CN220018284U - 压缩空气储能余热回收储热利用系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，包括：压缩空气储热单元、低温膨胀机余热回收单元、空气膨胀机余热回收单元和ORC膨胀机余热回收单元；所述压缩空气储热单元包括空气压缩机、第一换热单元、冷水罐和热水罐；所述低温膨胀机余热回收单元包括第二换热单元、低温膨胀机和液态空气储罐；所述空气膨胀机余热回收单元包括第三换热单元和空气膨胀机；所述ORC膨胀机余热回收单元包括冷凝器、ORC膨胀机、蒸发器和热交换器。本实用新型具备综合能源利用率高，系统安全、稳定、高效运行的优点，解决了现有系统中多余的热量不便回收利用，能量浪费的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于余热利用技术领域，具体涉及一种压缩空气储能余热回收储热利用系统。
背景技术
压缩空气储能具有储能容量大、建设成本低、储能效率高和适应性强等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。目前，压缩空气储能示范电站大都采用非补燃、绝热型式，即电站无外部热源或其他能源，只接收电网供电用于驱动空气压缩机，压缩过程产生的热量通过储热介质储存，待释能时加热压缩空气，提高气体的做功能力，进而驱动气轮发电机组对外供电。压缩和储热过程中存在大量散热损失和加热器端差能量损耗，膨胀发电时排气温度过高也存在一定的能量损失，这导致目前压缩空气储能电站的效率不足70％。现在压缩空气储能系统压缩过程产生的热量通常使用导热油储存，导热油价格偏高，而且使用导热油储热系统检修复杂。而储电－放电周期结束后，储热系统仍剩余一部分热量无法利用，以往工程都需要消耗厂用电和循环冷却水，确保储热系统“归零”，这也进一步降低了压缩空气储能电站的效率。
因此，如何有效回收利用压缩电站的余热，是提高电站综合效率，降低运营成本的关键。
实用新型内容
针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，可有效解决上述问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，包括：压缩空气储热单元(1)、低温膨胀机余热回收单元(2)、空气膨胀机余热回收单元(3)和ORC膨胀机余热回收单元(4)；
所述压缩空气储热单元(1)包括空气压缩机(1.1)、第一换热单元(1.2)、冷水罐(1.3)和热水罐(1.4)；所述低温膨胀机余热回收单元(2)包括第二换热单元(2.1)、低温膨胀机(2.2)和液态空气储罐(2.3)；所述空气膨胀机余热回收单元(3)包括第三换热单元(3.1)和空气膨胀机(3.2)；所述ORC膨胀机余热回收单元(4)包括冷凝器(4.1)、ORC膨胀机(4.2)、蒸发器(4.3)和热交换器(4.4)；
所述第一换热单元(1.2)的压缩空气进口与所述空气压缩机(1.1)的压缩空气出口连通；所述第一换热单元(1.2)的压缩空气出口与所述第二换热单元(2.1)的压缩空气进口连通；所述第一换热单元(1.2)的进水口与所述冷水罐(1.3)连通；所述第一换热单元(1.2)的出水口与所述热水罐(1.4)连通；
所述第二换热单元(2.1)的出液口与所述低温膨胀机(2.2)的进液口连通；所述低温膨胀机(2.2)的出液口与所述液态空气储罐(2.3)连通；所述液态空气储罐(2.3)的出液口经所述第二换热单元(2.1)后连接到所述冷凝器(4.1)的冷侧进口；所述冷凝器(4.1)的冷侧出口连接到所述蒸发器(4.3)的热侧进口；所述蒸发器(4.3)的热侧出口连接到所述热交换器(4.4)的热侧进口；所述热交换器(4.4)的热侧出口连接到所述冷水罐(1.3)；
所述热水罐(1.4)的出水口与所述蒸发器(4.3)的冷侧进口连通；所述蒸发器(4.3)的冷侧出口与所述ORC膨胀机(4.2)的蒸汽进口连通；所述ORC膨胀机(4.2)的蒸汽出口与所述冷凝器(4.1)的热侧进口连通；所述冷凝器(4.1)的热侧出口连通到所述第三换热单元(3.1)的冷侧进口；所述第三换热单元(3.1)的冷侧出口与所述空气膨胀机(3.2)的进气连通；所述第三换热单元(3.1)的热侧进口与所述热水罐(1.4)连通；所述第三换热单元(3.1)的热侧出口与所述冷水罐(1.3)连通。
优选的，所述空气压缩机(1.1)包括级联连接的多台空气压缩机；每台所述空气压缩机的压缩空气出口连接到一台所述第一换热单元(1.2)的压缩空气进口，该第一换热单元(1.2)的压缩空气出口连通到下一台所述空气压缩机的压缩空气进口，形成串联连接。
