一种多级发电储能方法及系统与流程

本发明涉及气体储能领域，具体涉及一种多级发电储能方法及系统。

背景技术：

电力新能源发电呈高速发展趋势，然而新能源的随机性、间歇性、反调峰性等特点，其大规模并入电网将给系统安全稳定运行、调度等多方面带来不利影响，其中系统调峰能力不足已成为影响电网接纳新能源的主要约束。采用大规模能量型储能技术可提升电网调峰能力，是解决电网弃风限电问题重要手段，同时也能够改善风电对输电通道的占用，提高电网的灵活调控能力。

深冷液化空气储能技术是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式，液态空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、占地小不依赖于地理条件等优点。储能时，电能将空气压缩、冷却并液化，同时存储该过程中释放的热能，用于释能时加热空气；释能时，液态空气被加压、气化，推动膨胀发电机组发电，同时存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。

目前，膨胀机作为压缩空气储能发电系统的核心做功部件，对压缩空气储能发电系统的效率具有很大的影响。压缩空气储能发电系统运行过程中，由于储气室的空气压力逐渐下降，为了维持膨胀机进口的压力恒定，通常采用节流阀将空气节流稳定至一个较低的压力，然后进入膨胀机膨胀做功。由于节流阀的使用，导致高压空气的做功能力下降，从而使系统的效率降低。

因此，如何解决膨胀机发电之后，高温高压气体的温度和压力下降的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种用于深冷液化空气储能的多级发电储能方法及系统。

一种多级发电储能方法，包括：电解水得到氢水混合物气体；将所述氢水混合物气体输入膨胀机模块，进行膨胀做功发电并存储剩余能量；所述膨胀机模块包括至少一个膨胀机。

所述膨胀机模块中的各膨胀机间分别设有换热器，各所述换热器加热输入各所述膨胀机的级前空气。

所述各换热器通过控制换热器导热油恒温管的开度，控制换热介质的流量，并根据检测温度控制所述各换热器的出口温度维持在同一值。其调节阀包括：电动控制和手动控制两种方式。

当所述膨胀机模块的入口切断阀全开后，利用二级压力调节阀控制其压力和流量。

利用所述深冷泵的调节阀控制所述深冷泵的出口压力及所述液化空气流量恒定；其调节阀包括：电动控制和手动控制。

在电力系统负荷波谷时，通过波谷电力将其中的水电解为氢气和氧气；

在电力系统负荷波峰时，氢气与三氧化二铁(fe2o3)发生氧化还原反应，产生氢气和水蒸气的混合物气体；

反应生成的氢气和水蒸气的混合气体加热第一膨胀机的级前空气。

一种多级发电储能系统，包括：深冷泵、蒸发器、第一换热器和膨胀机模块；所述深冷泵，用于将电解得到的氢水混合气体输入蒸发器，得到常温空气；所述发电储能模块，用于所述常温空气经第一换热器输入膨胀机模块，进行膨胀做功发电；所述膨胀机模块包括至少两个膨胀机。

所述第一换热器，用于对常温空气进行预热；所述膨胀机模块中的各膨胀机间分别设有换热器，各所述换热器加热输入各所述膨胀机的级前空气。

所述各换热器包括调节模块；所述调节模块通过控制换热器导热油恒温管的开度，控制换热介质的流量，并根据检测温度控制所述各换热器的出口温度维持在同一值，其调节阀包括：电动控制和手动控制两种方式。

膨胀机模块包括：压力流量模块；所述压力流量模块，用于当所述膨胀机模块的入口切断阀全开后，利用二级压力调节阀控制其压力和流量。

所述空气多级膨胀发电系统，还包括：液化空气流量恒定模块；所述液化空气流量恒定模块，用于利用所述深冷泵的调节阀控制所述深冷泵的出口压力及所述液化空气流量恒定；其调节阀包括：电动控制和手动控制。

所述深冷泵调节阀包括左连接管，流量传感器，支撑架，第一阀门，电动控制机构，手动轮，第二阀门和右连接管，所述左连接管焊接在右连接管的左侧；所述支撑架一端螺栓连接在电动控制机构的下部，另一端螺栓连接在左连接管和右连接管的相交处上部；所述流量传感器螺钉连接在左连接管的内壁上部中间位置；所述手动轮贯穿右连接管的上壁右侧与第二阀门螺纹连接；所述第一阀门与电动控制机构螺纹连接。

所述多级发电储能系统还包括：电解子系统；

所述电解子系统在电力系统负荷波谷时，通过波谷电力将其中的水电解为氢气和氧气；

所述电解子系统在电力系统负荷波峰时，氢气与三氧化二铁(fe2o3)发生氧化还原反应，产生氢气和水蒸气的混合物气体；

反应生成的氢气和水蒸气的混合气体进入蒸发器，驱动膨胀机进行发电。

所述换热器导热油恒温管包括导油管，入口接管，出口接管，第一温度传感器，第二温度传感器和机械阀门，所述入口接管和出口接管分别焊接在导油管的左右两端；所述第一温度传感器和第二温度传感器分别螺钉连接在导油管上壁的左右两侧位置；所述机械阀门螺纹连接在导油管的上表面中间位置。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：

