一种液态压缩空气储能系统及方法与流程

本发明属于储能方面的动力传动，尤其涉及一种液态压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

1、液态压缩空气储能是利用电网中低谷电或新能源中不稳定的弃风、弃光等电能，压缩空气并液化储存在液态空气储罐中，在电网负荷高峰期液态空气经过泵加压，经过蓄冷器储存冷量，在经过加热器形成高温高压气体推动空气膨胀机，带动发电机发电。目前独立液态空气储能系统的能量转换效率相对较低，只有50～55％。

2、其中一个主要原因是液体空气产率较低，空气液化过程中可用的冷能不足，释能过程中液态空气不能经过深冷泵加太高的压力，降低了空气的做功能力。现有许多方案提出采用耦合外部冷源，例如lng冷能，利用lng废冷提供空气液化的冷能，但是这种系统的应用场景会受到极大的限制。

3、另一个导致液态空气储能系统的能量转换效率低的原因是压缩热利用率低，也有方案提出耦合光热、工业废热等外部热源，但是没有考虑到综合能量利用率，推广性较差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种液态压缩空气储能系统及方法，该系统采用三级压缩两级膨胀，熔盐及高压热水储热方式，并耦合卡琳娜循环系统及电制冷装置，可改善上述提出的不足之处。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、一种液态压缩空气储能系统，包括液态空气储能子系统、液态空气释能子系统、卡琳娜循环子系统及电制冷装置；

4、液态空气储能子系统包括主换热器、蓄冷装置，液态空气释能子系统包括回冷换热器，卡琳娜循环子系统包括卡琳娜循环冷凝器；

5、液态空气储能子系统与液态空气释能子系统通过蓄冷装置连接，蓄冷装置工质出口连接主换热器第三冷端工质进口，主换热器第三冷端工质出口连接蓄冷装置工质进口，蓄冷装置工质出口连接回冷换热器工质进口，回冷换热器工质出口连接蓄冷装置工质进口；

6、回冷换热器工质出口连接卡琳娜循环冷凝器冷端工质进口，卡琳娜循环冷凝器冷端工质出口连接回冷换热器工质进口；

7、电制冷装置通过主换热器与液态空气储能子系统连接，电制冷装置工质出口连接主换热器第二冷端工质进口，主换热器第二冷端工质出口连接电制冷装置工质进口。

8、进一步地，所述液态空气储能子系统还包括第一电动机、空气过滤器、第一级压缩机、压缩侧第一级熔盐换热器、压缩侧第一级高压热水换热器、压缩侧第一级冷却器、第二级压缩机、压缩侧第二级熔盐换热器、压缩侧第二级高压热水换热器、压缩侧第二级冷却器、第三级压缩机、压缩侧第三级冷却器、分子筛、低温膨胀机、第一发电机、气液分离器和液态空气储罐；

9、驱动第一电动机同轴连接第一级压缩机、第二级压缩机、第三级压缩机，第一级压缩机空气进口压缩经过空气过滤器的环境空气，第一级压缩机空气出口连接压缩侧第一级熔盐换热器空气进口，压缩侧第一级熔盐换热器空气出口连接压缩侧第一级高压热水换热器空气进口，压缩侧第一级高压热水换热器空气出口连接压缩侧第一级冷却器空气进口，压缩侧第一级冷却器空气出口连接第二级压缩机空气进口，第二级压缩机空气出口连接压缩侧第二级熔盐换热器空气进口，压缩侧第二级熔盐换热器空气出口连接压缩侧第二级高压热水换热器空气进口，压缩侧第二级高压热水换热器空气出口连接压缩侧第二级冷却器空气进口，压缩侧第二级冷却器空气出口连接第三级压缩机空气进口，第三级压缩机空气出口连接压缩侧第三级冷却器空气进口，压缩侧第三级冷却器空气出口连接分子筛空气进口，分子筛空气出口连接主换热器热端空气进口，主换热器热端空气出口连接低温膨胀机空气进口，第一发电机连接低温膨胀机，低温膨胀机空气出口连接气液分离器空气入口，气液分离器未液化空气出口连接主换热器第一冷端空气进口，主换热器第一冷端空气出口排向环境，气液分离器液态空气出口连接液态空气储罐液态空气入口。

