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CN111465756A - 优化水管理的改进的存储和产生能量的方法 - Google Patents

优化水管理的改进的存储和产生能量的方法 Download PDF

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CN111465756A
CN111465756A CN201880079821.5A CN201880079821A CN111465756A CN 111465756 A CN111465756 A CN 111465756A CN 201880079821 A CN201880079821 A CN 201880079821A CN 111465756 A CN111465756 A CN 111465756A
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CN
China
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stream
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heat exchanger
air
water
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CN201880079821.5A
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P·布里奥特
D·泰塞拉
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Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Abstract

本发明涉及使用压缩气体来储存和回收能量的系统和方法，包括至少一个第一换热器和至少一个第二换热器、用于储存冷液体的装置和用于储存热液体的装置，以及分离装置。分离装置定位在至少一个第一换热器之后。该系统包括至少一个装置，用于引入离开分离装置的液体，以将其朝向用于储存冷液体的装置输送。

Description

优化水管理的改进的存储和产生能量的方法
技术领域
本发明涉及藉由空气压缩和膨胀的能量储存和产生的领域。
背景技术
例如借助太阳能电池板或者陆上或海上风力涡轮机从可再生能源发电正在迅猛发展。这些生产手段的主要缺点是间歇生产以及生产周期与消耗周期之间可能的不匹配。因此，重要的是具有在生产期间储存能量的装置，从而在消耗期间释放能量。
存在许多允许实现这种平衡的技术。
其中最周知的是使用在不同海拔处的两个蓄水池的抽水蓄能电站(PSP，PumpedStorage Plant)。在注水阶段期间，水被从下部水池泵送到上部水池。然后，在排放期间，朝着下部水池，水被送到涡轮机。
使用不同类型的电池(锂、镍、钠-硫、铅-酸等)也可以满足这种能量储存要求。
另一种技术，飞轮能量储存(FES，Flywheel Energy Storage)，包括将转子(飞轮)加速到非常高的速度，以及将系统中的能量保持为动能的形式。当从FES系统提取能量时，由于能量守恒原理，飞轮的旋转速度降低。因此，向FES系统增加能量导致飞轮速度增加。
使用压缩气体(通常是压缩空气)的能量储存技术是有前途的。所产生的未被消耗的能量用于使用(可能是多级)压缩机将空气压力压缩到40巴(bar)至200巴的范围。在压缩时，空气温度升高。为了限制储存罐的成本并使压缩机的电力消耗最小化，空气可以在每个压缩级之间被冷却。然后，压缩空气在压力下储存在天然腔(洞穴)或人造储层中。
在发电阶段期间，所储存的空气然后被送至涡轮机以产生电力。在膨胀时，空气冷却。为了避免过低的温度(-50℃)对涡轮机造成损坏，可以在膨胀之前加热空气。这样的发电厂现在已运行多年，例如1978年以来德国的Huntorf发电厂，或1991年以来美国(阿拉巴马，Alabama)的MacIntosh发电厂。这两个发电厂具有使用储存的压缩空气来供给燃气轮机的具体特征。这些燃气轮机在压力空气存在下燃烧天然气，从而在高压(40巴和11巴)下产生非常热的燃烧气体(550℃和825℃)，然后在发电的涡轮机中使它们膨胀。这种类型的方法排放二氧化碳。Huntorf发电站每兆瓦发电可放出大约830kg CO2。
存在一种正在研发的变型。它是绝热方法，其中，由空气压缩产生的热量被回收、储存并在空气压缩之前释放到空气中。这是一种已知为AACAES(先进绝热压缩空气能量存储，Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage)的技术。
在该技术中，空气通常是从周围介质中获取的空气。因此，它可能包含蒸汽形式的水。该湿度根据地理位置和温度和/或季节变化。在压缩之后冷却空气时，空气中包含的水可能全部或部分地冷凝。这种冷凝会牵涉到待管理的的量很大。例如，在尼斯(法国)，一月时空气中每千克空气含有约4克水。八月时，该水量升至每千克空气12克水。有少数专利提到了这种水管理问题。一些专利(WO-2016/012,764、WO-2011/076,926和WO-2016/079,485)提出回收冷凝水以将其储存在简单的储罐中。此外，当不从气体中除去时，气体中所含的水会对压缩机和压缩气体在其中循环的其它设备造成损害。
此外，当空气被冷却或加热时，使用换热器。这些交换器允许从冷流体(通常是冷液体)冷却热气体，或者从热流体(通常是热液体)加热冷气体。
直接接触的换热器被理解为其中在流体(通常为液体)和气体之间发生直接接触的换热器。当使用直接接触的换热器时，物质交换也可发生在流体与气体之间。
当使用直接接触的换热器时，气体可以变得部分地载有呈气体或液滴形式的流体和/或部分的气体可以冷凝或被流体吸收。这取决于流体、气体、压力和温度以及交换模式(气体加热或冷却)。因此，可能需要将流体添加到回路中，或者相反地，需要抽取一些流体，因此使对这些流的管理和调节更为复杂。在不管理这些流的情况下，系统的性能降低，并且对系统元件的损坏的风险增加。
