一种基于液态空气的发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于液态空气的发电系统及方法，包括液态空气处理单元，燃气轮机发电单元以及蒸汽轮机发电单元。在用电高峰时段，液态空气通过深冷泵加压到所需压力，在冷能存储单元中蒸发并同时将释放的冷能进行存储后，无需经过压缩机，直接进入燃气轮机发电单元发电，同时燃气轮机高温尾气进入蒸汽轮机发电单元再进行发电。在用电低谷时段，常温空气通过冷能存储单元降温后，经过压缩机加压后，进入燃气轮机发电单元发电，同时燃气轮机高温尾气进入蒸汽轮机发电单元再进行发电。本发明专利技术利用液态空气能量存储和冷能回收、存储与利用，可以显著地提高燃气轮机发电循环或联合发电循环的发电量和发电效率，提高发电系统的调峰能力。调峰能力。调峰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态空气的发电系统及方法


[0001]本专利技术属于电力能源领域，具体涉及一种基于液态空气的发电系统及方法。

技术介绍

[0002]现有燃气发电循环或燃气、蒸汽联合发电循环，在运行过程中，需要引入空气实现燃料燃烧，产生燃气轮机做功工质。环境空气需要预先经过压缩机加压至高压，被压缩的空气与喷入的燃料相混合并燃烧形成高温高压燃气，具有做功能力的燃气工质进入透平装置膨胀做功。然而，现有的单循环燃气轮机的热效率仅为35-40％左右，这很大程度上受限于压缩机在压缩空气过程中较高的自身耗功量。相比于环境空气的压缩耗功量，液态空气的加压过程耗功低。如果使用液态空气作为燃气发电循环或燃气、蒸汽联合发电循环的空气来源，可以节省巨大的压缩机自身耗功量，提高发电循环的净发电量，进而提高发电循环的热效率。
[0003]现阶段，可再生能源发电产业蓬勃发展，可再生能源发电站的装机容量屡创新高，这就导致传统发电机组需要长期在较低负荷下运行，以保证清洁可再生能源的上网发电。但是由于可再生能源的波动性和间歇性等自身特性，传统发电机组又需要在可再生能源发电不足的情况下，提高自身发电量，以维持整个电网的稳定性。这就导致传统发电系统，在投建时虽然有较高的装机容量，但是长期无法满负荷运行，导致了投资成本大，成本回收期长的问题。此外，大功率船用燃气轮机等也面临同样的困境，装机的燃气轮机长期处于中低负荷运行即可满足船的基本用电需求，仅在必要时刻才满负荷运行。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于液态空气的发电系统及方法，利用液态空气低功耗升压、冷能高效回收和利用以降低压缩机功耗的优点，实现液态空气储能、低温热能存储和燃气发电循环，进而实现高效发电。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]一种基于液态空气的发电系统，包括液态空气处理单元和燃气轮机发电单元；
[0007]其中，液态空气处理单元包括：
[0008]液态空气存储装置，所述液态空气存储装置从外部接受和存储液态空气，并具有下部输出端；
[0009]深冷泵，所述深冷泵的上部输入端与所述液态空气存储装置的下部输出端连接；
[0010]冷能存储单元，所述冷能存储单元的左上侧输入端与所述深冷泵的下部输出端连接；冷能存储单元的下部输入端连接经过处理过的环境空气；
[0011]燃气轮机发电单元包括：
[0012]空气压缩机组，所述空气压缩机组的左侧输入端与所述冷能存储单元上部输出端连接；
[0013]第一气体三通阀，所述第一气体三通阀的左侧输入端与所述空气压缩机组的右侧
输出端连接；第一气体三通阀的下部输入端与所述冷能存储单元的右上侧输出端连接；
[0014]第二气体三通阀，所述第二气体三通阀的左侧输入端与所述第一气体三通阀的右侧输出端连接；
