蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置的制作方法

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置。

背景技术：

近年来，全球储能产业得到了快速发展，涵盖新能源发电侧、电网侧和用户侧的全球储能市场规模，并以每年9％的速度在增长，远高于全球电力2.5％的增长率。尤其在可再生能源领域，以风、光为代表的可再生能源的迅速发展，为大规模储能技术带来巨大研发空间。然而，由于再生能源固有的间歇性和不稳定性，弃风弃光问题仍然严重制约着可再生能源的大规模并网和安全稳定地运行。

液态空气储能具有可实现大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制的突出优点，其应用场景广泛，尤其在可再生能源消纳、电网调峰调频、备用黑启动、支撑分布式电力和微网以及综合能源服务等领域具有突出优势。

液态空气储能的经济性和储能效率密切相关。低温蓄冷器是液态空气储能系统的核心部件，其可存储液态空气的高品位冷能并完成间歇性释能过程，向储能过程的深低温冷能传递，增大空气液化率，提高系统储能效率。蓄冷效率是影响液态空气储能系统“电-电”转换效率的关键因素。

然而，由于蓄冷器存在固有的漏冷损失，系统储能效率会受到一定影响。因此，使用系统内部能源解决蓄冷器冷能补偿问题，对于液态空气储能系统储能效率的提高具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，用以解决现有技术中液态空气储能装置中蓄冷器存在漏冷损失导致储能效率低的缺陷，实现对蓄冷器的冷能补偿，提高液态空气储能效率。

本发明提供一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，包括储能单元、一级蓄冷器、二级蓄冷器和释能单元；

其中，所述储能单元包括依次串联的压缩热存储利用器、一级液化换热器和二级液化换热器，所述一级液化换热器通过第一循环管路与所述一级蓄冷器连接，所述二级液化换热器通过第二循环管路与所述二级蓄冷器连接；

所述释能单元包括空气透平机组依次串联的二级复温换热器、一级复温换热器和所述压缩热存储利用器，所述二级复温换热器通过第三循环管路与所述二级蓄冷器连接，所述一级复温换热器通过第四循环管路与所述一级蓄冷器连接，所述空气透平机组的进口与所述压缩热存储利用器的出气口连接，所述空气透平机组的出口通过补偿管路与所述一级复温换热器连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述第一循环管路上设有第一循环风机，所述第二循环管路上设有第二循环风机，所述第三循环管路上设有第三循环风机，所述第四循环管路上设有第四循环风机。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，还包括液态空气储罐，所述储能单元与所述液态空气储罐的进液口连接，所述液态空气储罐的出液口与所述释能单元连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述储能单元包括依次串联的一级空气压缩机、预冷器、分子筛吸附塔、二级空气压缩机、所述压缩热存储利用器、所述一级液化换热器、所述二级液化换热器、低温膨胀机和气液分离器，所述气液分离器的出液口与所述液态空气储罐的进液口连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述气液分离器的出气口通过回气管路依次与所述二级液化换热器、所述一级液化换热器和所述预冷器连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述预冷器的出气口通过增压管道依次与增压机和所述二级空气压缩机连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述液态空气储罐的出液口通过释能管路依次与所述二级复温换热器、所述一级复温换热器和所述压缩热存储利用器连接，所述液态空气储罐与所述二级复温换热器之间的所述释能管路上设有低温泵。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述一级空气压缩机的出气口与所述二级空气压缩机的进气口连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述储能单元还包括空气过滤器，所述空气过滤器的出气口与所述一级空气压缩机的进气口连接。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，所述压缩热存储利用器为填充床式蓄热器。