非直接接触的换热器被理解为其中在流体和气体之间不发生直接接触的换热器。在这种非直接接触的换热器中，热交换例如通过实心壁发生，但是在流体和气体之间不能发生物质传递。板式交换器或管壳式交换器是非直接接触的换热器的示例。
为了克服尚未解决的水管理问题，本发明的目的在于通过提供对系统中所含液体的优化管理来改进能量存储和回收系统的性能。因此，该系统在空气压缩区中使用位于至少一个换热器之后的至少一个液/气分离器。收集从分离器回收的液体，并与冷液体一起储存，从而改善液体在系统中的流动。
发明内容
本发明涉及一种压缩气体能量存储和回收系统，包括：
-至少一个气体压缩装置，
-至少一个储存所述压缩气体的装置，
-至少一个使所述压缩气体膨胀置，
-至少第一换热器，所述第一换热器设置在压缩所述压缩气体的装置下游，
-至少第二换热器，所述第二换热器设置在使所述压缩气体膨胀的装置上游，
-至少一个冷液体储存装置和至少一个热液体储存装置，
-至少一个将所述气体和所述液体分离的装置，
所述第一换热器和第二换热器在所述气体和所述液体之间传递热量，所述第一换热器和第二换热器定位在所述冷液体储存装置和所述热液体储存装置之间，所述分离装置定位在至少第一换热器之后。系统包括至少一个供给装置，其将离开分离装置的所述液体供给到储存所述冷液体的至少一个装置。
优选地，所述气体是空气。
有利地，所述液体是水。
有利地，所述第一换热器和第二换热器合并。
根据本发明的系统的一实施例，使用多个气体压缩装置和/或多个使所述气体膨胀的装置，优选为至少三个。
根据本发明的一变型，使用多个第一换热器，优选地，在每个所述压缩装置之后至少使用第一换热器。
有利地，使用多个分离装置，优选地，在每个所述第一换热器之后使用至少一个分离装置。
优选地，使用多个第二换热器，优选地，在每个所述膨胀装置上游至少使用第二换热器。
根据本发明的一实施方式，至少一个第二换热器是具有在所述液体和所述气体之间的直接接触的交换器。
根据一实施例，所述用于供给离开分离装置的液体的供给装置包括中间储罐。
本发明还涉及一种能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与冷液体进行热交换而冷却压缩气体，并在换热器出口处储存热液体，
c)分离所述冷却的压缩气体和所述冷凝液体，并储存所述冷凝液体，
d)储存所述冷却的压缩气体，
e)借助换热器，使用步骤c)中储存的热液体加热所述冷却的压缩气体，并储存所述冷液体，
f)使所述压缩气体膨胀，
g)将在步骤c)中储存的所述冷凝液体注入所述储存的冷液体中。
有利地，步骤a)至c)中的至少一个在移到下一个步骤之前执行多次。
优选地，步骤e)和f)中的至少一个在进行步骤g)之前执行多次。
优选地，所述气体是空气。
有利地，所述液体是水。
根据本发明方法的一实施方式，在至少一次步骤e)中，所述气体由与所述热液体的直接接触热交换加热。
根据本发明方法的一实施例，所述冷凝液体和在步骤e)中存储的所述液体分开存储。
附图说明
根据本发明系统和方法的其它特征和优点将从参照附图、阅读以非限制性示例的方式给出的对各实施例的以下描述中变得明了，附图中：
-图1示出了根据现有技术的能量存储和回收系统的一个示例，
-图2示出了根据现有技术的能量存储和回收系统的第二示例，
-图3示出了根据现有技术的能量存储和回收系统的第三示例，
-图4示出了根据本发明的能量存储和回收系统的第一实施例，
-图5示出了根据本发明的能量存储和回收系统的第二实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种压缩气体能量存储和回收系统。根据本发明的系统包括：
-至少一个气体压缩装置，允许气体的压力增大以供储存目的，
-至少一个压缩气体储存装置，用于储存稍后待用的压缩气体，
-至少一个压缩气体膨胀装置，用于产生能量，
-至少第一换热器，其设置在气体压缩装置下游。该第一换热器通过使液体冷流过并热离开地通过换热器进行循环来冷却压缩气体，
-至少第二换热器，其定位在压缩气体膨胀装置上游。该第二换热器在膨胀之前，通过使液体热流过且冷离开地通过换热器进行循环来加热压缩气体，
-至少一个冷液体储存装置和至少一个热液体储存装置，这些装置使得能够对第一换热器使用冷的液体并对第二换热器使用热的液体，
-至少一个分离装置，其能够分离气体和液体，并去除在冷却之后可能包含在气体中并可能损坏系统、特别是压缩装置的液体痕迹。分离装置定位在至少第一换热器之后，
-至少一个供给装置，其将离开分离装置的液体供给到至少一个冷液体储存装置中，从而使得能够将回收的冷凝液体与用于换热器的液体一起使用。
在该实施方式中，至少一个压缩装置(例如压缩机)用于压缩气体。随后通过至少一个换热器冷却气体，该换热器被称为“第一换热器”。
在冷却时，气体的一部分(通常是包含在空气中的水蒸气)可能冷凝。为了防止此液体损坏系统的设备，分离装置(例如气/液分离器)定位在至少第一换热器下游，从而回收冷却时形成的液体。
然后，将从冷凝液体中分离的冷却压缩气体储存在至少一个压缩气体储存装置中。
所谓的“压缩管线”在下文中是将气体入口连接到压缩气体储存装置并穿过至少一个压缩装置的气体管线。
在能量回收期间，包含在至少一个压缩气体存储装置中的压缩气体被送到至少一个被称为“第二换热器”的换热器，从而在被送到实现能量回收的至少一个膨胀装置(例如涡轮机)之前被加热。
所谓的“膨胀管线”在下文中是将压缩气体储存装置连接到气体出口并穿过至少一个膨胀装置的气体管线。
在压缩管线的至少一个分离装置中回收的液体和离开在膨胀管线上使用的至少第二换热器的冷液体可以一起储存在至少一个冷液体储存装置中。
然后，包含在该冷液体储存装置中的液体用于通过定位在压缩管线上的第一换热器来冷却管线上的气体。
因此，在系统内管理液体流动，从而限制了“液体回路”内液体的添加或去除。所谓的“液体回路”是将冷液体储存装置连接到热液体储存装置并回到冷液体储存装置的液体回路。
第一换热器和第二换热器位于该液体回路上，在冷液体储存装置和热液体储存装置之间。
对系统中的液体流动的管理允许改善系统性能、增加设备的使用寿命并且限制能量和液体的消耗。这还可以避免与用于换热器的液体分开地管理从分离装置回收的液体流。
优选地，气体可以是空气。有利地，其可以是取自周围介质的空气。这涉及避免与气体生产和存储以及与其相关的物流有关的成本的优点。
