一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统的制作方法

1.本实用新型涉及压缩空气储能设备技术领域，特别是涉及一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统。


背景技术：

2.目前较为成熟的大规模储能技术主要有抽水蓄能、蓄电池储能和压缩空气储能三种。抽水蓄能电站是一种很好的大量存储电能的方式，然而其建设严格受到地理条件限制，难以满足大规模推广的需求。蓄电池储能技术相对成熟，且在上述三种储能方式中电能转换效率最高，但其工作寿命往往只有3 ～ 5 年，不仅更新换代成本高昂，且后期处理环境污染严重。相比之下，压缩空气储能系统的建设限制条件较少，且对环境友好、综合效率较高。但是在压缩空气储能压缩过程会产生大量的热量，这部分热量往往不能得到很好的利用；而锅炉不仅需要消耗大量的热量，同时锅炉尾气也会向环境排放大量的余热，同样造成大量的能源损失。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型提出了一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行的系统，能有效解决压缩空气储能和锅炉运行所各自造成的能源损失的问题。本耦合系统将压缩空气储能和锅炉运行二者结合在一起，压缩空气储能压缩过程中产生大量的热量可以被锅炉进风回收；而锅炉烟气中含有大量的余热可以用来加热低温压缩空气，压缩空气回热后再膨胀做工，能有效提高气体做功能力，压缩空储能与锅炉耦合运行系统可以完美互补。
4.本实用新型是通过采用下述技术方案实现的：
5.一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，其特征在于：包括压缩
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冷却设备、常温储气设备、电站锅炉和回热
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膨胀做功设备；所述压缩
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冷却设备包括空气压缩机组和锅炉进风加热器，所述空气压缩机组包括驱动电机和空气压缩机；所述回热
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膨胀做功设备包括锅炉尾气余热回收器和空气涡轮发电机组，所述空气涡轮发电机组包括空气涡轮机和发电机；所述锅炉进风加热器用于空气压缩机产生的高温压缩空气与锅炉进风冷空气之间的换热，经冷却后的低温压缩空气导入常温储气设备，同时将加热后的锅炉进风导入电站锅炉参与燃烧；所述锅炉尾气余热回收器用于锅炉尾气与低温压缩空气之间的换热，被加热的压缩空气导入空气涡轮机用于发电，余热被回收后的锅炉尾气排入大气。
6.所述压缩
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冷却设备包括至少一级空气压缩机组和与空气压缩机组一一对应的锅炉进风加热器，空气从第一级空气压缩机的进气口进入，各级空气压缩机的出气口分别与对应的锅炉进风加热器的压缩空气进气口相连，各级锅炉进风加热器的压缩空气出气口与下一级的空气压缩机的进气口相连，最后一级锅炉进风加热器的压缩空气出气口与常温储气设备的进气口相连；各级锅炉进风加热器中进入的锅炉进风经过换热后进入电站锅炉中。
7.所述回热
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膨胀做功设备包括至少一级一一对应的空气涡轮发电机组和锅炉尾气
余热回收器；所述常温储气设备内的常温压缩空气先导入锅炉尾气余热回收器中与锅炉尾气进行热交换，压缩空气温度升高后，导入到空气涡轮机中膨胀做功，做功后的压缩空气温度降低，再次导入下一级锅炉尾气余热回收器，直到最后一级经过膨胀做功后排入大气。
8.除能吸纳电网富余电能之外，还包括太阳能和风能发出的电能，通过空气压缩机转换成势能存储到压缩空气中。
9.所述电站锅炉还包括锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器和空气预热器，所述锅炉尾气余热回收器可与锅炉同体布置；所述电站锅炉的炉膛燃烧后的尾气依次经过锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器、空气预热器和锅炉尾气余热回收器后排出。
10.与现有技术相比，本实用新型的有益效果表现在：
11.1、本实用新型的压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，具体为压缩空气储能系统的压缩
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冷却、回热
