本發(fā)明涉及一種新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)，具體涉及一種采用空分低溫膨脹機技術(shù)及液空冷能冷力發(fā)電技術(shù)的新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在碳中和的大背景下，構(gòu)筑新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為全球共識，儲能將作為核心環(huán)節(jié)參與其中，是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保障。

2、由于光伏及風(fēng)力發(fā)電具有隨機性、間歇性等特點，并且電力具有供需實時平衡以及難以大規(guī)模存儲的特征，大規(guī)模的光伏及風(fēng)力發(fā)電裝機并網(wǎng)將會加劇電力系統(tǒng)供需兩側(cè)的雙重波動性和不確定性，系統(tǒng)調(diào)峰難度大，并帶來了棄光、棄風(fēng)等一系列問題，而儲能可以平抑光伏及風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，實現(xiàn)電力供需的動態(tài)平衡。

3、夏季電力需求旺盛，峰谷電價差持續(xù)擴大，17省區(qū)峰谷電價差超0.7元/kwh，工商業(yè)儲能項目經(jīng)濟性凸顯。2024年7月，夏季來臨，全國各地區(qū)峰谷電價差擴大，共有17個地區(qū)峰谷電價差超過0.7元/kwh，其中前三位分別為廣東省(珠三角五市)、海南省和江蘇省，最大峰谷價差分別達到1.27元/kwh、1.22元/kwh和1.14元/kwh，峰谷套利經(jīng)濟性顯著提高。即使在電力需求相對平穩(wěn)的春季，3月仍有16個地區(qū)峰谷電價差超0.7元/kwh，有效保障了工商業(yè)儲能系統(tǒng)在全年維度上峰谷套利的盈利穩(wěn)定性。

4、新能源供電體系中將面臨電能供需錯位等問題，儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等調(diào)節(jié)手段不可或缺。電能是動態(tài)的過程性能源，不易儲存，主要通過電力網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)、輸送和消納同步進行。新能源(如風(fēng)能和太陽能)發(fā)電方式受天氣條件影響較大，具有間歇性、波動性和不穩(wěn)定性的特點，大規(guī)模應(yīng)用會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。為應(yīng)對新能源發(fā)電的發(fā)電特征，儲能、虛擬電廠、微電網(wǎng)等調(diào)節(jié)手段未來都將迎來大規(guī)模應(yīng)用。因此儲能的配置在未來的綠電能源體系中是不可或缺的，新型儲能在促進新能源開發(fā)消納和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行等方面的作用正在逐步顯現(xiàn)。

5、液態(tài)空氣儲能(laes)是一種新型的儲能技術(shù)，它通過液化空氣來存儲能量。這項技術(shù)利用空氣的“壓縮-膨脹”過程，將壓縮后的空氣冷卻至液態(tài)進行儲存，完成電能與壓力能的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)(caes)相比，液化空氣儲能技術(shù)實現(xiàn)了以液態(tài)空氣的儲能方式進行電能存儲，并且除了具有壓縮空氣儲能技術(shù)所擁有的眾多應(yīng)用優(yōu)勢外，該技術(shù)不需要依靠大型的壓力存儲容器，從而擺脫了地理位置等因素對其在選址建設(shè)方面的限制。這種方式的儲能密度是壓縮空氣儲能的10到40倍，可以在較小的容器中儲存更多的能量，且不受地理條件限制，選址更靈活。

6、液體壓縮空氣儲能(laes)技術(shù)在國內(nèi)外已有一些示范項目。如：中國綠發(fā)以青海海西揭榜掛帥項目6萬千瓦/60萬千瓦時液化空氣儲能項目為依托，建設(shè)國內(nèi)首臺(套)液化空氣儲能示范項目。目前項目已完成選址、技術(shù)方案論證，并通過青海省能源局委托電規(guī)總院組織的可研評審，正在辦理環(huán)評、安評、接入系統(tǒng)批復(fù)等前期手續(xù)。項目計劃2024年投運，屆時將成為世界上功率最大的液化空氣儲能電站。2022年4月，中國綠發(fā)投資集團有限公司與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所簽署投資協(xié)議，雙方成立了液化空氣儲能合資公司和先進儲能聯(lián)合研究中心，致力于實現(xiàn)液化空氣儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2022年12月，河北建投國融能源服務(wù)有限公司申報的液態(tài)空氣儲能科技攻關(guān)項目“揭榜”成功，被列為河北省省級科技計劃項目。除此之外，儲熱行業(yè)企業(yè)江蘇金合能源科技有限公司，也正在試圖進入這一市場。

7、中國專利如cn201210266535.4-高效高壓液態(tài)空氣儲能釋能系統(tǒng)、cn201310061963.8-壓縮空氣儲能系統(tǒng)等，對液體壓縮空氣儲能(laes)技術(shù)進行了較為深入的研究。

8、laes技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，如壓縮機、高壓儲氣罐、低溫膨脹機、液體泵、膨脹發(fā)電機等國產(chǎn)設(shè)備已較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈成熟。隨著儲能系統(tǒng)容量的增大，造價將趨于下降，預(yù)計未來laes技術(shù)將迎來更廣闊的應(yīng)用前景。

9、因此，laes中的冷力循環(huán)空氣液化技術(shù)、節(jié)能型壓縮機高壓輸氣技術(shù)液空輸出時冷能的冷力發(fā)電等技術(shù)，值得深入研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、一種新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用補冷循環(huán)回路，所述補冷循環(huán)回路是指從儲液罐3出來的液空(液空即液態(tài)空氣，下同)，通過液壓泵4、換冷單元2氣化后，再經(jīng)低溫膨脹機5、換冷單元2排出，進入壓氣機1或壓縮機7增壓后，再通過換冷單元2液化，進入儲液罐3，所述低溫膨脹機5產(chǎn)生的機械功拖動制動器6，對壓縮空氣的液化過程進行補冷；或者空氣通過壓氣機1、換冷單元2預(yù)冷、液化，分流出的一部分空氣或液空，經(jīng)換冷單元2、低溫膨脹機5、換冷單元2排入大氣，或者進入壓氣機1和/或壓縮機7增壓后，再回到換冷單元2分流出的一部分氣相空氣或液空分流點，從而形成冷力循環(huán)系統(tǒng)的補冷循環(huán)回路；

2、儲能時：

3、空氣經(jīng)壓氣機1壓縮后，進入換冷單元2液化制得液空，送入儲液罐3，儲液罐3中的液空再經(jīng)過高壓泵14增壓后，進入高壓儲液罐22儲能；

4、釋能時：

5、高壓儲液罐22中的高壓液空進入冷凝器25，所述冷凝器25吸收高壓液空釋放的冷量，將有機工質(zhì)氣輪機28排出的氣相有機工質(zhì)液化，再經(jīng)有機工質(zhì)循環(huán)泵26、蒸發(fā)器27氣化，形成的過熱氣相有機工質(zhì)進入有機工質(zhì)氣輪機28膨脹做功，拖動冷力發(fā)電機29發(fā)電，從有機工質(zhì)氣輪機28排出的氣相有機工質(zhì)再進入冷凝器25，從而形成有機工質(zhì)朗肯循環(huán)回路；從冷凝器25出來的高壓空氣32經(jīng)補熱器17升溫后，進入氣輪機18膨脹做功，拖動氣輪發(fā)電機19發(fā)電，氣輪機排氣21排出；或者從冷凝器25出來的高壓空氣32經(jīng)回?zé)崞?0、補熱器17升溫后，進入氣輪機18膨脹做功，拖動氣輪發(fā)電機19發(fā)電，氣輪機18的出口氣體經(jīng)回?zé)崞?0回收熱量，形成氣輪機排氣21；

6、或者所述高壓儲液罐22中的高壓液空進入溫差發(fā)電單元30，吸收高壓液空釋放出的冷能進行溫差發(fā)電，輸出溫差電31。

7、所述溫差發(fā)電單元73參照現(xiàn)有公知技術(shù)進行選用，例如cn201310030046.3提供了一種冷能溫差發(fā)電裝置、cn201910807235.4提供了一種基于海水氣化器的lng冷能溫差發(fā)電系統(tǒng)、cn202410506362.1提供了一種基于相變冷卻與溫差發(fā)電的動力電池冷熱綜合管理系統(tǒng)及工作方法，等等。

8、所述的換冷單元2采用管殼式、板翅式、微通道或其他型式的換冷器，其結(jié)構(gòu)及換冷元件與傳統(tǒng)的空分流程中的管殼式換熱器、板翅式換熱器、微通道或其他型式的換熱器等相似，采用多個換冷器串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接方式組合在一起。

9、所述有機朗肯循環(huán)中的有機工質(zhì)，其標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點小于-10℃，優(yōu)選地，采用丙烷作為有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)。

10、所述補熱器17的熱源，采用下列熱能的一種或幾種：壓縮機或壓氣機產(chǎn)生的壓縮熱；工業(yè)余熱或廢熱；太陽熱能；燃料燃燒釋放出來的熱能；地?zé)崮埽粌Υ嬗谛顭峤橘|(zhì)中的熱能；所述補熱器17的熱源，用于加熱高壓空氣32。

11、所述新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)中的空氣壓縮、冷卻過程中還包括空氣的凈化與純化，用于除去空氣中的固體物及雜質(zhì)氣體；空氣凈化與純化設(shè)備集成在壓氣機1和/或壓縮機7和/或換冷單元2中，或者集成在壓氣機1、壓縮機7、換冷單元2的連接管道上。