本发明提供的蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，通过设置储能单元、一级蓄冷器、二级蓄冷器和释能单元；其中，所述储能单元包括依次串联的压缩热存储利用器、一级液化换热器和二级液化换热器，所述一级液化换热器通过第一循环管路与所述一级蓄冷器连接，所述二级液化换热器通过第二循环管路与所述二级蓄冷器连接；所述释能单元包括空气透平机组和依次串联的二级复温换热器、一级复温换热器和所述压缩热存储利用器，所述二级复温换热器通过第三循环管路与所述二级蓄冷器连接，所述一级复温换热器通过第四循环管路与所述一级蓄冷器连接，所述空气透平机组的进口与所述压缩热存储利用器的出气口连接，所述空气透平机组的出口通过补偿管路与所述一级复温换热器连接，实现通过所述空气透平机组的低温排气为所述一级蓄冷器提供冷能补偿，提高了所述一级蓄冷器和所述二级蓄冷器的蓄冷效率，进而提高了液态空气储能装置的储能效率，同时提高了液态空气储能装置运行的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置的工艺流程示意图；

附图标记：

1、空气过滤器；2、一级空气压缩机；3、预冷器；4、分子筛吸附塔；5、二级空气压缩机；6、压缩热存储利用器；7、一级液化换热器；8、二级液化换热器；9、低温膨胀机；10、增压机；11、气液分离器；12、液态空气储罐；13、低温泵；14、二级复温换热器；15、一级复温换热器；16、二级蓄冷器；17、一级蓄冷器；18、第一循环风机；19、第四循环风机；20、第二循环风机；21、第三循环风机；22、空气透平机组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，包括储能单元、一级蓄冷器17、二级蓄冷器16和释能单元；

其中，储能单元包括依次串联的压缩热存储利用器6、一级液化换热器7和二级液化换热器8，一级液化换热器7通过第一循环管路与一级蓄冷器17连接，二级液化换热器8通过第二循环管路与二级蓄冷器16连接；

释能单元包括空气透平机组22和依次串联的二级复温换热器14、一级复温换热器15和压缩热存储利用器6，二级复温换热器14通过第三循环管路与二级蓄冷器16连接，一级复温换热器15通过第四循环管路与一级蓄冷器17连接，空气透平机组22的进口与压缩热存储利用器6的出气口连接，空气透平机组22的出口通过补偿管路与一级复温换热器15连接。可以理解的是，储能单元是空气液化单元，释能单元为液化空气复温单元，也就是说，储能单元与一级蓄冷器17、二级蓄冷器16热交换放热，实现空气液化储能；释能单元与二级蓄冷器16和一级蓄冷器17热交换吸热，实现液态空气复温释能。

进一步地，沿空气流动方向，储能单元包括依次串联的压缩热存储利用器6、一级液化换热器7和二级液化换热器8，压缩热存储利用器6用以回收存储利用高温压缩热，一级液化换热器7内的空气与一级蓄冷器17的第一循环管路内的蓄冷介质进行热交换，二级液化换热器8内的空气与二级蓄冷器16的第二循环管路内的蓄冷介质进行热交换。

进一步地，沿液态空气的流动方向，释能单元包括依次串联的二级复温换热器14、一级复温换热器15和压缩热存储利用器6，二级复温换热器14内的液态空气与二级蓄冷器16的第三循环管路内的蓄冷介质进行热交换吸热，一级复温换热器15内的液态空气与一级蓄冷器17的第四循环管路内的蓄冷介质进行热交换吸热，实现液态空气的气化释放冷能。

其中，空气透平机组22的进口与压缩热存储利用器6的出气口连接，空气透平机组22的出口通过补偿管路与一级复温换热器15连接，气化后的液态空气进入压缩热存储利用器6进行预热，之后进入空气透平机组22做功，驱动发电机发电后并入电网，完成液态空气释能过程。空气透平机组22的出口将排气输送至一级复温换热器15，将冷量传递至一级蓄冷器17，实现对一级蓄冷器17在运行过程中产生的冷量损失的补偿。

