空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能方法及系统与流程

1.本发明属于汽轮机发电领域，具体涉及一种空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能方法及系统。


背景技术：

2.目前，风电、光伏发电等再生能源电源正在快速兴起，但再生能源的间歇性以及随机性会对电网造成较大冲击，这也将严重制约其进一步的发展和整个电网的安全稳定性。
3.储能设施可以提供平滑发电的出力，削峰填谷，实现间歇性可再生能源电源与电网之间的协调发展。进一步，通过发电侧增设储能设施，可实现增强机组调节能力、有效支持可再生能源并网以及提供备用容量等多重功能。此外，火电机组与储能设施相结合，可部分程度弥补火电机组调节响应时间缓慢的缺陷。随着灵活性辅助服务市场逐渐完善，火电机组还可以通过储能的方式将其灵活性发挥至最大潜力，实现经济效益的最大化。
4.根据现有的技术类型划分，储能主要分为机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电化学储能(钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍铬电池)以及电磁储能(超导磁能储能)三种类型。但目前能够实现mw级大规模储能的只有抽水蓄能与压缩空气储能两种方式。抽水蓄能方式受地形条件的约束较大，且在北方气温特别低的情况下可能会有结冰的风险。而气态压缩空气储能的储能密度比较低，需要盐穴、山洞等较大存储空间，因此也将受地形条件的约束。而液态空气储能的技术，通过把空气液化可实现比较高的储能密度，存储空间较小，不受地理条件的限制，因而获得了越来越多的关注。
5.现有的液态空气储能技术，主要是与可再生能源发电系统相结合，与火电机组系统相互结合的研究较少。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能方法及系统，能够实现火电电源侧，储能与释能的自由转换过程，储能过程中分流部分直接空冷汽轮机排汽进行余热利用，可降低机组排汽压力及冷源损失，实现了空冷机组效率提升与能量存储的双重能效。
7.为了达到上述目的，空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能系统，包括空冷机组汽缸，空冷机组汽缸的蒸汽通过管路连接抽汽利用储热换热器和背压驱动式小汽轮机，空冷机组汽缸的蒸汽通过管路连接空冷排汽利用储热换热器；
8.抽汽利用储热换热器的热工质出口通过管路连接抽汽利用高温工质储罐，抽汽利用高温工质储罐的工质作为热源通过管路连接抽汽利用释能换热器，抽汽利用释能换热器放热后的工质出口连接抽汽利用低温工质储罐，抽汽利用低温工质储罐连接抽汽利用储热换热器；
9.背压驱动式小汽轮机连接多级间冷压缩机，多级间冷压缩机的热源循环回路连接多级压缩热收集换热器，多级压缩热收集换热器的热工质出口通过管路连接压缩热利用高
温工质储罐，多级间冷压缩机的压缩空气出口连接液化换热器，液化换热器连接低温膨胀机，低温膨胀机连接汽液分离器，汽液分离器连接储液罐，储液罐连接汽化换热器，高温工质储罐的工质作为热源连接汽化换热器，汽化换热器的工质出口通过管路连接压缩热利用低温工质储罐，压缩热利用低温工质储罐连接多级压缩热收集换热器，汽化换热器中升温后的液体出口通过管路连接高背压排汽利用释能换热器；
10.空冷排汽利用储热换热器的储热工质出口通过管路连接空冷排汽利用高温工质储罐，空冷排汽利用高温工质储罐的工质作为热源连接空冷排汽利用释能换热器，空冷排汽利用释能换热器中的热源出口通过管路连接空冷排汽利用低温工质储罐，空冷排汽利用释能换热器的被加热工质出口通过管路连接抽汽利用释能换热器，抽汽利用释能换热器的空气出口连接多级储能发电汽轮机。
11.火电空冷机组的高温蒸汽入口通过管路连接锅炉的高温蒸汽出口。
12.火电空冷机组的高温蒸汽出口通过管路连接空冷岛，空冷岛的冷凝水出口连接凝结水系统。
13.空冷排汽利用储热换热器的冷凝水连接凝结水系统。
14.低温膨胀机连接低温膨胀机发电机。
15.空冷机组汽缸的蒸汽通过抽汽利用储热管路连接抽汽利用储热换热器和背压驱动式小汽轮机。
16.空冷机组汽缸通过空冷排汽利用管路连接空冷排汽利用储热换热器。
17.空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能系统的工作方法，包括储能阶段和释能阶段；
