一种具有液空储存模块的液态空气系统及工艺

技术领域

本发明属于液态空气储能技术领域，具体涉及一种能在用电峰谷期间改变运行工况进行自调节的经济性液态空气储能系统及工艺。

背景技术

随着人类社会快速发展，电能的需求量日益增长，传统的火力发电、水力发电势必面临着能源枯竭、环境破坏等问题，可再生能源如风能、太阳能和生物质能等的发电量将在未来占据发电容量的绝大部分。可再生能源虽然可以有效解决环境污染，但在利用其发电的过程中仍存在一些问题，例如风能和太阳能是间歇性能源，产生的能量不是持续性的，因此难以保障持续性发电。

大规模储能技术的提出能够满足可再生能源供电的稳定性需求，有效实现并网，推动电力运输网络建设和提升电力网络的调峰能力。液态空气储能技术是目前可以应用于大规模储能的技术之一，它克服了抽水蓄能的资源依赖性和压缩空气储能的选址限制，相较电池储能，具有存储规模大、寿命周期长、生产成本低的优势。

液态空气储能系统包括储能过程和释能过程，储能过程是在用电低谷时，利用多余的电能带动空气压缩机压缩空气后将其冷却液化并存储；释能过程是在用电高峰时，储存的高压液空经过蓄冷系统换热后进入膨胀系统做功，带动发电机发电。

目前，对液态空气储能技术的研究多集中于系统流程的热力学分析和优化，以及系统能量回收和梯级利用，与其他循环的联合等，且多为原理技术层面，对系统实际运行成本的优化和经济性方案的研究较少。传统的液态空气储能系统通常在固定工作负荷下运行并产出定量的空气产品，并不能根据用电峰谷时段灵活调节系统输入量，未考虑变工况系统利用电价差带来的巨大经济效益。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种具有液空储存模块的液态空气系统及工艺，以提高系统的动态调节能力和经济效益。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种具有液空储存模块的液态空气系统，包括空气压缩单元、空气分离与液化储存单元以及空气生产与外供单元；

所述空气压缩单元包括依次连接的多级压缩机组、空气冷却器和分流器，所述多级压缩机组能将压缩产生的高温高压气体送入空气冷却器进行预冷后输送至分流器，分流器将提压和预冷后的高温高压空气分为两股进入所述空气分离与液化储存单元；

所述空气分离与液化储存单元包括空气换热器、调压阀、膨胀机、空分精馏塔、液氧贮槽、液氮贮槽、氩精馏模块和自调节液空储存模块，所述空分精馏塔包括上塔、下塔和主冷，所述自调节液空储存模块包括液空贮槽和液空泵；所述分流器的出口两个管道分别连接空气换热器的热进口，空气换热器的一个出口依次连接调压阀、膨胀机和空分精馏塔的上塔，空气换热器的另一个出口连接空分精馏塔的下塔，所述下塔分别连接液氧贮槽、液氮贮槽和液空贮槽的进口，液空贮槽的出口依次连接液空泵和下塔；氩精馏模块连接上塔中下部；

所述空气生产与外供单元包括气态产品线和液态产品线；所述气态产品线包括：氧压模块、氧气球罐、调压阀组A、氮压模块、氮气球罐和调压阀组B，所述液态产品线包括：液氧泵、液氧水浴式蒸发器、液氮泵和液氮水浴式蒸发器；空分精馏塔通过管道连接氧压模块，氧压模块出口分别连接调压阀组A和氧气球罐；空分精馏塔还通过管道连接氮压模块，氮压模块出口分别连接调压阀组B和氮气球罐；液氧贮槽的出口依次连接液氧泵、液氧水浴式蒸发器和调压阀组A，液氮贮槽的出口依次连接液氮泵、液氮水浴式蒸发器和调压阀组B。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述多级压缩机组是三级压缩二级冷却的离心压缩机且最后一级不设冷却器，经过最后一级压缩后的空气进入空气冷却器进行预冷。

具体的，所述多级压缩机组能通过实时调节，在75％-105％的工作效率区间内实现变工况运行，通过改变进入系统的原料空气量获得变流量的高温高压空气。

具体的，所述分流器是带有自动控制阀的气相分离器，能将提压和预冷后的高温高压空气按照预设的分流比，分为两股进入所述空气分离与液化储存单元。

具体的，所述分流器根据多级压缩机组的运行效率区间预设不同等级的分流比，随压缩空气量的变化实现分流量的动态调节。

一种具有液空储存模块的液态空气系统的运行工艺，首先通过空气压缩单元将进入系统的原料空气进行提压，并对获得的高温高压空气进行预冷和分流；其中，多级压缩机组能实时调节工作效率区间，使空气压缩量处于可变范围，能在峰谷电时期动态调节原料空气进量，获得变流量的高压空气；

