一种液态空气储能发电系统及设备的制作方法

1.本发明属于液态空气储能发电技术领域，具体涉及一种液态空气储能发电系统及设备。


背景技术：

2.能源是现代社会必不可少的生产、生活资料，保障能源稳定供应，不断提高能源利用效率是国民经济发展和社会进步的重要基础。我国能源相对匮乏，人均能源拥有量处于世界较低水平，而随着我国工业化、城市化和电动车的快速发展，用电负荷越来越大，发展可再生能源即是清洁环保的需要，也是解决能源需求发展的需要。随着加大对可再生能源的利用，这种随机性、波动性的大规模新能源接入电网，给传统电网带来了较大的扰动，造成了电源结构的变化，加大了电网对调峰调频的应用需求。分布式电源接入及微电网的发展，电动汽车发展对于配套储能系统的要求不断增强。军用、工业及民用基于提高用电的可靠性也提出了新的要求。因此，储能系统的发展将成为电力产业的刚性需求。
3.储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能。抽水蓄能技术成熟，效率较高，但存在地理位置限制等问题，难以大规模推广；电化学储能技术响应快、体积小、建设周期短，但存在整体寿命短、工业污染大等缺点；液态压缩空气储能技术具有寿命长、环境污染小、运行维护费用低等特点，具备规模化推广应用潜力。
4.液态空气储能发电系统的效率与整个系统能量能否充分利用息息相关，然后，现有技术中的液态空气储能发电系统效率能源利用率偏低。
5.基于以上，如何提供一种液态空气储能发电系统，有效提高液化空气储能发电的效率，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的液化空气储能发电系统能源利用率低的问题，本发明实施例提供以下技术方案。
7.第一方面，本发明提供一种液态空气储能发电系统，包括：顺次连接的空气压缩液化模块、空气气化升温模块以及发电机模块；
8.所述空气压缩液化模块，包括依次连接的空气压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块用于将气态空气压缩为液态并存储能量；
9.所述空气气化升温模块，包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块用于将液态空气转换为气态；
10.所述发电机模块，包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块用于产生电能。
11.进一步地，所述空气压缩机组包括顺次连接的第一级低压比压缩机、第二级低压比压缩机以及高压比压缩机，经过第一级低压比压缩机和第二级低压比压缩机压缩后的空气，进入高压比压缩机，通过高压比压缩机将空气的压力及温度提高。
12.进一步地，所述空气液化存储单元包括：冷水槽和热水槽，所述冷水槽中的冷水与压缩过的高温空气进行热交换变成热水，热水进入热水槽，将热能存储。
13.进一步地，所述第一热交换单元包括第一热交换器、第二热交换器以及第三热交换器，第一级低压比压缩机出口的空气通过第一热交换器的热媒入口进入所述第一热交换器，所述第一热交换器的热媒出口与热水槽连接，所述第一热交换器的冷媒入口与冷水槽连接，所述第一热交换器的冷媒出口与第二级低压压缩机连接，第二级低压压缩机出口的空气通过第二热交换器的热媒入口进入第二热交换器，所述第二热交换器的热媒出口经第三热交换器与热油槽连接。
14.进一步地，所述第三热交换器与膨胀机连接，高压空气经膨胀机膨胀做功后，高压空气失压后形成低温气体进入液化槽。
15.进一步地，所述空气压缩液化模块还包括高温高压空气冷却单元及冷热交换能量循环单元，所述高温高压空气冷却单元与所述冷热交换能量循环单元连接，所述冷热交换能量循环单元与所述空气液化存储单元连接。
16.进一步地，所述第二热交换单元包括四个依次连接的热交换器a、热交换器b、热交换器c以及热交换器d。
17.进一步地，所述第二热交换单元还包括低温防冻液槽和高温防冻液槽，液态空气通过低温泵泵入所述热交换器a与高温防冻液槽中的高温防冻液进行热交换，使液态空气迅速气化升温，高温防冻液温度降到预设温度后流入所述低温防冻液槽。
18.进一步地，所述发电机模块还包括透平机，高温高压空气进入燃气轮机的燃烧室，在燃烧油的条件下，使高温高压空气加热至预先设定的温度值，进入透平机内膨胀做功，将空气能转化为机械能，再带动发电机将机械能转化为电能。
19.第二方面，本发明提供一种液态空气储能发电设备，包括：如第一方面任一项所述的液态空气储能发电系统。
20.可以理解为，本发明提供一种液态空气储能发电系统，包括：顺次连接的空气压缩液化模块、空气气化升温模块以及发电机模块；所述空气压缩液化模块，包括依次连接的压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块用于将气态空气压缩为液态并存储能量；所述空气气化升温模块，包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块用于将液态空气转换为气态；所述发电机模块，包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块用于产生电能。通过液态空气的气化低温回收环境中的低品质热，并通过能源循环利用，提高了空气储能的转换效率；同时，通过提高进入燃气轮机的气体压力，可明显地提高燃气轮机的能源转换效率，这样使空气储能转换效率及燃气轮机的白朗托循环效率同时得到提升，并通过与余热锅炉及汽轮机发电联合循环发电，进一步提高能源转换效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