18.s11，从空冷机组汽缸中抽取蒸汽，一部分送入抽汽利用储热换热器中与高温储热工质进行热交换，将升温后的工质送入抽汽利用高温工质储罐进行储存，另一部分驱动背压驱动式小汽轮机推动多级间冷压缩机，空冷机组汽缸的排汽送入空冷排汽利用储热换热器中，与高温储热工质进行热交换，换热后的将热能储存于空冷排汽利用高温工质储罐；
19.s12，多级间冷压缩机将空气压缩至高压状态，高压空气送入多级压缩热收集换热器中进行热交换，升温后的工质储存至压缩热利用高温工质储罐；
20.s13，换热后的压缩空气进入液化换热器中吸收冷量，降温进入深冷状态；
21.s14，深冷状态的压缩空气通过低温膨胀机和汽液分离器，液化成液态空气储存在储液罐中，而未液化的压缩空气执行s13；
22.释能阶段包括以下步骤：
23.s21，储液罐中的液化空气，进入汽化换热器进行回热加热，汽化换热器的热源为压缩热利用高温工质储罐中的压缩热，汽化换热器中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐；
24.s22，汽化换热器中升温汽化后的压缩空气进入空冷排汽利用释能换热器，空冷排汽利用释能换热器进行第二次升温，空冷排汽利用释能换热器的热源为空冷排汽利用高温工质储罐中的排汽余热能，放热后的循环工质进入空冷排汽利用高温工质储罐；
25.s23，二次升温的最后压缩空气进入抽汽利用储热换热器，利用存储在抽汽利用高温工质储罐中的储热能量进行第三次升温，抽汽利用储热换热器中放热后的循环工质进入抽汽利用低温工质储罐；
26.s24，三次升温后的压缩空气进入多级储能发电汽轮机，在多级储能发电汽轮机中膨胀做功，向外供电。
27.空冷机组汽缸中抽取蒸汽送入空冷岛中。
28.与现有技术相比，本发明的系统充分利用了火电机组的有效质-热能量流，通过流程优化，降低了现有储能过程中的电能消耗量，并实现能量梯级利用与存储，提升储能实施的整体能量转化效率。实现了储能技术与火电机组的高效耦合应用。
29.本发明的方法是将储能系统与空冷机组相结合，在储能过程中，从空冷机组中抽取高能量品质的蒸汽，一部分用于驱动小汽轮机传动多级间冷压缩机进行空气压缩，另一部分在与高温储热工质进行热交换将高品质热能储存，压缩后的空气进一步通过液化换热器形成液化空气后，被存储于低温液罐中，在需要时利用所收集的多级压缩过程中的压缩热、高温储热循环模块中的储热能量进行温度提升，以增强释能透平做功能力。本发明能够降低机组排汽压力及冷源损失，实现了空冷机组效率提升与能量存储的双重能效，对促进可再生能源的消纳，提高电网稳定性具有重大意义。
附图说明
30.图1为本发明的系统框图；
31.其中，1、多级储能发电汽轮机；2、空冷排汽利用释能换热器；3、空冷排汽利用高温工质储罐；4、空冷排汽利用低温工质储罐；5、空冷排汽利用储热换热器；6、空冷排汽利用管路；7、抽汽利用高温工质储罐；8、抽汽利用低温工质储罐；9、抽汽利用释能换热器；10、抽汽利用储热换热器；11、抽汽利用储热管路；12、背压驱动式小汽轮机；13、多级间冷压缩机；14、多级压缩热收集换热器；15、压缩热利用高温工质储罐；16、压缩热利用低温工质储罐；17、汽液分离器；18、液化换热器；19、低温膨胀机；20、低温膨胀机发电机；21、储液罐；22、汽化换热器；23、空冷岛；24、火电空冷机组；25、锅炉。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步说明。
33.参见图1，空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能系统，包括空冷机组汽缸24，空冷机组汽缸24的蒸汽通过管路连接抽汽利用储热换热器10和背压驱动式小汽轮机12，空冷机组汽缸24的蒸汽通过管路连接空冷排汽利用储热换热器5；
34.抽汽利用储热换热器10的热工质出口通过管路连接抽汽利用高温工质储罐7，抽汽利用高温工质储罐7的工质作为热源通过管路连接抽汽利用释能换热器9，抽汽利用释能换热器9放热后的工质出口连接抽汽利用低温工质储罐8，抽汽利用低温工质储罐8连接抽汽利用储热换热器10；
35.背压驱动式小汽轮机12连接多级间冷压缩机13，多级间冷压缩机13的热源循环回路连接多级压缩热收集换热器14，多级压缩热收集换热器14的热工质出口通过管路连接压缩热利用高温工质储罐15，多级间冷压缩机13的压缩空气出口连接液化换热器18，液化换热器18连接低温膨胀机19，低温膨胀机19连接汽液分离器17，汽液分离器17连接储液罐21，储液罐21连接汽化换热器22，高温工质储罐15的工质作为热源连接汽化换热器22，汽化换热器22的工质出口通过管路连接压缩热利用低温工质储罐16，压缩热利用低温工质储罐16