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膨胀做功两个过程与锅炉运行之间的耦合运行，压缩空气产生的压缩热能被锅炉回收利用，而锅炉尾气的余热又被压缩空气储能系统有效回收利用，有效克服了各自单独运行时的缺点。压缩空气储能系统经过回热储能做功效率更高，而电站锅炉由于排放温度降低，燃料的利用效率整体也更高，综合来看压缩空气储能和电站锅炉耦合运行能有效提高全系统的效率。
12.2、本实用新型中，包括空气压缩机组、锅炉进风加热器、常温储气设备、锅炉尾气余热回收器和空气涡轮发电机组，除了锅炉尾气余热回收器与锅炉同体布置外，其它设备可以单独设置，两个系统可以相对地独立地运行。当电网有大量电力富裕，此时压缩空气储存量大，压缩空气消耗量小，锅炉运行功率调低，正好满足储能系统所需回热量减小；当电网有电力不足需要补充时，此时压缩空气储存量小，消耗量大，锅炉运行功率调高，正好满足储能系统所需回热量增大的需求；使得压缩空储能与锅炉耦合运行系统可以完美互补。
13.3、本实用新型在空气压缩过程中，根据设计的存储压力，采用一级或者多级压缩
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冷却过程，经压缩后的高温高压空气进入锅炉进风加热器中用来加热锅炉进风，同时冷却压缩空气，加热后的锅炉进风进入电站锅炉参与燃烧；如果采用多级压缩，冷却的压缩空气进行第二级压缩，然后再次进行冷却，直至达到存储所需要的压力和温度，根据热力学原理可知，多级压缩，定压冷却，可以大大降低压缩空气的所需功耗。
14.4、本实用新型在压缩空气回热
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膨胀过程中，根据存储的压力，采用一级或者多级回热
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膨胀做功，常温压缩空气进入锅炉尾气余热回收器，被锅炉尾气加热后导入空气涡轮机中膨胀做功；如果采用多级回热
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膨胀，膨胀后的冷压缩空气再次进入锅炉尾气余热回收器中加热，然后再导入空气涡轮机中做功，直至膨胀到大气压，做完功的乏气排入大气中。根据热力学原理可知，回热能有效提供气体膨胀做功能力和热效率。
15.5、本系统不仅能吸收电网中富余的电力，还能吸纳太阳能和风能发出的电能，通过空气压缩机把电能转换成空气势能存储到压缩气体中，使得本实用新型既能有效增加新能源电力的消纳，满足作为电网的基本电源的要求，又可作为电网的调峰电站起到“削峰填谷”的作用。
16.6、本实用新型中，由于设备相对独立，对原电站改变不大，可以在现有火电站的基础上进行直接改造。
17.7、所述锅炉设备还包括锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器和空气
预热器，锅炉尾气余热回收器可与锅炉同体布置，所述锅炉炉膛燃烧后的烟气依次经过锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器、空气预热器和锅炉尾气余热回收器后排出，充分利用锅炉炉膛燃烧后尾气的热量，降低排入大气中的尾气温度。
附图说明
18.下面将结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明，其中：
19.图1为本实用新型的结构示意图；
20.图中标记：
21.1、锅炉进风加热器，2、常温储气设备，3、空气压缩机，4、驱动电机，5、空气预热器，6、锅炉尾气余热回收器，7、电站锅炉，8、空气涡轮机，9、发电机，10、锅炉省煤器，11、脱硫脱硝与除尘装置，12、烟囱。
具体实施方式
22.实施例1
23.作为本实用新型基本实施方式，本实用新型包括一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，包括压缩
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冷却设备、电站锅炉7、常温储气设备2、回热
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膨胀做功设备。所述压缩
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冷却设备包括锅炉进风加热器1、空气压缩机3和驱动空气压缩机3运转的驱动电机4。所述回热
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膨胀做功设备包括锅炉尾气余热回收热器和空气涡轮发电机组，所述空气涡轮发电机组包括空气涡轮机8和发电机9。所述锅炉进风加热器1包括压缩空气进口、压缩空气出口、锅炉进风大气进气口和锅炉进风出风口。其中，锅炉进风加热器1的压缩空气出口与常温储气设备2相连，锅炉进风出气口与电站锅炉7相连。
