一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法

1.本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法。


背景技术：

2.液态天然气(lng)转化为压缩天然气(cng)的过程中将释放-162℃的深冷。这部分的冷能品质较高，具有很高的回收价值。目前lng冷能回收受到越来越多的关注。常规的热泵储电系统在储电过程中将低谷电、无法消耗的可再生能源转化为高温热能和低温冷能存储。在释电过程中将存储的冷热能再转化为电能释放。lng冷能的温度区间和热泵储电系统储能过程中存储的冷能的温度区间相对吻合，如何将lng冷能与热泵储电技术结合成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于如何将lng冷能与热泵储电技术相结合，从而提供一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
5.一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法，包括如下步骤：采用热泵制热系统将用电低谷期多余的电能转化为热能，用于为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的热能；采用lng冷能回收存储系统获取液态天然气中存储的冷能，用于为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的冷能；采用冷热能热机发电回路在用电高峰期利用所述热能与所述冷能进行发电。
6.进一步地，其中，所述lng冷能回收存储系统包括相连的液态天然气储罐、lng泵、lng蒸发器、压缩天然气储罐、蓄冷循环风机以及低温填充床；采用lng冷能回收存储系统获取液态天然气中存储的冷能具体包括：利用所述lng泵将所述液态天然气储罐中的液态天然气泵送至所述lng蒸发器中；利用所述蓄冷循环风机驱动常温的气体工质流入所述lng蒸发器，使液态天然气与常温的气体进行换热；使常温的气体换热后形成的低温的气体流入所述低温填充床中，与所述低温填充床中的固体颗粒蓄冷材料换热，以将冷能存储于所述低温填充床中；将液态的天然气吸热后形成的压缩天然气存储在所述压缩天然气储罐中。
7.进一步地，其中，所述热泵制热系统包括相连的驱动单元、制热回路压缩机组、制热回路多级膨胀机组、冷能排散换热器以及高温填充床；采用热泵制热系统将用电低谷期多余的电能转化为热能具体包括：利用电能使所述驱动单元驱动所述制热回路压缩机组将常温常压的气体压缩至高温高压状态；使高温高压状态的气体流经所述高温填充床，与所述高温填充床中的固体颗粒蓄热材料换热，以将热能存储于所述高温填充床中；经所述高温填充床换热后，高温高压的气体转换成常温高压状态，使常温高压状态的气体在所述制热回路多级膨胀机组中膨胀至低温常压状态；使低温常压的气体流经所述冷能排散换热器换热后转换成常温常压的气体；使常温常压的气体重新流至制热回路压缩机组中。
8.进一步地，利用常温高压状态的气体在所述制热回路多级膨胀机组中膨胀至低温
常压状态时，所述制热回路多级膨胀机组包括三级，分别记为第一级制热回路膨胀机、第二级制热回路膨胀机与第三级制热回路膨胀机；对应的所述冷能排散换热器包括三个，分别记为第一级冷能排散换热器、第二级冷能排散换热器与第三级冷能排散换热器；其中，所述第一级制热回路膨胀机、所述第一级冷能排散换热器、所述第二级制热回路膨胀机、所述第二级冷能排散换热器、所述第三级制热回路膨胀机以及所述第三级冷能排散换热器依次串联连接，以使从所述第三级冷能排散换热器流出的气体为常温常压状态。