优选地，液体可以是水。实际上，所使用的气体，特别是环境空气，可能含有水。当选择水作为交换器中使用的液体时，在系统中使用单一液体，从而简化了系统的实施。此外，使用水作为传热液体是便宜的。
根据本发明的一变型，第一换热器和第二换热器可以合并，从而限制这些设备的成本。
根据本发明的一实施方式，可使用多个气体压缩装置和/或气体膨胀装置，优选地，至少三个压缩装置和/或至少三个膨胀装置。该特征允许改善系统的性能。实际上，当使用多个压缩装置和/或膨胀装置时，压缩气体的最终压力可以增加，并且每个压缩装置和/或膨胀装置的入口/出口操作压力范围减小，这实现了优化这些装置的性能。
此外，可使用多个第一换热器以冷却气体，优选地，在每个压缩装置之后有第一换热器。这使系统的性能改善，同时使每个压缩装置能在最佳温度下运行。
根据另一变型，可使用多个分离装置，优选地，在每个第一换热器之后使用一个分离装置。因此，在到达下一个压缩装置或压缩气体储存装置之前，消除了可能在每个第一换热器中产生的冷凝液体。液体痕迹一旦形成就消除可避免由于系统中存在液体而导致的设备损坏风险和性能损失。
根据另一变型，可使用多个第二换热器，优选地，在紧邻每个膨胀装置上游使用一个第二换热器。因此，可以避免在膨胀装置出口处可能太冷的温度。实际上，不适合于膨胀装置的温度是造成膨胀装置性能损失的原因。
根据本发明的一实施方式，至少一个第二换热器可以是具有液体和气体之间的直接接触的换热器。因此，在膨胀之前，部分液体与压缩气体中成为一体，因此改善系统性能并优化系统内的液体流动。本发明的目的特别适合于该实施例。
替代地，第一换热器和第二换热器是没有液体与气体之间的非直接接触的换热器。
根据本发明的一实施方式，在离开分离装置的该液体储存在至少一个冷液体储存装置之前，供给离开分离装置的该液体的供给装置可以包括用于中间存储的罐，该液体还包括在热交换器中使用的液体。该中间储罐尤其可用于评估冷凝液体的量、分析冷凝流体、使温度均匀等。
本发明还涉及一种能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与冷液体进行热交换而冷却压缩气体，并在换热器出口处储存热液体，
c)分离冷却的压缩气体和冷凝液体，并且储存冷凝液体
d)储存冷却的压缩气体，
e)借助换热器，使用步骤c)中储存的热液体加热冷却的压缩气体，并储存冷液体，
f)使压缩气体膨胀。
g)将步骤c)中储存的冷凝液体注入到所储存的冷液体中。
因此，该方法涉及对集成在系统中的液体的管理，实现对液体消耗和能量消耗的限制，并且改善系统性能。
优选地，步骤a)至c)中的至少一个(例如，a)或a)和b)或a)至c))在移到下一个步骤之前可执行多次。因此，通过执行多次压缩操作，总压力增大，因此限制压缩气体储存装置的体积，并因此限制其成本。此外，压缩装置可以在更有限的操作范围内优化。使用多个第一换热器允许在最佳温度下操作每个压缩装置，因此改进其操作。此外，使用多个分离装置允许最佳地去除任何液体痕迹，这一方面改善了系统的性能，另一方面防止对设备的损坏，由此增加了其使用寿命。
优选地，步骤e)和f)中的至少一个(例如步骤f)或步骤e)和f))可以在进行步骤g)之前执行多次。使用多个膨胀装置允许每个膨胀装置在减小的操作范围上具有最佳设计。这使得系统性能能够得到改善。类似地，使用多个第二换热器允许在最佳温度范围上运行每个膨胀装置，因此使每个膨胀装置的效率最大化。
优选地，气体可以是空气，并且优选地是取自周围介质的空气。因此，气体生产和物流成本为零。
优选地，液体可以是水。因此，气体中所含的水，特别是环境空气，与换热器中所用的水是相同的液体，因此促进根据本发明的方法的实施。
根据本发明方法的一个变型，在至少一次步骤e)期间，气体可通过与热液体的直接接触而被加热。通过这种类型的热交换，在气体膨胀之前，部分液体结合到气体中，因此实现了对系统中液体流的优化管理并且改善系统性能。
根据该方法的另一变型，冷凝液体在被注入离开至少第二换热器的冷液体之前可以单独储存。这允许在将该液体与来自至少第二换热器的冷液体一起供给之前进行分析、取样或使温度均匀化。
根据本发明的方法的其它特征和优点将从参照以下描述的附图、阅读对非限制性示例实施例的以下描述中变得明了。
示例1-3是现有技术的变型。示例4和5是根据本发明的变型实施例。
各示例以4个压缩级和4个膨胀级执行，但所述级的这一数量不是限制性的。
在这些各个示例的描述中，相同的设备(用于压缩装置的压缩机和用于膨胀装置的涡轮机)用于空气的压缩和膨胀。下表中给出了所用压缩机和涡轮机的特征。
Figure BDA0002532901220000091
Figure BDA0002532901220000101
示例1：根据现有技术(图1)
该示例可对应于如专利DE-10-2010/055,750A1中所述的、用水作为热流体替代盐溶液的系统或方法。
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流动(流2)。
然后将该流2在非直接接触的交换器E-101中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却的空气被送到气/液分离器V-101，其从空气(流4)中分离冷凝空气(流23)的湿气。该冷凝水随后被送到冷凝液体储存装置T-301。
然后，空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的交换器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器的热水(流32)被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。然后其在非直接接触的交换器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。
该热水然后被送到热液体储存装置T-402。
冷空气进入气/液分离器V-103，在其中从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