优选的，所述第二换热单元(2.1)包括换热器(2.1.1)、气化换热器(2.1.2)、第一储冷罐(2.1.3)和第二储冷罐(2.1.4)；
所述第一储冷罐(2.1.3)的出口与所述气化换热器(2.1.2)的热侧进口连通；所述气化换热器(2.1.2)的热侧出口与所述第二储冷罐(2.1.4)的进口连通；所述第二储冷罐(2.1.4)的出口与所述换热器(2.1.1)的冷侧进口连通；所述换热器(2.1.1)的冷侧出口与所述第一储冷罐(2.1.3)连通。
优选的，所述空气膨胀机(3.2)包括级联连接的多台空气膨胀机；每台所述空气膨胀机的出口连接到一台所述第三换热单元(3.1)的冷侧进口，该第三换热单元(3.1)的冷侧出口连通到下一台所述空气膨胀机(3.2)的进气口，形成串联连接。
本实用新型提供的压缩空气储能余热回收储热利用系统具有以下优点：
本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，是一种基于压缩空气储能的余热回收储能利用系统，具备综合能源利用率高，系统安全、稳定、高效运行的优点，解决了现有系统中多余的热量不便回收利用，能量浪费的问题。
附图说明
图1为本实用新型提供的压缩空气储能余热回收储热利用系统的结构示意图；
图2为本实用新型提供的压缩空气储能余热回收储热利用系统的增加附图标记后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，是一种基于压缩空气储能的余热回收储能利用系统，具备综合能源利用率高，系统安全、稳定、高效运行的优点，解决了现有系统中多余的热量不便回收利用，能量浪费的问题。
具体具有以下特点：
(1)利用高压水作为空气压缩机级间余热储热介质，水储热技术具有热效率高、运行费用低、运行安全稳定、维修方便等优点。
(2)引入了有机朗肯ORC发电系统，多余的热量用于ORC系统发电，提升系统热效率与系统经济性。
(3)引入供热系统，目前国内压缩空气储能电站大多建设在电网侧，位置相对偏僻，集中供热或化石能源供热的难度和成本均较高，冬季可以利用多余的热量解决办公区生活区供暖及生活热水问题。
参考图1和图2，本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，包括压缩空气储热单元1、低温膨胀机余热回收单元2、空气膨胀机余热回收单元3和ORC膨胀机余热回收单元4；
压缩空气储热单元1包括空气压缩机1.1、第一换热单元1.2、冷水罐1.3和热水罐1.4；低温膨胀机余热回收单元2包括第二换热单元2.1、低温膨胀机2.2和液态空气储罐2.3；空气膨胀机余热回收单元3包括第三换热单元3.1和空气膨胀机3.2；ORC膨胀机余热回收单元4包括冷凝器4.1、ORC膨胀机4.2、蒸发器4.3和热交换器4.4；
第一换热单元1.2的压缩空气进口与空气压缩机1.1的压缩空气出口连通；第一换热单元1.2的压缩空气出口与第二换热单元2.1的压缩空气进口连通；第一换热单元1.2的进水口与冷水罐1.3连通；第一换热单元1.2的出水口与热水罐1.4连通；
第二换热单元2.1的出液口与低温膨胀机2.2的进液口连通；低温膨胀机2.2的出液口与液态空气储罐2.3连通；液态空气储罐2.3的出液口经第二换热单元2.1后连接到冷凝器4.1的冷侧进口；冷凝器4.1的冷侧出口连接到蒸发器4.3的热侧进口；蒸发器4.3的热侧出口连接到热交换器4.4的热侧进口；热交换器4.4的热侧出口连接到冷水罐1.3；
热水罐1.4的出水口与蒸发器4.3的冷侧进口连通；蒸发器4.3的冷侧出口与ORC膨胀机4.2的蒸汽进口连通；ORC膨胀机4.2的蒸汽出口与冷凝器4.1的热侧进口连通；冷凝器4.1的热侧出口连通到第三换热单元3.1的冷侧进口；第三换热单元3.1的冷侧出口与空气膨胀机3.2的进气连通；第三换热单元3.1的热侧进口与热水罐1.4连通；第三换热单元3.1的热侧出口与冷水罐1.3连通。
作为一个具体实施例，空气压缩机1.1包括级联连接的多台空气压缩机；每台空气压缩机的压缩空气出口连接到一台第一换热单元1.2的压缩空气进口，该第一换热单元1.2的压缩空气出口连通到下一台空气压缩机的压缩空气进口，形成串联连接。
作为一个具体实施例，第二换热单元2.1包括换热器2.1.1、气化换热器2.1.2、第一储冷罐2.1.3和第二储冷罐2.1.4；第一储冷罐2.1.3的出口与气化换热器2.1.2的热侧进口连通；气化换热器2.1.2的热侧出口与第二储冷罐2.1.4的进口连通；第二储冷罐2.1.4的出口与换热器2.1.1的冷侧进口连通；换热器2.1.1的冷侧出口与第一储冷罐2.1.3连通。
