本發(fā)明涉及一種液空回冷型壓縮空氣儲能電站(液空即液態(tài)空氣，下同)，具體涉及一種采用空分低溫膨脹機(jī)技術(shù)的液空回冷型壓縮空氣儲能電站。

背景技術(shù)：

1、在碳中和的大背景下，構(gòu)筑新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為全球共識，儲能將作為核心環(huán)節(jié)參與其中，是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保障。

2、由于光伏及風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，并且電力具有供需實(shí)時(shí)平衡以及難以大規(guī)模存儲的特征，大規(guī)模的光伏及風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)并網(wǎng)將會加劇電力系統(tǒng)供需兩側(cè)的雙重波動性和不確定性，系統(tǒng)調(diào)峰難度大，并帶來了棄光、棄風(fēng)等一系列問題，而儲能可以平抑光伏及風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電力供需的動態(tài)平衡。

3、夏季電力需求旺盛，峰谷電價(jià)差持續(xù)擴(kuò)大，17省區(qū)峰谷電價(jià)差超0.7元/kwh，工商業(yè)儲能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性凸顯。2024年7月，夏季來臨，全國各地區(qū)峰谷電價(jià)差擴(kuò)大，共有17個(gè)地區(qū)峰谷電價(jià)差超過0.7元/kwh，其中前三位分別為廣東省(珠三角五市)、海南省和江蘇省，最大峰谷價(jià)差分別達(dá)到1.27元/kwh、1.22元/kwh和1.14元/kwh，峰谷套利經(jīng)濟(jì)性顯著提高。即使在電力需求相對平穩(wěn)的春季，3月仍有16個(gè)地區(qū)峰谷電價(jià)差超0.7元/kwh，有效保障了工商業(yè)儲能系統(tǒng)在全年維度上峰谷套利的盈利穩(wěn)定性。

4、新能源供電體系中將面臨電能供需錯(cuò)位等問題，儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等調(diào)節(jié)手段不可或缺。電能是動態(tài)的過程性能源，不易儲存，主要通過電力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、輸送和消納同步進(jìn)行。新能源(如風(fēng)能和太陽能)發(fā)電方式受天氣條件影響較大，具有間歇性、波動性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，大規(guī)模應(yīng)用會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。為應(yīng)對新能源發(fā)電的發(fā)電特征，儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等調(diào)節(jié)手段未來都將迎來大規(guī)模應(yīng)用。因此儲能的配置在未來的綠電能源體系中是不可或缺的，新型儲能在促進(jìn)新能源開發(fā)消納和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面的作用正在逐步顯現(xiàn)。

5、2023年12月中國新型儲能試點(diǎn)示范項(xiàng)目技術(shù)類型中，壓縮空氣的儲能技術(shù)類型占有較高的比例。

6、壓縮空氣儲能(caes)被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一，其技術(shù)種類繁多，目前有示范工程的種類主要有非絕熱式、補(bǔ)燃式、先進(jìn)絕熱式和恒溫式等，具有儲能規(guī)模大、存儲周期長、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

7、以非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)為例，它主要依賴于空氣作為儲能介質(zhì)，通過壓縮空氣和釋放壓縮空氣的過程來實(shí)現(xiàn)電能的儲存和釋放。江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站是世界首個(gè)“非補(bǔ)燃”壓縮空氣儲能電站，也是國內(nèi)首次利用鹽穴資源的發(fā)電項(xiàng)目。該壓縮空氣儲能發(fā)電項(xiàng)目的工作原理是：它利用電網(wǎng)富余時(shí)段(如夜晚)將空氣壓縮并注入地下鹽穴進(jìn)行儲存，同時(shí)壓縮過程中產(chǎn)生的熱能也被儲存在油罐中。當(dāng)電網(wǎng)需要電力時(shí)(如白天)，再釋放壓縮空氣并利用油罐中的熱能進(jìn)行加熱，進(jìn)入透平發(fā)電。這個(gè)電站利用地下近千米處的鹽穴作為儲存高壓空氣的容器，在用電低谷時(shí)壓縮空氣儲能，在高峰時(shí)釋放發(fā)電，有效地提高了電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力。該電站的電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60％以上，且全過程無燃燒、無排放，標(biāo)志著我國壓縮空氣儲能技術(shù)實(shí)現(xiàn)從理論實(shí)驗(yàn)到工程應(yīng)用質(zhì)的飛躍。

