利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统和方法
【专利摘要】一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，包括：第一换热器单元，空气在所述第一换热器单元内与液化天然气进行换热，输出换热后降温的空气；压气机组，输入换热后降温的空气，输出压缩后的空气；储气装置，用于储能时输入压缩后的空气，或者释能时输出所储存的压缩空气；以及膨胀机组，输入储存的压缩空气，在膨胀机组内经第二换热器单元加热后对膨胀机组做功。还提供一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能方法。本发明的储能系统和储能方法，将压缩空气储能技术和LNG冷能回收相结合，利用级间加热提高膨胀机单位工质的输出功率，提高系统总效率；适用于各种类型电源、对环境友好，具有广阔的使用前景。
【专利说明】
利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及能量存储技术领域和冷能回收利用技术领域，特别是一种利用液化天然气(liquefied natural gas，LNG)冷能的压缩空气储能系统和储能方法。
【背景技术】
[0002]近年来，我国LNG接收站和LNG消费量已初具规模，并且不断攀升，LNG是液态，其能量密度高，在长距离输送中具有明显成本优势。LNG在接收站以液态进行存储，天然气用户所需的气态天然气必须通过LNG吸热气化才能得到，现在常规技术手段有以下几种:海水气化、空气气化或天然气补燃气化，未回收气化过程中的冷能，造成大量的能量浪费。已有的LNG冷能利用技术，如食品冷库、橡胶粉碎等，都是对冷能进行直接利用，由于冷库等所需温度远远高于LNG温度，大温差传热使得其冷能回收效率低，且直接利用冷能技术不能将回收能量长距离传送，只能局限在LNG接收站附近。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于提供利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统和方法。
[0004]根据本发明的一方面，提供一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，包括:
[0005]第一换热器单元，空气在所述第一换热器单元内与液化天然气进行换热，输出换热后降温的空气；
[0006]压气机组，输入所述换热后降温的空气，输出压缩后的空气；
[0007]储气装置，用于储能时输入压缩后的空气，或者释能时输出所储存的压缩空气；以及
[0008]膨胀机组，输入储存的压缩空气，在膨胀机组内经第二换热器单元加热后对膨胀机组做功。
[0009]优选的，储能系统还包括液化天然气储存装置和液化天然气栗，液化天然气通过所述液化天然气栗从液化天然气储存装置中栗出，并进入所述第一换热器单元。
[0010]优选的，储能系统还包括气化器，在第一换热器单元经换热后的液化天然气输入所述气化器，经气化器气化后输出气态天然气。
[0011]优选的，所述压气机组包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压缩机入口输入换热后降温的空气，输出低压空气;低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。
[0012]优选的，所述压气机组还包括中间级压气机，所述低压空气经中间级压气机压缩后，经第一换热器单元与液化天然气换热，再输入高压压气机
[0013]优选的，所述第一换热器单元包括两个以上换热器，空气在输入压气机组的每一级压气机前均通过换热器与液化天然气进行换热。
[0014]优选的，所述膨胀机组包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气；每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气;优选的，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间膨胀机后再输入低压膨胀机。
[0015]优选的，储能系统还包括发电机，与所述对膨胀机组连接，使膨胀机组做功时带动发电机发电。
[0016]根据本发明的另一方面，提供一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能方法，包括:
[0017]在用电低谷或者储能时:通过液化天然气与空气在第一换热器单元内进行换热，输出换热后降温的空气；换热后降温的空气通过电动机驱动压气机组进行压缩，形成压缩后的空气;压缩后的空气输入储气装置储存；
[0018]在用电高峰或者释放能量时:储气装置输出高压空气至膨胀机组;在经过第二换热器单元换热后温度升高，膨胀机组内空气对膨胀机做功，带动发电机发电。
[0019]优选的，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力；和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
[0020]通过上述技术方案，本发明实现的有益效果在于:
[0021 ] (I)利用LNG冷却压气机进口空气，使获得做功能力相同的高压空气的耗功减小，从而实现对LNG冷能回收，转变成压缩空气的内能；
[0022](2)同时LNG和空气在第一换热器中进行换热，通过第一换热器可实现较小温差热量传递，从而最大化提尚LNG冷能回收效率；
[0023](3)将LNG冷能先转变成空气内能进行存储，再转换成电能进行传输和利用，使得LNG冷能回收利用不受限地域范围；
[0024](4)该系统膨胀过程采用级间加热以提高膨胀机单位工质输出功率，并通过级间再热可以回收中低温废热，实现能源清洁高效利用；
[0025](5)该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的利用LNG冷能的压缩空气储能系统实施例1结构示意图；