连接多级压缩热收集换热器14，汽化换热器22中升温后的液体出口通过管路连接高背压排汽利用释能换热器2；
36.空冷排汽利用储热换热器5的储热工质出口通过管路连接空冷排汽利用高温工质储罐3，空冷排汽利用高温工质储罐3的工质作为热源连接空冷排汽利用释能换热器2，空冷排汽利用释能换热器2中的热源出口通过管路连接空冷排汽利用低温工质储罐4，空冷排汽利用释能换热器2的被加热工质出口通过管路连接抽汽利用释能换热器9，抽汽利用释能换热器9的空气出口连接多级储能发电汽轮机1。
37.火电空冷机组24的高温蒸汽入口通过管路连接锅炉25的高温蒸汽出口。
38.火电空冷机组24的高温蒸汽出口通过管路连接空冷岛23，空冷岛23的冷凝水出口连接凝结水系统。
39.空冷排汽利用储热换热器5的冷凝水连接凝结水系统。
40.低温膨胀机19连接低温膨胀机发电机20。
41.空冷机组汽缸24的蒸汽通过抽汽利用储热管路11连接抽汽利用储热换热器10和背压驱动式小汽轮机12。
42.空冷机组汽缸24通过空冷排汽利用管路6连接空冷排汽利用储热换热器5。
43.空冷机组排汽余热利用的液态压缩空气储能系统的工作方法，包括储能阶段和释能阶段；
44.s11，从空冷机组汽缸24中抽取蒸汽，一部分送入抽汽利用储热换热器10中与高温储热工质进行热交换，将升温后的工质送入抽汽利用高温工质储罐7进行储存，另一部分驱动背压驱动式小汽轮机12推动多级间冷压缩机13，空冷机组汽缸24的排汽送入空冷排汽利用储热换热器5中，与高温储热工质进行热交换，换热后的将热能储存于空冷排汽利用高温工质储罐3；空冷机组汽缸24中抽取蒸汽送入空冷岛23中。
45.s12，多级间冷压缩机13将空气压缩至高压状态，高压空气送入多级压缩热收集换热器14中进行热交换，升温后的工质储存至压缩热利用高温工质储罐15；
46.s13，换热后的压缩空气进入液化换热器18中吸收冷量，降温进入深冷状态；
47.s14，深冷状态的压缩空气通过低温膨胀机19和汽液分离器17，液化成液态空气储存在储液罐21中，而未液化的压缩空气执行s13；
48.释能阶段包括以下步骤：
49.s21，储液罐21中的液化空气，进入汽化换热器22进行回热加热，汽化换热器22的热源为压缩热利用高温工质储罐15中的压缩热，汽化换热器22中放热后的循环工质进入压缩热利用低温工质储罐16；
50.s22，汽化换热器22中升温汽化后的压缩空气进入空冷排汽利用释能换热器2，空冷排汽利用释能换热器2进行第二次升温，空冷排汽利用释能换热器的热源为空冷排汽利用高温工质储罐3中的排汽余热能，放热后的循环工质进入空冷排汽利用高温工质储罐4；
51.s23，二次升温的最后压缩空气进入抽汽利用储热换热器11，利用存储在抽汽利用高温工质储罐7中的储热能量进行第三次升温，抽汽利用储热换热器11中放热后的循环工质进入抽汽利用低温工质储罐8；
52.s24，三次升温后的压缩空气进入多级储能发电汽轮机1，在多级储能发电汽轮机1中膨胀做功，向外供电。
53.抽汽利用高温工质储罐7用于储存抽汽蒸汽热能；
54.空冷排汽利用高温工质储罐3用于储存空冷排汽蒸汽热能；
55.多级间冷压缩机13用于压缩空气；
56.多级压缩热收集换热器14用于收集压缩空气时的压缩热量，并存储在压缩热利用高温工质储罐15中；
57.液化换热器22用于吸收压缩后空气的冷量，使压缩后的空气降温进入深冷状态；
58.低温膨胀机19用于降低深冷状态压缩空气的压力和温度；
59.汽液分离器17用于分离液态空气和气态空气；
60.储液罐21用于存储液态空气。
61.释能过程中，低温液罐中的液化空气，抽吸进入低温泵提升压力，首先利用所收集的多级压缩过程中的压缩热在汽化换热器中进行回热加热，升温汽化，接着利用所存储的排汽余热能进行第一次温度提升，最后进一步利用高温储热循环模块中的储热能量第二次温度提升，以提高压缩空气的做功能力。随后压缩空气进入储能发电汽轮机，在汽轮机中膨胀做功，向外供电。
62.储能流程开始后，所分流的直接汽轮机排汽进入排汽余热储能换热器，与导热流体进行换热，排汽冷凝成凝结水汇入凝结水系统。而升温后的导热流体储存入排汽余热高温储热罐，将排汽余热储存收集。释能过程中，排汽余热高温储热罐中的导热流体经循环泵被流出，循环至空气至一次生温换热器与汽化后的空气工质进行换热，对空气进行一次预热加热。
63.储能流程开始后，从空冷机组中抽取高能量品质的蒸汽大部分流量在高温蒸汽换热器中与储热工质进行换热，将高品质热量存储于高温工质储热罐中，蒸汽放热形成疏水回流至汽轮机热力系统。释能过程中，高温工质储热罐经循环泵被流出，循环至空气二次提温换热器与汽化后的空气工质进行换热，空气升温至高温状态，有效增强储能发电汽轮机的做功能力。