22.图1是本发明一个实施例提供的一种液态空气储能发电系统结构示意图；
23.图2是本发明另一个实施例提供的一种液态空气储能发电系统结构示意图；
24.图3是本发明一个实施例提供的燃气轮机的循环过程示意图；
25.图4是本发明一个实施例提供的燃气温度与循环效率示意图；
26.图5是本发明一个实施例提供的现有技术中燃气轮机结构示意图；
27.图6是本发明一个实施例提供的燃料消耗速率示意图；
28.图7是本发明一个实施例提供的有效比功与压力压比关系示意图；
29.图8是本发明一个实施例提供的进气压力所对应的有效比功和所需要的空气流量曲线示意图；
30.图9是本发明一个实施例提供的单机效率与进气压力关系示意图；
31.图10是本发明一个实施例提供的空气流量与燃机热效率关系示意图；
32.图11是本发明与一个实施例提供的燃料消耗与燃机热效率关系示意图；
33.图12是本发明一个实施例提供的进气压力与能效比关系示意图。
34.附图标记汇总：
35.101、空气压缩液化模块；102空气气化升温模块；103、发电机模块。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
37.请参阅图1，图1是本发明一个实施例提供的一种液态空气储能发电系统结构示意图，如图1所示，包括：
38.顺次连接的空气压缩液化模块101、空气气化升温模块102以及发电机模块103。
39.所述空气压缩液化模块101，包括依次连接的空气压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块101用于将气态空气压缩为液态并存储能量。
40.采用空气压缩机组进行压缩，其目的是在高效率压缩的情况下，获得较高的空气压力和温度。
41.所述空气气化升温模块102，包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块102用于将液态空气转换为气态。
42.液态空气储能的最大特点是：液态空气气化温度为-196℃，且有很大量的冷，可以与防冻液热进行热交换，将防冻液的温度降到接近冰点，通过热交换将空气温度升高，这是提高系统效率的重要一环；用低温泵将液态空气泵入第二热交换单元，通过回收存储热源将空气急剧气化，并通过压力和流量控制单元来调节管道压力，形成高压空气。
43.所述第二热交换单元包括四个依次连接的热交换器a、热交换器b、热交换器c以及热交换器d。
44.一些实施例中，所述第二热交换单元还包括低温防冻液槽和高温防冻液槽，液态空气通过低温泵泵入所述热交换器a与高温防冻液槽中的高温防冻液进行热交换，使液态空气迅速气化升温，高温防冻液温度降到预设温度后流入所述低温防冻液槽。
45.所述发电机模块103，包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块103用于产生电能。
46.高温高压空气进入燃气轮机的燃烧室，在燃烧油(气)的条件下，使空气加热到设定的温度，通过控制单元带动发电机模块将机械能转化为电能。
47.余热锅炉与发电联合循环，由于燃气轮机的排出烟气温度较高，因此在排气出口加一个非补能型余热锅炉，与燃气轮机进行联合循环，以提高能源转换效率。从余热锅炉排出的烟道气再引入到热交换器，与高压空气进行热交换，最终以常温排出。从而达到了最大限度的回收能量，提高能源转换效率的效果。
48.液态空气储能发电系统的优势是：
49.(1)、环保，储能介质为空气，发电的介质也是空气，排出的也是空气，对环境没有影响。
50.(2)、安全，液态空气可在常温、中低压下长期存储，存储安全可靠，损耗小。
51.(3)、能量密度高，700m3的空气，压缩液化成1m3的液态空气，能量密度高，储存空间小，占用建设用地小，用于储能发电可推广强。
52.(4)、液态空气气化温度为-196℃，且有很高的冷，可以用来回收低品质热，从而提高能源转换效率，达到节水、节能的效果。
53.(5)、各种储能方式的比较，如表1所示。
54.表1：各种储能方式的比较
[0055][0056][0057]
抽水蓄能和压缩空气储能是满足大规模调峰的能量型储能技术。抽水蓄能受限于地理条件和水资源的约束；压缩空气储能技术正向高效、低成本、无地理条件限制的方向发展。
[0058]
(6)、空气储能的三种状态比较，如表2所示。
[0059]
表2：空气储能的三种状态比较
[0060][0061]
深冷液化空气储能技术，空气以低压、低温、液态存储，能量密度高；低压罐体，安全性好，且不受地理位置限制；预期效率70％～80％，补能系统设计得越好，转换效率就越高，具有很好的应用前景。
[0062]
液化空气储能发电系统的技术关键点在于：
[0063]
一、是控制系统投资成本，尽可能的提高空气液化效率；
[0064]
二、是充分利用液态空气气化的冷与电厂、钢厂、化工厂等高能耗企业排放的低品质热即热进行交换，从而形成高压热气体，从而达到高转换效率。因此，在液态空气发电系统设计过程中必须重点关注热能和冷能的回收存储。
[0065]