[0027]图2为本发明的利用LNG冷能的压缩空气储能系统实施例2结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]根据本发明总体上的发明构思，提供一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，包括:第一换热器单元，空气在所述第一换热器单元内与液化天然气进行换热，输出换热后降温的空气;压气机组，输入所述换热后降温的空气，输出压缩后的空气;储气装置，用于储能时输入压缩后的空气，或者释能时输出所储存的压缩空气；以及膨胀机组，输入储存的压缩空气，在膨胀机组内经第二换热器单元加热后对膨胀机组做功。
[0029]本发明的利用LNG冷能的压缩空气储能系统，它在用电低谷通过压气机组将空气压入储气装置，同时通过冷却压气机进口空气实现对LNG冷能回收;在用电高峰，储气装置中高压空气经换热器吸热并通过膨胀机带动发电机发电。本发明利用LNG冷却每级压气机进口空气，使获得做功能力相同的高压空气的耗功减小，从而实现对LNG冷能回收，将LNG冷能转换成压缩空气的内能；同时LNG和空气在换热器中进行换热，通过换热器可实现较小温差热量交换，从而最大化提高LNG冷能回收效率;将LNG冷能先转换成空气内能进行存储，再转换成电能进行传输和利用，使得LNG冷能回收利用不受限地域范围；该系统膨胀过程采用级间加热以提高膨胀机单位工质输出功率，并通过级间再热可以回收中低温废热，实现能源清洁高效利用，同时，该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好。
[0030]系统还可以包括液化天然气储存装置和液化天然气栗，液化天然气通过所述液化天然气栗从液化天然气储存装置中栗出，并进入所述第一换热器单元。液化天然气栗，优选的是叶轮式栗或容积式栗;其所述液化天然气储存装置，优选的是人造金属或混凝土容器。[0031 ]系统还可以包括气化器，在第一换热器单元内经换热后的液化天然气输入所述气化器，经气化器气化后输出气态天然气。气化器可以与天然气用户相连通，直接为用户输出天然气。
[0032]对于所述压气机组，其包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压气机入口输入换热后降温的空气，输出低压空气;低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。
[0033]优选的第一换热器单元包括两个以上换热器，空气在输入每一级压气机前均通过换热器与液化天然气进行换热。
[0034]优选的，各级压气机间设有还设有换热器。
[0035]对于所述膨胀机组，其包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气；每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气。
[0036]优选的，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间膨胀机后再输入低压膨胀机。进一步优选的，各膨胀机间设有换热器。
[0037]优选的，对于压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，为共轴串联形式、或分轴并联形式;并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
[0038]对于压气机或膨胀机，优选的是活塞式、轴流式、斜流式、离心式、螺杆式其中的一种或多种的组合。
[0039]其中，系统还包括发电机，与所述对膨胀机连接，用于在所述膨胀机做功时带动发电机发电。
[0040]对于所述热源，为外界热源，优选的是工业废热、余热、大气环境、太阳能热或蓄热
目.ο
[0041]对于第一换热器单元以及第二换热器单元内的换热器，优选的所述换热器是套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、管翅式或板翅式。
[0042]对于储气装置，优选的储气装置，是洞穴或人造压力容器。
[0043]基于本发明同一发明构思，提供一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统方法，包括:
[0044]在用电低谷或者储能时:
[0045]通过液化天然气与空气在第一换热器单元内进行换热，输出换热后降温的空气；
[0046]换热后降温的空气通过电动机驱动压气机组进行压缩，形成压缩后的空气；
[0047]压缩后的空气输入储气装置储存；
[0048]在用电高峰或者释放能量时:
[0049]储气装置输出高压空气至膨胀机组；
[0050]在热源加热下，膨胀机组内空气对膨胀机做功，带动发电机发电。
[0051]优选的，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力；和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
[0052]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0053]实施例1:
[0054]图1所示为本发明的利用LNG冷能的压缩空气储能系统实施例1，它采用两级压缩、级间冷却和两级膨胀、级间加热。图1中附图标记具有以下含义:
[0055]电动机I，低压压气机5，高压压气机9，高压膨胀机19，低压膨胀机23，换热器3、7、17、21，阀门11、15、27，管线2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、26、29、30、31、32、34、35，储气装置13，发电机24，LNG栗28，LNG储存装置25、气化器33、空气和LNG。
[0056]电动机I与压气机组的共有传动轴联接，发电机24与膨胀机组的共有传动轴联接。低压压气机5经管线2、4、换热器3与大气相连通;低压压气机5经管线6、高压压气机9经管线8分别与换热器7相通连;高压压气机9经管线10、12、阀门11与储气装置13相通连;高压膨胀机19经管线14、16、18及阀门15、换热器17与储气装置13相通连;高压膨胀机19经管线20、低压膨胀机23经管线22分别与换热器21相通连;低压膨胀机23经管线35与大气相连通;LNG栗28经管线26、阀门27与LNG储存装置25相连通;换热器3和换热器7分别经管线29、管线31与LNG栗28相连通;换热器3和换热器7分别经管线30、管线32与气化器33相连通;气化器33经管线34与天然气用户相连通。