然后其在非直接接触的交换器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助交换器E-105冷却到比用于在换热器E-101、E-102和E-103中冷却的水的温度低的温度。离开交换器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-402。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
不对储存在冷凝液体储存装置T-301中的水进行管理：例如，冷凝液体存储装置T-301定期排空。
在发电期间，将储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的交换器E-106，其没有与来自热液体储存装置T-402的热水(流39)直接接触。交换器E-106可以与用于冷却的交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和交换器E-104可以合并以节省设备成本。由于循环操作，这是可能的：交换器E-104/E-106或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。离开交换器E-106的经冷却的水(流40)被送到非直接接触的交换器E-107，在其中它加热经冷却的膨胀空气(流16)。该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
离开交换器E-107的经冷却的水(流41)被送到非直接接触的交换器E-108，在其中它加热离开涡轮机EX-202的空气，该空气然后被加热(流19)。该热空气然后被送到第三涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
离开交换器E-108的不太热的水(流42)被送到另一非直接接触的交换器E-109。该交换器用于在进入(流21)最后一个涡轮机EX-204之前加热离开涡轮机EX-203的空气(流20)。
在最终膨胀之后，空气在1.02巴(bar)的压力和10℃的温度下被释放到大气(流22)中。在膨胀之前用于各个空气加热循环的水离开交换器E-109(流43)，最终温度为126℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是5.5兆瓦热(MWth)，即38.7千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.2兆瓦电(MWe)。
示例2：根据现有技术(图2)
该示例描述了如专利US-2011/0,016,864A1中所述的将水用作热流体代替熔盐的系统或方法。
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流动(流2)。
然后将该流2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却空气的湿气经历冷凝(流23)。分离器V-101使空气(流4)与冷凝的湿气(流23)分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体储存装置T-301。
然后，空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。
然后其在非直接接触的交换器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器的热水(流32)被送到热液体储存装置T-403。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。
冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。
然后其在非直接接触的交换器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。
在交换器E-103的出口处的热水(流34)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气进入气/液分离器V-103，在其中从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
然后其在非直接接触的交换器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助交换器E-105冷却到比用于交换器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。离开交换器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
如在前一个示例中那样，在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
如在示例1中那样，不对储存在冷凝液体储存装置T-301中的冷凝水进行管理：例如，冷凝液体储存装置T-301定期清空。
在发电期间，将储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的交换器E-106，而没有与来自热液体储存装置T-405的热水的直接接触。交换器E-106可以与用于冷却的交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和交换器E-104可以合并以节省设备成本。由于系统的循环操作，这是可能的：交换器用于压缩空气或使空气膨胀。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。离开交换器E-106的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)非直接接触的交换器E-107，其中，空气由来自热液体储存装置T-404的水加热(流17)。
经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的温度和压力(流18)。
空气然后在非直接接触的换热器E-108中由来自热液体储存装置T-403的水加热。
