储能供蒸汽系统、多级供蒸汽系统及其运行方法与流程

本发明涉及能源，具体地，涉及一种基于开式压缩空气制热的储能供蒸汽系统、多级供蒸汽系统及其对应运行方法。

背景技术：

1、蒸汽是工业的血液，被广泛应用于石油、化工、电力、机械、纺织、冶金、食品、制药等制造业各细分领域。在传统的观念中，电是高品位能源，但从能量转换的角度来看，以电用来制取工业蒸汽的做法是不可取的；常用的做法是直接从一次化石能源燃烧制取工业蒸汽。2021年起由于国际煤价的不停上涨导致蒸汽的销售价格大幅上涨。对于市场的各需求方而言，急需一种使蒸汽价格下降的技术方案。

2、传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；压缩空气储能容量较大、储能周期长、效率高和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低。压缩空气储能系统荏苒依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色与可再生的能源发展要求。

3、如何能更有效的节省技术方案中的能源使用，是目前现有技术急需解决的重要核心问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于开式压缩空气制热的储能供蒸汽系统、多级供蒸汽系统及其对应运行方法，解决现有技术中化石燃料生成蒸汽方式所存在的成本高、燃料枯竭、污染大的问题以及缺乏相关的高效可行的替代技术方案的问题。

2、储能供蒸汽系统具体技术方案如下：其包括压缩机、一级换热器、一级蒸汽发生器、带压冷水罐、带压热水罐、压力平衡器和减压阀，所述外界大气环境、所述压缩机以及所述一级换热器之间相互连通而形成制热回路，所述一级换热器和一级蒸汽发生器之间相互连通而形成放热回路，所述带压热水罐、所述一级蒸汽发生器以及所述带压冷水罐之间相互连通而形成放热通路；

3、所述一级换热器的冷侧出口与所述一级蒸汽发生器的热侧进口之间的通路上存在分流口之一，所述带压热水罐与所述分流口之一连通，所述一级蒸汽发生器的热侧出口与所述一级换热器的冷侧进口之间的通路上存在分流口之二，所述带压冷水罐与所述分流口之二连通，所述压力平衡器分别与所述带压冷水罐、所述带压热水罐连接而用于使罐内水始终维持液态的预设气压，所述减压阀连接在所述分流口之一与所述一级蒸汽发生器的热侧进口之间的通路上。

4、进一步的，所述压力平衡器包括连通管，所述连通管整段内腔、所述带压热水罐的部分内腔、所述带压冷水罐的部分内腔共同形成相连通的充气区域，所述充气区域用于充入压缩气体而使该区域内维持使罐内水始终处于液态的预设气压。

5、进一步的，所述压力平衡器包括气压调节设备，所述气压调节设备与所述带压热水罐、所述带压冷水罐连通并控制罐内维持使罐内水始终处于液态的预设气压。

6、进一步的，还包括水流量调节阀，所述分流口之一与所述带压热水罐之间的通路上和/或所述分流口之二与所述带压冷水罐之间的通路上连接有所述水流量调节阀。

7、进一步的，还包括循环水泵，所述循环水泵串联在所述放热回路中。

8、进一步的，还包括透平，所述透平与所述压缩机同轴连接，所述透平串联在所述制热循环回路中而分别与所述外界大气环境、所述换热器连通。

9、进一步的，所述带压冷水罐和/或所述带压热水罐为球形罐。

10、储能供蒸汽系统运行方法的具体技术方案如下：应用于如前所述的储能供蒸汽系统，其包括制热过程、储热过程和制蒸汽过程，

11、制热过程为：所述外界大气环境中的空气先经过所述压缩机而变成高温高压空气，再经过所述一级换热器与水进行换热而变成低温高压空气，再直接排放或经过处理利用后排放到所述外界大气环境中；

12、储热过程为：低温高压液态水经过所述一级换热器与高温高压空气换热而变成高温高压液态水，随后其一部分经所述分流口之一分流至所述带压热水罐而另一部分分流至所述减压阀，分流至所述带压热水罐的那部分用于储存热能；