作为一个具体实施例，空气膨胀机3.2包括级联连接的多台空气膨胀机；每台空气膨胀机的出口连接到一台第三换热单元3.1的冷侧进口，该第三换热单元3.1的冷侧出口连通到下一台空气膨胀机3.2的进气口，形成串联连接。
本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，其工作原理为：
(一)储热过程
压缩空气储热单元1，用于以热水为储热介质，储存压缩空气在空气压缩机级间压缩产生的热量。
具体的，在附图中，以设置三台空气压缩机1.1为例，分别为：第一台空气压缩机C1、第二台空气压缩机C2和第三台空气压缩机C3。第一换热单元1.2对应设置三台，分别称为：1号换热器、2号换热器和3号换热器。
空气经第一台空气压缩机C1压缩后，排出约179℃的压缩空气；约179℃的压缩空气流经1号换热器进行换热，排出约44℃的压缩空气，并流入第二台空气压缩机C2；第二台空气压缩机C2排出约217℃的压缩空气，流经2号换热器进行换热，排出约50℃的压缩空气；约50℃的压缩空气经第三台空气压缩机C3压缩后，排出约227℃的压缩空气，并流入3号换热器进行换热，3号换热器排出约52℃的压缩空气，用于流入低温膨胀机余热回收单元2，推动低温膨胀机2.2做功发电，实现余热利用。
同时，在上述过程中，冷水罐1.3储存冷水，通过流经1号换热器、2号换热器和3号换热器后，吸收压缩空气压缩时释放的热量，变为热水，并储存在热水罐1.4中。
热水罐1.4中的热水，用于向空气膨胀机余热回收单元3和ORC膨胀机余热回收单元4提供热源，推动空气膨胀机3.2和ORC膨胀机4.2做功发电，实现余热利用。
(二)低温膨胀机余热回收单元2
3号换热器排出约52℃的压缩空气后，经第二换热单元2.1换热后温度降低，得到液态空气，并驱动低温膨胀机2.2做功发电，低温膨胀机2.2发电后产生的液态空气储存在液态空气储罐2.3；
液态空气储罐2.3中的液态空气，有两种用途：第一种，液态空气经第二换热单元2.1换热后，重新流入到空气压缩机1.1的空气进口；通过第二换热单元2.1，实现对液态空气储罐2.3中的液态空气的冷量的利用。第二种，作为ORC膨胀机余热回收单元4中的冷源，实现对液态空气储罐2.3中的液态空气的冷量的利用，具体过程在后续ORC膨胀机余热回收单元4中详细介绍。
(三)ORC膨胀机余热回收单元4
热水罐1.4中储存的热水，流经蒸发器4.3加热为高温蒸汽后，驱动ORC膨胀机4.2作功，实现对热水罐1.4中储存的热水的利用。ORC膨胀机4.2作功排出的蒸汽经冷凝器4.1冷凝后，流入到空气膨胀机余热回收单元3的第三换热单元3.1，作为第三换热单元3.1的冷源。而液态空气储罐2.3中的液态空气，经冷凝器4.1换热升温后，流入蒸发器4.3作为热源，经蒸发器4.3降温后再流入热交换器4.4，用于加热生活供水。从热交换器4.4流出的水流回到冷水罐1.3存储。
(四)空气膨胀机余热回收单元3
冷凝器4.1冷凝后的液体流入到第三换热单元3.1，经第三换热单元3.1换热升温后，驱动空气膨胀机3.2作功。而热水罐1.4中储存的热水，作为第三换热单元3.1的热源介质，提供热量，实现对热水罐1.4中储存的热水的利用。
由此可见，本实用新型提供一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，空气经空气压缩机压缩，压缩过程产生的热量由低温水带走，升温后的高温水储存在热水罐中，完成热水罐的储能过程。当系统释能时，压缩空气(高压冷空气)经第二换热单元进一步降温，随后推动低温膨胀机做功发电，完成释能过程。另外，热水罐中的热水，分别作为空气膨胀机和ORC膨胀机的热源，完成热源的利用。
需要说明的是，为提高系统功率和效率，空气压缩机和空气膨胀机一般采用多级方案，换热系统也相应设置多级。压缩空气系统余热是指上述工艺流程中不能回收或无法回收的热量。
另外，在利用热水罐中的热水的同时，对低温膨胀机、空气膨胀机和ORC膨胀机的余热进行充分回收利用。
因此，本实用新型提供了一种基于压缩空气储能的余热回收储能利用系统，具备综合能源利用率高，系统安全、稳定、高效运行的优点，解决了现有系统中多余的热量不便回收利用，能量浪费的问题。
本实用新型是一种以高压热水为储热介质的压缩空气储能系统余热利用，该系统优化压缩空气储能系统和余热利用系统，具体包括以下优点：
