一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统，该系统以用户的热量和冷量需求为主要目标，利用了压缩气体产生的过程热和气体膨胀造成的低温冷量完成热和冷的供给，同时辅助输出一定电量。该系统以稀有气体为工质，借助稀有气体气态-超临界状态-气态的状态变化，有效降低了系统设计难度，减少了储能系统成本，且保证了系统运行的安全和稳定性；同时利用阀门切换实现系统级数的变化，控制系统的冷热电输出量，以实现冷和热量供给与需求的平衡。该系统可以与风能、太阳能等可再生能源联合使用，在运行过程中不产生其他污染物，有较好的节能和环保效益。
【专利说明】一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统
【技术领域】
[0001]本系统涉及储能技术与分布式供能【技术领域】，具体的说，是一种以压缩空气储能技术为基础，利用稀有气体的跨临界特性实现以供热、冷为主，供电为辅的分布式能源系统。
【背景技术】
[0002]电、热、冷是维持人类社会发展和进步的三种重要的能量形式。一般而言，电能是人类社会最核心的能源，同时也是供应量最为充足的能量形式，电能不仅可以直接供应用户，还可以利用其他装置转化为热能或者冷能。而随着人类生活水平的提高，人类对生活舒适度的要求升高，因此对热和冷的需求急剧增加。虽然电能可转化为热能或冷能，但该过程造成的能量品位的降低造成了能源的严重浪费。因此，优先考虑满足用户的热能和冷能需求是未来分布式供能系统能源利用的一项重要目标。
[0003]压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种以燃气轮机技术为基础的能量存储技术，目前已被一些学者发掘出其用于分布式供能领域的潜力。主要的方法是将空气进行压缩，利用化石燃料加热压缩空气完成膨胀做功发电，透平机出口温度较高的空气(400-600K)分别进行制冷和供热。该方式有效利用了透平机出口空气的废热，减少了能量的浪费，提高了系统的整体效率。但其对化石燃料的利用也不可避免地造成了环境污染问题。因此，如何减少或避免储能系统对化石能源的利用而实现冷热电联供也是储能技术未来发展的一个重要方向。
[0004]在传统的压缩空气储能技术中，压气机对空气进行压缩时会产生过程热，但该部分热量一般都被冷却水带走而浪费掉；若将压力较高，温度较低的空气进行膨胀，不仅可以得到一定的电量输出，同时膨胀机出口空气温度较低，理论上可用于制冷。因此压缩空气储能技术存在不利用化石燃料而实现冷热电联供的可能性。不过，对于压缩空气储能技术的介质——空气而言，其来源方便，储量充足，且有一定的可压缩性，但由于其密度较小，临界压力、温度较高，当需要压缩至较高压力时会造成透平机械的设计复杂化和困难化，而在未达到超临界状态下需要的存储容积亦较大，因此造成储能系统设计困难、成本较高。同时由于空气内部组分复杂，在以低温状态下进行膨胀制冷时容易出现液化和组分分离情况，影响系统的运行安全，这是以空气为存储介质进行冷热电联供的压缩空气储能系统面临的主要问题。因此，如果储能技术能以密度较大，且容易实现超临界状态的纯气体为工质，就可以避免上述问题的发生。
[0005]以稀有气体为代表的惰性气体是满足上述要求的一种工质选择。稀有气体一般利用空气分离技术作为副产物从空气中分离，在常温和常压下稀有气体均无色、无味、无臭，化学性质几乎都是惰性的，其临界参数如表I中所示。可以看出，稀有气体的临界压力较小，当压缩至60atm且温度为环境温度时，稀有气体即可变为超临界状态，其密度也比同状态下的压缩空气大几十倍至几百倍，同时兼有气体和液体的双重特性，具有更好的流动性和传输特性。考虑到稀有气体的上述优秀的物理和化学特性，当以压缩空气储能技术为基础，以任意一种稀有气体为存储介质时，不仅可以利用稀有气体的高密度特性降低如透平机械、换热器、储气罐等系统核心部件的设计难度，减小储能系统的存储规模，大大降低系统的研发成本与维护成本，还也可以避免低温空气膨胀造成的空气液化和组分分离问题，进一步增强系统的安全性和可操作性。
[0006]表I惰性气体临界参数
【权利要求】
1.一种以稀有气体为存储介质的压缩气体分布式能源系统，包括:稀有气体供应单元、稀有气体压缩储能单元、稀有气体膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于，所述稀有气体供应单元包括常压稀有气体存储器(I);所述稀有气体压缩储能单元包括低压级压气机(2)、中压级压气机(3)、高压级压气机(4)及高压气体储气罐(22)，其中，-所述低压级压气机(2 )的进气口通过管路与所述常压稀有气体存储器(I)的出气口连通，所述低压级压气机(2)产生的高压气体穿过低压级冷却器(8)的热流体侧后，一部分经带有压缩端低压级开关阀(14)的气体管路通入所述高压气体储气罐(22)，另一部分经带有压缩端低压级速启/速关阀(17)的气体管路通入所述中压级压气机(3)的进气口，一所述中压级压气机(3)产生的高压气体穿过中压级冷却器(9)的热流体侧后，一部分经带有压缩端中压级开关阀(15)的气体管路通入所述高压气体储气罐(22)，另一部分经带有压缩端中压级速启/速关阀(18)的气体管路通入所述高压级压气机(4)的进气口，一所述高压级压气机(4)产生的高压气体穿过高压级冷却器(10)的热流体侧后，经带有压缩端高压级开关阀(16)的气体管路通入所述高压气体储气罐(22);所述稀有气体膨胀释能单元包括高压级膨胀机(41)、中压级膨胀机(42)及低压级膨胀机(43)，其中，一所述高压气体储气罐(22)储.