再经空气分离与液化储存单元将空气压缩单元分流的高温高压气体冷却与精馏，通过分离获得高纯度的气态和液态产品进行储存；其中，自调节液空储存模块能自动储存系统高负荷运行期间多产的液空，并在系统低负荷运行时将存储的液空补给至空分精馏塔参与精馏；

最后空气生产与外供单元将从空气分离与液化储存单元获得的高纯度气态产品在气态产品线储存并根据外供需求进行调压后对外输送，将液态产品通过液态产品线进行蒸发后获得气态产品送入气态产品线。

具体的，系统不同负荷运行时，空气压缩单元和空气分离与液化储存单元的工艺流程包括：

系统正常负荷运行，即在除用电峰谷的其他时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到90％，将压缩产生的高温高压气体送入空气冷却器中进行预冷后输送至分流器，分流器将提压和预冷后的高温高压空气分为两股进入空气分离与液化储存单元；空气分离与液化储存单元中，通过空分精馏塔精馏获得的高纯度液态产品分别储存在液氧贮槽和液氮贮槽，粗氩馏份输送至氩精馏模块进行提纯，自调节液空储存模块的液空阀处于关闭状态，液空贮槽不储存精馏产品；

系统高负荷运行，即在用电低谷时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到105％，同时增加空气原料的输入，获得更大流量的高温高压空气后送入分流器；空气压缩单元在高负荷运行条件下产生过量的高温高压气体经分流器分流后进入空气分离与液化储存单元，经过冷却与精馏后产生的高纯度液态产品分别储存在液氧贮槽和液氮贮槽，粗氩馏份输送至氩精馏模块进行提纯，自调节液空储存模块用于储存系统高负荷运行下产生的多余富氧液空；

系统低负荷运行，即在用电高峰时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到75％，同时减少空气原料的输入，获得更小流量的高温高压空气后送入分流器；空气分离与液化储存单元中的自调节液空储存模块启动，液空泵把液空贮槽中的液态空气补给至空分精馏塔，用于获得与系统正常负荷运行时期等量的气态和液态空气产品。

具体的，系统低负荷运行时，空气压缩单元和空气分离与液化储存单元的工艺流程具体包括：

多级压缩机组工作效率达到75％，所获得的高温高压气体从最后一级压缩机出口送入空气冷却器进行预冷却；预冷后的高压气体直接进入分流器，根据低负荷运行条件预设的分流比分为两股送至所述空气分离与液化储存单元；

分流器分离出的两股高温高压空气从所述空气换热器的热进口进入后进行冷却，获得一股低温高压气态空气和一股低温高压气液混合物，低温高压气态空气通过调压阀进入膨胀机膨胀降温后作为冷源送入空分精馏塔中的上塔；低温高压气液混合物被直接送入空分精馏塔中的下塔；

当空分精馏塔中的下塔接收到来自空气换热器的来流时，自调节液空储存模块中的液空泵开启，将液空贮槽中储存的液态空气补给至空分精馏塔参与精馏，实现系统内的自动调节；

通过精馏获得的高纯度液氧从下塔输送至液氧贮槽中储存；通过精馏获得的高纯度液氮从下塔输送至液氮贮槽中进行储存；从空分精馏塔的上塔中下部抽出一股粗氩流馏份，输送至氩精馏模块提纯获得氩产品。

具体的，所述空气生产与外供单元的气态产品线工艺流程为：

将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氧气通过管道送入氧压模块，进行初调压后的氧气，一部分直接送入调压阀组A调节至需求压力后外供，另一部分储存在氧气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组A进行调压后送出；

将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氮气通过管道送入氮压模块，进行初调压后的氮气，一部分直接送入调压阀组B调节至需求压力后外供，另一部分储存在氮气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组B进行调压后送出。

