一种级间热量一体化回收和存储的压缩空气系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种级间热量一体化回收与存储的压缩空气系统，包括：若干级空气压缩机、若干级级间换热/蓄热器，以及系统相关的附件、管道、阀门等。空气压缩机和级间换热/蓄热器按照压力由低到高的次序，依次相间串联在一起，组成压缩空气系统。本实用新型在压缩空气的基础上，可以充分回收和存储级间热量及其有用能，而且技术方案简单可靠，设备投资降低，运行维护方便。
【专利说明】一种级间热量一体化回收和存储的压缩空气系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种压缩空气系统，尤其涉及一种能够将级间热量一体化回收并存储的压缩空气系统，特别适用于大规模压缩空气储能技术。
【背景技术】
[0002]目前的空气压缩机组普遍采用多级压缩级间冷却的技术方案。多级压缩级间冷却的技术方案是指:在将空气压缩到指定压力的过程中，将该过程分为若干级进行压缩，并且在级间对压缩空气进行冷却，其温度降低后进入下一级进行压缩。与直接将空气压缩到目标压力的单级压缩方案相比较，多级压缩级间冷却的技术方案具有以下优点:
[0003]1.节省压缩空气所需要的功。在单级压缩空气的过程中，压缩过程通常为一个连续的多变过程，而多级压缩级间冷却的过程则是多个多变过程和等压过程的组合。两者相t匕，单级压缩过程需要的技术功更多，而多级压缩级间冷却的过程则需要的技术功较少。
[0004]2.降低排气温度。当压比较高时，单级压缩会把空气提高到很高的温度，从而超出压缩机气缸润滑油的使用温度，造成润滑油粘度降低及润滑性能恶化，甚至发生缸内积碳的现象。多级压缩级间冷却的方案则可以避免这些问题的发生。通过控制单级压比，压缩机组可以将每级出口的空气温度保持在允许的范围内，并且通过级间冷却的方法进一步将该温度降低，保证下一级压缩不会进一步提高空气的温度，从而保证了气缸润滑油的正常运行。
[0005]3.提高气缸的容积系数。随着压力比的上升，余隙容积中气体膨胀所占的容积也增大，这就使气缸的充气情况恶化。采用多级压缩使每一级的压力比降低，从而使容积系数增高。
[0006]4.降低活塞上的气体力。多级压缩能大大降低活塞上所受的气体力，由此使运动机构重量减轻，机械效率得以提高。
[0007]由于上述原因，目前的空气压缩机组普遍采用多级压缩级间冷却的技术方案。但是，为了节约生产成本，通常使用很大的水流量通过级间换热器对高温的压缩空气进行冷却。压缩空气虽然得到了冷却，但是在传热过程中，由于水流量很大，换热器两侧温差很大，热量品位大大降低，造成了可用能的大量损失。
[0008]为了提高系统的能量利用效率，必须对该部分能量进行回收和存储，并保证级间冷却热量的品位。专利N0.201120335082.7提出了一种可以回收和存储级间热量的压缩空气的方法和系统，其技术方案为:使用高效的换热器和较小冷却水流量，保证在级间冷却的过程中压缩空气与冷却水的传热温差很小，从而大大提高了冷却水的出口温度，并且将高温的冷却水保存在储水罐内。这样不但保证了级间冷却热量的能量品位，并且实现了对其进行回收和存储的目的。但是，该方案仍然延续了级间冷却过程中常规的技术思路，系统中保存了完整的水路结构，具有以下不足:
[0009]1.换热器需要使用高效换热器，与常用的冷却器相比，高效换热器的设计和生产难度较大，从而大大提高了生产成本。[0010]2.系统增加了冷水储罐和热水储罐。由于冷却水在该方案下一般达到140°C的高温，水路系统压力远远高于环境压力，储罐需要使用压力容器，大大增加生产和运行成本。
[0011]3.由于水路系统在压力环境下运行，提高了系统的复杂程度，增加了系统在运行维护方面的难度。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的上述缺点和不足，为了对压缩空气级间热量及其有用能进行一体化回收与存储，本实用新型提供了一种能够一体化回收与存储级间热量的压缩空气系统，该系统在压缩空气的基础上，可以充分回收和存储级间热量及其有用能，而且技术方案简单可靠，大大节约了设备投资和运行维护的费用。
[0013]为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0014]一种级间热量一体化回收与存储的压缩空气系统，该系统包括:若干级空气压缩机，若干级级间换热/蓄热器，其特征在于，
[0015]所述若干级空气压缩机按照压力由低到高的次序，通过气体管路依次串联在一起，各所述空气压缩机的排气管路上均设置一级间换热/蓄热器，各所述空气压缩机产生的高温压缩空气在级间换热/蓄热器的蓄热介质中释放热量后流出，各所述级间换热/蓄热器的压缩空气进气口和/或出气口处均设置有压缩空气控制阀门；各所述级间换热/蓄热器均设有冷流体换热管路，且各冷流体换热管路的进口和/或出口处均设置有冷流体控制阀门，各所述级间换热/蓄热器的冷流体换热管路的进口处均与待加热冷却介质供应管路连接，各所述级间换热/蓄热器的冷流体换热管路的出口处均与冷却介质排出管路连接。
