一种高效液空储能/释能系统的制作方法

本实用新型涉及可再生能源并网和电网调峰的储能技术领域，特别是一种高效液空储能/释能系统。

背景技术：

随着可再生能源(风能、光热)发电的大规模普及，由于其随机性、间歇性等特点，接入电网将带来电压波动、频率波动等电能质量问题，甚至可能影响电网的安全稳定运行。而大规模电力储能技术可在电力系统中增加能源存储环节，使得实时平衡的“刚性”电力系统变得更加“柔性”，从而提高电网运行的安全性、经济性和灵活性，是解决风能、光热、潮汐能等可再生能源发电不稳定的关键技术。此外，大规模电力储能技术还可以有效解决电力生产与使用中峰谷差的矛盾，可提高电网(特别是微网或孤岛电网)的调峰能力。

现有的电力储能技术主要分三大类：化学储能类，包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池和锂电池等；电磁储能类，包括超级电容器储能和超导磁储能；物理储能类，包括抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能和液空储能。其中，飞轮储能、超级电容器储能和超导磁储能等功率型储能技术储能容量小、储能时间短，铅酸电池和锂电池造价高、安全性差且电池寿命短，钠硫电池造价高、安全性差且需要额外加热维持300℃以上的工作温度，液流电池能量密度低、材料受限且成本昂贵，都无法满足大规模电力储存的需求；抽水储能具有技术成熟、效率较高(70％～80％)、储能容量大、寿命长等优点，但需要特殊的地理条件、建设周期很长、初期投资巨大，因此建造抽水储能系统受到了越来越大的限制；压缩空气储能具有效率较高(50％～70％)、储能容量较大、寿命长等优点，但需要大型洞穴储气、储能密度低且需要依赖化石燃料，限制了该技术的大规模推广；液空储能作为一种大容量储能技术，采用液空作为储能介质，大大提高了能量密度，具有技术成熟、成本低、储能容量大、转化效率较高、无地理条件限制、寿命长及环境污染小等优点，具备大规模储能技术推广应用的潜力。

常规液空储能/释能系统中空气液化能耗较高、液空发电效率较低，导致系统总转化效率仅40％～50％(详见《工程热物理学报》第31卷第12期“新型液化空气储能技术及其在风电领域的应用”)，很难与抽水储能、压缩空气储能等大规模储能技术竞争。

技术实现要素：

本实用新型的目的是公开一种高效液空储能/释能系统，通过集成优化系统中的空气液化 单元、液空发电单元、蓄热单元和蓄冷单元，大幅度提高系统总转化效率，实现可再生能源发电的大规模并网，还可提高电网的调峰能力。

为达到以上目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高效液空储能/释能系统，包括：空气液化单元、液空发电单元、蓄热单元和蓄冷单元；

所述空气液化单元包括原料空气压缩机、原料空压机常温水冷却器A、原料空压机低温水冷却器A、空气纯化器、循环空气增压机、空气增压机常温水冷却器B、空气增压机低温水冷却器B、热端增压透平膨胀机的膨胀端、热端增压透平膨胀机的增压端、冷端增压透平膨胀机的膨胀端、冷端增压透平膨胀机的增压端、空气液化换热器、发电机制动高压液空膨胀机的膨胀端、高压液空膨胀机的发电端和液空储罐，原料空气压缩机的出口与原料空压机常温水冷却器A的进口连接，原料空压机常温水冷却器A的出口与原料空压机低温水冷却器A的进口相连，原料空压机低温水冷却器A的出口与空气纯化器的进口相连，空气纯化器的出口与空气液化换热器的通道II出口合并后一起与循环空气增压机的进口相连，循环空气增压机的出口与空气增压机常温水冷却器B的进口相连，空气增压机常温水冷却器B的出口与空气增压机低温水冷却器B的进口相连，空气增压机低温水冷却器B的出口分别与空气液化换热器的通道I进口、热端增压透平膨胀机的增压端的进口和冷端增压透平膨胀机的增压端的进口相连，热端增压透平膨胀机的增压端的出口与冷端增压透平膨胀机的增压端的出口合并后一起与空气液化热换器的通道III进口相连，空气液化热换器的通道I出口与热端增压透平膨胀机的膨胀端的进口相连，热端增压透平膨胀机的膨胀端的出口与空气液化换热器的通道II上进口相连，空气液化热换器的通道III上出口与冷端增压透平膨胀机的膨胀端的进口相连，冷端增压透平膨胀机的膨胀端的出口与空气液化换热器的通道II下进口相连，空气液化换热器的通道III下出口与发电机制动高压液空膨胀机的膨胀端的进口相连，高压液空膨胀机的膨胀端通过变速箱与高压液空膨胀机的发电端相连，高压液空膨胀机的膨胀端的出口与液空储罐的进口相连；