可以理解为，本发明提供的一种液态空气储能发电系统，包括：顺次连接的空气压缩液化模块、空气气化升温模块以及发电机模块；所述空气压缩液化模块，包括依次连接的压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块用于将气态空气压缩为液态并存储能量；所述空气气化升温模块，包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块用于将液态空气转换为气态；所述发电机模块，包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块用于产生电能。通过液态空气的气化低温回收环境中的低品质热，并通过能源循环利用，提高了空气储能的转换效率；同时，通过提高进入燃气轮机的气体压力，可明显地提高燃气轮机的能源转换效率，这样使空气储能转换效率及燃气轮机的白朗托循环效率同时得到提升，并通过与余热锅炉及汽轮机发电联合循环发电，进一步提高能源转换效率。
[0066]
作为上述系统的进一步改进，在一个实施例中，请参阅图2，图2是本发明另一个实
施例提供的一种液态空气储能发电系统结构示意图。如图2所示，所述空气压缩机组包括顺次连接的第一级低压比压缩机、第二级低压比压缩机以及高压比压缩机，经过第一级低压比压缩机和第二级低压比压缩机压缩后的空气，进入高压比压缩机，通过高压比压缩机将空气的压力及温度提高。
[0067]
为了使低温低压空气压缩为高温高压的气态空气，前两级为低压比压缩机，后一级为高压比压缩机，其目的是在高效率压缩的情况下，获得较高的空气压力和温度。
[0068]
根据模型设计，压缩系统采用三级压缩，压缩比为67.3倍；出口压力达到6.8mpa采用导热油作为冷却介质，分冷油槽和热油槽，在空气压缩过程中，通过冷油槽冷却压缩空气，将热储于热油槽中，储热温度到280～300℃；压缩空气通过第三级压缩后，进入第二级热交换器，通过低温冷水槽中的冷水使压缩空气的温度降低，再进入液化槽液化，此过程将有效的提高空气压缩液化的效能；液化槽排出气体再回到压缩机入口循环压缩。
[0069]
作为上述实施例的进一步改进，一些实施例中，所述空气液化存储单元包括：冷水槽和热水槽，所述冷水槽中的冷水与压缩过的高温空气进行热交换变成热水，热水进入热水槽，将热能存储。
[0070]
在压缩空气过程中，即要获得较高的压缩效率，又要将压缩热收集起来。因此采用冷水槽和热水槽，用冷水槽中的冷水分别冷却第一级低压比压缩机和第二级低压比压缩机所压缩的空气，从而降低进入下一级压机入口空气的温度，以提高压缩效率，热水流入热水槽中；
[0071]
经过两级低压比压缩的空气，进入高压比压缩机3；通过高压比压缩机将空气的压力及温度提高，再利用导热油冷却高温、高压空气，将高温空气的存储下来，用于液态空气膨胀升温；
[0072]
冷水槽中的冷水与压缩过程的高温空气通过第一热交换单元进行热交换，热水进入热水槽，将热存储下来。
[0073]
图2中，冷水槽中的冷水与压缩过程的高温空气进行热交换(通过热交换器
①
、
②
)，热水进入热水槽，将热存储下来。并通过热交换器与低温膨胀空气进行热交换，将热传导给膨胀空气，使其温度升高。冷热水槽与热交换器
①
、
②
和形成一个能量循环系统，图2中标记的数字1与2为进水口和出水口水流流动方向；
[0074]
其中，导热用冷热油槽、热交换器
③
和组成高温高压空气冷却系统及冷热交换能量循环系统，空气经过两级压缩后再经过一级高压比压缩，使温度和压力进一步上升。空气上升的目的是通过热交换器
③
将温度存储下来，再通过热交换器交换给膨胀做功的空气，以提高膨胀空气的温度，达到提高储能转换效率的目的。另一个目的是，通过提高压缩空气的压力，以提高空气液化的饱和温度，达到提高空气液化的效率；
[0075]
其中，冷热防冻液槽、热交换器
④
、
⑤
和组成空气液化过程及液态空气气化膨胀过程的冷热交换能量循环系统。高温高压空气与防冻液储冷低温液体成逆向流动，通过热交换器
④
、
⑤
进行热交换。膨胀机气体入口选择在热交换器
④
、
⑤
之间，并通过对热交换器
④
、
⑤
的交换功率设计，控制膨胀机入口气体的温度，达到膨胀机膨胀做功效率最高和空气膨胀后的出口温度(进入空气液化槽
⑥
)低于空气液化饱和温度的要求。而通过热交换器
⑤
冷却后的气体进入空气液化槽
⑥
进一步冷却后开始液化。经液空分离气的低温气体返回到空气压缩机1的入口，进行循环压缩。
[0076]
其中，在热交换器
⑤
与液化槽
⑥
之间设置有节流阀，通过节流阀来节流膨胀液化的空气，通过采用具有膨胀机和节流阀的节流膨胀双重系统以提高液化效率。
[0077]
高压空气膨胀液化系统，高压空气经膨胀机膨胀做功后，空气失压后形成低温气体进入液化槽
⑥
，与经热交换器
⑤
冷却后的低温高压气体进行热交换，使空气液化，由于液化空气的压力较高，因此提高了空气液化的饱和温度，从而提高了空气液化的效率；
[0078]
其中，低温泵、调压阀、压力和流量控制系统、热交换器组成液态空气气化升温升压系统；液态空气通过低温泵泵入热交换器与高温防冻液进行热交换，使液态空气迅速气化升温，而防冻液温度降到设计温度流入防冻液低温储槽(供空气液化使用)。空气气化后分别通过热交换器与热水、低品质热和高温导热油进行热交换，使空气回收热源逐步升温(并将冷水、冷油回到冷水、冷油槽内，供压缩空气时冷却空气使用)。通过调节低温泵和调压阀的流量使管内气体达到我们所设定的压力和流量；
[0079]
其中，燃气轮机发电系统、余热发电联合循环系统及热交换器组成燃气轮机发电及余热发电循环系统；高温高压空气进入燃气轮机的燃烧室，在燃烧油(气)的条件下，使空气加热到设定的温度，进入透平机内膨胀做功，将空气能转化为机械能，再带动发电机将机械能转化为电能。