8、2011年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所率先建成了國際首個(gè)超臨界壓縮空氣儲能實(shí)驗(yàn)平臺(15kw)；基于該技術(shù)及持續(xù)的研究工作，2013年，工程熱物理所就在河北廊坊建成了mw級的先進(jìn)壓縮空氣儲能(集成超臨界和蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng))示范項(xiàng)目，系統(tǒng)效率達(dá)到52.1％；進(jìn)一步，又于2016年底在貴州畢節(jié)建成10mw的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升至60％；而目前正在河北張家口建設(shè)的100mw先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其系統(tǒng)目標(biāo)效率將達(dá)到70％，單位裝機(jī)成本降低至450-750美元/kw，已接近抽水蓄能電站的效率及單位裝機(jī)成本。

9、中國專利如cn200910225252.3-超臨界空氣儲能系統(tǒng)、cn201210266532.0-超超臨界空氣儲能釋能系統(tǒng)、cn201911181103.1-一種高效利用低品位熱能的壓縮空氣儲能系統(tǒng)及控制方法、cn202111218542.2-一種壓縮空氣儲能系統(tǒng)、cn202410319879.x-一種含低溫凈化的壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)等，對壓縮空氣儲能(caes)技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，提供了系列技術(shù)改進(jìn)途徑。國外專利如us201916563055、us202017608697、us202016856627、us202318499686、ep16861931、ep17174145、jp2019089865、jp2020203178等也對壓縮空氣儲能技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)研究。上述技術(shù)均值得學(xué)習(xí)、研究、借鑒。

10、caes技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，如壓縮機(jī)、高壓儲氣罐、氣輪發(fā)電機(jī)等國產(chǎn)設(shè)備已較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈成熟。隨著儲能系統(tǒng)容量的增大，造價(jià)將趨于下降，預(yù)計(jì)未來caes技術(shù)將迎來更廣闊的應(yīng)用前景。

11、因此，caes中結(jié)合新型冷力循環(huán)、節(jié)能型壓縮機(jī)高壓輸氣技術(shù)的液空回冷型壓縮空氣儲能電站，值得深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、一種液空回冷型壓縮空氣儲能電站，該電站由補(bǔ)冷回路實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣的液化、液空增壓回冷氣化實(shí)現(xiàn)高壓輸氣，以及高壓空氣在高壓儲氣罐中的儲能、高壓儲氣罐中的高壓空氣釋能發(fā)電過程，其過程如下：

2、從儲液罐3出來的液空，通過液壓泵4、換冷單元2氣化后，再進(jìn)入低溫膨脹機(jī)5膨脹做功、降低溫度，低溫膨脹機(jī)5的排氣進(jìn)入換冷單元2回收冷量后排出，再經(jīng)壓氣機(jī)1或壓縮機(jī)7增壓后進(jìn)入換冷單元2液化，進(jìn)入儲液罐3存儲，所述低溫膨脹機(jī)5產(chǎn)生的機(jī)械能用于拖動制動器6，從而實(shí)現(xiàn)壓縮空氣液化過程；

3、儲能時(shí)：空氣經(jīng)壓氣機(jī)1壓縮后，進(jìn)入換冷單元2液化制得液空，送入儲液罐3，儲液罐3中的液空再經(jīng)過高壓泵14增壓后，進(jìn)入換冷單元2釋放出冷量冷卻壓縮空氣，形成的高壓空氣15輸送至高壓儲氣罐16進(jìn)行儲能；

4、釋能時(shí)：高壓儲氣罐16中的高壓空氣15經(jīng)補(bǔ)熱器17升溫后，進(jìn)入氣輪機(jī)18膨脹做功，拖動氣輪發(fā)電機(jī)19發(fā)電，氣輪機(jī)排氣21排出；或者高壓儲氣罐16中的高壓空氣15經(jīng)回?zé)崞?0、補(bǔ)熱器17升溫后，進(jìn)入氣輪機(jī)18膨脹做功，拖動氣輪發(fā)電機(jī)19發(fā)電，氣輪機(jī)18的出口氣體經(jīng)回?zé)崞?0回收熱量，形成氣輪機(jī)排氣21。

5、所述液空增壓回冷氣化實(shí)現(xiàn)高壓輸氣，是指儲液罐3中的液空再經(jīng)過高壓泵增壓后，進(jìn)入換冷單元2釋放出冷量冷卻壓縮空氣，形成高壓空氣15輸送至高壓儲氣罐16儲能。

6、所述的換冷單元2采用管殼式、板翅式、微通道或其他型式的換冷器，其結(jié)構(gòu)及換冷元件與傳統(tǒng)的空分流程中的管殼式換熱器、板翅式換熱器、微通道或其他型式的換熱器等相似，采用多個(gè)換冷器串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接方式組合在一起。