1、压缩空气储能系统余热利用，以带压水作为储热介质，通过提高水系统的压力从而提高饱和温度。初步设定工作压力为2MPa(a)，在50～210℃范围内循环储、放热过程中，能够维持10℃以上的过冷度，确保储热系统不汽化。在这种系统中，级间换热、蓄热装置是其中的关键核心部件。
2、系统储能时，蓄热装置蓄积压缩机产生的压缩热；系统释能时，蓄热装置释放蓄积的热量，增加膨胀机的输出功率，提高系统的储能效率。同时多余的热量还用于有机朗肯ORC发电。有机朗肯ORC发电系统中冷凝器的冷量来源于液化空气的冷量，省去了循环水的用量，还提升了系统整体效率。
3、从ORC发电系统出来的热水再与生活供热循环水换热，解决了办公区生活区供暖及生活热水问题。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种压缩空气储能余热回收储热利用系统，其特征在于，包括：压缩空气储热单元(1)、低温膨胀机余热回收单元(2)、空气膨胀机余热回收单元(3)和ORC膨胀机余热回收单元(4)；
所述压缩空气储热单元(1)包括空气压缩机(1.1)、第一换热单元(1.2)、冷水罐(1.3)和热水罐(1.4)；所述低温膨胀机余热回收单元(2)包括第二换热单元(2.1)、低温膨胀机(2.2)和液态空气储罐(2.3)；所述空气膨胀机余热回收单元(3)包括第三换热单元(3.1)和空气膨胀机(3.2)；所述ORC膨胀机余热回收单元(4)包括冷凝器(4.1)、ORC膨胀机(4.2)、蒸发器(4.3)和热交换器(4.4)；
所述第一换热单元(1.2)的压缩空气进口与所述空气压缩机(1.1)的压缩空气出口连通；所述第一换热单元(1.2)的压缩空气出口与所述第二换热单元(2.1)的压缩空气进口连通；所述第一换热单元(1.2)的进水口与所述冷水罐(1.3)连通；所述第一换热单元(1.2)的出水口与所述热水罐(1.4)连通；
所述第二换热单元(2.1)的出液口与所述低温膨胀机(2.2)的进液口连通；所述低温膨胀机(2.2)的出液口与所述液态空气储罐(2.3)连通；所述液态空气储罐(2.3)的出液口经所述第二换热单元(2.1)后连接到所述冷凝器(4.1)的冷侧进口；所述冷凝器(4.1)的冷侧出口连接到所述蒸发器(4.3)的热侧进口；所述蒸发器(4.3)的热侧出口连接到所述热交换器(4.4)的热侧进口；所述热交换器(4.4)的热侧出口连接到所述冷水罐(1.3)；
所述热水罐(1.4)的出水口与所述蒸发器(4.3)的冷侧进口连通；所述蒸发器(4.3)的冷侧出口与所述ORC膨胀机(4.2)的蒸汽进口连通；所述ORC膨胀机(4.2)的蒸汽出口与所述冷凝器(4.1)的热侧进口连通；所述冷凝器(4.1)的热侧出口连通到所述第三换热单元(3.1)的冷侧进口；所述第三换热单元(3.1)的冷侧出口与所述空气膨胀机(3.2)的进气连通；所述第三换热单元(3.1)的热侧进口与所述热水罐(1.4)连通；所述第三换热单元(3.1)的热侧出口与所述冷水罐(1.3)连通。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能余热回收储热利用系统，其特征在于，所述空气压缩机(1.1)包括级联连接的多台空气压缩机；每台所述空气压缩机的压缩空气出口连接到一台所述第一换热单元(1.2)的压缩空气进口，该第一换热单元(1.2)的压缩空气出口连通到下一台所述空气压缩机的压缩空气进口，形成串联连接。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能余热回收储热利用系统，其特征在于，所述第二换热单元(2.1)包括换热器(2.1.1)、气化换热器(2.1.2)、第一储冷罐(2.1.3)和第二储冷罐(2.1.4)；
所述第一储冷罐(2.1.3)的出口与所述气化换热器(2.1.2)的热侧进口连通；所述气化换热器(2.1.2)的热侧出口与所述第二储冷罐(2.1.4)的进口连通；所述第二储冷罐(2.1.4)的出口与所述换热器(2.1.1)的冷侧进口连通；所述换热器(2.1.1)的冷侧出口与所述第一储冷罐(2.1.3)连通。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能余热回收储热利用系统，其特征在于，所述空气膨胀机(3.2)包括级联连接的多台空气膨胀机；每台所述空气膨胀机的出口连接到一台所述第三换热单元(3.1)的冷侧进口，该第三换热单元(3.1)的冷侧出口连通到下一台所述空气膨胀机(3.2)的进气口，形成串联连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |