利用液化天然氣冷能的壓縮空氣儲能系統的制作方法

本實用新型涉及能量存儲技術領域和冷能回收利用技術領域，特別是一種利用液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)冷能的壓縮空氣儲能系統。

背景技術：

近年來，我國LNG接收站和LNG消費量已初具規模，并且不斷攀升，LNG是液態，其能量密度高，在長距離輸送中具有明顯成本優勢。LNG在接收站以液態進行存儲，天然氣用戶所需的氣態天然氣必須通過LNG吸熱氣化才能得到，現在常規技術手段有以下幾種：海水氣化、空氣氣化或天然氣補燃氣化，未回收氣化過程中的冷能，造成大量的能量浪費。已有的LNG冷能利用技術，如食品冷庫、橡膠粉碎等，都是對冷能進行直接利用，由于冷庫等所需溫度遠遠高于LNG溫度，大溫差傳熱使得其冷能回收效率低，且直接利用冷能技術不能將回收能量長距離傳送，只能局限在LNG接收站附近。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型的目的在于提供利用液化天然氣冷能的壓縮空氣儲能系統和方法。

為實現上述目的，本實用新型提供一種利用液化天然氣冷能的壓縮空氣儲能系統，包括：

第一換熱器單元，空氣在所述第一換熱器單元內與液化天然氣進行換熱，輸出換熱后降溫的空氣；

壓氣機組，輸入所述換熱后降溫的空氣，輸出壓縮后的空氣；

儲氣裝置，用于儲能時輸入壓縮后的空氣，或者釋能時輸出所儲存的壓縮空氣；以及

膨脹機組，輸入儲存的壓縮空氣，在膨脹機組內經第二換熱器單元加熱后對膨脹機組做功。

優選的，儲能系統還包括液化天然氣儲存裝置和液化天然氣泵，液化天然氣通過所述液化天然氣泵從液化天然氣儲存裝置中泵出，并進入所述第一換熱器單元。

優選的，儲能系統還包括氣化器，在第一換熱器單元經換熱后的液化天然氣輸入所述氣化器，經氣化器氣化后輸出氣態天然氣。

優選的，所述壓氣機組包括至少一臺低壓壓氣機和至少一臺高壓壓氣機，相互串聯或集成為整體多級壓氣機，從每一臺低壓壓縮機入口輸入換熱后降溫的空氣，輸出低壓空氣；低壓空氣再輸入高壓壓氣機，從高壓壓氣機輸出壓縮后的空氣。

優選的，所述壓氣機組還包括中間級壓氣機，所述低壓空氣經中間級壓氣機壓縮后，經第一換熱器單元與液化天然氣換熱，再輸入高壓壓氣機

優選的，所述第一換熱器單元包括兩個以上換熱器，空氣在輸入壓氣機組的每一級壓氣機前均通過換熱器與液化天然氣進行換熱。

優選的，所述膨脹機組包括至少一臺低壓膨脹機和至少一臺高壓膨脹機，相互串聯或集成為整體多級膨脹機，每一臺高壓膨脹機輸入儲存的壓縮空氣，輸出初級膨脹空氣；每一臺低壓膨脹機輸入初級膨脹空氣，輸出末級膨脹空氣；優選的，所述膨脹機組還包括中間級膨脹機，所述初級膨脹空氣輸入所述中間膨脹機后再輸入低壓膨脹機。

優選的，儲能系統還包括發電機，與所述對膨脹機組連接，使膨脹機組做功時帶動發電機發電。

通過上述技術方案，本實用新型實現的有益效果在于：

(1)利用LNG冷卻壓氣機進口空氣，使獲得做功能力相同的高壓空氣的耗功減小，從而實現對LNG冷能回收，轉變成壓縮空氣的內能；

(2)同時LNG和空氣在第一換熱器中進行換熱，通過第一換熱器可實現較小溫差熱量傳遞，從而最大化提高LNG冷能回收效率；

(3)將LNG冷能先轉變成空氣內能進行存儲，再轉換成電能進行傳輸和利用，使得LNG冷能回收利用不受限地域范圍；

(4)該系統膨脹過程采用級間加熱以提高膨脹機單位工質輸出功率，并通過級間再熱可以回收中低溫廢熱，實現能源清潔高效利用；

(5)該壓縮空氣儲能系統還有儲能周期不受限制，適用于各種類型的電源，對環境友好等優點，具有廣闊的使用前景。

附圖說明

圖1為本實用新型的利用LNG冷能的壓縮空氣儲能系統實施例1結構示意圖；

圖2為本實用新型的利用LNG冷能的壓縮空氣儲能系統實施例2結構示意圖。

具體實施方式

根據本實用新型總體上的實用新型構思，提供一種利用液化天然氣冷能的壓縮空氣儲能系統，包括：第一換熱器單元，空氣在所述第一換熱器單元內與液化天然氣進行換熱，輸出換熱后降溫的空氣；壓氣機組，輸入所述換熱后降溫的空氣，輸出壓縮后的空氣；儲氣裝置，用于儲能時輸入壓縮后的空氣，或者釋能時輸出所儲存的壓縮空氣；以及膨脹機組，輸入儲存的壓縮空氣，在膨脹機組內經第二換熱器單元加熱后對膨脹機組做功。