所述液空发电单元包括高压液空泵、液空蒸发器、高压空气加热器、高压空气膨胀发电机的膨胀端和高压空气膨胀机的发电端，高压液空泵的进口与液空储罐的出口相连，高压液空泵的出口与液空蒸发器的进口相连，液空蒸发器的出口与高压空气加热器进口相连，高压空气加热器的出口与高压空气膨胀发电机的膨胀端的进口相连，高压空气膨胀机的发电端与高压空气膨胀发电机的膨胀端通过变速箱相连；

所述蓄热单元包括常温水罐、常温水泵、低温水罐、低温水泵、高温水罐、冷水机组和循环水冷却器，低温水罐与低温水泵的进口端相连，常温水泵的进口与冷水机组的蒸发器进 口一起连接在常温水罐上，常温水泵的出口分别与原料空压机常温水冷却器A的进口和空气增压机常温水冷却器B的进口相连，且在相连的管道上设有调节阀门，同时原料空压机低温水冷却器A的出口与原料空压机常温水冷却器A的进口相连，空气增压机低温水冷却器B的出口与空气增压机常温水冷却器B的进口相连，冷水机组的蒸发器出口和低温水泵的进口一起连接在低温水罐上，且在连接的管道上设有调节阀门，低温水泵的出口分别与原料空压机低温水冷却器A的进口和空气增压机低温水冷却器B的进口相连，且在连接的管道上设有调节阀门，冷水机组的吸收器出口与循环水冷却器的进口相连，循环水冷却器的出口与常温水泵的进口相连，原料空压机常温水冷却器A的出口、空气增压机常温水冷却器B的出口、冷水机组的吸收器进口和高压空气加热器的进口均连接在高温水罐上；

所述蓄冷单元包括常温冷剂罐、循环冷剂泵和低温冷剂罐，低温冷剂罐的出口与空气液化热换器的通道IV进口相连且在相连的管道上设有调节阀门，空气液化热换器的通道IV出口与常温冷剂罐的进口相连，常温冷剂罐的出口与循环冷剂泵的进口相连，循环冷剂泵的出口与液空蒸发器的进口相连，液空蒸发器的出口与低温冷剂罐的进口相连且在相连的管道上设有调节阀门。

优选地，所述的高压液空泵为罐内潜液泵或带真空保冷腔的潜液泵。

优选地，所述的液空蒸发器和高压空气加热器采用管壳式、板壳式或印刷电路板式换热器。

优选地，所述的冷水机组为溴化锂吸收式制冷机组或吸收式制冷与压缩式制冷的组合机。

优选地，所述的循环水冷却器为空冷型、水冷型或吸收式热泵的一种或多种组合。

本实用新型具有如下优点：(1)空气液化单元采用冷热端膨胀机并联增压、并联膨胀的工艺，降低液化空气的能耗；(2)采用夹点技术回收压缩机的压缩热，用压缩热加热高压空气膨胀机的入口空气温度，提高膨胀输出功；同时将多余的压缩热驱动吸收式制冷机组，制取低温水进一步降低压缩机的功耗；(3)采用三罐式蓄热和双罐式蓄冷工艺，一次蓄热/蓄冷流体为A1型冷剂，不可燃、无毒，具有安全、易得、无防爆距离要求等特性，有效降低系统投资和占地面积。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例三的结构示意图；

图中，1-原料空气压缩机，2-原料空压机常温水冷却器A，3-原料空压机低温水冷却器A， 4-空气纯化器，5-循环空气增压机，6-空气增压机常温水冷却器B，7-空气增压机低温水冷却器B，8-热端增压透平膨胀机的增压端，9-热端增压透平膨胀机的增压端，10-冷端增压透平膨胀机的增压端，11-冷端增压透平膨胀机的膨胀端，12-空气液化换热器，13-高压液空膨胀机的膨胀端，14-高压液空膨胀机的发电端，15-液空储罐，20-常温冷剂罐，21-循环冷剂泵，22-低温冷剂罐，30-常温水罐，31-常温水泵，32-高温水罐，33-低温水罐，34-低温水泵，35-冷水机组，36-循环水冷却器，50-高压液空泵，51-液空蒸发器，52-高压空气加热器，53-高压空气膨胀机的膨胀端，54-高压空气膨胀机的发电端，100-释能区，200-释能区。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，本实用新型的保护范围不局限于以下所述：