1、本发明采用高温氢水混合物气体和加热液化空气两种方式处理方式，获得热量后，进行多级膨胀，有效增加了膨胀机组做功能力和能量获取的方式，提升系统综合效率；

2、本发明通过控制换热器导热油入口的调节阀开度，进而控制换热器出口温度恒定，保证了系统冷热能量的充分合理利用，提高了系统效率，满足工艺设计需求；

3、本发明通过调节膨胀机的阀门与深冷泵的阀门，分别控制经过膨胀机与深冷泵的空气流量及压力恒定，确保膨胀发电系统在最佳状态稳定运行，机组效率最高，同时可防止排气压力过高和过低的情况出现；

4、本发明利用换热器压缩过程中存储的压缩热，加热膨胀机的级前空气，以提高膨胀机做功能力，提高系统效率的同时有效存储了剩余能量；

5、本发明还利用电解的方法将水分解为氢气和氧气的方式，将分解出来的氢气输出进行膨胀做功，有效提高了发电效率及能量的存储。

附图说明

图1是本发明的膨胀发电系统结构图；

图2是本发明的电解子系统；

图3是本发明空气和能量运行图；

图4是本发明中深冷泵的控制调节图；

图5是本发明中换热器的控制调节图；

图6是本发明的深冷泵调节阀的结构示意图；

图7是本发明的换热器导热油恒温管的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的发电系统包括：多级膨胀机、换热器、蒸发器和深冷泵等。通过换热器与储热系统相连，蒸发器分别与深冷泵和电解子系统相连。

如图2所示的电解子系统包括：电解器和存储模块。该电解模块在电力系统负荷波谷时，通过波谷电力将其中的水电解为氢气和氧气。该存储模块进一步包括：气体混合器，氢存储器，电解冷凝器和氧存储器。

在电力系统负荷波峰时，首先对氢存储器进行加热，当氢气在气体混合器中与相组分均匀混合，然后通入氢存储器中。氢存储器的温度控制在900～950℃，在氢存储器中，氢气与载氧体发生氧化还原反应，其中载氧体为fe2o3，生成固相的铁和气相的高温水蒸气与氢气的混合物，用于加热第一膨胀机的级前空气，随后，氢存储器中的高温水蒸气与氢气的混合物进入电解冷凝器中，与电解冷凝器中的给水换热，混合物中的高温蒸气被冷凝下来，得到浓度较高的气相组分。高温蒸气冷凝后产生的冷凝水与给水混合后，进入电解器电解。电解器中电解出的氧气，存储到氧存储器中。

通过上述的设置，使从氢存储器出来的氢水混合气，不经冷凝器降温，从而充分利用了氢存储器流出的高温能量，提高系统的发电性能。

其中，本发明采用的4级膨胀机采用级前复热的方式，可增加膨胀机组的做功能力，提升系统综合效率；同时，本发明中的四级膨胀总压比，即整个膨胀系统之中，气体从第一级的入口压力与最后一级的出口压力之比，可实现高压比膨胀，充分释放空气中压力能。多级膨胀机间的换热器在压缩液化过程中吸收热量，在膨胀发电过程中释放热量。

在本发明中，换热器将压缩过程中存储的压缩热用于加热膨胀机的级前空气，以提高膨胀机做功能力，进而提高系统效率。由于从蒸发器出来的温度较低，所以在其出口处设有换热器，进行预热。

如图3所示，路径1为热量运行方向，路径2为冷量运行方向，路径3为空气运行方向，膨胀发电系统吸收自空气压缩系统的热量，并接收经液化系统处理后的液化空气，膨胀发电系统释放冷量到液化系统。

深冷泵将液化系统中液空贮罐存储的液化空气加压后送入蒸发器，液化空气在蒸发器内被来自循环风机的带压洁净循环空气气化加温至常温，进入膨胀发电系统膨胀做功发电后，对剩余能量进行存储。

每级膨胀机发电之后，高温高压气体的温度和压力都有一定的下降。在这个级间膨胀过程中，鉴于压力是没有很好的方法弥补额，但是温度可以通过储热的高温热量在换热器进行换热。这样气体在每一级做过功之后温度都能有一定升温，可以进一步提高效率，使得压力充分利用。否则，在空气经过每级膨胀机过后，温度减低，在后级膨胀机内不能完全做功，从而会导致第四级膨胀机出来的气体温度低，压力还很高却没有得到充分的利用，综合效率不高。