本實用新型的利用LNG冷能的壓縮空氣儲能系統，它在用電低谷通過壓氣機組將空氣壓入儲氣裝置，同時通過冷卻壓氣機進口空氣實現對LNG冷能回收；在用電高峰，儲氣裝置中高壓空氣經換熱器吸熱并通過膨脹機帶動發電機發電。本實用新型利用LNG冷卻每級壓氣機進口空氣，使獲得做功能力相同的高壓空氣的耗功減小，從而實現對LNG冷能回收，將LNG冷能轉換成壓縮空氣的內能；同時LNG和空氣在換熱器中進行換熱，通過換熱器可實現較小溫差熱量交換，從而最大化提高LNG冷能回收效率；將LNG冷能先轉換成空氣內能進行存儲，再轉換成電能進行傳輸和利用，使得LNG冷能回收利用不受限地域范圍；該系統膨脹過程采用級間加熱以提高膨脹機單位工質輸出功率，并通過級間再熱可以回收中 低溫廢熱，實現能源清潔高效利用，同時，該壓縮空氣儲能系統還有儲能周期不受限制，適用于各種類型的電源，對環境友好。

系統還可以包括液化天然氣儲存裝置和液化天然氣泵，液化天然氣通過所述液化天然氣泵從液化天然氣儲存裝置中泵出，并進入所述第一換熱器單元。液化天然氣泵，優選的是葉輪式泵或容積式泵；其所述液化天然氣儲存裝置，優選的是人造金屬或混凝土容器。

系統還可以包括氣化器，在第一換熱器單元內經換熱后的液化天然氣輸入所述氣化器，經氣化器氣化后輸出氣態天然氣。氣化器可以與天然氣用戶相連通，直接為用戶輸出天然氣。

對于所述壓氣機組，其包括至少一臺低壓壓氣機和至少一臺高壓壓氣機，相互串聯或集成為整體多級壓氣機，從每一臺低壓壓氣機入口輸入換熱后降溫的空氣，輸出低壓空氣；低壓空氣再輸入高壓壓氣機，從高壓壓氣機輸出壓縮后的空氣。

優選的第一換熱器單元包括兩個以上換熱器，空氣在輸入每一級壓氣機前均通過換熱器與液化天然氣進行換熱。

優選的，各級壓氣機間設有還設有換熱器。

對于所述膨脹機組，其包括至少一臺低壓膨脹機和至少一臺高壓膨脹機，相互串聯或集成為整體多級膨脹機，每一臺高壓膨脹機輸入儲存的壓縮空氣，輸出初級膨脹空氣；每一臺低壓膨脹機輸入初級膨脹空氣，輸出末級膨脹空氣。

優選的，所述膨脹機組還包括中間級膨脹機，所述初級膨脹空氣輸入所述中間膨脹機后再輸入低壓膨脹機。進一步優選的，各膨脹機間設有換熱器。

優選的，對于壓氣機組或膨脹機組，當為兩級以上時，為共軸串聯形式、或分軸并聯形式；并聯形式中，各分軸與主驅動軸動連接。

對于壓氣機或膨脹機，優選的是活塞式、軸流式、斜流式、離心式、螺桿式其中的一種或多種的組合。

其中，系統還包括發電機，與所述對膨脹機連接，用于在所述膨脹機做功時帶動發電機發電。

對于所述熱源，為外界熱源，優選的是工業廢熱、余熱、大氣環境、太陽能熱或蓄熱裝置。

對于第一換熱器單元以及第二換熱器單元內的換熱器，優選的所述換熱器是套管式、管殼式、夾套式、蓄熱式、管翅式或板翅式。

對于儲氣裝置，優選的儲氣裝置，是洞穴或人造壓力容器。

基于本實用新型同一實用新型構思，提供一種利用液化天然氣冷能的壓縮空氣儲能系統方法，包括：

在用電低谷或者儲能時：

通過液化天然氣與空氣在第一換熱器單元內進行換熱，輸出換熱后降溫的空氣；

換熱后降溫的空氣通過電動機驅動壓氣機組進行壓縮，形成壓縮后的空氣；

壓縮后的空氣輸入儲氣裝置儲存；

在用電高峰或者釋放能量時：

儲氣裝置輸出高壓空氣至膨脹機組；

在熱源加熱下，膨脹機組內空氣對膨脹機做功，帶動發電機發電。

優選的，通過開停壓氣機組的部分壓氣機或調節壓氣機轉速控制壓氣機流量，從而調節儲能能力；和/或通過開停部分膨脹機組的膨脹機或調節膨脹機轉速控制膨脹機做功能力，從而調節發電能力。