实施例一：如图1所示，一种高效液空储能/释能系统，包括：空气液化单元、液空发电单元、蓄热单元和蓄冷单元；

如图1所示，空气液化单元包括原料空气压缩机1、原料空压机常温水冷却器A2、原料空压机低温水冷却器A3、空气纯化器4、循环空气增压机5、空气增压机常温水冷却器B6、空气增压机低温水冷却器B7、热端增压透平膨胀机的膨胀端8、热端增压透平膨胀机的增压端9、冷端增压透平膨胀机的膨胀端10、冷端增压透平膨胀机的增压端11、空气液化换热器12、发电机制动高压液空膨胀机的膨胀端13、高压液空膨胀机的发电端14和液空储罐15，原料空气压缩机1的出口与原料空压机常温水冷却器A2的进口连接，原料空压机常温水冷却器A2的出口与原料空压机低温水冷却器A3的进口相连，原料空压机低温水冷却器A3的出口与空气纯化器4的进口相连，空气纯化器4的出口与空气液化换热器12的通道II出口合并后一起与循环空气增压机5的进口相连，循环空气增压机5的出口与空气增压机常温水冷却器B6的进口相连，空气增压机常温水冷却器B6的出口与空气增压机低温水冷却器B7的进口相连，空气增压机低温水冷却器B7的出口分别与空气液化换热器12的通道I进口、热端增压透平膨胀机的增压端9的进口和冷端增压透平膨胀机的增压端11的进口相连，热端增压透平膨胀机的增压端9的出口与冷端增压透平膨胀机的增压端11的出口合并后一起与空气液化换热器12的通道III进口相连，空气液化换热器12的通道I出口与热端增压透平膨胀机的膨胀端8的进口相连，热端增压透平膨胀机的膨胀端8的出口与空气液化换热器12的通道II上进口相连，空气液化换热器12的通道III上出口与冷端增压透平膨胀机的膨胀端10的进口相连，冷端增压透平膨胀机的膨胀端10的出口与空气液化换热器12的通道II下进口相连，空气液化换热器12的通道III下出口与发电机制动高压液空膨胀机的膨胀端13的进口相连，高压液空膨胀机的膨胀端13通过变速箱与高压液空膨胀机的发电端14相连，高压液 空膨胀机的膨胀端13的出口与液空储罐15的进口相连；

如图1所示，液空发电单元包括高压液空泵50、液空蒸发器51、高压空气加热器52、高压空气膨胀发电机的膨胀端53和高压空气膨胀机的发电端54，高压液空泵50的进口与液空储罐15的出口相连，高压液空泵50的出口与液空蒸发器51的进口相连，液空蒸发器51的出口与高压空气加热器52进口相连，高压空气加热器52的出口与高压空气膨胀发电机的膨胀端53的进口相连，高压空气膨胀机的发电端54与高压空气膨胀发电机的膨胀端53通过变速箱相连；

如图1所示，蓄热单元包括常温水罐30、常温水泵31、低温水罐33、低温水泵34、高温水罐32、冷水机组35和循环水冷却器36，低温水罐33与低温水泵34的进口端相连，常温水泵31的进口与冷水机组35的蒸发器进口一起连接在常温水罐30上，常温水泵31的出口分别与原料空压机常温水冷却器A2的进口和空气增压机常温水冷却器B6的进口相连，且在相连的管道上设有调节阀门，同时原料空压机低温水冷却器A3的出口与原料空压机常温水冷却器A2的进口相连，空气增压机低温水冷却器B7的出口与空气增压机常温水冷却器B6的进口相连，冷水机组35的蒸发器出口和低温水泵34的进口一起连接在低温水罐33上，且在连接的管道上设有调节阀门，低温水泵34的出口分别与原料空压机低温水冷却器A3的进口和空气增压机低温水冷却器B7的进口相连，且在连接的管道上设有调节阀门，冷水机组35的吸收器出口与循环水冷却器36的进口相连，循环水冷却器36的出口与常温水泵31的进口相连，原料空压机常温水冷却器A2的出口、空气增压机常温水冷却器B6的出口、冷水机组35的吸收器进口和高压空气加热器52的进口均连接在高温水罐32上；