[0080]
余热发电联合循环系统，由于燃气轮机的排出烟气温度较高，因此在排气出口加一个非补能型余热锅炉、水蒸气透平机和发电机，与燃气轮机进行联合循环，以提高能源转换效率。从余热锅炉排出的烟道气再引入到热交换器与高压空气进行热交换，最终以常温排出。从而达到了最大限度的回收能量，提高能源转换效率的效果。
[0081]
本发明所提供的液态空气储能发电系统，由空气压缩机组和三个相对独立的冷热交换能量循环系统、高压空气膨胀液化系统、液态空气气化升温升压系统、燃气轮机发电及余热发电循环系统组成。其技术的核心是：
[0082]
尽可能的降低压缩机入口气体的温度，以提高压缩效率；合理的提高压缩空气的压力，以提高空气液化饱和温度，提高液化效率；
[0083]
通过低温泵将液态空气泵入空气气化换热装置，再经独立的冷热交换能量循环系统，按工艺要求进行冷热交换，提高气化空气的温度，使空气的焓值增加，从而提高空气储能的转换效率；
[0084]
通过能量回收加热后的高压空气进入燃气轮机进行升温膨胀做功，烟道气进入非补能余热锅炉，通过锅炉产生的高温蒸气进入汽轮机膨胀做功，实现联合循环；
[0085]
余热锅炉排出的烟道气再返回到热交换器与高压做功气体进行热交换，使高压做功气体温度升高，以提高空气储能的转换效率，最终烟道气以常温排出。
[0086]
作为上述实施例的进一步改进，在一个实施例中，所述第一热交换单元包括第一热交换器、第二热交换器以及第三热交换器，第一级低压比压缩机出口的空气通过第一热交换器的热媒入口进入所述第一热交换器，所述第一热交换器的热媒出口与热水槽连接，所述第一热交换器的冷媒入口与冷水槽连接，所述第一热交换器的冷媒出口与第二级低压压缩机连接，第二级低压压缩机出口的空气通过第二热交换器的热媒入口进入第二热交换器，所述第二热交换器的热媒出口经第三热交换器与热油槽连接。所述第三热交换器与膨胀机连接，高压空气经膨胀机膨胀做功后，高压空气失压后形成低温气体进入液化槽
⑥
。
[0087]
一些实施例中，空气压缩液化模块101还包括高温高压空气冷却单元及冷热交换能量循环单元，所述高温高压空气冷却单元与所述冷热交换能量循环单元连接，所述冷热交换能量循环单元与所述空气液化存储单元连接。
[0088]
作为上述实施例的进一步改进，一些实施例中，所述发电机模块还包括透平机，高温高压空气进入燃气轮机的燃烧室，在燃烧油的条件下，使高温高压空气加热至预先设定的温度值，进入透平机内膨胀做功，将空气能转化为机械能，再带动发电机将机械能转化为电能。
[0089]
考虑到极大限度的提高转换效率，采用燃气轮机与储能结合。高压空气在极大限度的吸收低品质热和回收储热后进入燃气轮机燃烧室进一步升温；通过燃烧室升温的高压空气进入透平机膨胀做功产生电能。
[0090]
本发明在空气压缩过程中有以下技术特征：
[0091]
本发明在空气压缩过程中，为了提高压缩效率，采用了两级低压比压缩和一级高压比压缩(采用更多级压缩，效率会更高，但成本会更高)。并且将液化槽排出的低温气体直接返回到第一级压机的空气入口，降低压机的入口气体的温度，从而降低压缩能耗。
[0092]
第一、二级低压缩比压机出口气体通过热交换器
①
、
②
用冷水冷却，以降低第二、三级压机的入口气体温度，从而降低压缩能耗，达到提高压缩效率的目的。
[0093]
第三级高压比压机将空气压缩到高温高压状态，并通过热交换器
③
与导热油进行热交换，将导热油加热到高温状态，高温可达300℃左右。同时，通过提高空气的压力，提高空气液化的饱和温度，从而达到提高空气液化效率。
[0094]
本发明在空气液化过程中有以下技术特征：
[0095]
经热交换器
③
冷却后的高温高压空气与防冻液储冷低温液体成逆向流动，通过热交换器
④
、
⑤
进行热交换。膨胀机气体入口选择在热交换器
④
、
⑤
之间，并通过对热交换器
④
、
⑤
的交换功率设计，控制膨胀机入口气体的温度，达到膨胀机膨胀做功效率最高和空气膨胀后的出口温度(进入空气液化槽)低于空气液化饱和温度的要求。而空气经过热交换器
⑤
的冷却，形成低温高压气体，进入空气液化槽进一步冷却后液化。经液空分离气的低温气体返回到空气压缩机1的入口，进行循环压缩。通过这种设计达到了三个目的：通过膨胀机做功最大限度的回收了能量；通过低温防冻液将高压空气降到零度以下，提高了空气的液化效率，并将热存储下来(防冻液最高沸点温度可达120度)；膨胀后的低温气体直接进入第一级压机气体入口，降低了压机入口温度，提高了压机效率(详见图2)。
[0096]
本发明在空气气化过程中有以下技术特征：
[0097]
空气气化时，通过低温泵将液态空气泵出进入热交换器与高温防冻液进行热交换，将液态空气气化。并通过调压阀将空气压力调整到预设值，形成低温高压空气。防冻液在空气气化过程中冷却到零下设计的温度，回到防冻液低温池，这样就实现了冷回收。
[0098]
低温高压空气分别通过热交换器依次与热水、低品质热和高温导热油进行热交换，使空气回收热源逐步升温，形成高温高压空气。同时，将储热介质温度降下来，回到冷槽中用于空气压缩时冷却压缩空气和储热。从而形成了一个能源循环利用的闭环运行，提高了液态空气储能的转换效率。
[0099]
本发明为了提高空气发电的效率，将压缩空气储能与燃气轮机结合，有以下技术特征：
[0100]
