CN116123764B - 一种全封闭压缩气体液化储能发电系统 - Google Patents

一种全封闭压缩气体液化储能发电系统

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Abstract

本发明公开了一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，包括压缩系统、第一换热单元、高压气液存储容器、第二换热单元、换热系统、膨胀系统、低温膨胀系统和低压气液存储容器。本发明将循环气体液化储存，大大减小储存罐体积；采用高温气体与低温气液共存体直接换热方式，避免二次换热效率损失，加快系统反应速度；全封闭化循环，没有其他物质输入输出系统，采用直接换热与低温膨胀机结合方式，使得换热系统较少，装置结构简单；没有可燃气体参与循环，避免对大气环境产生污染；体积较小，方便运输；可根据使用需求量在模块内采取搭积木形式增加子系统。

Description

一种全封闭压缩气体液化储能发电系统
技术领域
本发明属于压缩气体储能技术领域，具体涉及一种全封闭压缩气体液化储能发电系统。
背景技术
目前，全世界都在大力发展绿色能源发电技术，例如风电、潮汐能、水电、太阳能等，但这些发电均存在明显的峰谷效应，造成电网输电频率的频繁波动。为了更好的削峰填谷以及保障设备正常运行，需要采用可靠的储能装置参与其中进行调节。
压缩空气储能是将外界空气压缩成高压空气，从而将多余的电能转换为内能存储起来；待释放电能时，用高压空气带动膨胀系统做功释放电能，其具有储能能量密度高，不污染外界环境，相较于其他方式体积较小等特点。但其仍具有以下缺点：储气罐体积仍较大，不方便运输和使用；各部件关联性强，无法分离使用；仍需要空气参与循环内外交换，对使用环境和空气纯净度有要求，增加装置使用难度。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，能有效解决上述压缩空气储能装置体积大，使用环境单一，便携性差、无法分点布置等不足之处。
技术方案：一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，包括压缩系统、第一换热单元、高压气液存储容器、第二换热单元、换热系统、膨胀系统、低温膨胀系统和低压气液存储容器，所述压缩系统包括电机和压缩机组，所述压缩机组与电机电连接；所述第一换热单元包含并列设置的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第二换热单元包括并列设置的第五通道和第六通道；所述换热系统包括低温罐和高温罐；所述膨胀系统包括膨胀机和第一发电机，所述膨胀机与第一发电机电连接；所述低温膨胀系统包括低温膨胀机和第二发电机，所述低温膨胀机与第二发电机电连接；
所述压缩机组的出口与第一通道的进口连接，所述第一通道的出口与高压气液存储容器的进口连接，所述高压气液存储容器的出口与第五通道的进口连接，所述第五通道的出口与膨胀机的进口连接，所述膨胀机的出口与低温膨胀机的进口连接，所述低温膨胀机的出口与低压气液存储容器的进口连接，所述低压气液存储容器的出口与第三通道进口连接，所述第三通道的出口与压缩机组的进口连接，所述低温罐的出口与第二通道的进口连接，所述第二通道的出口与高温罐的进口连接，所述高温罐的第一出口与第六通道的进口连接，所述第六通道的出口与低温罐的进口连接，所述高温罐的第二出口与第四通道的进口连接，所述第四通道的出口与低温罐的进口连接。
优选的，所述第一通道的出口与高压气液存储容器的进口连接的管道上设有第一阀门，所述高压气液存储容器的出口与第五通道的进口连接的管道上设有第二阀门，所述第二通道的出口与高温罐的进口连接的管道上设有第三阀门，所述高温罐的第二出口与第四通道的进口连接的管道上设有第四阀门，所述高温罐的第一出口与第六通道的进口连接的管道上设有第五阀门，所述低温膨胀机的出口与低压气液存储容器的进口连接的管道上设有第六阀门，所述低压气液存储容器的出口与第三通道进口连接的管道上设有第七阀门。