离开交换器E-108的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在非直接接触的换热器E-109中由来自热液体储存装置T-402的热水加热。该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
在最终膨胀之后，50,000千克/小时的空气在1.02巴(bar)的压力和17℃的温度下被释放到大气(流22)中。
在膨胀之前用于各个空气加热循环的、通过各交换器E-106、E-107、E-108和E-109的水最终温度为129℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是4.2兆瓦热(MWth)，即31千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.4兆瓦电(MWe)。
示例3：根据现有技术(图3)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流动(流2)。
然后将该流2在直接接触的换热器C-101中通过40℃的水(流21)冷却至50℃。该换热器C-101包括填料塔，热空气(流2)流经塔的底部进入该填料塔中。冷水(流21)在塔的顶部处注射，因此引起交叉流动：一股流动(空气)向上运动，而另一股(水)向下运动。热水以较高的温度在底部离开塔(流22)，并且其被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气在顶部处离开换热器C-101(流3)，并且其流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流4)。然后其在直接接触的换热器C-102中用冷水(流25)冷却。
在底部中离开换热器C-102的热水(流26)被送到热液体储存装置T-403。
经冷却的空气(流5)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流6)。然后其在直接接触的换热器C-103中用冷水(流29)冷却。该热水(流30)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气(流7)在顶部处离开换热器C-103(流7)，并且其流入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开最后的压缩级(流8)。然后其在直接接触的换热器C-104中用冷水(流34)冷却。该流34可以借助换热器E-105冷却到比在换热器C-101、C-102和C-103中使用的水的温度低的温度。
离开换热器C-104的底部的热水(流35)然后被送到热液体储存装置T-405。
在134.34巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流9)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有320ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)，与示例1和2相同。
在该示例中，不存在冷凝水流。另一方面，空气中的湿气添加到被注射以供冷却的水中，使得在压缩之后，在出口处收集到比初始注射更多的水。
在示例3中，178,338千克/小时水被注射用于冷却，而179,715千克/小时水离开该过程，即比初始注射的量多1,377千克/小时。所有的冷凝的湿气已被传递到冷却剂。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到直接接触的换热器C-105，该换热器C-105具有来自热液体储存装置T-405的热水(流54)。换热器C-105可以与交换器C-104是相同的。替代地，换热器C-104和C-105可以合并以节省设备成本。由于系统的循环操作，这是可能的：该换热器或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)在塔的顶部处离开，并且其进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
离开交换器C-105的底部的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)直接接触的换热器C-106，其中，空气由来自热液体储存装置T-404的、以对流流动循环的水(流53)加热。
离开交换器E-107的经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
空气然后在直接接触的换热器C-107中用来自热液体储存装置T-403的水(流52)加热。
离开换热器C-107的底部的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
冷空气在直接接触的换热器C-108中由来自热液体储存装置T-402的热水(流51)加热。
该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。该冷空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，50,800千克/小时的空气在1.02巴的压力和22℃的温度下被释放到大气(流50)中。
在膨胀之前用于各个空气加热循环的水通过交换器C-105、C-106、C-107和C-108，最终温度为65.7℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是5.3兆瓦热(MWth)，即74.5千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是4.45兆瓦电(MWe)。
空气膨胀之后离开的水量是179,030千克/小时(kg/h)，即比冷却所需的量多690千克/小时。
通过将涡轮机EX4的出口压力增加到2.48巴而不是1.02巴，在出口处收集的水量等于冷却所需的水量，但是损害了所产生的功率，其降低到3.6兆瓦电(MWe)。
示例4：根据本发明(图4)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流动(流2)。