[0015]回热器，所述回热器的左侧输入端与所述第二气体三通阀的下部输出端连接；回热器的上部输出端为尾气排放口；
[0016]第三气体三通阀，所述第三气体三通阀的下部输入端与所述回热器的右侧输出端连接；第三气体三通阀的左侧输入端与所述第二气体三通阀的右侧输出端连接；
[0017]燃烧室，所述燃烧室的左侧输入端与所述第三气体三通阀的右侧输出端连接；燃烧室的下部输入端用于向燃烧室内输送燃料；
[0018]燃气透平，所述燃气透平的左侧输入端与所述燃烧室的右侧输出端连接；
[0019]第四气体三通阀，所述第四气体三通阀的左侧输入端与所述燃气透平的右侧输出端连接；第四气体三通阀的下部输出端与所述回热器的下部输入端连接。
[0020]进一步地，该系统还包括蒸汽轮机发电单元，所述的蒸汽轮机发电单元包括：
[0021]余热锅炉，所述余热锅炉的左侧输入端与所述第四气体三通阀的右侧输出端连接；余热锅炉的右侧输出端为尾气排放口；
[0022]给水泵，所述给水泵的左侧输出端与所述余热锅炉的上部输入端连接；
[0023]凝汽器，所述凝汽器的上部输出端与所述给水泵的右侧输入端连接；
[0024]蒸汽透平，所述蒸汽透平的右侧输出端与所述凝汽器的下部输入端连接；蒸汽透平的左侧输入端与所述余热锅炉的下部输出端连接。
[0025]燃气发电循环或燃气、蒸汽联合发电循环可以使用环境空气和液态空气两种空气来源进行发电：在用电平段或低谷期，使用环境空气作为空气来源满足基本的用电需求；在用电高峰或尖峰期，使用液态空气作为空气来源，可以在一段时间内有效地提高机组的净发电量，从而避免了为了应对短期用电高峰，加大燃气发电系统或燃气、蒸汽联合发电系统的装机容量，而导致的投资成本过高等问题。因此将液态空气与传统燃气发电循环或燃气、蒸汽联合循环高效的集成与优化，对于降低发电系统的投资成本、提高发电系统的发电量、效率和调峰能力，具有重要的意义。
[0026]优选地，所述的冷能存储单元由一级以上的冷能存储子单元串联而成，各级子单元采用潜热、显热或热化学储能材料进行存储，且各级子单元均采用保温材料隔热；储能材料与流体工质采用非接触式或直接接触式换热。
[0027]优选地，所述的空气压缩机组由一级以上的多个压缩机组成；所述的燃气透平由一级以上的多个透平组成；所述的蒸汽透平由一级以上的多个透平组成。
[0028]具体地，所述燃烧室内输送的燃料为甲烷、氢气、氨气、合成气、煤油或其他低热值燃料中的任意一种或两种以上的混合物。
[0029]本专利技术进一步提供上述基于液态空气的发电系统进行发电的方法，装置运行分两种模式：
[0030]第一种模式中，只有燃气轮机发电单元参与发电，而蒸汽轮机发电单元不参与发电，具体步骤包括：
[0031]用电高峰时段，液态空气存储装置中存储的液态空气经过深冷泵加压至高压后，进入冷能存储单元中汽化至接近常温，并同时释放冷能并存储在冷能存储单元中；汽化后
的空气经过第一气体三通阀和第二气体三通阀进入回热器中被燃气轮机高温尾气预热后，通过第三气体三通阀进入燃烧室，在燃烧室中加入燃料燃烧加热；加热后的高温燃气进入燃气透平膨胀做功；膨胀后的高温尾气通过第四气体三通阀进入回热器中预热空气后降温并排向大气；
[0032]在用电低谷时段，环境空气进入冷能存储单元，被存储的冷能降温冷却后，进入空气压缩机组加压至高压；高压空气经过第一气体三通阀和第二气体三通阀进入回热器中被高温尾气预热后，通过第三气体三通阀进入燃烧室，在燃烧室中加入燃料燃烧加热；加热后的高温燃气进入燃气透平膨胀做功；膨胀后的高温尾气通过第四气体三通阀进入回热器中预热空气后降温并排向大气。
[0033]第二种模式中，燃气轮机发电单元和蒸汽轮机发电单元同时参与发电，具体步骤包括：
