供热与余热利用耦合的压气蓄能系统及其运行方法

本发明涉及供热与余热利用领域，具体为供热与余热利用耦合的压气蓄能系统及其运行方法。

背景技术：

1、工业生产过程中产生的未被利用的热量温度较高，大量余热需要被底循环吸收。例如火电机组排烟温度一般在110～150℃之间，焦化炉废气的温度一般在700～1100℃之间，燃气锅炉的排烟温度一般在120～180℃之间等。这些余热携带大量热量，直接排出造成的热损失较大。

2、同时，许多工业过程需要热能来进行加工、生产和加热。在金属冶炼、玻璃制造、陶瓷生产等过程需要高温来熔化原材料或者改变其物理特性。工业中常用的热能载体是水蒸气，一般采用锅炉将水加热产生水蒸气，可以来驱动各种机械设备、发电和加热。许多材料在生产过程中需要热量干燥，例如纸张、木材、食品等。供暖是工业中热能需求的另一个重要方面。总之，对热量的需求是多方面的，它涉及到许多不同的工艺和应用，而且对于工业生产的效率和成本都具有重要影响。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供了一种供热与余热利用耦合的压气蓄能系统及其运行方法，通过第一换热器组使压缩机组出口的高温高压工质携带的压缩热与流体供应单元提供的流体换热，实现高品位供热；换热后的高压低温工质可进行储存，实现将电能转化为工质内能储存；储存的工质通过与余热供应单元提供的余热在第二换热器组中换热，实现了余热的利用，且换热后的高压低温工质可进行膨胀做功发电参与电网调峰。

2、本发明提供一种供热与余热利用耦合的压气蓄能系统，包括：

3、压缩机组，用于对工质进行压缩；

4、第一换热器组，包括第一工质换热流道和第一流体换热流道，第一工质换热流道的入口与压缩机组的出口连通；

5、流体供应单元，出口与第一流体换热流道的入口连通，压缩机组对工质进行压缩产生的压缩热用于加热流体供应单元提供的流体；

6、工质储存装置，入口与第一工质换热流道的出口连通，用于储存第一工质换热流道出口的工质；

7、第二换热器组，包括第二工质换热流道和第二流体换热流道，第二工质换热流道的入口与工质储存装置的出口连通；

8、余热供应单元，出口与第二流体换热流道的入口连通，余热供应单元用于提供余热以加热进入第二工质换热流道的工质；

9、膨胀发电机组，出口与第二工质换热流道的出口连通。

10、根据该技术方案，压缩机组对工质压缩产生压缩热，压缩机出口的携带压缩热的工质与流体供应单元提供的流体在第一换热器组中换热，流体吸收工质携带的压缩热后温度上升，实现了高品位供热，换热后的工质温度下降，密度增加，并进入工质储存装置中储存，降低了储热温度，以及对工质储存装置的性能要求，且降低了散热损失。工质储存装置出口的工质与来自余热供应单元的余热在第二换热器组中换热，换热后的工质温度上升并进入膨胀发电机组中膨胀发电，提高了余热的利用率的同时提高了工质的做功能力。

11、本方案利用压缩机组、第一换热器组、工质储存装置、第二换热器组及膨胀发电机组组成的压缩工质储能系统，将压缩阶段产生的压缩热用于加热流体，实现了高品位供热，且降低了压缩热的散热损失。并利用余热加热膨胀做功前的工质，提高了工质的做功能力，且实现了余热的再利用，减少了能源浪费。

12、本方案不仅实现了高品位供热与余热利用，同时可进行发电。产生的电能可参与电网调峰，具体地，在用电低谷时，多余的电能可通过驱动压缩机组压缩工质、进入第一换热器组换热后转化为工质的高压内能储存于工质储存装置；在用电高峰时，储存的高压工质可用于膨胀发电满足电力需求。

13、本发明的可选技术方案中，还包括第三换热器，第三换热器包括：

14、第三工质换热流道，入口与第一工质换热流道的出口连通，出口与工质储存装置的入口连通；

15、第三流体换热流道，出口与第一流体换热流道的入口连通，入口与流体供应单元的出口连通。

16、根据该技术方案，第一工质换热流道出口的工质进入第三工质换热流道，与进入第三流体换热流道内的流体换热后温度下降，再进入工质储存装置进行储存，增大了工质密度，有利于减小工质储存装置的体积。流体供应单元提供的流体进入第三流体换热流道换热后温度上升，并进入第一流体换热流道，与第一工质换热流道内的高温工质换热后温度进一步上升，实现了高效供热。本方案提供的系统结构简单，有利于降低成本。