为了提高燃气轮机的能源转换效率，我们将燃气轮机的压气机部分去掉，利用液态空气气化膨胀来代替压气机，用低温泵和调压阀来控制进入燃气轮机的空气压力和流量。突破了传统燃气轮机受压气机最佳压比的限制，通过液态空气气化膨胀来获得较高的空气压力。
[0101]
该技术发明，在燃气轮机设计时，重点考虑燃烧室和透平机的承压能力，提高进入燃气轮机的承压能力，成功的避免了压气机极限压比的影响，从而有效的提升了燃气轮机的能源转换效率。
[0102]
本发明在联合循环后，利用液态空气膨胀后形成的低温高压空气(做功气体)回收余热锅炉排出的低品质(烟道气)，从而提高了能源转换效率。
[0103]
图3是本发明一个实施例提供的燃气轮机的循环过程示意图，如图3所示，图3中，1-2是空气在压气机内完成空气压缩耗功过程；2-3是空气在燃烧室内完成燃烧升温过程；3-4是空气在透平完成膨胀做功过程；4-2是空气排出燃机进入大气，完成冷源放热过程，燃气机热力循环为开式白朗托循环。
[0104]
燃气轮机的效率与燃气温度和压气机压比的关系：
[0105]
π
η
＝max＞π
[0106]
简单循环的效率理论上随压比的提高而增加。但实际的简单循环不同。对应最大比功和最大效率都有一个不同值的压比。回热循环可以使两个压比值接近。如图4所示，图4是本发明一个实施例提供的燃气温度与循环效率示意图，燃气温度t3越高，循环效率越高。
[0107]
对应一个燃气温度t3的循环效率有一个最佳压比，即在这个温度下，在最佳压比值对应的燃机效率最大。燃气温度越高，相应的最佳压比就越高，这是燃机设计的最关键点。目前，最先进的燃气轮机燃气温度达1300℃～1400℃，压气机压比达到15～20。因此，提高燃气轮机效率，改进燃气轮机的性能，主要从燃气轮机的燃气温度和压气机的压比着手。
[0108]
温比的影响：
[0109]
t3每增加100℃，比功w增加20％-40％；效率μ增高2％-5％；
[0110]
实际大气温度的影响：
[0111]
降低t1比提高t3对燃气轮机性能的影响要大几倍。
[0112]
为了设计出高效率的系统，先要分析燃气轮机发电各部分做功效能及影响因素：
[0113]
图5是本发明一个实施例提供的现有技术中燃气轮机结构示意图。
[0114]
压气机的效率分析：
[0115]
假设燃气轮机的参数如下：
[0116]
机组轴功率w0；压比为π；压气机绝热效率vc＝0.85；机械效率μ
cm
＝0.99；环境温度t0＝288；环境大气压p0；压气机出口温度t2；压气机出口压力p2；空气在压气机内的压缩过程中空气绝热指数λ＝1.4；c
p
＝1005j/(kg
·
k)；
[0117]
压力损失：
[0118]
燃烧室δpb＝2％压气机出口压力；换热器空气侧δp
ha
＝3％压气机出口压力；换热器空气侧δp
hg
＝0.04bar；燃烧效率vb＝0.98；涡轮入口温度t3(1100～1400℃)；换热器效率0.80；涡轮入口压力p3；涡轮绝热效率μ
t
＝0.87；燃气在涡轮内的膨胀过程中k＝1.33，cp’＝1156j/(kg
·
k)；燃料低值热值hu。
[0119]
压气机出口气流参数p2和t2及比功wc的计算：
[0120]
进气道出口参数：
[0121]
p1＝σ*p0(σ≥0.99)
[0122]
t1＝t0[0123]
p2＝πp1[0124]
压气机耗功产生的温升为：
[0125][0126]
用于驱动压气机每单位质量流量所需的涡轮功为：
[0127]wtc
＝w
t-wc[0128]
压气机比功等于空气通过压气机的实际焓增：
[0129][0130][0131]
p4＝p1+δp
hg
[0132]
因此，p3/p4＝p3(p1+δp
hg
)
[0133]
总的涡轮做功所产生的温降：
[0134][0135]
单位工质所作的总涡轮功：
[0136]
wt＝cp’(t
3-t4)kj/kg
[0137]
涡轮输出比功为：
[0138]
wc＝w
t-w
tc
[0139]
燃烧室温升为：
[0140]
t
3-t2[0141]
热交换器效率＝0.80＝(t
3-t2)/(t
4-t3)
[0142][0143][0144]
t5＝0.8(t
3-t4)+t2[0145]
燃料/空气比f：
[0146]
f＝cp’(t
5-t2)/hu/vb[0147]
所需空气流量：
[0148]
qm＝w0/w
t
*3600(kg/h)
[0149]
其中，w0为机组轴功率，w
t
为总涡轮功。
[0150]
可以理解为，t1是压气机入口温度，t2是压气机出口温度，t2一t1是压气机温升，t3是燃烧室出口温度，t4是涡轮机出口温度，t3一t4是涡轮机温降，t3一t2是燃烧室温升，t5是等熵绝热条件下的燃烧室出口温度，t5一t2是等熵绝热条件下的燃烧室温升。
[0151]
再实际应用中，可以以10mw燃气轮机作为研究对象，分别以常规燃气轮机、常规燃气轮机加液态空气储能、液态空气储能加无压机燃气轮机三种结构模式进行建模。通过模拟计算来比较分析，从而得出一个最佳设计方案。
[0152]
图6是本发明一个实施例提供的燃料消耗速率示意图，如图6所示，对于常规燃气轮机发电，燃气温度t3越高，循环效率越高。对应一个燃气温度t3，压力增大循环效率提高，空气消耗量越低，燃料消耗速率越低。但对于压气机言，有一个最佳压比，即在这个温度下，在最佳压比值对应的燃机效率最大。超过最佳压比，压比增大，压机的耗能增大，效率降低。
[0153]
