一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能系统及方法

【技术领域】

本发明属于储能方面的动力传动技术领域，涉及一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能系统及方法。

【背景技术】

截止2019年底，光伏、风电累计装机容量分别达到2.05、2.1亿千瓦，占总装机容量(20.1亿千瓦)的10.2％和10.4％；年总发电量分别达到2243、4057亿千瓦时，占年总发电量(73253亿千瓦)的3％和5.5％。新能源电力未来将大幅快速发展，要求火电机组在当前基础上进一步挖掘调峰潜力。具备波动性及间歇性特点的可再生能源电能大规模并网，对电网削峰填谷、安全稳定运行水平提出了更高要求。建设大规模储能装置，提升电力系统运行灵活性及安全性，是解决新能源高比例消纳问题的有效途径。

目前，储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能。抽水蓄能技术成熟，效率较高，但存在地理位置限制等问题，难以大规模推广；电化学电池储能技术响应快、体积小、建设周期短，但存在整体寿命短、工业污染大等缺点。

空气储能分为高压气态储能和液态压缩储能两种，前者将空气加压至高压常温参数(约10～13MPa、20～40℃)存储至废弃盐穴或矿井中，对存储设备容积要求极高；液态压缩技术将空气液化后存储，摆脱对地理条件的依赖，具备大规模推广的条件。

液态压缩空气储能系统主要由压缩过程、液化过程、液化空气存储过程、液化空气气化升温膨胀释能过程组成。空气液化工艺流程均参考目前空分行业成熟设备及工艺技术：大气中的空气经过滤装置去除机械杂质及大粒径液滴后，经两级空气压缩机串联加压至～1MPa进入分子筛去除空气中所含的剩余水分、二氧化碳及乙炔等，再和气液分离器出口的循环空气混合进入增压循环压缩机压缩至～8MPa后，经过预冷后分别经节流阀和制冷膨胀机实现部分液化，液体进入存储装置，气体回流至增压循环压缩机前进行循环压缩。现有液化工艺系统存在以下缺点：

1)液化系数不高，未液化的部分空气在循环增压风机往复压缩，耗功较大；

2)设备繁多，系统复杂，占地面积大，且初投资较高。

总之，目前的液化空气工艺方案的低温环境完全由电力驱动的机械制冷产生，电耗成本占据总生产成本的绝大部分，导致液态压缩空气储能系统的电-电转换效率(定义为一个完成的压缩储能释能过程中，膨胀发电总量和系统总耗电的比值)低，一定程度上限制了液化空气储能系统的推广应用。

综上分析，优化液化空气环节的工艺流程，提升液化效率是降低压缩储能环节的耗功，以及提高系统电-电转换效率的技术关键。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能系统及方法，。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能系统，包括：

液态压缩空气储能系统，所述液态压缩空气储能系统包括空气压缩机，空气压缩机由电动机驱动，并通过综合换热器将液态空气存储至液态空气存储装置中；液态空气存储装置的液态空气出口与液态压缩空气释能系统相连；综合换热器与LNG系统相连，通过进口阀门组输入液态LNG，通过排气阀门组输出气态LNG；

液态压缩空气释能系统，所述液态压缩空气释能系统包括液化空气预升温器，液态空气在液化空气预升温器中与循环空气进行换热，将冷能通过循环空气存储于进入蓄冷装置中；在综合换热器中换热后的循环空气输送至蓄冷装置中，蓄冷装置的出口连接液化空气预升温器；液化空气预升温器的出口依次连接气态空气加热器和空气膨胀发电机。