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。下述參照附圖對本實用新型實施方式的說明旨在對本實用新型的總體實用新型構思進行解釋，而不應當理解為對本實用新型的一種限制。

實施例1：

圖1所示為本實用新型的利用LNG冷能的壓縮空氣儲能系統實施例1，它采用兩級壓縮、級間冷卻和兩級膨脹、級間加熱。圖1中附圖標記具有以下含義：

電動機1，低壓壓氣機5，高壓壓氣機9，高壓膨脹機19，低壓膨脹機23，換熱器3、7、17、21，閥門11、15、27，管線2、4、6、8、10、 12、14、16、18、20、22、26、29、30、31、32、34、35，儲氣裝置13，發電機24，LNG泵28，LNG儲存裝置25、氣化器33、空氣和LNG。

電動機1與壓氣機組的共有傳動軸聯接，發電機24與膨脹機組的共有傳動軸聯接。低壓壓氣機5經管線2、4、換熱器3與大氣相連通；低壓壓氣機5經管線6、高壓壓氣機9經管線8分別與換熱器7相通連；高壓壓氣機9經管線10、12、閥門11與儲氣裝置13相通連；高壓膨脹機19經管線14、16、18及閥門15、換熱器17與儲氣裝置13相通連；高壓膨脹機19經管線20、低壓膨脹機23經管線22分別與換熱器21相通連；低壓膨脹機23經管線35與大氣相連通；LNG泵28經管線26、閥門27與LNG儲存裝置25相連通；換熱器3和換熱器7分別經管線29、管線31與LNG泵28相連通；換熱器3和換熱器7分別經管線30、管線32與氣化器33相連通；氣化器33經管線34與天然氣用戶相連通。

儲能時，打開閥門11、27，關閉閥門15，電動機1利用低谷電帶動壓氣機組，空氣經過換熱器3后進入低壓壓氣機5，LNG儲存裝置25中的LNG經LNG泵27提升壓力后也進入換熱器3中，在換熱器3中，空氣被LNG冷卻，LNG吸收空氣熱能氣化，冷卻后的空氣在低壓壓氣機5壓縮升溫升壓，壓縮后的空氣經管線6進入換熱器7中繼續被LNG冷卻，冷卻后的空氣經管線8進入高壓壓氣機9繼續壓縮并升溫升壓，其出口空氣經閥門11及管線10、12進入儲氣裝置13存儲，儲能結束，關閉閥門11、27。釋能時，打開閥門15，關閉閥門11、27，儲氣裝置13內的高壓空氣經管線14、16及閥門15進入換熱器17，加熱后的高壓空氣經管線18進入高壓膨脹機19膨脹降溫，其出口空氣經管線20進入換熱器21，加熱后的空氣經管線22進入低壓膨脹機23繼續膨脹做功并帶動發電機24發電。釋能結束，閥門15關閉。

一般情況下，儲能和釋能過程不同時進行，儲能時，閥門11、27同時打開，閥門15關閉，閥門27的開度由壓氣機組流量控制。

實施例2：

圖2所示為本實用新型的利用LNG冷能的壓縮空氣儲能系統實施例2，其主體結構與實施例1相同，但它采用三級壓縮、級間冷卻及三級膨 脹、級間加熱代替實施例1中的兩級壓縮、級間冷卻及兩級膨脹、級間加熱。其中，圖2中附圖標記具有以下含義：

電動機1，低壓壓氣機39，中壓壓氣機43，高壓壓氣機47，高壓膨脹機52，中壓膨脹機56，低壓膨脹機60，換熱器37、41、45、50、54、58，儲氣裝置13，管線36、38、40、42、44、46、48、12、14、49、51、53、55、57、59、61、26、62、63、64、65、66、67、34，發電機24，閥門11、15、27，LNG泵28，LNG儲存裝置25、氣化器33、空氣和LNG。

各部件的連接情況與實施例1基本相同。

儲能時，關閉閥門15，打開閥門11、27，空氣經過換熱器37、低壓壓氣機39、換熱器41、中壓壓氣機43、換熱器45、高壓壓氣機47、閥門11及管線36、38、40、42、44、46、48、12進入儲氣裝置13進行存儲，LNG經LNG泵28提升壓力后分別進入換熱器37、41、45吸收熱量后，再進入氣化器進一步氣化，滿足后續管網要求后通過管線34進入天然氣用戶，儲能結束，關閉閥門11、27。釋能時，關閉閥門11、27，打開閥門15，高壓空氣經過閥門15、換熱器50和管線14、49、51進入高壓膨脹機52膨脹做功，然后通過管線53進入換熱器54加熱，再通過管線55進入中壓膨脹機56做功，然后經管線57進入換熱器58加熱，加熱后的空氣經管線59進入低壓膨脹機60做功，空氣最后通過管線61排入大氣，釋能結束，關閉閥門15。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。