图7是本发明一个实施例提供的有效比功与压力压比关系示意图，如图7所示，在常规燃气轮机发电机组前端加液态空气储能系统，燃气温度t3越高，循环效率越高。对应一个燃气温度t3；压气机入口压力为p1的状态下，压气机压比越高循环效率越低。即在这个温度和压力下，压气机的压比越高，所消耗的不可逆压缩比功越大。如果我们用液态空气膨胀代替压机，就可规避压气机最佳压比的问题，而使进入燃气轮机燃烧室的压力大幅提高。在同等功率下，透平机中的空气流量越小，燃料消耗速率也大幅下降，这是液态空气气化膨胀带来的增益。
[0154]
经过模拟计算和数据分析，从图7可以看出，常规燃气轮机的压机入口压力、温度对燃气轮机有效功的影响。当压机压比一定时，入口气体压力越高，燃机有效比功越低(曲线1～3所示)；当压机压比一定时，入口气体温度越低，燃机有效比功越高(曲线4～7所示)。
[0155]
由此可见，在常规燃气轮机发电系统，压气机入口温度对不可逆压缩比功比较敏感，其次是压气机的入口压力，不可逆压缩比功越大，燃气轮机有效比功越小。为了提高系统效率，可以考虑采用液态空气气化膨胀代替燃气轮机的压机，而且不受极限压比的限制。
[0156]
(3)、考虑到燃气轮机前端压气机的特性，去掉压气机部分，用空气气化升温模块102替代压气机。对应一个燃气温度t3；燃气轮机燃烧室入口压力(p1)越高，燃气轮机的循环效率越高。燃烧室入口压力(p1)取决于液态空气低温泵的流量和极压，低温泵所消耗的功远小于压气机所消耗的功。由于去掉了压气机所消耗的不可逆压缩比功，有效比功大幅增加，同时所需空气流量大幅减少如图8所示，图8是本发明一个实施例提供的进气压力所对应的有效比功和所需要的空气流量曲线示意图。
[0157]
(4)、液态空气储能系统加燃气轮机发电机(去压气机)，燃气温度t3对循环效率的影响较大；同时储能空气进入燃烧室的压力p1对循环效率的影响也很大，气体压力越高循环效率越高。但在系统设计时，透平机的承压设计和耐高温设计必须重点考虑，过高的压力和过高的温度会使设备的制造成本增加。
[0158]
如图9所示，图9是本发明一个实施例提供的单机效率与进气压力关系示意图。
[0159]
图10是本发明一个实施例提供的空气流量与燃机热效率关系示意图。
[0160]
图11是本发明与一个实施例提供的燃料消耗与燃机热效率关系示意图。
[0161]
由图10、图11可以看出，随着进入燃气轮机燃烧室的压力提高，燃机热效率提高，等功率情况下，所需空气流量降低，燃料消耗量下降；在等空气压力条件下，燃烧室温度提高，热效率降低，所需空气流量降低，燃料消耗量增加。
[0162]
燃机温度提高，燃机单机转换效率提高，热效率下降，这就意味着透平机出口烟气温度提高。因此，可以考虑后面再加一台余热锅炉和汽轮机发电系统，从而提高系统效率。
[0163]
液态空气储能发电系统的流程设计及关键技术点的规划设计：
[0164]
根据仿真计算及数据分析，抓住能量循环利用和利用液态空气的冷火用与高耗能企业排放的低品质热进行交换，并利用空气压缩、膨胀对气体压力和温度敏感的特点，进行合理优化设计，形成了液态空气储能发电的系统流程。
[0165]
本发明设计的技术关键点：
[0166]
1)、在空气压缩液化过程中，分三级压缩，每一级气体出口装一个热交换系统，用来降低压缩机入口空气的温度，以提高压缩效率，并通过冷却介质(水和油)将热存储起来，此时储热油加热到280～290℃，在气化膨胀过程中用于加热空气，使液态空气气化后温度和压力升高。
[0167]
2)、为了提高空气液化效率，三级压缩后的高温高压空气现经过储冷装置(防冻液)冷却到-45℃，并将防冻液加热到50～60℃。大幅度提高了空气液化效率，再经液化槽液化。
[0168]
3)、发电时，通过低温泵将液态空气(以下统称：储能空气)泵入热交换器，与50～60℃的防冻液进行热交换，将储能空气气化升温到-40～-50℃，压力3mpa以上，防冻液冷却到-50℃进行储冷。
[0169]
4)、利用储能空气(-40～-50℃低温高压)与空气压缩过程存储的热(50～60℃热水)进行热交换，并利用低温气体回收工厂排放的低品质热(或锅炉烟道气)，使温度进一步升高到120℃左右。
[0170]
5)、储能空气进一步与高温热油(280～300℃)进行热交换，将储能空气温度进一步提高到280℃左右，进入燃气轮机燃烧室进一步升温到1100℃以上后，进入透平机膨胀做功。
[0171]
6)、本发明所提供的方案设计的燃气轮机不带压机部分，燃烧室及透平机部分按特定的高温高压设计，以极大限度的提升能源转换效率。
[0172]
7)、根据燃气轮机的出口烟道气的温度，还可以带一个余热锅炉，进一步提升能源转换效率。
[0173]
8)、余热锅炉的出口烟道气带可以作为低品质热与储能空气进行热交换，让烟道气的温度降到常温排出，最大限度的回收能源，提高能源转换效率。
[0174]
为了更方便说清楚本发明的技术特点，以pg6561b型燃气轮机的技术指标作为参考，对照本发明所提供的技术方案进行仿真计算和数据分析后可以看出本发明明显的优势表3。
[0175]
从表3中可以看出采用液态空气储能与燃气轮机结合，可以明显的增大燃气轮机的出功，这是因为压气的耗功转为机组的出功。同时，燃机的进气压力增大，系统效率可明显提高。系统耗能由两部份组成，一部分燃气轮机燃料燃烧所消耗的热能，另一部份是压缩空气的耗能。从表中可以看出随着进气的压力增加，燃气轮机做功所需的空气流量减少，燃料消耗速率降低，系统总效能提高。
[0176]
图12是本发明一个实施例提供的进气压力与能效比关系示意图。如图12所示，进气压力由1mpa提升到4mpa能效比快速上升，4mpa到7mpa上升比较明显，7mpa以上上升速率