本发明进一步的改进在于：

所述空气压缩机组的空气入口设置有空气过滤装置，用于去除机械杂质及液滴。

所述电动机通过升速齿轮箱驱动空气压缩机组。

所述空气压缩机组与综合换热器之间还设置有压缩热冷却器和分子筛。

所述综合换热器的出口连接气液分离器，气液分离器的液态空气出口连接液化空气存储装置，气态空气出口连接综合换热器。

所述液化空气预升温器的循环空气出口分为两路，一路连接至综合换热器，另一路连接循环风机；循环风机的出口分别通过第一阀门组和第二阀门组与蓄冷装置相连。

所述液化空气存储装置的液态空气出口通过第三阀门组与液化空气升压泵相连，液化空气升压泵的出口连接液化空气预升温器。

一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能方法，包括以下步骤：

储能过程：

环境大气经空气过滤装置进入空气压缩机组加压，再依次流经压缩热冷却器和分子筛进入综合换热器降温，开启进口阀门组、排气阀门组、第二阀门组和第四阀门组，关闭第一阀门组、第三阀门组和第五阀门组，开启循环风机，循环空气作为冷载体，将蓄冷装置的冷能通过循环空气传递给空气压缩机组出口的空气；蓄冷装置和LNG气化的冷能在综合换热器内共同用于空气压缩机组出口空气的降温液化；综合换热器出口的液化空气经气液分离器后进入液化空气存储装置，以高压低温状态存储；关闭液化空气升压泵和空气膨胀发电机；

释能过程：

关闭空气压缩机组；关闭进口阀门组、排气阀门组、第二阀门组和第四阀门组，开启第一阀门组、第三阀门组和第五阀门组，液化空气存储装置出口的液态空气经液化空气升压泵加压，然后在液化空气预升温器中将冷能释放并通过循环空气存储在蓄冷装置中，以低于环境气温的高压气态形式经气态空气加热器吸热升温后进入空气膨胀发电机做功；开启循环风机，循环空气作为冷载体，将液化空气的冷能从液化空气预升温器转移至蓄冷装置中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种与LNG(液化天然气)系统耦合的液态压缩空气储能系统。在我国沿海地区，各个LNG接收站附近设置液化空气储能系统。充分利用LNG气化过程释放的大量冷能用于空气液化，只需将环境空气压缩到～3MPa即可满足要求。与传统液化空气工艺(压缩压力～8MPa)相比，本发明提出的系统可极大降低空气压缩机设备数量、投资及耗功；取消了制冷膨胀机；最大化提升液化系统(可接近100％)。总之，本发明可实现液态空气储能系统小型化，降低液化储能环节运行能耗，大幅提升系统电-电转换效率，适用于我国沿海地区液态压缩空气储能系统的大规模推广应用。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的系统示意图。

其中，1-空气过滤装置，2-电动机，3-升速齿轮箱，4-空气压缩机组，5-压缩热冷却器，6-分子筛，7-综合换热器，8-气液分离器，9-液化空气存储装置，10-液化空气升压泵，11-液化空气预升温器，12-循环风机，13-蓄冷装置，14-气态空气加热器，15-空气膨胀发电机，16-第一阀门组，17第二阀门组，18-排气阀门组，19-进口阀门组，20-第三阀门组，21-第四阀门组，22-第五阀门组。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一种与LNG系统耦合的液态压缩空气储能系统，包括液态压缩空气储能系统以及液态压缩空气释能系统；液态压缩空气储能系统包括空气压缩机4，空气压缩机4由电动机2驱动，并通过综合换热器7将液态空气存储至液态空气存储装置9中；液态空气存储装置9的液态空气出口与液态压缩空气释能系统相连；综合换热器7与LNG系统相连，通过进口阀门组19输入液态LNG，通过排气阀门组18输出气态LNG；液态压缩空气释能系统包括液化空气预升温器11，液态空气在液化空气预升温器11中与循环空气进行换热，将冷能通过循环空气存储于蓄冷装置13中；在综合换热器7中换热后的循环空气输送至蓄冷装置13中，蓄冷装置13的出口连接液化空气预升温器11；液化空气预升温器11的出口依次连接气态空气加热器14和空气膨胀发电机15。