10、进一步地，所述液态空气储能子系统还包括高温熔盐储罐、低温熔盐输送装置和低温熔盐储罐；

11、低温熔盐储罐通过低温熔盐输送装置连接压缩侧第二级熔盐换热器熔盐进口、压缩侧第一级熔盐换热器熔盐进口，压缩侧第二级熔盐换热器熔盐出口、压缩侧第一级熔盐换热器熔盐出口连接高温熔盐储罐。

12、进一步地，所述液态空气储能子系统还包括高温高压热水储罐、低温高压热水输送装置和低温高压热水储罐；

13、低温高压热水储罐通过低温高压热水输送装置连接压缩侧第二级高压热水换热器热水进口、压缩侧第一级高压热水换热器热水进口，压缩侧第二级高压热水换热器热水出口、压缩侧第一级高压热水换热器热水出口连接高温高压热水储罐。

14、进一步地，所述液态空气储能子系统还包括高温冷却水储罐、高温冷却水输送装置、低温冷却水输送装置和低温冷却水储罐；

15、低温冷却水储罐通过低温冷却水输送装置连接压缩侧第三级冷却器冷却水进口、压缩侧第二级冷却器冷却水进口、压缩侧第一级冷却器冷却水进口，缩侧第三级冷却器冷却水出口、压缩侧第二级冷却器冷却水出口、压缩侧第一级冷却器冷却水出口连接高温冷却水储罐，高温冷却水储罐通过高温冷却水输送装置连接低温冷却水储罐。

16、进一步地，液态空气释能子系统还包括深冷泵、膨胀侧第二级熔盐换热器、膨胀侧第二级高压热水换热器、膨胀侧第一级熔盐换热器、膨胀侧第一级高压热水换热器、第一级膨胀机和第二级膨胀机；

17、液态空气储罐液态空气出口连接深冷泵液态空气进口，深冷泵液态空气出口连接回冷换热器液态空气进口，回冷换热器空气出口连接膨胀侧第一级高压热水换热器空气进口，膨胀侧第一级高压热水换热器空气出口连接膨胀侧第一级熔盐换热器空气进口，膨胀侧第一级熔盐换热器空气出口连接第一级膨胀机空气进口，第一级膨胀机空气出口连接膨胀侧第二级高压热水换热器空气进口，膨胀侧第二级高压热水换热器空气出口连接膨胀侧第二级熔盐换热器空气进口，膨胀侧第二级熔盐换热器空气出口连接第二级膨胀机空气进口，第二级膨胀机空气出口排向环境。

18、进一步地，液态空气释能子系统还包括第二发电机；

19、第二发电机同轴依次连接第二级膨胀机和第一级膨胀机。

20、进一步地，卡琳娜循环子系统还包括卡琳娜循环熔盐加热器、卡琳娜循环高压热水加热器、卡琳娜循环分离器、卡琳娜循环第二预热器、卡琳娜循环第一预热器、卡琳娜循环工质泵、卡琳娜循环膨胀机和第三发电机；

21、卡琳娜循环工质泵工质出口连接卡琳娜循环第一预热器冷端工质进口，卡琳娜循环第一预热器冷端工质出口连接卡琳娜循环第二预热器冷端工质进口，卡琳娜循环第二预热器冷端工质出口连接卡琳娜循环高压热水加热器冷端工质进口，卡琳娜循环高压热水加热器冷端工质出口连接卡琳娜循环熔盐加热器冷端工质进口，卡琳娜循环熔盐加热器冷端工质出口连接卡琳娜循环分离器公质进口，卡琳娜循环分离器贫氨溶液出口连接卡琳娜循环第二预热器热端工质进口，卡琳娜循环分离器富氨溶液出口连接卡琳娜循环膨胀机工质进口，卡琳娜循环膨胀机工质出口与卡琳娜循环第二预热器热端工质出口工质混合连接卡琳娜循环第一预热器热端工质进口，卡琳娜循环第一预热器热端工质出口连接卡琳娜循环冷凝器热端工质进口，卡琳娜循环冷凝器热端工质出口连接卡琳娜循环工质泵工质进口，第三发电机与卡琳娜循环膨胀机连接。