如图1所示，蓄冷单元包括常温冷剂罐20、循环冷剂泵21和低温冷剂罐22，低温冷剂罐22的出口与空气液化换热器12的通道IV进口相连且在相连的管道上设有调节阀门，空气液化换热器12的通道IV出口与常温冷剂罐20的进口相连，常温冷剂罐20的出口与循环冷剂泵21的进口相连，循环冷剂泵21的出口与液空蒸发器51的进口相连，液空蒸发器51的出口与低温冷剂罐22的进口相连且在相连的管道上设有调节阀门。

如图1所示，其液空储能/释能的流程如下：

储能区100储能时，多余的电能驱动空气依次进入原料空气压缩机1和循环空气增压机5中，得到的压缩空气依次被常温水和低温水冷却后分成三股：一股高压冷却空气进入空气液化换热器12的通道I，被冷流预冷后送入热端增压透平膨胀机的膨胀端8膨胀制冷，膨胀后的空气返回空气液化换热器12的通道II上部；其余两股高压冷却空气分别进入热端增压透平膨胀机的增压端9和冷端增压透平膨胀机的增压端11中并联增压，被增压的空气进入空气液化换热器12的通道III后分成两股：一股空气被冷流预冷后送入冷端增压透平膨胀机的 膨胀端10膨胀制冷；另一股空气被冷却、液化后进入发电机制动的高压液空膨胀机的膨胀端13继续膨胀制冷，产生的液化空气送入液空储罐15中储存；

储能区100储能时，常温水罐30中的常温水经常温水泵31加压后进入原料空压机常温水冷却器A2和空气增压机低温水冷却器B5A中，吸收压缩机的压缩热生产高温水后送入高温水罐32中进行蓄热，同时低温水罐33中的低温水经低温水泵34加压后进入原料空压机低温水冷却器A3和空气增压机低温水冷却器B7中，降低压缩空气的温度；

储能区100储能时，低温冷剂罐22中的低温冷剂送入空气液化换热器12的通道IV中，被复热至常温后进入常温冷剂罐20中储存；

释能区200释能时，液空储罐15中的液化空气经高压液空泵50加压至高压后，依次被液空蒸发器51和高压空气加热器52加热至高温空气，高温、高压空气再进入高压空气膨胀机53膨胀做功，驱动高压空气膨胀机的发电端54输出电能；

释能区200释能时，高温水罐32中的高温水分成两股：一股送入高压空气加热器52加热高压空气；另一股送入冷水机组35中，制取低温水，储存于低温水罐33中；

释能区200释能时，常温冷剂罐20中的常温冷剂经循环冷剂泵21加压后，送入液空蒸发器51中加热高压空气，同时被过冷后形成低温冷剂返回至低温冷剂罐22中进行蓄冷。

如图1所示，原料空气压缩机1的排气压力0.68MPa.G，压缩机级数为2级，其级间和末级均采用常温水和低温水串级冷却；循环空气增压机5的排气压力5.9MPa.G，压缩机级数为1级，其级间和末级均采用常温水和低温水串级冷却；高压空气膨胀机53膨胀前的压力19.9MPa.G、温度265℃，膨胀机级数为4级，其各级入口均设置加热器。

如图1所示，利用夹点技术提出三罐式蓄热工艺，一次蓄热流体为脱盐水，常温水罐30、高温水罐32和低温水罐33的工作温度分别在30℃、270℃和10℃。

如图1所示，采用双罐式蓄冷工艺，一次蓄冷流体为R134a。

本实施例中：以一个50MW标准风电场为例，为了满足风电场削峰填谷、减少弃风，实现风电平滑输出，按34％的比例配置储能/释能系统(参考文献《科技管理研究》2014年第1期“储能技术在风电并网领域的市场需求分析”)，即储能/释能容量均为17MW、持续时间各8h。该高效液空储能/释能系统的总转化效率为58.35％，详细参数见表一的“实施例1”。

实施例2：如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：增加高压空气再加热器54，利用外来热量(高温烟气、高压蒸汽或光热产生的高温熔盐等)将高压空气再加热至350℃；循环空气增压机5级数为2级。该高效液空储能/释能系统的总转化效率提高至74.96％，详细参数见表一的“实施例2”。

实施例3：如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：增加液空低温分离器11，回 收液空节流后产生的闪蒸气，利用闪蒸气的流量和冷量进一步降低空气液化的能耗。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。

表一：17MW×8h高效液空储能/释能系统技术参数