值得说明的是，一级蓄冷器17和二级蓄冷器16可采用液相(甲醇、丙烷和r123等)、固相(金属、岩石和玻璃等)或相变蓄冷材料中的一种或多种，液态或气态的空气与蓄冷介质直接或间接接触换热。蓄冷器可设置为一级或多级，串联或并联，或者相应的组合结构，本实施例中为二级。

一级液化换热器7、二级液化换热器8、一级复温换热器15和二级复温换热器14可选用板翅式结构、绕管式结构中的一种或两种组合。

空气透平机组22可以为径流式、轴流式或径轴流式结构，空气透平机组22包括一台或多台透平，串联、并联或集成为透平机组。

各连接管路设置有相应的控制阀，控制阀可采用气动、电动或液压驱动形式。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，第一循环管路上设有第一循环风机18，第二循环管路上设有第二循环风机20，第三循环管路上设有第三循环风机21，第四循环管路上设有第四循环风机19。可以理解的是，为了提高循环蓄冷介质(本实施例中以液态空气为例)，循环速度，提高换热效率，在蓄冷介质由一级液化换热器7进入一级蓄冷器17的第一循环管路上设置第一循环风机18，在蓄冷介质由二级液化换热器8进入二级蓄冷器16的第二循环管路上设置第二循环风机20；在蓄冷介质由二级蓄冷器16进入二级复温换热器14的第三循环管路上设置第三循环风机21，在蓄冷介质由一级蓄冷器17进入一级复温换热器15的第四循环管路上设置第四循环风机19。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，还包括液态空气储罐12，储能单元与液态空气储罐12的进液口连接，液态空气储罐12的出液口与释能单元连接。可以理解的是，液态空气储罐12用以存储储能单元作用后储存有冷能的液态空气，并通过出液口将液态空气输送至释能单元进行冷能释放。

值得说明的是，液态空气储罐12可采用杜瓦罐或低温储槽。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，储能单元包括依次串联的一级空气压缩机2、预冷器3、分子筛吸附塔4、二级空气压缩机5、压缩热存储利用器6、一级液化换热器7、二级液化换热器8、低温膨胀机9和气液分离器11，气液分离器11的出液口与液态空气储罐12的进液口连接。可以理解的是，一级空气压缩机2和二级空气压缩机5可以为活塞式、螺杆式或离心式结构。压缩机组包括一台或多台压缩机，串联、并联或集成为压缩机组。预冷器3可以为管壳式结构、板翅式结构、绕管式结构中的一种或几种组合，也可以为空冷塔。低温膨胀机9可采用带液膨胀机或纯液体膨胀机。气液分离器11用以分离液化后的液化空气和未液化的气态空气，并将液化空气输送至液态空气储罐12内。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，气液分离器11的出气口通过回气管路依次与二级液化换热器8、一级液化换热器7和预冷器3连接。可以理解的是，气液分离器11中分离的气态空气由出气口通过回气管路回流至二级液化换热器8和一级液化换热器7进行吸热升温后再进入预冷器3内进行预冷。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，预冷器3的出气口通过增压管道依次与增压机10和二级空气压缩机5连接。可以理解的是，气液分离器11中分离的气态空气由预冷器3预冷后，通过增压管道输送至增压机10，由增压机10增压后输送至二级空气压缩机5继续增压。

值得说明的是，增压机10由低温膨胀机9同轴驱动，可以为离心式结构。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，液态空气储罐12的出液口通过释能管路依次与二级复温换热器14、一级复温换热器15和压缩热存储利用器6连接，液态空气储罐12与二级复温换热器14之间的释能管路上设有低温泵13。可以理解的是。低温泵13用以将液态空气储罐12输送出的液态空气进行增压，增压后的液态空气依次流入二级复温换热器14和一级复温换热器15进行吸热气化，将冷能分别储存于一级蓄冷器17和二级蓄冷器16，压缩空气则进入压缩热存储利用器6进行利用。

值得说明的是，低温泵13可以为活塞式或离心式结构。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，一级空气压缩机2的出气口与二级空气压缩机5的进气口连接。可以理解的是，可根据实际需要直接将一级空气压缩机2压缩后的空气输送至二级空气压缩机5。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，储能单元还包括空气过滤器1，空气过滤器1的出气口与一级空气压缩机2的进气口连接。可以理解的是，空气经空气过滤器1过滤后进入一级空气压缩机2。值得说明的是，空气过滤器1可以为自洁式过滤器。

根据本发明提供的一种蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，压缩热存储利用器6为填充床式蓄热器。可以理解的是，压缩热存储利用器6可将压缩热进行存储，用于释能阶段的透平进气预热，可以选用填充床式蓄热器，也可以为热水循环或导热油循环系统。

本发明提供的蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置的储能和释能工艺流程如下：

在储能过程中

常温常压空气经空气过滤器1净化后被一级空气压缩机2压缩至中温高压(150℃，8bar)，被预冷器3冷却到5℃左右，流入分子筛吸附塔4进行脱碳脱水，然后流入二级空气压缩机5继续增压至7mpa，250℃，通过压缩热存储利用器6回收利用高温压缩热，然后冷却至常温的高压空气进入液化侧一级液化换热器7，被返流气和来自一级蓄冷器17的循环空气冷却至-90℃，继续进入液化侧二级液化换热器8，被返流气和来自二级蓄冷器16的循环空气冷却至-174℃，经过低温膨胀机9膨胀至1bar，产生气液两相空气后进入气液分离器11，气相空气返流至液化侧一级液化换热器7和二级液化换热器8提供冷量后升温至0℃，流入预冷器3中冷却来流压缩空气后进入增压机10增压至8bar，然后汇入二级空气压缩机5入口继续增压。第一循环风机18和第二循环风机20分别驱动循环空气将一级蓄冷器17和二级蓄冷器16存储的冷量传递给压缩空气，使得压缩空气的温度得以降低。液态空气存储于液态空气储罐12中，完成液态空气储能装置的储能过程。

在释能过程中

液态空气储罐12中的液态空气经低温泵13增压至4.5mpa后进入复温侧二级复温换热器14复温气化至-100℃，通过和循环空气换热将冷量存储于二级蓄冷器16中，循环空气由第三循环风机21驱动，继续进入复温侧一级复温换热器15复温气化至20℃，通过和循环空气换热将冷量存储于一级蓄冷器17中，循环空气由第四循环风机19驱动，气化后的高压空气经压缩热存储利用器6预热至240℃后进入空气透平机组22做功，进一步驱动发电机发电后并入电网，完成液态空气储能装置的释能过程；

其中，空气透平机组22排气流入复温侧一级复温换热器15将冷量传递给一级蓄冷器17，通过改变低温泵13的泵后压力可调节空气透平机组22的总压比，也可改变空气透平机组22的级数可以灵活调整排气温度，用以补偿一级蓄冷器17在运行过程中产生的冷量损失。

本发明提供的蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置，通过设置储能单元、一级蓄冷器、二级蓄冷器和释能单元；其中，储能单元包括依次串联的压缩热存储利用器、一级液化换热器和二级液化换热器，一级液化换热器通过第一循环管路与一级蓄冷器连接，二级液化换热器通过第二循环管路与二级蓄冷器连接；释能单元包括空气透平机组和依次串联的二级复温换热器、一级复温换热器和压缩热存储利用器，二级复温换热器通过第三循环管路与二级蓄冷器连接，一级复温换热器通过第四循环管路与一级蓄冷器连接，空气透平机组的进口与压缩热存储利用器的出气口连接，空气透平机组的出口通过补偿管路与一级复温换热器连接，实现通过空气透平机组的低温排气为一级蓄冷器提供冷能补偿，提高了一级蓄冷器和二级蓄冷器的蓄冷效率，进而提高了液态空气储能装置的储能效率，同时提高了液态空气储能装置运行的经济性。

最后应说明的是、以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解、其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。