减缓。从储能效率和燃机效率综合评价来看，当进气压力达到4mpa时，储能转换效率达到75％以上，燃气轮机联合循环效率达到49％以上。
[0177]
表3：传统燃气轮机与液态空气储能发电的技术参数对比
[0178][0179]
需要说明的是：
[0180]
储能能效比＝(燃气轮机+循环出功(kj/s))/储能耗能(kj/s)
[0181]
总能效比＝(燃气轮机+循环出功(kj/s))/(燃烧耗能(kj/s)+储能耗能(kj/s))
[0182]
如果储能转换效率≥75％，则：储能能效比-75％≥49％则项目效益良好。从表3中可以看出，当系统空气压力达到5mpa时，储能转换效率75％，联合循环效率49％；达到传统燃气轮机发电的效率。
[0183]
最佳输入压力为7mpa左右，压力再往上升，效率提升缓慢，但系统设计成本将大幅上升。同样，由于进气压力上升，透平机的出口温度下降，这样就减少了联合循环中的余热锅炉及汽轮机的发电量，这就是总出功下降的原因。
[0184]
提高燃烧室的温度，燃气轮机比功上升，单位时间消耗空气量下降，因此储能联合循环热效率也会上升。
[0185]
液态空气储能与燃气轮机联合循环发电的优势：
[0186]
1)、液态空气储能相对气态空气储能而言，具有存储空间小，可以在常温低压下长时间存储；储能密度高，安全可靠，不受资源环境影响。
[0187]
2)、液态空气通过气化过程的冷火用与高耗能企业排放的低品质热(热火用)进行置换，达到回收热能提高储能发电效率的目的，起到节能节水的效果。
[0188]
3)、液态空气储能可以在空气的压缩过程中通过冷介质将热能存储下来，供液化空气膨胀使用；同时，在液态空气气化膨胀过程中，利用冷却介质回收冷能，供压缩空气和空气液化时用。热能和冷能的循环利用将提高空气压缩和液化的效率。
[0189]
膨胀气体出来后，在储冷(防冻液)热交换前加了一个热交换器，使高温高压空气进一步降温，以提高空气液化效率。空气压缩机釆用变频电机，可以降低空气液化过程30％损耗，也就是提高了30％的液化效率。
[0190]
4)液态空气储能与燃气轮机发电相结合，有效的提高了空气的温度，也避免了传统燃气轮机压机效率低的不足。可将进气压力大幅提高，从而提高了系统能源转换效率。
[0191]
5)、整个系统占地面积小，即可以在发电侧储能，又可以在用户侧储能。并利用了燃气轮机装置轻小、投资低、技术周期短的优势。
[0192]
6)、液态空气储能可以利用其低温优势回收工厂低品质热，达到节省厂用水、电、润滑油的效果。
[0193]
7)、液态空气储能是种以空气作为储能介质，燃料适应性强，公害少
‑‑‑‑‑
最理想的清洁能源转换装置。
[0194]
8)、整个系统，启动快、自动化程度高，维修快，运行可靠。是具有储能、调峰的电站方案。
[0195]
本发明还提供一种液态空气储能发电设备，包括：上述液态空气储能发电系统。
[0196]
在液态空气储能发电设备开发中，首先要做的是系统的生产工艺流程设计，在完成了工艺流程设计后，就进入工艺参数的计算和设备的选型阶段。对于空气压缩液化设备，需要向生产厂家提供工艺参数和要求。由于液化空气的目的是用于发电，所以对空气的纯度要求不高，只需过滤掉灰尘和除湿干燥即可。由于液化空气储能发电需与燃气轮机组合，因此不考虑空分。
[0197]
由于燃气轮机联合循环发电的余热锅炉尾气排出温度为160℃左右，可以引入到空气气化过程加热做功气体，使排出烟道气温度降到常温排出。
[0198]
后续设计任务有：
[0199]
(1)、液态空气储能发电的工艺流程设计，确定生产线上各部件的技术参数，设备选型及控制系统设计；
[0200]
(2)、工艺流程布局设计及厂房基础设计；
[0201]
(3)、冷凝器设计；
[0202]
(4)、设计一台适合于空气发电的透平机。
[0203]
本发明应用场景分析及造价评估
[0204]
1、可利用场景的展望及节能环保评估
[0205]
液态空气储能最适合依附高耗能企业建设，如火电厂、钢厂、化工厂、玻璃生产厂、造纸厂、卷烟厂等。液态空气储能发电的生产工艺流程可根据上述各行业的特点进行设计，
以达到充分回收低品质热，提高液态空气储能发电效率的目的。
[0206]
(1)、液态空气储能发电其储能介质是空气，发电后排放的也是空气，对环境没有影响。设备使用寿命长，可达到20～30年，设备报废后的处理不产生有害物质，不存在污染环境问题；
[0207]
(2)、液态空气通过气化过程的冷火用与高耗能企业排放的低品质热(热火用)进行置换，达到回收热能提高储能发电效率的目的，起到节能节水的效果；
[0208]
(3)、液态空气储能可以在常温低压下长时间存储，储能密度高，安全可靠，不受资源环境影响。
[0209]
2、造价分析及经济性评估
[0210]
建设一个10mw、8小时(8万kwh)液态空气储能发电设备的生产制造成本分为以下几个部分：
[0211]
一条50m3/h空气压缩机及液化生产线装备包含10个50m3液态空气储罐(简称液罐)，投资估算为9,000万元左右；
[0212]
二级冷凝器，投资估算400万左右；
[0213]
12mw空气发电的透平机，投资估算800万元左右；
[0214]
厂房基础投资估算1,000万元左右；
[0215]
研发设计费用800万元左右；
[0216]
不可预见费用400万元。
[0217]