13、制蒸汽过程为：当与储热过程同时进行时，低温高压液态水经过所述一级换热器与高温高压空气换热而变成高温高压液态水，随后其一部分经分流口之一分流至所述带压热水罐而另一部分分流至所述减压阀，分流至所述减压阀的那部分减压后变为高温高压蒸汽，再经过所述一级蒸汽发生器与给水换热而变成低温高压液态水，之后重新进入所述一级换热器；

14、当储热过程完成后，所述放热回路停用、所述放热通路启用，所述带压热水罐中所储存的高温高压液态水经过所述减压阀减压后变为高温高压蒸汽，再经过所述一级蒸汽发生器与给水换热而变成低温高压液态水，再流入所述带压冷水罐进行储存。

15、多级供蒸汽系统的具体技术方案如下：其包括如前所述的单级的储能供蒸汽系统，还包括若干二级换热器，每个所述二级换热器连通配套对应的二级储放热单元以及二级蒸汽发生器，所述二级换热器、所述二级储放热单元、所述二级蒸汽发生器之间相互连通而形成二级换热循环回路，所述二级蒸汽发生器与所述与一级蒸汽发生器连通，所述二级蒸汽发生器的热侧进口的换热介质温度大于所述一级蒸汽发生器的冷侧出口的蒸汽温度；所述二级换热器连接在所述储能供蒸汽系统的所述压缩机与所述一级换热器之间的通路上，或者所述二级换热器连接在另外独立的制热回路中。

16、多级供蒸汽系统运行方法的具体技术方案如下：应用于如前所述的多级供蒸汽系统，其包括制热过程、储热过程和制蒸汽过程，

17、制热过程为：所述外界大气环境中的空气先经过所述压缩机而变成高温高压空气，然后先经过所述二级换热器与储热介质进行换热而变成中温高压空气、再经过所述一级换热器与水进行换热而变成低温高压空气，最后直接排放或经过处理利用后排放到所述外界大气环境中；

18、储热过程为：所述一级换热器所对应的通路中，低温高压液态水经过所述一级换热器与高温高压空气换热而变成高温高压液态水，随后其一部分经所述分流口之一分流至所述带压热水罐而另一部分分流至所述减压阀，分流至所述带压热水罐的那部分用于储存热能；

19、所述二级换热器所对应的通路中，所述二级储放热单元通过所述二级换热器及换热介质的换热而储存热能；

20、制蒸汽过程为：所述一级换热器所对应的通路中，当与其中的储热过程同时进行时，低温高压液态水经过所述一级换热器与高温高压空气换热而变成高温高压液态水，随后其一部分经分流口之一分流至所述带压热水罐而另一部分分流至所述减压阀，分流至所述减压阀的那部分减压后变为高温高压蒸汽，再经过所述一级蒸汽发生器与给水换热而变成低温高压液态水，之后重新进入所述一级换热器；

21、所述一级换热器所对应的通路中，当其中的储热过程完成后，所述放热回路停用、所述放热通路启用，所述带压热水罐中所储存的高温高压液态水经过所述减压阀减压后变为高温高压蒸汽，再经过所述一级蒸汽发生器与给水换热而变成低温高压液态水，再流入所述带压冷水罐进行储存；

22、所述二级换热器所对应的通路中，所述二级储放热单元通过所述二级蒸汽发生器及换热介质对来自所述一级蒸汽发生器产生的蒸汽进行二次升温。

23、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

24、本发明提供的基于开式压缩空气制热循环的储能供蒸汽系统及其对应运行方法，采用高压水作为储换热介质，所述带压冷、热水罐之间采用所述压力平衡器进行控制，保证罐内维持水的液态的所需压力，另通过所述减压阀及所述一级蒸汽发生器而使高压水与给水换热制蒸汽时，因换热过程中一级蒸汽发生器两侧均存在水的气液两相的转换，故可有效降低换热两端温差，增大开式压缩空气制热循环的cop；

25、本发明提供的基于开式压缩空气制热循环的多级供蒸汽系统及其对应运行方法，在具备前述储能供蒸汽系统及其对应供蒸汽方法的有益效果的基础上，通过增加前置储换热的所述二级换热器、所述二级储换热单元及二级所述蒸汽发生器，能够突破单一的所述储能供蒸汽系统所能供给的蒸汽温度限制，在合适的综合成本下，提供温度相对更高的过热蒸汽。