[0057]储能时，打开阀门11、27，关闭阀门15，电动机I利用低谷电带动压气机组，空气经过换热器3后进入低压压气机5，LNG储存装置25中的LNG经LNG栗27提升压力后也进入换热器3中，在换热器3中，空气被LNG冷却，LNG吸收空气热能气化，冷却后的空气在低压压气机5压缩升温升压，压缩后的空气经管线6进入换热器7中继续被LNG冷却，冷却后的空气经管线8进入高压压气机9继续压缩并升温升压，其出口空气经阀门11及管线10、12进入储气装置13存储，储能结束，关闭阀门11、27。释能时，打开阀门15，关闭阀门11、27，储气装置13内的高压空气经管线14、16及阀门15进入换热器17，加热后的高压空气经管线18进入高压膨胀机19膨胀降温，其出口空气经管线20进入换热器21，加热后的空气经管线22进入低压膨胀机23继续膨胀做功并带动发电机24发电。释能结束，阀门15关闭。
[0058]—般情况下，储能和释能过程不同时进行，储能时，阀门11、27同时打开，阀门15关闭，阀门27的开度由压气机组流量控制。
[0059]实施例2:
[0060]图2所示为本发明的利用LNG冷能的压缩空气储能系统实施例2，其主体结构与实施例I相同，但它采用三级压缩、级间冷却及三级膨胀、级间加热代替实施例1中的两级压缩、级间冷却及两级膨胀、级间加热。其中，图2中附图标记具有以下含义:
[0061 ]电动机I，低压压气机39，中压压气机43，高压压气机47，高压膨胀机52，中压膨胀机56，低压膨胀机60，换热器37、41、45、50、54、58，储气装置13，管线36、38、40、42、44、46、48、12、14、49、51、53、55、57、59、61、26、62、63、64、65、66、67、34，发电机24，阀门11、15、27，LNG栗28，LNG储存装置25、气化器33、空气和LNG。
[0062]各部件的连接情况与实施例1基本相同。
[0063]储能时，关闭阀门15，打开阀门11、27，空气经过换热器37、低压压气机39、换热器41、中压压气机43、换热器45、高压压气机47、阀门11及管线36、38、40、42、44、46、48、12进入储气装置13进行存储，LNG经LNG栗28提升压力后分别进入换热器37、41、45吸收热量后，再进入气化器进一步气化，满足后续管网要求后通过管线34进入天然气用户，储能结束，关闭阀门11、27。释能时，关闭阀门11、27，打开阀门15，高压空气经过阀门15、换热器50和管线14、49、51进入高压膨胀机52膨胀做功，然后通过管线53进入换热器54加热，再通过管线55进入中压膨胀机56做功，然后经管线57进入换热器58加热，加热后的空气经管线59进入低压膨胀机60做功，空气最后通过管线61排入大气，释能结束，关闭阀门15。
[0064]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于包括: 第一换热器单元，空气在所述第一换热器单元内与液化天然气进行换热，输出换热后降温的空气； 压气机组，输入所述换热后降温的空气，输出压缩后的空气； 储气装置，用于储能时输入压缩后的空气，或者释能时输出所储存的压缩空气；以及膨胀机组，输入储存的压缩空气，在膨胀机组内经第二换热器单元加热后对膨胀机组做功。2.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于还包括液化天然气储存装置和液化天然气栗，液化天然气通过所述液化天然气栗从液化天然气储存装置中栗出，并进入所述第一换热器单元。3.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于还包括气化器，在第一换热器单元经换热后的液化天然气输入所述气化器，经气化器气化后输出气态天然气。4.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压缩机入口输入换热后降温的空气，输出低压空气;低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。5.根据权利要求4所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组还包括中间级压气机，所述低压空气经中间级压气机压缩后，经第一换热器单元与液化天然气换热，再输入高压压气机。6.根据权利要求4或5所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热器单元包括两个以上换热器，空气在输入压气机组的每一级压气机前均通过换热器与液化天然气进行换热。7.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气;每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气;优选的，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间膨胀机后再输入低压膨胀机。8.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，其特征在于还包括发电机，与所述对膨胀机组连接，使膨胀机组做功时带动发电机发电。9.利用液化天然气冷能的压缩空气储能方法，其特征在于包括: 在用电低谷或者储能时: 通过液化天然气与空气在第一换热器单元内进行换热，输出换热后降温的空气； 换热后降温的空气通过电动机驱动压气机组进行压缩，形成压缩后的空气； 压缩后的空气输入储气装置储存； 在用电高峰或者释放能量时: 储气装置输出高压空气至膨胀机组； 在经过第二换热器单元换热后温度升高，膨胀机组内空气对膨胀机做功，带动发电机发电。10.根据权利要求9所述的液化天然气冷能的压缩空气储能方法，其特征在于，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力;和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
【文档编号】F04B41/02GK105863752SQ201610382295
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】张雪辉, 陈海生, 李文, 朱阳历, 胡东旭, 李弘扬
【申请人】中国科学院工程热物理研究所