[0034]用电高峰时段，液态空气存储装置中存储的液态空气经过深冷泵加压至高压后，进入冷能存储单元中汽化至接近常温，并同时释放冷能并存储在冷能存储单元中；汽化后的空气经过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态空气的发电系统，其特征在于，包括液态空气处理单元(100)和燃气轮机发电单元(200)；其中，液态空气处理单元(100)包括：液态空气存储装置(101)，所述液态空气存储装置(101)从外部接受和存储液态空气，并具有下部输出端；深冷泵(102)，所述深冷泵(102)的上部输入端与所述液态空气存储装置(101)的下部输出端连接；冷能存储单元(103)，所述冷能存储单元(103)的左上侧输入端与所述深冷泵(102)的下部输出端连接；冷能存储单元(103)的下部输入端连接经过处理过的环境空气；燃气轮机发电单元(200)包括：空气压缩机组(201)，所述空气压缩机组(201)的左侧输入端与所述冷能存储单元(103)上部输出端连接；第一气体三通阀(202)，所述第一气体三通阀(202)的左侧输入端与所述空气压缩机组(201)的右侧输出端连接；第一气体三通阀(202)的下部输入端与所述冷能存储单元(103)的右上侧输出端连接；第二气体三通阀(203)，所述第二气体三通阀(203)的左侧输入端与所述第一气体三通阀(202)的右侧输出端连接；回热器(204)，所述回热器(204)的左侧输入端与所述第二气体三通阀(203)的下部输出端连接；回热器(204)的上部输出端为尾气排放口；第三气体三通阀(205)，所述第三气体三通阀(205)的下部输入端与所述回热器(204)的右侧输出端连接；第三气体三通阀(205)的左侧输入端与所述第二气体三通阀(203)的右侧输出端连接；燃烧室(206)，所述燃烧室(206)的左侧输入端与所述第三气体三通阀(205)的右侧输出端连接；燃烧室(206)的下部输入端用于向燃烧室(206)内输送燃料；燃气透平(207)，所述燃气透平(207)的左侧输入端与所述燃烧室(206)的右侧输出端连接；第四气体三通阀(208)，所述第四气体三通阀(208)的左侧输入端与所述燃气透平(207)的右侧输出端连接；第四气体三通阀(208)的下部输出端与所述回热器(204)的下部输入端连接。2.根据权利要求1所述的基于液态空气的发电系统，其特征在于，还包括蒸汽轮机发电单元(300)，所述的蒸汽轮机发电单元(300)包括：余热锅炉(301)，所述余热锅炉(301)的左侧输入端与所述第四气体三通阀(208)的右侧输出端连接；余热锅炉(301)的右侧输出端为尾气排放口；给水泵(302)，所述给水泵(302)的左侧输出端与所述余热锅炉(301)的上部输入端连接；凝汽器(303)，所述凝汽器(303)的上部输出端与所述给水泵(302)的右侧输入端连接；蒸汽透平(304)，所述蒸汽透平(304)的右侧输出端与所述凝汽器(303)的下部输入端连接；蒸汽透平(304)的左侧输入端与所述余热锅炉(301)的下部输出端连接。3.根据权利要求1或2所述的基于液态空气的发电系统，其特征在于，所述的冷能存储
单元(103)由一级以上的冷能存储子单元串联而成，各级子单元采用潜热、显热或热化学储能材料进行存储，且各级子单元均采用保温材料隔热；储能材料与流体工质采用非接触式或直接接触式换热。4.根据权利要求1或2所述的基于液态空气的发电系统，其特征在于，所述的空气压缩机组(201)由一级以上的多个压缩机组成；所述的燃气透平(207)由一级以上的多个透平组成。5.根据权利要求2所述的基于液态空气的发电...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁玉龙，张童童，
申请(专利权)人：开尔文热能技术有限公司，
类型：发明
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