优选的，所述压缩机组为轴流压缩机、离心压缩机、混流压缩机、往复式压缩机、涡旋压缩机、螺杆压缩机中的一种或几种的串联或并联。
优选的，所述膨胀机轴流膨胀机、向心膨胀机、混流膨胀机、往复式膨胀机中的一种或几种的串联或并联。
优选的，所述压缩机组设有初始介质进口。
进一步的，所述初始介质为空气、二氧化碳、氦气中一种或几种的混合物。
优选的，低温罐与高温罐之间的换热介质为水、空气、石蜡、生物质油、导热油、无机类结晶水合盐、熔融盐、有机类脂肪酸、丙烷或乙二醇溶液。
有益效果：体积上：将循环气体液化储存，大大减小储存罐体积；
效率上：采用高温气体与低温气液共存体直接换热方式，避免二次换热效率损失，加快系统反应速度；
结构上：全封闭化循环，没有其他物质输入输出系统，采用直接换热与低温膨胀机结合方式，使得换热系统较少，装置结构简单；
环保上：没有可燃气体参与循环，避免对大气环境产生污染；
便携性上：体积较小，方便运输；
规格上：可根据使用需求量在模块内采取搭积木形式增加子系统。
附图说明
图1是本发明一种全封闭压缩气体液化储能发电系统示意图；
图2是图1中压缩气体储能初始阶段的结构示意图；
图3是图1中压缩气体储能完全阶段的结构示意图；
图4是图1中膨胀气体释能阶段的结构示意图；
图中序号：1、压缩系统，11、电机，12、压缩机组，2、第一换热单元，21、第一通道，22、第二通道，23、第三通道，24、第四通道，31、第一阀门，32、第二阀门，33、第三阀门，34、第五阀门，36、第六阀门，37、第七阀门，4、高压气液存储容器，5、换热系统，51、低温罐，52、高温罐，6、第二换热单元，61、第五通道，62、第六通道，7、膨胀系统，71、膨胀机，72、第一发电机，8、低温膨胀系统，81、低温膨胀机，82、第二发电机，9、低压气液存储容器。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：
实施例
如图1所示，一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，包括压缩系统1、第一换热单元2、高压气液存储容器4、第二换热单元6、换热系统5、膨胀系统7、低温膨胀系统8和低压气液存储容器9，所述压缩系统1包括电机11和压缩机组12，所述压缩机组12与电机11电连接；所述第一换热单元2包含并列设置的第一通道21、第二通道22、第三通道23和第四通道24；所述第二换热单元6包括并列设置的第五通道61和第六通道62；所述换热系统5包括低温罐51和高温罐52；所述膨胀系统7包括膨胀机71和第一发电机72，所述膨胀机71与第一发电机72电连接；所述低温膨胀系统8包括低温膨胀机81和第二发电机82，所述低温膨胀机81与第二发电机82电连接；
所述压缩机组12的出口与第一通道21的进口连接，所述第一通道21的出口与高压气液存储容器4的进口连接，所述高压气液存储容器4的出口与第五通道61的进口连接，所述第五通道61的出口与膨胀机71的进口连接，所述膨胀机71的出口与低温膨胀机81的进口连接，所述低温膨胀机81的出口与低压气液存储容器9的进口连接，所述低压气液存储容器9的出口与第三通道23进口连接，所述第三通道23的出口与压缩机组12的进口连接，所述低温罐51的出口与第二通道22的进口连接，所述第二通道22的出口与高温罐52的进口连接，所述高温罐52的第一出口与第六通道62的进口连接，所述第六通道62的出口与低温罐51的进口连接，所述高温罐52的第二出口与第四通道24的进口连接，所述第四通道24的出口与低温罐51的进口连接。
上述第一通道21的出口与高压气液存储容器4的进口连接的管道上设有第一阀门31，所述高压气液存储容器4的出口与第五通道61的进口连接的管道上设有第二阀门32，所述第二通道22的出口与高温罐52的进口连接的管道上设有第三阀门33，所述高温罐52的第二出口与第四通道24的进口连接的管道上设有第四阀门34，所述高温罐52的第一出口与第六通道62的进口连接的管道上设有第五阀门35，所述低温膨胀机81的出口与低压气液存储容器9的进口连接的管道上设有第六阀门36，所述低压气液存储容器9的出口与第三通道23进口连接的管道上设有第七阀门37。