9.进一步地，其中，还包括蓄热回路，包括相连的热能回收换热器、蓄热循环风机以及所述高温填充床；使高温高压状态的气体流经所述高温填充床，与所述高温填充床中的固体颗粒蓄热材料换热，以将热能存储于所述高温填充床中具体包括；使高温高压的气体流入所述热能回收换热器中；与此同时，启动蓄热循环风机驱动所述蓄热回路中的气体工质流入所述热能回收换热器中，与流入所述热能回收换热器中的高温高压的气体进行换热；高温高压的气体释热后至常温高压状态之后，进入所述制热回路多级膨胀机组中进行膨胀；蓄热回路中的气体工质吸热后转换成高温的气体工质，高温的气体工质流入所述高温填充床中，与其中的固体颗粒蓄热材料进行换热，将热能存储至所述高温填充床中；高温的气体工质流出所述高温填充床后转换成常温的气体工质，常温的气体工质重新经蓄热循环风机驱动进入所述热能回收换热器吸收热能。
10.进一步地，其中，所述冷热能热机发电回路包括压缩机组、所述高温填充床、膨胀机组、发电单元以及所述低温填充床；采用冷热能热机发电回路在用电高峰期利用所述热能与所述冷能进行发电具体包括：所述冷热能热机发电回路中的气体工质流经所述低温填充床吸收其中的冷能至低温常压状态；低温常压的气体工质进入所述压缩机组压缩至常温、中/高压状态；常温中/高压的气体工质流经所述高温填充床吸收其中的高温热能至高温中/高压状态；随后，高温、中/高压的气体工质流入所述膨胀机组膨胀做功，所述膨胀机组带动所述发电单元进行发电；膨胀后的常温常压的气体工质再次进入所述低温填充床吸收冷能；重复上述循环，不断的将冷能与热能转化为电能释放。
11.进一步地，其中，所述冷热能热机发电回路还包括介于所述高温填充床与所述膨胀机组之间的燃烧室；利用压缩天然气储罐中的压缩天然气在所述燃烧室内燃烧；使常温中/高压的气体工质流经所述高温填充床后，再流经所述燃烧室吸收其中的高温热能后至高温中/高压状态。
12.进一步地，所述热泵制热系统、所述蓄热回路、所述冷热能热机发电回路和所述lng蒸发器的热侧中的气体工质包括氩气、空气、氮气以及氦气中的一种或多种。
13.进一步地，所述蓄热回路、所述冷热能热机发电回路与所述lng蒸发器的热侧中的气体工质相同。
14.进一步地，所述低温填充床中的固体颗粒蓄冷材料包括岩石、沙石、金属颗粒以及固体砖材料中的一种或多种；所述高温填充床中的固体颗粒蓄热材料包括岩石、沙石、金属颗粒以及固体砖材料中的一种或多种。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的利用液态天然气冷能的热泵储电方法，将lng冷能回收存储系统与冷热能热机发电回路进行耦合，利用lng冷能回收系统为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的冷能，同时利用热泵制热系统为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的热
能，实现了高品位冷能的回收利用。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例中利用液态天然气冷能的热泵储电方法的流程示意图；
19.图2为本发明实施例中利用液态天然气冷能的热泵储电方法所基于的系统的结构示意图。
20.附图标记说明：
21.1、驱动单元；
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2、制热回路压缩机组；
22.3、第一级制热回路膨胀机；
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4、第二级制热回路膨胀机；
23.5、第三级制热回路膨胀机；
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6、热能回收换热器；
24.7、第一级冷能排散换热器；
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8、第二级冷能排散换热器；
25.9、第三级冷能排散换热器；
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10、蓄热循环风机；
26.11、高温填充床；
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12、液态天然气储罐；
27.13、lng泵；
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14、lng蒸发器；