具体的，所述空气生产与外供单元的液态产品线工艺流程为：

当储存的气态产品无法满足外供需求时，将空气分离与液化储存单元中储存的液氧、液氮产品分别通过液氧泵和液氮泵加压送入液氧水浴式蒸发器和液氮水浴式蒸发器中进行蒸发获得气态氧气、氮气直接送入调压阀组A和调压阀组B，通过调节压力后外供发电。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的具有液空储存模块的液态空气系统，针对空气压缩单元设置了可调节的工作区间，使空气压缩量处于可变的范围，能够在峰谷电时期动态调节原料空气进量，获得变流量的高压空气，改变了传统液态空气储能系统定工况定产量运行的模式；在用电高峰时期降低压缩系统的工作效率，有效节约系统整体运行成本，且通过调用低谷电时期的多产液空保障降耗不降产。

本发明提供的具有液空储存模块的液态空气系统，设置了自调节液空储存模块，能够自动储存系统高负荷运行期间多产的液空，并在系统低负荷运行时将存储的液空快速补给至空分精馏塔参与精馏，实现空气产品的灵活调节，提高系统储能侧的高效性和供给侧的稳定性。

本发明提供的具有液空储存模块的液态空气系统，新增的自调节液空储存模块结构简单，改造成本较低，且利用峰谷电价差实现的经济效益在达到回收期后即可长期收益，既适用于新建的液态空气储能系统，又能利用此方案对原有系统进行改造，提升原系统的储能效率和经济性。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图中各个标号的含义为：

1.空气压缩单元，2.空气分离与液化储存单元，3.空气生产与外供单元；11.多级压缩机组，12.空气冷却器，13.分流器；21.空气换热器，22.调压阀，23.膨胀机，24.空分精馏塔，25.液氧贮槽，26.液氮贮槽，27.氩精馏模块，28.自调节液空储存模块，281.液空贮槽，282.液空泵；30.氧压模块，31.氧气球罐，32.调压阀组A，33.氮压模块，34.氮气球罐，35.调压阀组B，36.液氧泵，37.液氧水浴式蒸发器，38.液氮泵，39.液氮水浴式蒸发器。

具体实施方式

本发明系统通过改变用电高峰和低谷时期系统的运行负荷，动态调节液空的产出量，实现经济性储能的同时在释能端满足电网调峰需求。该系统设有一个具备补给能力的液空储存模块，通过改变空气压缩单元的运行负荷，实现液空产量的动态调节，组成能够变负荷运行的气体压缩、液空储存和产品外供自调节系统。在廉价的谷电期间，系统高负荷运行，将原有空分产能以外的气体资源进行压缩和液化，并储存在新增的液空储存模块中；在峰电期间，系统降低空气压缩的功耗，利用低谷电生产的多余液空在此时段自适应补给至空分单元，达到系统的自调节平衡。本系统利用峰谷电价差实现液态空气储能模式的经济化改造，降低液态空气储能系统在峰电期间的电能消耗，利用谷电多产液空实现灵活调峰，保障供电稳定性，降低空分系统的运行成本，带来巨大的经济效益。该系统既适用于新建液态空气储能项目，又可以用于已有项目的升级改造。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种具有液空储存模块的液态空气系统，包括空气压缩单元1、空气分离与液化储存单元2以及空气生产与外供单元3；

空气压缩单元1用以将进入系统的原料空气进行提压，并对获得的高温高压空气进行预冷和分流，包括依次连接的多级压缩机组11、空气冷却器12和分流器13，多级压缩机组11能将压缩产生的高温高压气体送入空气冷却器12进行预冷后输送至分流器13，分流器13将提压和预冷后的高温高压空气分为两股进入空气分离与液化储存单元2；

空气分离与液化储存单元2用于将高温高压气体冷却与精馏，通过分离后获得高纯度的气态和液态产品进行储存，包括空气换热器21、调压阀22、膨胀机23、空分精馏塔24、液氧贮槽25、液氮贮槽26、氩精馏模块27和自调节液空储存模块28，空分精馏塔24包括上塔、下塔和主冷，氩精馏模块27包括粗氩塔、精氩塔和氩产品储存罐，自调节液空储存模块28包括液空贮槽281和液空泵282；分流器13的出口两个管道分别连接空气换热器21的热进口，空气换热器21的一个出口依次连接调压阀22、膨胀机23和空分精馏塔24的上塔，空气换热器21的另一个出口连接空分精馏塔24的下塔，下塔分别连接液氧贮槽25、液氮贮槽26和液空贮槽281的进口，液空贮槽281的出口依次连接液空泵282和下塔；氩精馏模块27连接上塔中下部；从分流器分离出的两股热空气从空气换热器的热进口进入后进行冷却，达到预定温度后分为两股，其中一股为低温高压气态空气，通过调压阀进入膨胀机膨胀降温后作为冷源送入空分精馏塔中的上塔进行下一步工艺；另一股为低温高压气液混合物，被直接送入空分精馏塔中的下塔进行下一步工艺。通过精馏获得的高纯度液氧从下塔输送至液氧贮槽中储存；通过精馏获得的高纯度液氮从下塔输送至液氮贮槽中进行储存；从空分精馏塔的上塔中下部抽出一股粗氩馏份，输送至氩精馏模块提纯获得氩产品。本实施例中，在高负荷运行下，空分精馏塔馏出多余的富氧液空从下塔输送至液空贮槽储存。