上述压缩机组12为轴流压缩机、离心压缩机、混流压缩机、往复式压缩机、涡旋压缩机、螺杆压缩机中的一种或几种的串联或并联。
上述膨胀机71轴流膨胀机、向心膨胀机、混流膨胀机、往复式膨胀机中的一种或几种的串联或并联。
上述压缩机组12设有初始介质进口。
上述初始介质为空气、二氧化碳、氦气中一种或几种的混合物。
上述低温罐51与高温罐52之间的换热介质为水、空气、石蜡、生物质油、导热油、无机类结晶水合盐、熔融盐、有机类脂肪酸、丙烷或乙二醇溶液。
本发明系统的工作原理为：气体的沸点随着气压的升高而增加，超过沸点后为气态，低于沸点为液态。在压缩储能初始阶段，低压气液共存体中可以进入压缩系统做功的气体量较少，造成高温高压气体所释放的热量较少，压缩储能系统运转效率低下，为了改变这一状态并最大化利用系统效率，本系统设置压缩储能初始阶段，采用换热系统给低压气液共存体加速吸热气化以至于尽快达到压缩储能系统的最佳运行阶段；当高温高压气体所释放的热量满足低压气液共存体气化所需热量时，关闭换热系统对低压共存体所释放的热量，并打开高温罐的阀门，将高温高压气体释放给低压气液共存体热量后多余的热量储存起来，这样可以避免换热系统在高温高压气体与低压气液共存体做换热媒介而造成的热量损失和效率低下。在膨胀气体释能环节，高压气液共存体通过吸收换热系统中储存的热能膨胀气化，输送至膨胀系统做功释放电能，然后经过低温膨胀机进一步降压降温液化便于存储。
压缩气体储能的初始阶段：在储能系统运行效率较低、高温高压气体放热不足的情况下，运行换热系统给低压气液共存体释放热量加快气化使得压缩储能系统在较短时间内达到较高运行效率。具体操作过程为：打开第一阀门31、第七阀门37和第四阀门34，保持第三阀门33、第六阀门36、第二阀门32和第五阀门35关闭，其结构示意图如图2所示，将存储在低压气液存储容器9中的气液共存体输送至第一换热单元2中的第三通道23中，吸收热量膨胀气化后进入压缩系统1中的压缩机组12中，通过电机11带动压缩机组12做功压缩气体，从压缩机组12中输出高温高压的气体进入第一换热单元2中的第一通道21中释放热量液化，然后输送至高压气液存储容器4中；高温罐52中的换热介质经第四阀门34流出至第一换热单元2中的第四通道24中释放热量，释放热量后的换热介质输送至低温罐51中。
压缩气体储能完全阶段：随着系统的进一步发展进入压缩气体储能完全阶段，用高温高压气体与低压气液共存体直接进行热交换，可减少换热系统中换热介质的热量损失、效率低下，系统响应较慢等缺点，并采用换热系统将高温高压气体液化所释放的热能储存起来，保持第一阀门31和第七阀门37开启，其结构示意图如图3所示，逐渐打开第三阀门33直至完全开启状态，使得低温罐51中的换热介质输送至第一换热单元2中的第二通道22中吸收热量，然后输送到高温罐52中保存起来，逐渐关闭第四阀门34直至完全关闭状态，减少换热系统5参与低压气液共存体吸热气化的过程。
膨胀气体释能阶段：关闭第一阀门31、第七阀门37和第三阀门33，保持第四阀门34关闭，打开第二阀门32、第六阀门36和第五阀门35，其结构示意图如图4所示，将存储在高压气液存储容器4中气液共存体输送至第二换热单元6中的第五通道61中吸热膨胀气化形成高温高压气体，然后输送至膨胀系统7中的膨胀机71做功，膨胀机71带动第一发电机72输出电能，经过膨胀系统7后输出的气体进入低温膨胀系统8中的低温膨胀机81再一次膨胀做功，低温膨胀机81带动第二发电机82输出电能，经过低温膨胀机81降温降压后气体液化输送至低压气液存储容器9中。高温罐52中的换热介质经第五阀门35输送至第二换热单元6的第六通道62中释放热量，再输送至低温罐51中保存起来。
其中用于该系统的初始介质可以是易于在气体和液体转换的一切气体，优选的初始介质为空气、二氧化碳、氦气中一种或几种的混合物。以二氧化碳为例，温度为-56.5℃时，其饱和压力为0.422MPa，温度为31℃时，其饱和压力为7.376MPa，保守估计可以提供16倍以上的压缩比。