28.15、压缩天然气储罐；
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16、蓄冷循环风机；
29.17、低温填充床；
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18、压缩机组；
30.19、膨胀机组；
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20、发电单元；
31.21、燃烧室。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
36.图1为本发明实施例中利用液态天然气冷能的热泵储电方法的流程示意图；图2为本发明实施例中利用液态天然气冷能的热泵储电方法所基于的系统的结构示意图；如图1与图2所示，本实施例提供一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法，该方法基于一种利用液态天然气冷能的热泵储电系统，该系统包括热泵制热系统、lng冷能回收存储系统、冷热能热机发电回路以及蓄热回路。
37.其中，热泵制热系统包括驱动单元1、制热回路压缩机组2、第一级制热回路膨胀机3、第一级冷能排散换热器7、第二级制热回路膨胀机4、第二级冷能排散换热器8、第三级制热回路膨胀机5、第三级冷能排散换热器9以及热能回收换热器6。
38.蓄热回路包括热能回收换热器6、蓄热循环风机10以及高温填充床11。
39.lng冷能回收存储系统包括液态天然气储罐12、lng泵13、lng蒸发器14、压缩天然气储罐15、蓄冷循环风机16以及低温填充床17。
40.冷热能热机发电回路包括压缩机组18、高温填充床11、膨胀机组19、发电单元20以及低温填充床17。
41.其中，驱动单元1与制热回路压缩机组2相连，驱动单元1可以是电动机。制热回路压缩机组2的出气口与热能回收换热器6的第一进气口相连通，热能回收换热器6的第一出气口与第一级制热回路膨胀机的进气口相连通，第一级制热回路膨胀机3、第一级冷能排散换热器7、第二级制热回路膨胀机4、第二级冷能排散换热器8、第三级制热回路膨胀机5以及第三级冷能排散换热器9依次串联连接，第三级冷能排散换热器9的出气口与制热回路压缩机组2的进气口相连通。
42.其中，热能回收换热器6的第二出气口与高温填充床11的第一进气口相连通，高温填充床11的第一出气口与蓄热循环风机10的进气口相连通，蓄热循环风机10的出气口与热能回收换热器6的第二进气口相连通。
43.其中，液态天然气储罐12的出液口与lng泵13的进液口相连通，lng泵13的出液口与lng蒸发器14的第一入口相连通，lng蒸发器14的第一出口与压缩天然气储罐15相连通。lng蒸发器14的第二出口与低温填充床17的第一进气口相连通，低温填充床17的第一出气口与蓄冷循环风机16的进气口相连通，蓄冷循环风机16的出气口与lng蒸发器14的第二入口相连通。
44.其中，低温填充床17的第二出气口与压缩机组18的进气口相连通，压缩机组18的出气口与高温填充床11的第二进气口相连通，高温填充床11的第二出气口与膨胀机组19的进气口相连通，膨胀机组19的出气口与低温填充床17的第二进气口相连通。
45.其中，在高温填充床11与膨胀机组19之间设置有燃烧室21，高温填充床11的第二出气口与燃烧室21的第一进气口相连通，燃烧室21的第一出气口与膨胀机组19的进气口相连通。燃烧室21的第二进气口与压缩天然气储罐15的出气口相连通，燃烧室21的第二出气口与外界环境相连通。
46.本实施例中的一种利用液态天然气冷能的热泵储电方法，包括如下步骤：采用热泵制热系统将用电低谷期多余的电能转化为热能，用于为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的热能；采用lng冷能回收存储系统获取液态天然气中存储的冷能，用于为冷热能热机发电回路提供发电过程中所需的冷能；采用冷热能热机发电回路在用电高峰期利用热能与冷能进行发电。
47.其中，采用lng冷能回收存储系统获取液态天然气中存储的冷能具体包括：利用lng泵13将液态天然气储罐12中的液态天然气泵送至lng蒸发器14中；利用蓄冷循环风机16驱动常温的气体工质流入lng蒸发器14，使液态天然气与常温的气体进行换热；使常温的气体换热后形成的低温的气体流入低温填充床17中，与低温填充床17中的固体颗粒蓄冷材料换热，以将冷能存储于低温填充床17中；将液态的天然气吸热后形成的压缩天然气存储在压缩天然气储罐15中。
48.其中，采用热泵制热系统将用电低谷期多余的电能转化为热能具体包括：利用电能使驱动单元1驱动制热回路压缩机组2将常温常压的气体压缩至高温高压状态；使高温高压状态的气体流经高温填充床11，与高温填充床11中的固体颗粒蓄热材料换热，以将热能存储于高温填充床11中；经高温填充床11换热后，高温高压的气体转换成常温高压状态，使常温高压状态的气体在制热回路多级膨胀机组中膨胀至低温常压状态；使低温常压的气体流经冷能排散换热器换热后转换成常温常压的气体；使常温常压的气体重新流至制热回路压缩机组2中。
49.其中，利用常温高压状态的气体在制热回路多级膨胀机组中膨胀至低温常压状态时，制热回路多级膨胀机组包括三级，分别记为第一级制热回路膨胀机3、第二级制热回路膨胀机4与第三级制热回路膨胀机5；对应的冷能排散换热器包括三个，分别记为第一级冷能排散换热器7、第二级冷能排散换热器8与第三级冷能排散换热器9；其中，第一级制热回路膨胀机3、第一级冷能排散换热器7、第二级制热回路膨胀机4、第二级冷能排散换热器8、第三级制热回路膨胀机5以及第三级冷能排散换热器9依次串联连接，以使从第三级冷能排散换热器9流出的气体为常温常压状态。
50.其中，使高温高压状态的气体流经高温填充床11，与高温填充床11中的固体颗粒蓄热材料换热，以将热能存储于高温填充床11中具体包括；使高温高压的气体流入热能回收换热器6中；与此同时，启动蓄热循环风机10驱动蓄热回路中的气体工质流入热能回收换热器6中，与流入热能回收换热器6中的高温高压的气体进行换热；高温高压的气体释热后至常温高压状态之后，进入制热回路多级膨胀机组中进行膨胀；蓄热回路中的气体工质吸热后转换成高温的气体工质，高温的气体工质流入高温填充床11中，与其中的固体颗粒蓄热材料进行换热，将热能存储至高温填充床11中；高温的气体工质流出高温填充床11后转换成常温的气体工质，常温的气体工质重新经蓄热循环风机10驱动进入热能回收换热器6吸收热能。
51.其中，采用冷热能热机发电回路在用电高峰期利用热能与冷能进行发电具体包括：冷热能热机发电回路中的气体工质流经低温填充床17吸收其中的冷能至低温常压状态；低温常压的气体工质进入压缩机组18压缩至常温、中/高压状态；常温中/高压的气体工质流经高温填充床11吸收其中的高温热能至高温中/高压状态；随后，高温、中/高压的气体工质流入膨胀机组19膨胀做功，膨胀机组19带动发电单元20进行发电；膨胀后的常温常压的气体工质再次进入低温填充床17吸收冷能；重复上述循环，不断的将冷能与热能转化为电能释放。
52.其中，利用压缩天然气储罐15中的压缩天然气在燃烧室21内燃烧；使常温中/高压的气体工质流经高温填充床11后，再流经燃烧室21吸收其中的高温热能后至高温中/高压状态。
53.其中，热泵制热系统、蓄热回路、冷热能热机发电回路和lng蒸发器14的热侧中的气体工质包括氩气、空气、氮气以及氦气中的一种或多种。
54.其中，蓄热回路、冷热能热机发电回路与lng蒸发器14的热侧中的气体工质相同。其中，lng蒸发器14的热侧中的气体工质指的是由lng蒸发器14、蓄冷循环风机16、低温填充床17所形成的回路中的气体工质。
55.其中，低温填充床17中的固体颗粒蓄冷材料包括岩石、沙石、金属颗粒以及固体砖材料中的一种或多种；高温填充床11中的固体颗粒蓄热材料包括岩石、沙石、金属颗粒以及固体砖材料中的一种或多种。
56.以下为储释过程气体工质流动方向及状态变化：
57.在储能过程中，使用电能制热，通过热泵制热系统将电能转化为热能并存储。制热回路压缩机组2和各级制热回路热机膨胀机传动连接，驱动单元1与制热回路压缩机组2驱动连接。驱动单元1消耗电能驱动制热回路压缩机组2，将常温常压的气体工质压缩至高温高压状态。高温高压的气体工质流经热能回收换热器6释放热能至常温高压状态。常温高压的气体工质进入各级制热回路多级膨胀机膨胀至低温常压状态。气体工质经过每一级制热回路膨胀机膨胀后进入对应的一级冷能排散换热器中将冷能排散到环境中，随后常温的气体工质继续流入下一级制热回路膨胀机中膨胀。从最后一级冷能排散换热器流出的气体工质重新回到常温常压状态，再次流入制热回路压缩机组2进行压缩制热。如此反复循环，不断的将电能转化为高温热能存储起来。
58.与此同时，启动蓄热循环风机10驱动蓄热回路中的气体工质流入热能回收换热器6中吸收热能至高温状态。高温的气体工质流入高温填充床11中，与其中的固体颗粒蓄热材料进行换热，将热能存储至其中。从高温填充床11流出的常温气体工质重新经蓄热循环风机10驱动进入热能回收换热器6吸收热能。
59.在储能过程中，通过lng冷能回收存储系统从液态天然气中吸收冷能并存储。低温的液态天然气经过lng泵13的驱动，从液态天然气储罐12中流出，进入lng蒸发器14释放冷能，液态天然气在lng蒸发器14中吸热蒸发至压缩天然气状态(cng)，沿管路流入压缩天然气储罐15中存储。
60.与此同时，启动蓄冷循环风机16驱动常温的气体工质流入lng蒸发器14吸收冷能至低温状态，低温气体工质流入低温填充床17与其中的固体颗粒蓄冷材料换热，将高品位冷能存储于其中。
61.当处于用电高峰期，系统向外释能。
62.将储能阶段存储的高品位热能和冷能通过热机循环转化为动能，再通过发电单元20转化为电能释放。
63.冷热能热机发电回路中的气体工质流经低温填充床17吸收其中的低温冷能至低温常压状态，低温常压的气体工质进入压缩机组18压缩至常温、中/高压状态。常温中/高压的气体工质流经高温填充床11吸收其中的高温热能至高温中/高压状态后，流入膨胀机组19膨胀做功。膨胀机组19和压缩机组18传动连接，膨胀机组19和发电单元20驱动连接。膨胀机组19带动发电单元20发电。膨胀后的常温常压气体再次进入低温填充床17吸收冷能。如此循环往复，不断的将冷热能转化为电能释放。
64.工质选择：
65.热泵制热系统、蓄热回路、冷热能热机发电回路和lng蒸发器14热侧中的气体工质为氩气、空气、氮气、氦气中的一种或多种。其中蓄热回路、冷热能热机发电回路、lng蒸发器14热侧的气体工质需为同一种。热泵制热系统的气体工质可以与上述回路不同。
66.lng冷能回收存储系统中lng蒸发器14冷侧的流动工质为天然气。
67.动力设备：
68.驱动单元1为驱动电机或电力机。当驱动单元1为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或者潮汐发电中的一种或多种为电源。
69.热泵制热系统中的压缩机组2和冷热能热机发电回路中的压缩机组18，总压比在3-20之间。当压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式。并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；热泵制热系统中的膨胀机组和冷热能热机发电回路中的膨胀机组19，总膨胀比在3-20之间；当膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
70.热泵制热系统中，压缩机组2的压比是各级膨胀机组的膨胀比的n倍(n为制热回路的膨胀机组的级数，图2中画出了3级膨胀机，实际可以为2、3、4、5、6级)。
71.存储设备：
72.高温填充床11和低温填充床17为圆柱体、球体或者长方体，固体蓄冷蓄热材料可以为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料中的一种或者多种的组合。
73.综上所述，本发明提供的利用液态天然气冷能的热泵储电方法提供了lng冷能回收的一种新思路，创新的将lng冷能与热泵储电系统结合，实现了高品位冷能的回收利用。
74.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。