预热器的出口与第二级换热器的烟气入口相连，第二级换热器的烟气出口与除尘器的入口相连；
18.空气预热器上并联有第三级换热器，将空气预热器的部分烟气引出至第三级换热器进行换热；省煤器上并联有第四级换热器，将省煤器的部分烟气引出至第四级换热器进行换热；低温过热器上并联有第五级换热器，将低温过热器的部分烟气引出至第五级换热器进行换热；
19.闭式循环水升压泵的出口与第一级换热器的水侧入口相连，第一级换热器的水侧出口连接第二级换热器的水侧入口，第二级换热器的水侧出口连接第三级换热器的水侧入口，第三级换热器的水侧出口连接第四级换热器的水侧入口，第四级换热器的水侧出口连接第五级换热器的水侧入口，第五级换热器的水侧出口连接液态压缩空气释能系统的多级空气加热器入口，多级空气加热器的出口连接闭式循环水升压泵的入口。
20.所述液态压缩空气储能系统包括空气压缩机，空气压缩机的出口连接空气冷却器，空气冷却器的出口连接空气纯化分子筛，空气纯化分子筛的出口依次连接制冷膨胀机和气液分离器，气液分离器的液态出口连接液化空气存储装置的入口，液化空气存储装置的出口连接液态压缩空气释能系统。
21.所述多级空气加热器包括第一级空气加热器、第二级空气加热器以及第三级空气加热器，第一级空气加热器的冷侧入口与液化空气升压泵的出口相连，第一级空气加热器的冷侧出口连接第二级空气加热器的冷侧入口，第二级空气加热器的冷侧出口连接第三级空气加热器的冷侧入口，第三级空气加热器的冷侧出口连接空气膨胀发电机的入口；
22.第三级空气加热器的热侧入口连接第五级换热器的水侧出口，第三级空气加热器的热侧出口连接第二级空气加热器的热侧入口，第二级空气加热器的热侧出口连接第一级空气加热器的热侧入口，第一级空气加热器的热侧出口连接闭式循环水升压泵的入口。
23.所述液化空气升压泵的入口连接液化空气存储装置的出口。
24.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
25.本实用新型增设闭式循环水升压泵和管道，以闭式循环水为热传递载体，将锅炉部分烟气热量用于加热膨胀发电机入口空气，提升发电效率。与现有的蓄热式压缩空气储能发电系统相比，摒弃了压缩机放热和膨胀机吸热之间的强耦合关系，将液态压缩空气储能发电系统的储能和发电环节孤立处理，有利于压缩机和膨胀发电机的高效运行，提升压缩空气储能发电系统的整体效能。
【附图说明】
26.为了更清楚的说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本实用新型的系统示意图。
28.其中，1
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锅炉，2
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高压缸，3
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中压缸，4
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低压缸，5
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发电机，6
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凝汽器，7
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凝结水泵，8
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低压加热器组，9
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给水泵，10
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高压加热器组，11
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低温过热器，12
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第五级换热器，13
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省煤器，14
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第四级换热器，15
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空气预热器，16
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第三级换热器，17
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第二级换热器，18
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除尘器，19
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第一级换热器，20
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引风机，21
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烟囱，22
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闭式循环水升压泵，23
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空气压缩机，24
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空气冷却器，25
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空气纯化分子筛，26
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制冷膨胀机，27
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气液分离器，28
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液化空气存储装置，29
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液化空气升压泵，30
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第一级空气加热器，31
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第二级空气加热器，32
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第三级空气加热器，33
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空气膨胀发电机，34
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稳压水箱。
【具体实施方式】