12、所述的低溫膨脹機5的制動器6，包括但不限于風(fēng)機、液體泵、壓縮機或壓氣機，用于回收低溫膨脹機5產(chǎn)生的膨脹功。

13、所述的壓氣機1或壓縮機7，僅為區(qū)分，實質(zhì)均為空氣壓縮增壓設(shè)備；液壓泵或液空泵、高壓泵亦類此。

14、所述新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)中的壓縮空氣為等壓液化過程，是指進入換冷單元2的原料空氣，無需像傳統(tǒng)的空分工藝那樣膨脹降壓制冷，壓氣機出來的空氣，僅有沿程設(shè)備及管道的阻力損失，可以視為壓力變化不大的空氣等壓液化過程。

15、所述新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)中的空氣凈化與純化設(shè)備，其中的純化設(shè)備包括分子篩純化器、可逆式換冷器或石頭蓄冷器等，應(yīng)能保證工藝的連續(xù)正常運行。

16、設(shè)有精餾單元9：從儲液罐3出來的液空，經(jīng)液空泵8增壓后，進入精餾單元9，產(chǎn)生液氧10及氣相氮氣輸出。

17、設(shè)有液化單元11：從精餾單元9產(chǎn)生的氣相氮氣，經(jīng)液化單元11，制得液氮12。

18、所述的精餾單元9參照空分裝置的精餾塔設(shè)計、安裝、操作。

19、所述的液化單元11采用常規(guī)壓縮制冷工藝或低溫膨脹機工藝實現(xiàn)。

20、設(shè)有氣化器23：所述氣化器23的一端通過管線連接所述高壓儲液罐22的底部液體側(cè)，另一端通過管線連接所述高壓儲液罐22的頂部氣體側(cè)；高壓儲液罐22中儲存的高壓低溫液空釋能時，高壓儲液罐22內(nèi)的壓力降低，通過加熱氣化器23中的高壓低溫液空，使之氣化進入高壓儲液罐22的頂部氣體空間，從而維持高壓儲液罐22內(nèi)的壓力穩(wěn)定。

21、設(shè)有調(diào)壓泵24：高壓儲液罐22中儲存的高壓低溫液空釋能時，高壓儲液罐22內(nèi)的壓力降低，通過調(diào)壓泵24調(diào)節(jié)輸出壓力，維持高壓氣相空氣76的壓力穩(wěn)定，所述調(diào)壓泵24采用變頻調(diào)速運行方式維持輸出壓力的穩(wěn)定。

22、高壓儲液罐22的高壓低溫液空因吸熱使得壓力升高時，設(shè)有氣體釋放膨脹供冷線路：從高壓儲液罐22排出的氣相空氣，經(jīng)釋放氣膨脹機33膨脹做功，降低壓力、溫度，進入換冷單元2回收冷量后排出。

23、本技術(shù)中壓縮機7或壓氣機1的出口氣體，其壓縮熱通過蓄熱器進行回收利用。

24、本技術(shù)中未說明的設(shè)備及其系統(tǒng)、管道、儀表、閥門、保冷、具有調(diào)節(jié)功能旁路設(shè)施等，參照或按照公知的傳統(tǒng)工藝中的成熟技術(shù)進行配套。

25、本技術(shù)中的設(shè)備及管道采用必要的回?zé)?、回冷等措施?/p>

26、本技術(shù)未提及的部分如安全附件、自動控制等，采用現(xiàn)有公知技術(shù)進行配套，即將現(xiàn)有的成熟可靠的合理技術(shù)措施應(yīng)用于本裝置。

27、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點：

28、1、相比現(xiàn)有的多級壓縮、中間冷卻的壓氣機高壓輸氣技術(shù)，采用結(jié)合全低壓制氧技術(shù)的空氣等壓液化、液壓泵增壓回冷的高壓供氣技術(shù)，能夠有效降低壓氣機的壓縮熱功耗，減輕了壓氣機的低品位壓縮熱熱回收的難度，高壓供氣的綜合電耗降低幅度大，噪聲低，實質(zhì)是全新的節(jié)能型氣壓/液壓組合式高壓供氣機組，其中的氣壓/液壓組合式高壓供氣機組適用于現(xiàn)有液空儲能電站供氣系統(tǒng)的改造、升級；

29、2、相比現(xiàn)有的液空儲能電站，結(jié)合氣壓/液壓組合式高壓供氣機組的新型冷力循環(huán)及發(fā)電系統(tǒng)，除了節(jié)能效果明顯，還有聯(lián)產(chǎn)液氧、氮氣、液氮且能根據(jù)市場行情靈活調(diào)節(jié)運行方式、提高電站綜合效益的特色。