一种耦合LNG冷能、ORC技术和自然热源的液化空气储能系统及其工作方法

本发明属于能量的储存与利用领域，具体涉及一种耦合lng冷能、orc技术和自然热源的液化空气储能系统及其工作方法。

背景技术：

1、随着社会经济水平的不断提高，电能的需求量持续增加，可再生能源已逐步发展成为能源供应系统中至关重要的一部分。由于可再生能源发电所具有的间歇性和波动性，以及使用端的电力需求波动，因而需要采用储能技术将富余电能储存起来实现能源供需管理。液化空气具有储能密度大、运行寿命长、行业基础好、不受严格地理因素限制和投资成本低等优点，吸引了越来越多学者关注该领域的研究。

2、lng的冷能利用是学术界和工业界广泛讨论研究的话题。在长距离运输中，液化天然气的体积比气态天然气的体积小600倍，天然气的液化是为了能够更高效地储存和运输。在沿海lng接收站，通常要加热气化后以常温气态的形式输运到用户网络中才能被用户利用。标准沸点下(-162℃)液体纯甲烷气化为标准状态甲烷气体，可释放出大约830kj/kg冷量。这部分冷量若能加以充分利用，可以使天然气的整个产业链进一步达到更加节能减排的目标，同时还会带来极大的环境和经济效益。

3、但是目前由于常规的液化空气储能系统需要消耗大量能源将空气压缩为液态储存，因此其压缩耗功较大，实用效率不高，循环效率仅能达到40-70％。即使已有一些研究采用耦合lng冷源的方式去改善系统性能，但lng利用效率依然较低，无法有效应对电力供需波动的问题，整体系统的经济性和灵活性较差。

4、公开号为cn105863752a的中国发明专利公开了一种利用液化天然气冷能的压缩空气储能系统，空气先在换热器单元内与液化天然气进行换热，降温后的空气进入压气机组进行压缩，将压缩后的空气储存在储气装置中，释能时储气装置输出压缩空气，进入膨胀机组做功发电，采用级间再热以提高系统总效率。然而该系统中空气仍然以气态形式储存，对储存容器的耐压性要求较高，在低储存压力下储能密度较低。

5、公开号为cn113932564a的中国发明专利公开了一种采用液化天然气蓄冷的液化空气储能系统，储能阶段空气经过空气处理单元，而后进入压缩制冷组件先升压后膨胀降温，其中压缩热被液化天然气吸收，膨胀后的空气进入气液分离组件，气态空气的冷量被重新利用，液态空气进入储罐存储；释能阶段，利用天然气回收液化空气的富余冷能，并将降温液化后的天然气用于储能阶段降低压缩后的工质温度，加热后的释能空气经过膨胀机组做功发电。该系统直接利用液化天然气与压缩后的工质进行换热、天然气与液化空气进行换热，会导致极大的损失，同时其液化率较低，流程过于复杂，稳定性和可靠性有待进一步提高。

6、公开号为cn112254561a的中国发明专利公开了利用lng冷能和燃气调峰发电余热的液态空气储能系统，将液态空气储能子系统、燃气调峰发电子系统和蒸汽循环发电子系统三者耦合，液态空气储能子系统中空气利用液化天然气的冷量预冷，燃气调峰发电子系统中气化的天然气直接燃烧发电，并将燃烧发电后的余热作为朗肯循环以及液化空气储能子系统释能阶段的热源。然而在该系统的预冷器中常温的空气直接与液化天然气换热，会造成极大的损失，此外燃烧后的烟气余热利用效率较低运行调控困难，还会导致液化空气储能系统释能工质的中低品味冷能大幅度损失。

7、公开号为cn114810253a的中国发明专利公开了一种利用lng冷能的液化空气储能系统及其工作方法，液化天然气依次经过空气液化子系统、双压有机朗肯循环子系统升温气化为天然气，同时常温常压空气依次经过双压有机朗肯循环子系统、空气液化子系统降温液化为低温液态空气并储存，释能时液态空气加压后进入液化空气气化子系统，吸收储存的热量升温再进入膨胀机做功发电，换热工质依次经过空气液化子系统、双压有机朗肯循环子系统、液化空气气化子系统充分利用系统中的富余能量，但该系统整体换热损失较大，流程相对较为复杂，不具备运行灵活性，难以实际应用。