24.所述空气压缩机3用于压缩空气，压缩后的高温高压气体从锅炉进风加热器1的压缩空气进口进入，新鲜空气从锅炉进风加热器1的锅炉进风进气口进入锅炉进风加热器1，高温高压压缩气体和锅炉进风之间进行热交换，高温高压气体冷却至常温后从锅炉进风加热器1的压缩空气出口排出后进入常温储气设备2存储，锅炉进风被加热后从锅炉进风加热器1的锅炉进风出气口排出，最终进入电站锅炉7的炉膛参与燃烧。锅炉尾气余热回收器6回收锅炉尾气中的余热，然后常温储气设备2中的常温压缩气体导入锅炉尾气余热回收器6中被加热升温，加热后的压缩空气进入空气涡轮机8，用于驱动发电机9运转。
25.实施例2
26.作为本实用新型一较佳实施方式，本实用新型包括一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，包括压缩
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冷却设备、常温储气设备2、锅炉和回热
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膨胀做功设备。所述压缩
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冷却设备包括多级空气压缩机组和与空气压缩机组一一对应的锅炉进风加热器1，所述空气压缩机组包括驱动电机4和空气压缩机3。
27.空气从第一级空气压缩机3的进气口进入，各级空气压缩机3的出气口分别与对应的锅炉进风加热器1的压缩空气进气口相连，各级锅炉进风加热器1的压缩空气出气口与下一级的空气压缩机3的进气口相连，实现空气的多级压缩，经过多级压缩后的压缩气体从最后一级锅炉进风加热器1的压缩空气出气口进入常温储气设备2存储。
28.各级锅炉进风加热器1中进入的锅炉进风经过换热后分别进入空气预热器5中，经
空气预热器5加热后导入锅炉炉膛；所述锅炉炉膛燃烧后的锅炉尾气经锅炉尾气余热回收器6的热交换后排出。
29.所述回热
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膨胀做功设备包括多级一一对应的空气涡轮发电机组和锅炉尾气余热回收器6。所述空气涡轮发电机组包括空气涡轮机8和发电机9。常温储气设备2内的常温压缩空气导入锅炉尾气余热回收器6与锅炉尾气进行热交换，温度升高后的压缩气体导入空气涡轮机8，驱动发电机9发电，膨胀后的低温压缩空气再导入下一级的锅炉尾气余热回收器6中，经过多级回热膨胀做功工后，排入大气。
30.实施例3
31.作为本实用新型另一较佳实施方式，本实用新型包括一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，包括压缩
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冷却设备、常温储气设备2、电站锅炉7和回热
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膨胀做功设备。所述压缩
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冷却设备包括锅炉进风加热器1、空气压缩机3和驱动空气压缩机3运转的驱动电机4。所述压缩机组把电网富余电能或太阳能、风能所发出的电能通过空气压缩机3把能量存储在压缩空气的势能中。
32.所述电站锅炉7包括锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器10、空气预热器5和锅炉炉膛，其中锅炉尾气余热回收器6可与锅炉同体布置。所述锅炉炉膛燃烧后的尾气依次经过锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器10、空气预热器5和锅炉尾气余热回收器6后排出。
33.所述回热
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膨胀做功设备包括锅炉尾气余热回收器6、空气涡轮机8和发电机9。所述锅炉进风加热器1用于将空气压缩机3产生的高温压缩气体经降温后导入常温储气设备2，锅炉进风加热器1用于将常温的锅炉进气经加热后导入空气预热器5，经空气预热器5进一步加热后导入锅炉炉膛。所述常温储气设备2内的常温压缩气体导入锅炉尾气余热回收器6，使之与燃烧后的尾气进行热交换升温后进入空气涡轮机8，用于驱动发电机9运转。
34.实施例4
35.作为本实用新型最佳实施方式，参照说明书附图1，本实用新型包括一种压缩空气储能和电站锅炉耦合运行系统，主要为压缩空气储能系统的压缩
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冷却、回热
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膨胀做功两个过程与锅炉运行之间的耦合运行。本系统具体包括压缩
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冷却设备、常温储气设备2、电站锅炉7和回热