7、所述液空回冷型壓縮空氣儲能電站中的空氣壓縮、冷卻過程中還包括空氣的凈化與純化，用于除去空氣中的固體物及雜質(zhì)氣體；空氣凈化與純化設(shè)備集成在壓氣機(jī)1和/或壓縮機(jī)7和/或換冷單元2中，或者集成在壓氣機(jī)1、壓縮機(jī)7、換冷單元2的連接管道上。

8、所述的低溫膨脹機(jī)5的制動器6，包括但不限于風(fēng)機(jī)、液體泵、壓縮機(jī)或壓氣機(jī)，用于回收低溫膨脹機(jī)5產(chǎn)生的膨脹功。

9、所述的壓氣機(jī)1或壓縮機(jī)7，僅為區(qū)分，實(shí)質(zhì)均為空氣壓縮增壓設(shè)備；液壓泵或液空泵、高壓泵亦類此。

10、所述液空回冷型壓縮空氣儲能電站中的壓縮空氣為等壓液化過程，是指進(jìn)入換冷單元2的原料空氣，無需像傳統(tǒng)的空分工藝那樣膨脹降壓制冷，壓氣機(jī)出來的空氣，僅有沿程設(shè)備及管道的阻力損失，可以視為壓力變化不大的空氣等壓液化過程。

11、所述液空回冷型壓縮空氣儲能電站中的空氣凈化與純化設(shè)備，其中的純化設(shè)備包括分子篩純化器、可逆式換冷器或石頭蓄冷器等，應(yīng)能保證工藝的連續(xù)正常運(yùn)行。

12、所述補(bǔ)熱器17的熱源，采用下列熱能的一種或幾種：壓縮機(jī)或壓氣機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱；工業(yè)余熱或廢熱；太陽熱能；燃料燃燒釋放出來的熱能；地?zé)崮?；儲存于蓄熱介質(zhì)中的熱能；所述補(bǔ)熱器17的熱源，用于加熱高壓空氣15。

13、設(shè)有精餾單元9：從儲液罐3出來的液空，經(jīng)液空泵8增壓后，進(jìn)入精餾單元9，產(chǎn)生液氧10及氣相氮?dú)廨敵觥?/p>

14、設(shè)有液化單元11：從精餾單元9產(chǎn)生的氣相氮?dú)?，?jīng)液化單元11，制得液氮12。

15、所述的精餾單元9參照空分裝置的精餾塔設(shè)計(jì)、安裝、操作。

16、所述的液化單元11采用常規(guī)壓縮制冷工藝或低溫膨脹機(jī)工藝實(shí)現(xiàn)。

17、本技術(shù)中壓縮機(jī)7或壓氣機(jī)1的出口氣體，其壓縮熱通過蓄熱器進(jìn)行回收利用。

18、本技術(shù)中未說明的設(shè)備及其系統(tǒng)、管道、儀表、閥門、保冷、具有調(diào)節(jié)功能旁路設(shè)施等，參照或按照公知的傳統(tǒng)工藝中的成熟技術(shù)進(jìn)行配套。

19、本技術(shù)中的設(shè)備及管道采用必要的回?zé)?、回冷等措施?/p>

20、本技術(shù)未提及的部分如安全附件、自動控制等，采用現(xiàn)有公知技術(shù)進(jìn)行配套，即將現(xiàn)有的成熟可靠的合理技術(shù)措施應(yīng)用于本裝置。

21、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

22、1、相比現(xiàn)有的多級壓縮、中間冷卻的壓氣機(jī)高壓輸氣壓縮空氣儲能電站，采用結(jié)合全低壓制氧技術(shù)的空氣等壓液化、液壓泵增壓回冷的高壓供氣技術(shù)，能夠有效降低壓氣機(jī)的壓縮熱功耗，減輕了壓氣機(jī)的低品位壓縮熱熱回收的難度，高壓供氣的綜合電耗降低幅度大，噪聲低，實(shí)質(zhì)是全新的節(jié)能型氣壓/液壓組合式高壓供氣型壓縮空氣儲能電站，其中的氣壓/液壓組合式高壓供氣機(jī)組適用于現(xiàn)有壓縮空氣儲能電站供氣系統(tǒng)的改造、升級；

23、2、相比現(xiàn)有的空氣壓縮儲能電站，結(jié)合氣壓/液壓組合式高壓供氣機(jī)組的空氣增壓儲能電站，除了節(jié)電效果明顯，還有聯(lián)產(chǎn)液氧、氮?dú)狻⒁旱夷芨鶕?jù)市場行情靈活調(diào)節(jié)運(yùn)行方式、提高電站綜合效益的特色。

24、3、相比現(xiàn)有的空氣壓縮儲能電站，本電站的噪聲低，采用新型的補(bǔ)冷循環(huán)回路，具有調(diào)節(jié)靈活方便的特點(diǎn)。