8、公开号为us2019063685a1的美国发明专利公开了一种基于浮式存储再气化发电装置的耦合液化空气储能和lng气化的系统工作方法，lng的气化流程连续进行，包括预热、气化和过热三部分，在低电力需求时段气态空气先经过压缩机增压同时回收压缩热，而后与液态lng换热后降温至-60℃至-80℃区间再进行液化流程，在电力需求较高时先采用半封闭co2蒸气底循环充分利用液态空气冷能以提高系统效率，随后释能工质经过加热后进入膨胀机发电做功。然而该系统将lng冷能主要用于液化阶段，导致压缩过程中排气温度依然较高，压缩耗功较大，同时其液化率较低，系统整体性能不高。

9、由此可见，虽然已有国内外学者对液化空气储能系统尝试进行了改进，然而大都会存在损失、换热损失大，效率低进而整体性能较低的情况，本发明基于现有系统存在的上述缺陷进行改进，提供了一种具有较高循环效率、较低能量损失的液化空气储能系统。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种耦合lng冷能、orc技术和自然热源的液化空气储能系统及其工作方法，以解决现有技术中能量损失较大，而效率较低的缺陷，实现了低能量损失，高循环效率和运行效率。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种耦合lng冷能、orc技术和自然热源的液化空气储能系统，包括lng气化子系统、空气液化子系统、液化空气气化子系统和太阳能加热子系统；

4、所述的lng气化子系统包括依次连接的丙烷蓄冷循环和回热式朗肯循环；

5、所述的空气液化子系统包括依次连接的压缩液化设备组和液化空气储罐，所述的压缩液化设备组与丙烷蓄冷循环耦合；

6、所述的液化空气气化子系统包括依次连接的再热式朗肯循环和膨胀做功设备组，所述的再热式朗肯循环与液化空气储罐相连；

7、所述的太阳能加热子系统分别与回热式朗肯循环和再热式朗肯循环相连，所述的太阳能加热子系统的加热介质为海水，为回热式朗肯循环与再热式朗肯循环中的换热器提供热源；

8、lng经丙烷蓄冷循环或压缩液化设备组，以及回热式朗肯循环的依次换热后转化为ng；空气经压缩液化设备组压缩液化后储存于液化空气储罐中；液化空气经再热式朗肯循环和膨胀做功设备组的膨胀气化转化为空气。

9、优选地，所述的丙烷蓄冷循环包括1#丙烷储罐、2#丙烷储罐、2#离心泵、3#离心泵和1#换热器；

10、1#丙烷储罐、2#离心泵、1#换热器、2#丙烷储罐、3#离心泵和压缩液化设备组依次相连，且压缩液化设备组与1#丙烷储罐相连，构成循环；

11、所述的1#换热器的冷源为lng，热源为丙烷蓄冷循环的循环介质。

12、优选地，所述的压缩液化设备组包括若干级串联的多股流换热器，上一级多股流换热器的热流出口与下一级多股流换热器的热流入口之间连接有压缩机；

13、所述的压缩液化设备组的热源为空气，冷源为lng和/或丙烷蓄冷循环的循环介质。lng的高品位冷量和丙烷回收的lng冷能用于空气压缩液化过程中降低压缩机出口处空气的温度，可大幅度减少压缩机耗功，进而提高系统的运行效率；压缩液化设备组使常温常压的空气达到空气液化的临界点后进入液化空气储罐进行存储。

14、优选地，所述的回热式朗肯循环包括2#换热器、3#换热器、海水换热器、膨胀机和4#离心泵；

15、2#换热器的热流出口与4#离心泵的入口相连，4#离心泵的出口与3#换热器的冷流入口相连，3#换热器的冷流出口与海水换热器的冷流入口相连，海水换热器的冷流出口与膨胀机的入口相连，膨胀机的出口与3#换热器的热流入口相连，3#换热器的热流出口与2#换热器的热流入口相连，构成循环；

16、所述的2#换热器的热源为回热式朗肯循环的循环介质，冷源为lng；所述的海水换热器的热源来自太阳能加热子系统，冷源为回热式朗肯循环的循环介质；

17、所述的回热式朗肯循环中，海水换热器至少设有一级，每一级海水换热器之后连接有一级膨胀机，通过膨胀机输出功。

18、优选地，所述的回热式朗肯循环的循环介质为烃类混合物，优选摩尔组成为乙烷42.12mol％、丙烷35.54mol％、正丁烷13.32mol％和异丁烷9.02mol％的烃类混合物。

19、优选地，所述的再热式朗肯循环包括4#换热器、6#离心泵、海水换热器和膨胀机；

20、4#换热器的热流出口与6#离心泵的入口相连，6#离心泵的出口与海水换热器的冷流入口相连，海水换热器的冷流出口与膨胀机的入口相连，膨胀机的出口与4#换热器的热流入口相连，构成循环；

21、所述的4#换热器的热源为再热式朗肯循环的循环介质，冷源为液化空气；所述的海水换热器的热源来自太阳能加热子系统，冷源为再热式朗肯循环的循环介质；

22、所述的再热式朗肯循环中，海水换热器至少设有一级，每一级海水换热器之后连接有一级膨胀机，通过膨胀机输出功。

23、优选地，所述的再热式朗肯循环的循环介质为烃类混合物，优选摩尔组成为乙烷44.11mol％、丙烷42.73mol％、正丁烷6.52mol％和异丁烷6.64mol％的烃类混合物。

24、优选地，所述的膨胀做功设备组包括若干级串联设置的海水换热器，每一级的海水换热器之后连接有膨胀机；

25、所述的膨胀做功设备组的热源来自太阳能加热子系统，冷源为液化空气。多级膨胀机组之间使用海水加热器实现级间再热。

26、优选地，所述的液化空气储能系统还包括连接于丙烷蓄冷循环之前的1#离心泵、连接于回热式朗肯循环之后的1#海水换热器、连接于液化空气储罐与再热式朗肯循环之间的5#离心泵以及连接于膨胀做功设备组之后的10#海水换热器。

27、本发明第二方面公开了一种如上任一所述的耦合lng冷能、orc技术和自然热源的液化空气储能系统的工作方式，

28、用电低谷时，

29、lng和/或丙烷蓄冷循环向压缩液化设备组释放热量，使常温常压的空气压缩液化为液化空气并储存于液化空气储罐中，随后lng再向回热式朗肯循环释放热量并转化为ng，同时回热式朗肯循环中的膨胀机输出功；

30、用电高峰时，

31、lng向丙烷蓄冷循环释放热量使冷能储存于丙烷蓄冷循环中，随后lng再向回热式朗肯循环释放热量并转化为ng，同时回热式朗肯循环中的膨胀机输出功，

32、储存于液化空气储罐中的液化空气向再热式朗肯循环释放热量，使再热式朗肯循环中的膨胀机输出功，同时液化空气转化为低温高压的气态空气，低温高压的气态空气随后进入膨胀做功设备组中输出功并转化为常温常压的空气。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明涉及一种耦合lng冷能、orc技术和自然热源的液化空气储能系统及其工作方法，将lng气化过程(lng气化子系统)和液化空气储能系统(空气液化子系统+液化空气气化子系统)结合，lng气化过程全天候(24h)工作持续输出电能，保证连续不断提供天然气至用户网络，同时利用蓄冷装置(丙烷蓄冷循环)储存用电高峰时段的lng冷能，确保系统灵活性。

35、用电低谷时段，空气液化子系统利用lng冷能以及丙烷回收的冷量获得液化空气；在用电高峰时段，通过orc技术利用液化空气的富余冷能做功发电，随后液化空气气化子系统利用沿海地区充足的太阳能资源加热海水(太阳能加热子系统)，进而做功发电，起到电网调峰管理的作用。

36、1)将lng全天候连续气化而释放的冷能与储能系统进行结合，在不同时间段下通过丙烷蓄冷循环实现的两种不同工作模式可以确保系统运行灵活性，有效应对城市电网负荷波动的问题，将lng的高品位冷能用于降低压缩过程中的工作温度，大幅度减少压缩机耗功，提高了系统的运行效率，lng的中低品位冷能用于回热式朗肯循环，实现lng冷能的梯级利用，减少气化升温过程中的能量损失。

37、2)采用再热式朗肯循环利用液化空气富余的冷能，提高系统的能源利用率，同时增大系统释能阶段发电量，利用沿海地区丰富的太阳能资源加热海水，并以升温后的海水为热源加热进入膨胀机做功的工质，增大释能工质的做功能力，有效提高储能系统的循环效率。