空气生产与外供单元3用于将从空气分离与液化储存单元获得的高纯度气态产品在气态产品线储存并根据外供需求进行调压后对外输送，将液态产品通过液态产品线进行蒸发后获得的气态产品送入气态产品线，包括气态产品线和液态产品线。

气态产品线用于储存经过分离获得的高纯度气态产品，并根据需求调压后外供发电，包括：氧压模块30、氧气球罐31、调压阀组A32、氮压模块33、氮气球罐34和调压阀组B35。空分精馏塔24通过管道连接氧压模块30，氧压模块30出口分别连接调压阀组A32和氧气球罐31。空分精馏塔24还通过管道连接氮压模块33，氮压模块33出口分别连接调压阀组B35和氮气球罐34。

液态产品线用于将储存的液态产品转化为气态产品，补给至气态产品线，根据需求调压后外供发电，包括：液氧泵36、液氧水浴式蒸发器37、液氮泵38和液氮水浴式蒸发器39；液氧贮槽25的出口依次连接液氧泵36、液氧水浴式蒸发器37和调压阀组A32，液氮贮槽26的出口依次连接液氮泵38、液氮水浴式蒸发器39和调压阀组B35。

气态产品线中，将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氧气通过管道送入氧压模块，进行初调压后的氧气，一部分直接送入调压阀组A调节至需求压力后外供，另一部分储存在氧气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组A进行调压后送出；将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氮气通过管道送入氮压模块，进行初调压后的氮气，一部分直接送入调压阀组B调节至需求压力后外供，另一部分储存在氮气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组B进行调压后送出。

液态产品线中，当储存的气态产品无法满足外供需求时，将空气分离与液化储存单元中储存的液氧、液氮产品分别通过液氧泵和液氮泵加压送入液氧水浴式蒸发器和液氮水浴式蒸发器中进行蒸发获得气态氧气、氮气直接送入调压阀组A和调压阀组B，通过调节压力后外供发电。

本实施例中，多级压缩机组11是三级压缩二级冷却的离心压缩机且最后一级不设冷却器，经过最后一级压缩后的空气进入空气冷却器12进行预冷。

多级压缩机组11能通过实时调节，在75％-105％的工作效率区间内实现变工况运行，通过改变进入系统的原料空气量获得变流量的高温高压空气。

分流器13是带有自动控制阀的气相分离器，能将提压和预冷后的高温高压空气按照高负荷运行条件预设的分流比，分为两股进入空气分离与液化储存单元2；分流器13根据多级压缩机组11的运行效率区间预设不同等级的分流比，随压缩空气量的变化实现分流量的动态调节。

实施例2：

本实施例提供一种具有液空储存模块的液态空气系统的运行工艺，包括：

首先通过空气压缩单元将进入系统的原料空气进行提压，并对获得的高温高压空气进行预冷和分流；其中，多级压缩机组能实时调节工作效率区间，使空气压缩量处于可变范围，能在峰谷电时期动态调节原料空气进量，获得变流量的高压空气；

再经空气分离与液化储存单元将空气压缩单元分流的高温高压气体冷却与精馏，通过分离获得高纯度的气态和液态产品进行储存；其中，自调节液空储存模块能自动储存系统高负荷运行期间多产的液空，并在系统低负荷运行时将存储的液空补给至空分精馏塔参与精馏，从而产生与系统正常负荷运行期间等量的气态和液态产品进行储存和外供；

最后空气生产与外供单元将从空气分离与液化储存单元获得的高纯度气态产品在气态产品线储存并根据外供需求进行调压后对外输送，将液态产品通过液态产品线进行蒸发后获得气态产品送入气态产品线。