22、进一步地，液态空气释能子系统还包括高温熔盐输送装置；

23、高温熔盐储罐通过高温熔盐输送装置连接膨胀侧第二级熔盐换热器熔盐进口、膨胀侧第一级熔盐换热器熔盐进口，膨胀侧第二级熔盐换热器熔盐出口、膨胀侧第一级熔盐换热器熔盐出口连接卡琳娜循环熔盐加热器熔盐进口，卡琳娜循环熔盐加热器熔盐出口连接低温熔盐储罐。

24、进一步地，液态空气释能子系统还包括高温高压热水输送装置；

25、高温高压热水储罐通过高温高压热水输送装置连接膨胀侧第二级高压热水换热器热水进口、膨胀侧第一级高压热水换热器热水进口，膨胀侧第二级高压热水换热器热水出口、膨胀侧第一级高压热水换热器热水出口连接卡琳娜循环高压热水加热器热水进口，卡琳娜循环高压热水加热器热水出口连接低温高压热水储罐。

26、一种液态压缩空气储能方法，包括储能过程和释能过程：

27、储能过程包括以下步骤：

28、步骤11，驱动第一电动机工作，电动机驱动第一级压缩机、第二级压缩机、第三级压缩机将经过空气过滤器的环境空气压缩至高温高压空气；

29、步骤12，低温熔盐储罐中熔盐通过压缩侧第一级熔盐换热器和压缩侧第二级熔盐换热器回收压缩热储存在高温熔盐储罐中；

30、步骤13，低温高压热水储罐中高压热水通过压缩侧第一级高压热水换热器、压缩侧第二级高压热水换热器回收压缩热储存在高温高压热水储罐中；

31、步骤14，低温冷却水储罐中循环冷却水通过压缩侧第一级冷却器、压缩侧第二级冷却器、压缩侧第三级冷却器冷却空气后储存在高温冷却水储罐中；

32、步骤15，冷却后的空气经过分子筛去除剩余水分、二氧化碳进行净化，净化后的空气经过主换热器吸收冷能液化，同时电制冷装置、蓄冷装置中工质经过主换热器提供冷能，高压液化空气经过低温膨胀机做功排出低压液态、气态空气混合物进入气液分离器，气液分离器中未液化空气进入主换热器提供冷能，液化空气进入液态空气储罐中储存。

33、释能过程包括以下步骤：

34、步骤21，液态空气储罐中液态空气经过深冷泵加压，排出的高压液态空气经过回冷换热器回收冷能，同时回冷换热器中冷能储存在蓄冷装置中，释放冷能之后液态空气转变为气态空气；

35、步骤22，气态空气经过膨胀侧第一级高压热水换热器吸收来自高温高压热水储罐的部分热量并排出；

36、步骤23，步骤22排出的空气经过膨胀侧第一级熔盐换热器吸收来自高温熔盐储罐的部分热量并排出；

37、步骤24，步骤23排出的空气经过第一级膨胀机做功，做工后排出的空气经过膨胀侧第二级高压热水换热器吸收来自高温高压热水储罐的另一部分热量并排出；

38、步骤25，步骤24排出的空气经过膨胀侧第二级熔盐换热器吸收来自高温熔盐储罐的另一部分热量并排出；

39、步骤26，步骤25排出的空气经过第二级膨胀机做功，做工后的空气排向环境，第一级膨胀机、第二级膨胀机带动第二发电机发电。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

41、(1)采用级间换热器，熔盐作为高温储热介质，高压热水作为中温储热介质，梯级回收压缩热，并在在释能阶段空气依次通过高压热水和熔盐换热器梯级利用压缩热，使系统循环效率更高。

42、(2)第二、三级压缩机前设置循环水冷却器，降低压缩机进口温度进而降低压缩功。

43、(3)耦合电制冷装置，在储能阶段提高空气液化率。电制冷装置补充的冷能可以解决释能阶段高压液态空气所提供的冷能不足问题，提高深冷泵压力，进而提高系统循环效率。并且采用电制冷装置代替lng冷能可解决应用场景受限的问题。

44、(4)耦合卡琳娜循环，利用液态空气储能系统过剩热量加热氨水混合物，使压缩热更有效利用，并用液态空气气化过程的少部份冷能冷凝氨水混合物，使整个系统循环效率更高。

45、(5)本发明不仅保证了液态空气储能系统能量密度大和选址灵活的优点，而且通过采用熔盐储热、耦合电制冷装置及卡琳娜循环系统提高了整体系统循环效率。