本发明一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，除电能外，无其他能源及物质参与内外交换；压缩气体储能阶段分两段运行：第一初始阶段在系统运行效率较低，高温高压气体放热量不足情况下，加入换热系统给低压气液共存体释放热量加快气化使得压缩储能系统在较短时间内达到较高运行效率；第二完全阶段采用高温高压气体直接与低压气液共存体进行热交换减少换热系统做换热媒介带来的热量损失、效率低下、系统响应慢等缺点，并采用换热系统将高温高压气体液化所释放的热能储存起来；采用低温泵的形式使低压气体液化，结合分段储能使得该系统只需要一个换热系统，相比于其他压缩气体液化储能系统中换热系统数减少，大大降低系统复杂度和使用安装难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：包括压缩系统、第一换热单元、高压气液存储容器、第二换热单元、换热系统、膨胀系统、低温膨胀系统和低压气液存储容器，
所述压缩系统包括电机和压缩机组，所述压缩机组与电机电连接；
所述第一换热单元包含并列设置的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；
所述第二换热单元包括并列设置的第五通道和第六通道；
所述换热系统包括低温罐和高温罐；
所述膨胀系统包括膨胀机和第一发电机，所述膨胀机与第一发电机电连接；
所述低温膨胀系统包括低温膨胀机和第二发电机，所述低温膨胀机与第二发电机电连接；
所述压缩机组的出口与第一通道的进口连接，所述第一通道的出口与高压气液存储容器的进口连接，所述高压气液存储容器的出口与第五通道的进口连接，所述第五通道的出口与膨胀机的进口连接，所述膨胀机的出口与低温膨胀机的进口连接，所述低温膨胀机的出口与低压气液存储容器的进口连接，所述低压气液存储容器的出口与第三通道进口连接，所述第三通道的出口与压缩机组的进口连接，所述低温罐的出口与第二通道的进口连接，所述第二通道的出口与高温罐的进口连接，所述高温罐的第一出口与第六通道的进口连接，所述第六通道的出口与低温罐的进口连接，所述高温罐的第二出口与第四通道的进口连接，所述第四通道的出口与低温罐的进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：所述第一通道的出口与高压气液存储容器的进口连接的管道上设有第一阀门，所述高压气液存储容器的出口与第五通道的进口连接的管道上设有第二阀门，所述第二通道的出口与高温罐的进口连接的管道上设有第三阀门，所述高温罐的第二出口与第四通道的进口连接的管道上设有第四阀门，所述高温罐的第一出口与第六通道的进口连接的管道上设有第五阀门，所述低温膨胀机的出口与低压气液存储容器的进口连接的管道上设有第六阀门，所述低压气液存储容器的出口与第三通道进口连接的管道上设有第七阀门。
3.根据权利要求1所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：所述压缩机组为轴流压缩机、离心压缩机、混流压缩机、往复式压缩机、涡旋压缩机、螺杆压缩机中的一种或几种的串联或并联。
4.根据权利要求1所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：所述膨胀机为轴流膨胀机、向心膨胀机、混流膨胀机、往复式膨胀机中的一种或几种的串联或并联。
5.根据权利要求1所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：所述压缩机组设有初始介质进口。
6.根据权利要求5所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：所述初始介质为空气、二氧化碳、氦气中一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种全封闭压缩气体液化储能发电系统，其特征在于：低温罐与高温罐之间的换热介质为水、空气、石蜡、生物质油、导热油、无机类结晶水合盐、熔融盐、有机类脂肪酸、丙烷或乙二醇溶液。
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