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
34.在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
36.参见图1，本实用新型实现液态压缩空气储能发电系统梯级升温的加热系统，包括燃煤发电机组、液态压缩空气储能系统、液态压缩空气释能系统、烟气余热回收系统以及闭式水系统；燃煤发电机组的低压缸4排汽口依次连接凝汽器6、凝结水泵7、低压加热器组8、给水泵9以及高压加热器组10；液态压缩空气储能系统用于将空气冷却液化后储存；液态压缩空气释能系统包括液化空气升压泵29、空气膨胀发电机33以及多级空气加热器，液化空气升压泵29的入口与液态压缩空气储能系统相连，出口连接多级空气加热器，多级空气加热器的出口连接空气膨胀发电机33，空气膨胀发电机33的出口与大气连通，将做功后的空气外排；烟气余热回收系统的入口与出口之间设置有若干级换热器，烟气余热回收系统的入口与燃煤发电机组的烟气出口相连，出口通过引风机20与烟囱21相连，将烟气余热回收与闭式水系统中的循环水进行换热；闭式水系统包括稳压水箱34，稳压水箱34通过闭式循环水升压泵22将循环水输送至烟气余热回收系统的换热器中进行换热，换热后输送至液态压缩空气释能系统的多级空气加热器进行换热，换热后输送回闭式循环水升压泵22完成循环过程。
37.燃煤发电机组包括锅炉1，锅炉1的新蒸汽出口连接高压缸2的进汽口，高压缸2的排汽口与锅炉1的再热器入口相连，锅炉1的再热器出口连接中压缸3的进汽口，中压缸3的排汽口连接低压缸4的进汽口相连；高压加热器组10的出口与锅炉1相连；高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接，共同驱动发电机5发电。
38.烟气余热回收系统包括依次连接低温过热器11、省煤器13、空气预热器15以及除尘器18；低温过热器11的入口与锅炉1的烟气出口相连，除尘器18的出口与引风机20的入口相连；除尘器18与引风机20之间设置第一级换热器19，除尘器18的出口与第一级换热器19的烟气入口相连，第一级换热器19的烟气出口与引风机20的入口相连；空气预热器15与除尘器18之间设置第二级换热器17；空气预热器15的出口与第二级换热器17的烟气入口相连，第二级换热器17的烟气出口与除尘器18的入口相连；空气预热器15上并联有第三级换热器16，将空气预热器15的部分烟气引出至第三级换热器16进行换热；省煤器13上并联有第四级换热器14，将省煤器13的部分烟气引出至第四级换热器14进行换热；低温过热器11上并联有第五级换热器12，将低温过热器11的部分烟气引出至第五级换热器12进行换热；
39.闭式循环水升压泵22的出口与第一级换热器19的水侧入口相连，第一级换热器19
的水侧出口连接第二级换热器17的水侧入口，第二级换热器17的水侧出口连接第三级换热器16的水侧入口，第三级换热器16的水侧出口连接第四级换热器14的水侧入口，第四级换热器14的水侧出口连接第五级换热器12的水侧入口，第五级换热器12的水侧出口连接液态压缩空气释能系统的多级空气加热器入口，多级空气加热器的出口连接闭式循环水升压泵22的入口。
40.液态压缩空气储能系统包括空气压缩机23，空气压缩机23的出口连接空气冷却器24，空气冷却器24的出口连接空气纯化分子筛25，空气纯化分子筛25的出口依次连接制冷膨胀机26和气液分离器27，气液分离器27的液态出口连接液化空气存储装置28的入口，液化空气存储装置28的出口连接液态压缩空气释能系统。
41.液化空气升压泵29的入口连接液化空气存储装置28的出口。多级空气加热器包括第一级空气加热器30、第二级空气加热器31以及第三级空气加热器32，第一级空气加热器30的冷侧入口与液化空气升压泵22的出口相连，第一级空气加热器30的冷侧出口连接第二级空气加热器31的冷侧入口，第二级空气加热器31的冷侧出口连接第三级空气加热器32的冷侧入口，第三级空气加热器32的冷侧出口连接空气膨胀发电机33的入口；第三级空气加热器32的热侧入口连接第五级换热器12的水侧出口，第三级空气加热器32的热侧出口连接第二级空气加热器31的热侧入口，第二级空气加热器31的热侧出口连接第一级空气加热器30的热侧入口，第一级空气加热器30的热侧出口连接闭式循环水升压泵22的入口。
42.本实用新型的工作过程：
43.锅炉1出口新蒸汽依次经过汽轮机高压缸2做功后返回锅炉1再热器二次提温后，再进入中压缸3和低压缸4做功驱动发电机5发电，低压缸4排汽进入凝汽器6冷凝，依次流经凝结水泵7、低压加热器组8、给水泵组9和高压加热器组10后进入锅炉1吸热，完成燃煤发电机组汽水热力系统循环。
44.锅炉1的烟气流程：烟气依次流经低温过热器11、省煤器13、空气预热器15、除尘器18和引风机20后进入烟囱21。
45.系统的储能过程：空气经压缩机23加压后进入空气冷却器24降温后进入纯化分子筛25去除水分、二氧化碳等杂质后再进入制冷膨胀机26实现深度降温，在气液分离器27实现空气的液态和气态分离，液态进入存储装置28，此为空气的液化压缩储能过程。
46.系统的释能发电过程：液化空气存储装置28出口的液化空气经升压泵29加压，再依次经第一级空气加热器30、第二级空气加热器31和第三级空气加热器32梯级升温后进入空气膨胀发电机33做功发电。
47.火电机组低温过热器入口烟气温度约为800℃，省煤器入口烟气温度约为500℃，空气预热器入口烟气温度约为300℃，出口烟气温度约为120℃，电除尘后烟气温度约为90℃。锅炉烟气满足加热空气的热源品质要求。锅炉烟气流道内的压力较低、比容极大，直接抽取烟气用于加热空气的难度较大，比较可行的办法是设置闭式循环水系统作为热载体，回收利用锅炉烟气余热后进入翅片式换热器加热风机出口冷风。
48.本实用新型的原理：
49.本实用新型分别在空气预热器15和除尘器18之间、除尘器18和引风机20之间的烟道内设置烟气
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水换热器，命名为第一级换热器19、第二级换热器17。分别将锅炉1的低温过热器11、省煤器13空气预热器15的部分烟气引出至新增设的烟气
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水换热器，分别命名为第
三级换热器16、第四级换热器14和第五级换热器12。在液化空气升压泵29和空气膨胀发电机33的风道内设置三个空气加热器，分别为第一级空气加热器30、第二级空气加热器31、第三级空气加热器32。闭式水由升压泵22加压后，以串联方式依次流经第一级换热器19、第二级换热器17、第三级换热器16、第四级换热器14和第五级换热器12，吸收锅炉各级烟气热量梯级升温后再进入第一级空气加热器30、第二级空气加热器31和第三级空气加热器32，梯级加热空气膨胀发电机33的入口空气。降温后的闭式水再回至液化空气升压泵29，完成整个循环。为维持闭式循环水管网压力稳定以及质量平衡，设置了稳压水箱34，补水点设置在闭式循环水泵29入口。此外，为增强换热效果，闭式循环水和烟气、闭式循环水和空气均为逆流设置。
50.空气压缩机23出口的压缩热通过管道用于加热火电机组凝结水，排挤汽轮机低压缸4的抽汽，提升火电机组做功能力和整体经济性。引凝结水泵7出口的部分凝结水至空气冷却器24吸热后再回至低压加热器组8的出口。
51.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。