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膨胀做功设备。所述常温储气设备2可以是定容存储设备，也可以是定压存储设备，主要用来存储冷却后的压缩空气。
36.所述压缩
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冷却设备包括多级空气压缩机组和与空气压缩机组一一对应的锅炉进风加热器1，每级空气压缩机组包括空气压缩机3和分别驱动空气压缩机3运转的驱动电机4。所述回热
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膨胀做功设备包括多级空气涡轮发电机组和锅炉尾气余热回收器6。所述空气涡轮发电机组包括空气涡轮机8和与空气涡轮机8一一对应的发电机9。所述电站锅炉7包括锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器10、空气预热器5、锅炉炉膛、脱硫脱硝余除尘装置11和烟囱12。
37.所述锅炉进风加热器1为空
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空换热器。该空气压缩机组把电网中富余电力或者太阳能、风能发出的电能通过空气压缩机3把能量转移到压缩空气的势能中。所述压缩
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冷却设备具体包括第一级空气压缩机3、第二级空气压缩机3、第一级锅炉进风加热器1和第二级锅炉进风加热器1。所述第一级锅炉进风加热器1和第二级锅炉进风加热器1都包括压缩空气进口、压缩空气出口、锅炉进风进气口和锅炉进风出气口。所述第一级空气压缩机3的出
气口与第一级锅炉进风加热器1的压缩空气进口相连，所述第一级锅炉进风加热器1的压缩空气出口与第二级空气压缩机3的进气口相连，所述第二级空气压缩机3的出气口与第二级锅炉进风加热器1的压缩空气进口相连，所述第二级锅炉进风加热器1的压缩空气出口与常温储气设备2的进气口相连。经过锅炉进风加热器1加热后的锅炉进风导入到与空气预热器5进一步加热后送入锅炉炉膛参与燃烧。
38.所述锅炉尾气余热回收器6为空
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空换热器。所述回热
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膨胀做功设备具体包括第一级空气涡轮机8和第二级空气涡轮机8。所述常温储气设备2内的常温压缩空气先导入锅炉尾气余热回收器6中与锅炉尾气进行热交换，压缩空气温度升高后，导入到第一级空气涡轮机8中膨胀做功，做功后的低温压缩空气温度再次导入第二级锅炉尾气余热回收器6，与锅炉尾气进行热交换后，再导入到下一级空气涡轮机8中膨胀做功，直至最后一级排入大气。
39.本运行系统包括锅炉运行流程和压缩空气储能系统运行流程。所述锅炉运行流程具体指：锅炉进风分别在第一级锅炉进风加热器1和第二级锅炉进风加热器1中被高温压缩空气加热，再分别从第一级锅炉进风加热器1和第二级锅炉进风加热器1的锅炉进风出气口流出，流入到空气预热器5继续加热到额定温度，进入锅炉炉膛燃烧，高温烟气把热量依次传给锅炉水冷壁、锅炉过热器、锅炉再热器、锅炉省煤器10、空气预热器5和锅炉尾气余热回收器6后，经过脱硫脱硝与除尘装置11进行尾气处理之后进入烟囱12排入大气。
40.所述压缩空气储能系统运行流程包括压缩
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冷却过程和回热
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膨胀做功过程。所述压缩
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冷却过程具体为：把太阳能和风能等发出的不稳定的电，和电网在用电波谷时候的富余的电能用来压缩空气，通过空气压缩机3实现多级压缩，从而降低压缩气体功耗。压缩后高温压缩气体进入对应的锅炉进风加热器1，用来加热锅炉的进风，同时压缩空气在此过程中等压冷却。把压缩空气冷却到接近常温，充入常温储气设备2中储存。
41.所述回热
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膨胀做功过程具体为：压缩空气从常温储气设备2中导入锅炉尾气余热回收器6中加热，回收锅炉尾气的余热，然后进入空气涡轮机8做功。压缩空气经过锅炉尾气余热回收器6和空气涡轮机8的多级回热膨胀做功后，乏气排入大气。
42.压缩空气膨胀后温度会急剧下降，膨胀后的低温空气还可以用来凝结汽轮机排汽。所述压缩空气可以用来与一种利用压缩空气凝结汽轮机排汽的系统进行联合运行。
43.综上所述，本领域的普通技术人员阅读本实用新型文件后，根据本实用新型的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本实用新型所保护的范围。