空气压缩机组4的空气入口设置有空气过滤装置1，用于去除机械杂质及液滴。电动机2通过升速齿轮箱3驱动空气压缩机组4。空气压缩机组4与综合换热器7之间还设置有压缩热冷却器5和分子筛6。综合换热器7的出口连接气液分离器8，气液分离器8的液态空气出口连接液化空气存储装置9，气态空气出口连接综合换热器7。液化空气预升温器11的循环空气出口分为两路，一路连接至综合换热器7，另一路连接循环风机12；循环风机12的出口分别通过第一阀门组16和第二阀门组17与蓄冷装置13相连。液化空气存储装置9的液态空气出口通过第三阀门组20与液化空气升压泵10相连，液化空气升压泵10的出口连接液化空气预升温器11。

空气液化温度随压力逐步提高，0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2.9MPa下对应的液化温度分别约为-179℃、-169℃、-162℃和-150℃。液化天然气(LNG)的存储温度是-162℃，将LNG气化过程的冷能直接用于带压空气液化，考虑到换热传热温差，通过压缩机将空气加压至2.9MPa即可满足要求。

系统流程简述如下：

在我国沿海地区，各个LNG接收站附近设置液化空气储能系统。环境大气经空气过滤装置1去除机械杂质及大粒径液滴后进入电动空气压缩机组4以避免压缩机气缸的叶轮磨损，空气压缩机组4由电动机2和升速齿轮箱3同轴驱动，升速齿轮箱3的作用是将电动机2的转速提升至压缩机组需要的转速。压缩机出口的空气压力约为3MPa，经压缩热冷却器5降温至略高于环境大气的状态，冷却介质可取地表水。出口的高压常温空气进入分子筛6去除空气中所含的剩余水分、二氧化碳、乙炔等，以防止水和二氧化碳在后续低温流程发生冻结以及乙炔和液氧混合发生爆炸。分子筛6出口的高压常温空气进入综合换热器7进行降温，空气温度从常温降至～-150℃全部变为液化空气，综合换热器7是一种内置式四股流热交换器，一股通入高压常温空气，出口高压液化空气；一股通入低温LNG，出口气态天然气；一股通入由循环风机加压的低温空气，出口略低于常温的空气；一股为气液分离器8返流的未液化空气，由于该部分质量极小，放冷后排入大气环境。综合换热器7出口的液态空气经气液分离器8后进入液化空气存储装置9以高压低温状态存储。此为储能过程。

液化空气存储装置9出口的液态空气经液化空气升压泵10加压，然后在液化空气预升温器11将冷能释放并通过循环空气存储在蓄冷装置13中，以略低于环境气温的高压气态形式经气态空气加热器14吸热升温后进入空气膨胀发电机15做功。此为释能过程。

运行方式简述如下：

储能过程：环境大气经空气过滤装置1进入空气压缩机组4加压，再依次流经压缩热冷却器5和分子筛6进入综合换热器7降温，进口阀门组19、排气阀门组18、第二阀门组17和第四第四阀门组21开启，第一阀门组16、第三阀门组20和第五阀门组22关闭，循环风机12运行，循环空气作为冷载体，将蓄冷装置13的冷能通过循环空气传递给空气压缩机组4出口的空气。蓄冷装置13和LNG气化的冷能在综合换热器7内共同用于空气压缩机组4出口空气的降温液化。综合换热器7出口的液化空气经气液分离器8后进入液化空气存储装置9以高压低温状态存储。液化空气升压泵10、空气膨胀发电机15停止运行。

释能过程：空气压缩机组4停运。进口阀门组19、排气阀门组18、第二阀门组17和第四第四阀门组21关闭，第一阀门组16、第三阀门组20和第五阀门组22开启，液化空气存储装置9出口的液态空气经液化空气升压泵10加压然后在液化空气预升温器11将冷能释放并通过循环空气存储在蓄冷装置13中，以略低于环境气温的高压气态形式经气态空气加热器14吸热升温后进入空气膨胀发电机15做功。循环风机12运行，循环空气作为冷载体，将液化空气的冷能从液化空气预升温器11转移至蓄冷装置13中。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。