具体的，系统不同负荷运行时，空气压缩单元和空气分离与液化储存单元的工艺流程包括：

(a)系统正常负荷运行，即在除用电峰谷的其他时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到90％，将压缩产生的高温高压气体送入空气冷却器中进行预冷后输送至分流器，分流器将提压和预冷后的高温高压空气分为两股进入空气分离与液化储存单元；空气分离与液化储存单元中，通过空分精馏塔精馏获得的高纯度液态产品分别储存在液氧贮槽和液氮贮槽，粗氩馏份输送至氩精馏模块进行提纯，自调节液空储存模块的液空阀处于关闭状态，液空贮槽不储存精馏产品；

(b)系统高负荷运行，即在用电低谷时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到105％，同时增加空气原料的输入，获得更大流量的高温高压空气后送入分流器；空气压缩单元在高负荷运行条件下产生过量的高温高压气体经分流器分流后进入空气分离与液化储存单元，经过冷却与精馏后产生的高纯度液态产品分别储存在液氧贮槽和液氮贮槽，粗氩馏份输送至氩精馏模块进行提纯，自调节液空储存模块用于储存系统高负荷运行下产生的多余富氧液空；

(c)系统低负荷运行，即在用电高峰时期，空气压缩单元中的多级压缩机组工作效率达到75％，同时减少空气原料的输入，获得更小流量的高温高压空气后送入分流器；空气分离与液化储存单元中的自调节液空储存模块启动，液空泵把液空贮槽中的液态空气补给至空分精馏塔，用于获得与系统正常负荷运行时期等量的气态和液态空气产品。

更具体的，系统低负荷运行时，空气压缩单元和空气分离与液化储存单元的工艺流程具体包括：

(c1)多级压缩机组工作效率达到75％，所获得的高温高压气体从最后一级压缩机出口送入空气冷却器进行预冷却；预冷后的高压气体直接进入分流器，根据低负荷运行条件预设的分流比分为两股送至空气分离与液化储存单元；

(c2)分流器分离出的两股高温高压空气从空气换热器的热进口进入后进行冷却，获得一股低温高压气态空气和一股低温高压气液混合物，低温高压气态空气通过调压阀进入膨胀机膨胀降温后作为冷源送入空分精馏塔中的上塔；低温高压气液混合物被直接送入空分精馏塔中的下塔；

当空分精馏塔中的下塔接收到来自空气换热器的来流时，自调节液空储存模块中的液空泵开启，将液空贮槽中储存的液态空气补给至空分精馏塔参与精馏，实现系统内的自动调节；

(c3)通过精馏获得的高纯度液氧从下塔输送至液氧贮槽中储存；通过精馏获得的高纯度液氮从下塔输送至液氮贮槽中进行储存；从空分精馏塔的上塔中下部抽出一股粗氩流馏份，输送至氩精馏模块提纯获得氩产品。

具体的，空气生产与外供单元的气态产品线工艺流程为：

将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氧气通过管道送入氧压模块，进行初调压后的氧气，一部分直接送入调压阀组A调节至需求压力后外供，另一部分储存在氧气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组A进行调压后送出；

将在空分精馏塔中精馏后分离获得的高纯度氮气通过管道送入氮压模块，进行初调压后的氮气，一部分直接送入调压阀组B调节至需求压力后外供，另一部分储存在氮气球罐中，外供需求增加时再输送至调压阀组B进行调压后送出。

空气生产与外供单元的液态产品线工艺流程为：

当储存的气态产品无法满足外供需求时，将空气分离与液化储存单元中储存的液氧、液氮产品分别通过液氧泵和液氮泵加压送入液氧水浴式蒸发器和液氮水浴式蒸发器中进行蒸发获得气态氧气、氮气直接送入调压阀组A和调压阀组B，通过调节压力后外供发电。

需要说明的是，本发明提出的自调节液空储存模块是整体技术流程中的关键部分，上述实施例中涉及自调节液空储存模块的运行状态是基于系统设计范围上限和下限负荷进行的描述，而非对其运行工况进行限制，对于所属领域的普通技术人员来说，可以依据对前述实施例所描述的技术方案进行变化或变动，而基于通过内部自调节，利用峰谷电价差实现液态空气储能经济化设计和改造的系统仍处于本发明创造的保护范围之内。