存的高压气体，一部分经设有膨胀端高压级开关阀(32)的气体管路通入高压级换热器(38)的冷流体侧后通入所述高压级膨胀机(41)，另一部分经设有膨胀端高压级速启/速关阀(35)的气体管路通入所述高压级膨胀机(41)，一所述高压级膨胀机(41)膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端中压级开关阀(33)的气体管路通入储冷罐(50)，另一部分经带有膨胀端中压级速启/速关阀(36)的气体管路通入中压级换热器(39)的冷流体侧后进入所述中压级膨胀机(42)，一所述中压级膨胀机(42)膨胀后的气体，一部分经带有膨胀端低压级开关阀(34)的气体管路通入储冷罐(50 )，另一部分经带有膨胀端低压级速启/速关阀(37 )的气体管路通入低压级换热器(40 )的冷流体侧后进入所述低压级膨胀机(43 )，-所述低压级膨胀机(43 )膨胀后的气体通过储冷罐(50 )后流入常压稀有气体存储器(O;所述载热介质循环回路包括载热介质供应罐(23)、储热罐(24)，所述载热介质供应罐(23)中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器(8)、中压级冷却器(9)、高压级冷却器(10)的冷流体侧后进入所述储热罐(24)，所述储热罐(24)中的载热介质经管路分别通入高压级换热器(38 )、中压级换热器(39 )、低压级换热器(40 )的热流体侧后进入所述载热介质供应罐(23)。
2.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述载热介质供应罐(23)通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器(8)、中压级冷却器(9)、高压级冷却器(10)的冷流体侧，位于所述低压级冷却器(8)和中压级冷却器(9)之间的供应管路上设有中压级冷却器开关阀(19)，位于所述中压级冷却器(9)和高压级冷却器(10)之间的供应管路上设有高压级冷却器开关阀(20)。
3.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述储热罐(24)通过一共同的高温载热介质供应管路将载热介质分送至高压级换热器(38)、中压级换热器(39)、低压级换热器(40)的热流体侧，所述供应管路上串接有高压级换热器开关阀(47)、中压级换热器开关阀(48)、低压级换热器开关阀(49)，其中，所述高压级换热器开关阀(47)设置在所述储热罐(24)和高压级换热器(38)之间的供应管路上，所述中压级换热器开关阀(48)设置在所述高压级换热器(38)和中压级换热器(39)之间的供应管路上，所述低压级换热器开关阀(49)设置在所述中压级换热器(39)和低压级换热器(40)之间的供应管路上。
4.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述储热罐(24)用以向用热单元供应热量，所述用热单元包括通过管路依次连接的热用户(28)、用热端载热介质供应罐(26)、用热端开关阀(27)，其中，热用户(28)和用热端开关阀(27)之间的用热管路上设有穿过所述储热罐(24)部分的用热换热部件。
5.根据权利要求4所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述用热单元还包括用热端控制系统(25)，用以控制调节用热端开关阀(27)的开度和热用户(28)的用热量。
6.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述低压级冷却器(8 )的热流体侧出 口处的管路上设有压缩端低压级止回阀(11)。
7.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述中压级冷却器(9)的热流体侧出口处的管路上设有压缩端中压级止回阀(12)。
8.根据权利要求2所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压级冷却器(10)的热流体侧出口处的管路上设有压缩端高压级止回阀(13)。
9.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压气体储气罐(22)的进气口处的管路上设有安全阀(21)。
10.根据权利要求1所述的压缩气体分布式能源系统，其特征在于，所述高压级膨胀机(41)的出气口处的管路上设有膨胀端中压级止回阀(30)。
【文档编号】F25B41/04GK103438612SQ201310382076
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】杨科, 张远, 李雪梅, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所