17、本发明的可选技术方案中，还包括：

18、第一介质储罐，用于储存高温储热介质；

19、第二介质储罐，用于储存低温储热介质；

20、第三换热器，包括：

21、第三工质换热流道，一端与第一工质换热流道的出口连通，另一端与工质储存装置连通；且第三工质换热流道与第二工质换热流道的入口连通；

22、第三流体换热流道，两端分别与第一介质储罐、第二介质储罐连通。

23、根据该技术方案，在供热及储能过程中，第一工质换热流道出口的工质进入第三工质换热流道，与第二介质储罐出口的低温储热介质换热后温度下降进入工质储存装置中储存；第二介质储罐出口的低温储热介质换热后温度升高并进入第一介质储罐中储存。在释能及余热利用过程中，工质储存装置出口的工质进入第三工质换热流道，与第一介质储罐出口的高温储热介质换热后温度升高，并进入第二换热器组的第二工质换热流道。第一介质储罐、第二介质储罐的设置，能够便于对进入或流出工质储存装置的工质进行换热，使工质经冷却后再储存，增大储存密度，节约工质储存装置体积，或者使工质流出后经过加热后再进入第二换热器组，实现了能量的重复利用，也有利于提高做功品质。另外，流体供应单元提供的流体直接进入第一换热器组与压缩热换热，缩短了供热路径，简化了供热管路。

24、本发明的可选技术方案中，还包括：

25、第三介质储罐，用于储存低温储热介质；

26、第四介质储罐，用于储存中温储热介质；

27、第四换热器，包括第四工质换热流道和第四流体换热流道，第四工质换热流道的两端分别与工质储存装置的出口连通、压缩机组的入口连通；第四流体换热流道的两端分别与第三介质储罐和第四介质储罐连通；

28、第五换热器，包括第五工质换热流道和第五流体换热流道，第五工质换热流道的两端分别连通膨胀发电机组的出口和工质储存装置的入口，第五流体换热流道的入口与第三介质储罐的出口连通，第五流体换热流道的出口与第四介质储罐的入口连通。

29、根据该技术方案，在供热及储能过程中，工质储存装置出口的高压低温工质进入第四工质换热流道，与来自第四介质储罐出口的中温储热介质换热后温度升高，温度升高后的工质进入压缩机组压缩、第一换热器组冷却、及第三换热器换热后进入工质储存装置中储存。在释能及余热利用过程中，工质储存装置出口的工质换热后进入第二换热器组换热、膨胀发电机组膨胀后进入第五换热器与第三介质储罐出口的低温储热介质换热后(温度下降)进入工质储存装置，换热后的低温储热介质温度升高进入第四介质储罐中储存。本方案中，膨胀发电机组出口的工质进入第五换热器，与第三介质储罐出口的低温储热介质换热后进入工质储存装置，并由工质储存装置排出后进入压缩机组后重新参与供热及储能流程，形成了闭式循环，降低了工质对环境的污染，且有利于节约工质成本。

30、本发明的可选技术方案中，余热供应单元提供的余热为锅炉燃烧排放的烟气余热。

31、根据该技术方案，余热供应单元提供的余热提高了释能阶段工质的做功品质，且提高了余热的利用率。

32、本发明的可选技术方案中，流体供应单元提供的流体为水。

33、根据该技术方案，采用工质压缩的压缩热可以用于加热水来产生水蒸气等，产生的水蒸气可以来驱动各种机械设备、发电和加热，实现了压缩热的高效利用。

34、本发明的可选技术方案中，压缩机组包括多个压缩机，第一换热器组包括多个第一换热器，压缩机与第一换热器交替布置。

35、根据该技术方案，在工质被压缩之后进行工质冷却，再进一步压缩、冷却，可以提高压缩效率，大大节省耗功量；压缩产生的压缩热用于加热流体，实现了压缩热的高效利用。此外，冷却后的工质进入工质储存装置中储存时，降低了储存温度，有利于减少散热损失并降低对设备的性能要求，有利于节约系统成本。技术人员可以根据需求灵活调节压缩机与第一换热器的数量。

36、本发明的可选技术方案中，第二换热器组包括多个第二换热器，膨胀发电机组包括多个膨胀发电机，第二换热器与膨胀发电机交替布置。

37、根据该技术方案，多级膨胀、级间加热的方式能够充分利用余热，将低品位余热转变为高品位电能，提高余热的利用率。

38、本发明另提供一种上述的供热与余热利用耦合的压气蓄能系统的运行方法，包括以下步骤：

39、供热及储能步骤：压缩机组出口的高温高压工质与流体供应单元提供的流体在第一换热器组中换热，换热后的流体温度上升，换热后的高温高压工质转化为高压低温工质，并进入工质储存装置中储存；

40、释能及余热利用步骤：工质储存装置出口的高压低温工质与余热供应单元提供的余热，在第二换热器组中换热，换热后的高压低温工质温度上升转变为高温高压工质，高温高压工质进入膨胀发电机组中膨胀发电，换热后的余热排出。