10mw、8小时(8万kwh)液态空气储能发电示范项目总投资约需12,000万元，合1500元/kwh。与铅酸蓄电池储能比较，投资成本基本持平，而且寿命是它的三倍。而且储能规模越大，存储每度电的投资成本越低。
[0218]
如果液态空气储能电站享受峰谷电价，则电价差为0.832元/度，如果转换效率为75％，则电价溢价为0.624元/度，每日赢利为49,920元；每年赢利为1,797.12万元。预计六到七年可收回成本。
[0219]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0220]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
[0221]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0222]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种液态空气储能发电系统，其特征在于，包括：顺次连接的空气压缩液化模块、空气气化升温模块以及发电机模块；所述空气压缩液化模块包括依次连接的空气压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块用于将气态空气压缩为液态并存储能量；所述空气气化升温模块包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块用于将液态空气转换为气态；所述发电机模块包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块用于产生电能。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气压缩机组包括顺次连接的第一级低压比压缩机、第二级低压比压缩机以及高压比压缩机，经过第一级低压比压缩机和第二级低压比压缩机压缩后的空气，进入高压比压缩机，通过高压比压缩机将空气的压力及温度提高。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述空气液化存储单元包括：冷水槽和热水槽，所述冷水槽中的冷水与压缩过的高温空气进行热交换变成热水，热水进入热水槽，将热能存储。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一热交换单元包括第一热交换器、第二热交换器以及第三热交换器，第一级低压比压缩机出口的空气通过第一热交换器的热媒入口进入所述第一热交换器，所述第一热交换器的热媒出口与热水槽连接，所述第一热交换器的冷媒入口与冷水槽连接，所述第一热交换器的冷媒出口与第二级低压压缩机连接，第二级低压压缩机出口的空气通过第二热交换器的热媒入口进入第二热交换器，所述第二热交换器的热媒出口经第三热交换器与热油槽连接。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第三热交换器与膨胀机连接，高压空气经膨胀机膨胀做功后，高压空气失压后形成低温气体进入液化槽。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气压缩液化模块还包括高温高压空气冷却单元及冷热交换能量循环单元，所述高温高压空气冷却单元与所述冷热交换能量循环单元连接，所述冷热交换能量循环单元与所述空气液化存储单元连接。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二热交换单元包括四个依次连接的热交换器a、热交换器b、热交换器c以及热交换器d。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二热交换单元还包括低温防冻液槽和高温防冻液槽，液态空气通过低温泵泵入所述热交换器a与高温防冻液槽中的高温防冻液进行热交换，使液态空气迅速气化升温，高温防冻液温度降到预设温度后流入所述低温防冻液槽。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机模块还包括透平机，高温高压空气进入燃气轮机的燃烧室，在燃烧油的条件下，使高温高压空气加热至预先设定的温度值，进入透平机内膨胀做功，将空气能转化为机械能，再带动发电机将机械能转化为电能。10.一种液态空气储能发电设备，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的液态空气储能发电系统。

技术总结
本发明属于液态空气储能发电技术领域，具体涉及一种液态空气储能发电系统及设备，包括：顺次连接的空气压缩液化模块、空气气化升温模块以及发电机模块；所述空气压缩液化模块包括依次连接的压缩机组、第一热交换单元以及空气液化存储单元，所述空气压缩液化模块用于将气态空气压缩为液态并存储能量；所述空气气化升温模块包括顺次连接的低温泵、调压阀、压力和流量控制单元、第二热交换单元，所述空气气化升温模块用于将液态空气转换为气态；所述发电机模块，包括依次连接的发电机、燃气轮机、余热锅炉及控制单元，所述发电机模块用于产生电能。通过液态空气的气化低温回收环境中的低品质热，并通过能源循环利用，提高了空气储能的转换效率。的转换效率。的转换效率。


技术研发人员：廖恩荣
受保护的技术使用者：米奇科技（北京）有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/25