[0016]优选地，当各所述空气压缩机工作时，各所述压缩空气控制阀门处于打开状态，而各所述冷流体控制阀门处于关闭状态；当各所述空气压缩机停止工作，各所述级间换热/蓄热器对外释能时，各所述压缩空气控制阀门处于关闭状态，而各所述冷流体控制阀门处于打开状态。
[0017]优选地，各所述级间换热/蓄热器中，高温压缩空气流入的方向和待加热冷却介质流入的方向相反。
[0018]优选地，各所述级间换热/蓄热器中，高温压缩空气的进气口设置于换热/蓄热器的顶端，出气口设置于换热/蓄热器的底部。
[0019]优选地，各所述级间换热/蓄热器中，冷却介质的进口设置于换热/蓄热器的底部，出气口设置于换热/蓄热器的顶端。
[0020]优选地，各所述空气压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式、或转子式，各级空气压缩机可以采用相同的压缩形式，也可以是不同的压缩形式。
[0021]优选地，所述的级间换热/蓄热器采用填充床蓄热器，也可以采用其他形式的换
热/蓄热器。
[0022]优选地，所述的级间换热/蓄热器设有保温部件，保证级间热量在换热/蓄热器内部有效存储。
[0023]本实用新型的级间热量一体化回收与存储的压缩空气系统中，空气压缩机，其作用是对空气进行逐级压缩，使之达到需要的压力。级间换热/蓄热器，其作用是:与压缩后的高温空气进行换热，保证压缩空气温度降低到近似于环境温度，吸收并存储级间热量及其有用能；在释热时，将存储的热量和有用能释放给冷却介质。
[0024]本实用新型的能够一体化回收和存储级间热量的压缩空气的系统，其具体的工作方式是:空气首先进入第一级空气压缩机进行压缩。在压缩过程中，空气的压力和温度均得到提高。压缩结束后，空气进入第一级级间换热/蓄热器。由于压缩空气的温度高于级间换热/蓄热器，热量由压缩空气传向换热/蓄热器内的蓄热工质，压缩空气的温度逐渐下降到略高于环境温度，而后流出级间换热/蓄热器，进入第二级空气压缩机。按照这种工作方式，压缩空气依次通过各级空气压缩机和级间换热/蓄热器，最终以高压常温状态离开空气压缩系统。各级级间换热/蓄热器在初始阶段温度与环境温度相当。在压缩空气系统整个工作过程中，级间换热/蓄热器内部存在热分层现象，分为高温区、斜温层和低温区。其中，高温区是级间换热/蓄热器内部已经完成传热和蓄热的区域，温度近似等于压缩后空气的温度；斜温层是压缩空气正在与蓄热介质进行传热的区域，温度范围从压缩后空气温度变化至环境温度；低温区是尚未参与传热与蓄热的区域，温度近似等于环境温度。由于压缩空气不断向级间换热/蓄热器传热，高温区区域逐渐扩大，斜温层逐渐由高温区向低温区移动，低温区范围逐渐缩小。在空气压缩系统结束工作的时候，级间换热/蓄热器内部温度为压缩空气进入该级换热/蓄热器前的温度。在级间换热/蓄热器的释热阶段，冷却工质通过级间换热/蓄热器，其流动方向与压缩空气相反，将级间换热/蓄热器存储的热量和有用能带入其他热能利用装置。在释热过程结束时，级间换热/蓄热器温度下降到近似于环境温度。
[0025]本实用新型的有益效果是:在压缩空气的基础上，可以充分回收和存储级间热量及其有用能，而且技术方案简单可靠，设备投资降低，运行维护方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型的压缩空气系统的结构示意图。
[0027]图中1.一级空气压缩机，2.—级级间换热/蓄热器，3.二级空气压缩机，4.二级级间换热/蓄热器，5.三级空气压缩机，6.三级级间换热/蓄热器，7.四级空气压缩机，
8.四级级间换热/蓄热器。
【具体实施方式】
[0028]为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不因此而限定本实用新型的保护范围。
[0029]见图1所示:该实施例为能够对级间热量进行一体化回收和存储的压缩空气系统，包括各级空气压缩机1、3、5、7和各级级间换热/蓄热器2、4、6、8。各级空气压缩机1、3、
5、7主要用于将空气进行压缩，以达到提高空气压力的目的。各级级间换热/蓄热器2、4、
6、8的作用是，与压缩后的高温空气进行换热，保证压缩空气温度降低到近似于环境温度，吸收并存储级间热量和有用能；在释热时，将存储的热量和有用能释放给冷却介质。
[0030]在该实施例中，压缩空气依次通过一级空气压缩机1、一级级间换热/蓄热器2、二级空气压缩机3、二级级间换热/蓄热器4、三级空气压缩机5、三级级间换热/蓄热器6、四级空气压缩机7、四级级间换热/蓄热器8，最后流出空气压缩系统，供给外界用户。该系统中，空气压缩机均为活塞式压缩机。压缩空气的流量为1000Nm3/h，压缩空气在进入压缩机组前的压力为latm，温度为25°C。空气压缩机1、3、5、7的压比均为3，压缩空气流出空气压缩机1、3、5、7的压力分别为0.3MPa、0.9MPa、2.7MPa、8.1MPa，流出各级空气压缩机1、3、5、7时的温度均为159°C。在各级级间换热/蓄热器2、4、6、8内，压缩空气的压降均为8.0SkPa ；在流出各级级间换热/蓄热器2、4、6、8时，压缩空气的温度均为33°C。