综上，本发明进行级间加热的两个原因在于：1)利用回收的圧缩热提高温度，增加膨胀机做功能力，以提升系统效率；2)防止膨胀机内温度过低，影响膨胀机的正常稳定工作。

膨胀发电系统的控制过程包括：1)通过调节膨胀机的阀门和深冷泵阀门，分别控制膨胀机和深冷泵的空气流量及压力恒定；2)通过控制换热器换热介质入口的调节阀开度控制换热器出口空气温度(即每级膨胀机进口空气温度)恒定。

如图4所示，本发明通过控制深冷泵的变频调节，来控制深冷泵的出口压力恒定，其中的调节器设置为电气电动控制与手动控制。

如图6所示，所述深冷泵调节阀包括左连接管1，流量传感器2，支撑架3，第一阀门4，电动控制机构5，手动轮6，第二阀门7和右连接管8，所述左连接管1焊接在右连接管8的左侧；所述支撑架3一端螺栓连接在电动控制机构5的下部，另一端螺栓连接在左连接管1和右连接管8的相交处上部；所述流量传感器2螺钉连接在左连接管1的内壁上部中间位置；所述手动轮6贯穿右连接管8的上壁右侧与第二阀门7螺纹连接；所述第一阀门4与电动控制机构5螺纹连接；

在电动控制状态下，压力控制采用pid调节，当深冷泵出口压力等于设定值，调节阀开度不变，压力高于设定值，调节阀开度变大，压力低于设定，调节阀开度变小。在手动控制状态下，调节阀开度可由操作员根据实际工艺要求在0～100％任意设置。当多级膨胀机机组入口切断阀全开后，气量进入机组的入口空气由二级压力调节阀控制其压力和流量，其目的是为控制机组的输出的功率。

本发明通过控制深冷泵出口压力恒定，以保证进入膨胀机的空气压力恒定，确保膨胀发电系统在最佳状态稳定运行，机组效率最高，同时可防止排气压力过高、过低的情况出现。控制空气流量恒定以保证膨胀发电机出功为设定值，膨胀发电机组在设定的流量值工作，可以达到效率最优，此外，当应用场景需求时，膨胀发电系统变负荷运行可通过膨胀机喷嘴、阀门调节与深冷泵变频调节实现。

如图5所示，通过换热器调节阀开度控制换热介质(bin)入口流量，进而控制出口空气温度(aout)，即控制进入下级膨胀机的入口空气温度。调节阀设置电气电动控制与手动控制，在电动控制状态下，温度控制采用单回路pid调节，当换热介质出口温度等于设定值时，调节阀开度不变，温度高于设定值时，调节阀开度变小，温度低于设定值时，调节阀开度变大。在手动控制状态下，换热器导热油恒温管的开度可由操作员根据实际工艺要求在0～100％任意设置。

如图7所示，所述换热器导热油恒温管包括导油管9，入口接管10，出口接管11，第一温度传感器12，第二温度传感器13和机械阀门14，所述入口接管10和出口接管11分别焊接在导油管9的左右两端；所述第一温度传感器12和第二温度传感器13分别螺钉连接在导油管9上壁的左右两侧位置；所述机械阀门14螺纹连接在导油管9的上表面中间位置；

本发明通过控制换热器换热介质入口的调节阀开度，来控制换热器出口空气温度(即每级膨胀机进口空气温度)恒定。控制换热器的出口空气温度(即每级膨胀机进口空气温度)恒定，一方面可保证膨胀机做功在设定值，另一方面，可控制换热获得的换热介质温度在工艺设计范围内，保证系统冷热能量的充分合理利用。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种用于深冷液化空气储能的发电储能系统，下面进行说明。

该系统包括：深冷泵、蒸发器、第一换热器和膨胀机模块；深冷泵，用于将液化空气输入深冷泵，得到加压后的液化空气；蒸发器，用于将加压后的液化空气输入蒸发器，得到常温空气；发电储能模块，用于常温空气经第一换热器输入膨胀机模块，进行膨胀做功发电并存储剩余能量；膨胀机模块包括至少两个膨胀机。

第一换热器，用于对常温空气进行预热；膨胀机模块中的各膨胀机间分别设有换热器，各所述换热器加热输入各所述膨胀机的级前空气。

各换热器包括调节模块；调节模块通过控制换热器导热油恒温管的开度，控制换热介质的流量，并根据检测温度控制各换热器的出口温度维持在同一值，其调节阀包括：电动控制和手动控制两种方式。

膨胀机模块包括：压力流量模块；所述压力流量模块，用于当膨胀机模块的入口切断阀全开后，利用二级压力调节阀控制其压力和流量。

空气多级膨胀发电系统，还包括：液化空气流量恒定模块；液化空气流量恒定模块，用于利用深冷泵的调节阀控制深冷泵的出口压力及液化空气流量恒定；其调节阀包括：电动控制和手动控制。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。