[0031]各级级间换热/蓄热器2、4、6、8采用填充床换热/蓄热器，采用立式圆柱型设计。各级级间换热/蓄热器2、4、6、8要求能够满足压缩系统连续运行10小时。级间换热/蓄热器2、4、6、8的体积均为8m3，直径1.9米，高3米。其蓄热工质为石子，换热/蓄热器内部孔隙率为0.4。各级级间换热/蓄热器2、4、6、8在运行初始状态的温度为28°C，在运行结束状态的温度均为154°C。运行时，级间换热/蓄热器2、4、6、8内部的压力分别为0.3MPa、
0.9MPa、2.7MPa、8.1MPa,压缩空气从换热/蓄热器的顶端进入，从换热/蓄热器底部流出。当压缩机组工作结束时，级间换热/蓄热器2、4、6、8均蓄热1064.3MJ、1070.8MJ、1089.8MJ、1144.1MJ，蓄积热量火用 196.1MJ，197.2MJ、200.3MJ、209.2MJ。
[0032]在需要利用级间换热/蓄热器2、4、6、8内部热量的时候，冷却介质从级间换热/蓄热器2、4、6、8底部输入，与蓄热工质石子交换热量。冷却介质温度得到提高后，从级间换热/蓄热器2、4、6、8顶部流出，带入热量利用装置进行利用。冷却介质使用水，系统能够持续向外供给10小时。水的进口温度为25°C，出口温度为130°C，各级级间换热/蓄热器2、
4、6、8 的水流量分别为 241.3kg/h、242.7kg/h、247.0kg/h、259.3kg/h。为了保证水不发生相变，要求水的运行压力为0.8MPa。
[0033]为了实现良好的保温效果，本实施例需要对各级级间换热/蓄热器、高温管道进行保温措施。各级级间换热/蓄热器和高温管道使用岩棉制品包裹，厚度10厘米。
[0034]从热力学第一定律的角度来看，级间换热/蓄热器2、4、6、8的蓄热量分别为1064.3MJ、1070.8MJ、1089.8MJ、1144.1MJ。在使用一般的空气压缩机组时，该部分热量最终被散入大气中，完全损失；而在该发明的空气压缩机组时，该部分热量被储存于级间换热/蓄热器中，能量回收了 4368.9MJ。从热力学第二定律的角度来看(环境状态为:压力latm，温度25°C)，级间换热/蓄热器2、4、6、8的蓄积热量火用分别为196.1MJ，197.2MJ、200.3MJ、209.2MJ。在使用一般的空气压缩机组时，该部分热量火用完全损失；而在使用该发明的空气压缩机组时，可回收热量火用802.7MJ。
[0035]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
【权利要求】
1.一种级间热量一体化回收和存储的压缩空气系统，该系统包括:若干级空气压缩机，若干级级间换热/蓄热器，其特征在于， 所述若干级空气压缩机按照压力由低到高的次序，通过气体管路依次串联在一起，各所述空气压缩机的排气管路上均设置一级间换热/蓄热器，各所述空气压缩机产生的高温压缩空气在级间换热/蓄热器的蓄热介质中释放热量后流出，各所述级间换热/蓄热器的压缩空气进气口和/或出气口处均设置有压缩空气控制阀门；各所述级间换热/蓄热器均设有冷流体换热管路，且各冷流体换热管路的进口和/或出口处均设置有冷流体控制阀门，各所述级间换热/蓄热器的冷流体换热管路的进口处均与待加热冷却介质供应管路连接，各所述级间换热/蓄热器的冷流体换热管路的出口处均与冷却介质排出管路连接。
2.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于:各所述级间换热/蓄热器中，高温压缩空气流入的方向和待加热冷却介质流入的方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的压缩空气系统，其特征在于:各所述级间换热/蓄热器中，高温压缩空气的进气口设置于换热/蓄热器的顶端，出气口设置于换热/蓄热器的底部。
4.根据权利要求1或2所述的压缩空气系统，其特征在于:各所述级间换热/蓄热器中，冷却介质的进口设置于换热/蓄热器的底部，出气口设置于换热/蓄热器的顶端。
5.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于:各级空气压缩机是活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式。
6.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于:各级空气压缩机采用相同的压缩形式或不同的压缩形式。
7.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于:所述的级间换热/蓄热器采用填充床蓄热器。
8.根据权利要求1所述的压缩空气系统，其特征在于:所述的级间换热/蓄热器有保温部件。
【文档编号】F04B39/06GK203584737SQ201320625224
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】杨征, 陈海生, 左志涛, 王亮, 盛勇, 谭春青 申请人:中国科学院工程热物理研究所