该流动2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却空气的湿气经历冷凝(流23)。分离装置(例如，气/液分离器)V-101使空气(流4)与冷凝液体分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的换热器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器E-102的热水(流58)被送到热液体储存装置T-404。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。然后其在非直接接触的换热器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。离开交换器E-103的水(流59)然后被送到热液体储存装置T-403。
冷空气进入气/液分离器V-103，在其中从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(流10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。然后其在非直接接触的换热器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助换热器E-105冷却到比用于交换器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。
离开换热器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
如在示例1和2中的那样，在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
储存在冷凝液体中间储存装置T-301中的冷凝水藉由流81被送至冷凝液体储存装置T-406。因此，冷凝水被回收，其可用作热传递流体。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到直接接触的换热器C-205，该换热器C-105具有来自热液体储存装置T-402的热水(流60)。
热空气(流15)在顶部处离开换热器C-205，并且其进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
在底部处离开换热器C-205的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)直接接触的换热器C-206，其中，空气由来自热液体储存装置T-403的、以对流流动循环的水(流61)加热。经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
空气然后在直接接触的换热器C-206中用来自热液体储存装置T-404的水(流62)加热。
在底部处离开换热器C-206的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在直接接触的换热器C-208中由来自热液体储存装置T-405的热水(流63)加热。
该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
该冷空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，52,240千克/小时的空气在1.02巴的压力和39℃的温度下被释放到大气(流50)中。
用于各个空气加热循环、通过换热器C-205、C-206、C-207和C-208、并且储存在冷液体储存装置T-406中的水最终温度为93.3℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是3.3兆瓦热(MWth)，即31.6千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.6兆瓦电(MWe)。
空气膨胀之后离开该过程的量为53,792千克/小时，即小于冷却所需的水量。尽管向水网中添加了冷凝水，但是还需要向水网添加900kg/h的水。该过程消耗水。
示例5：根据本发明(图5)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流动(流2)。
然后将该流2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。
水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却空气的湿气经历冷凝(流23)。在气/液分离器V-101中将其与空气(流4)分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的换热器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器E-102的热水(流32)被送到热液体储存装置T-403。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。
然后其在非直接接触的换热器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。离开换热器E-103的水(流34)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气进入气/液分离器V-103，在其中从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(流10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
然后其在非直接接触的换热器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助换热器E-105冷却到比用于换热器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。
离开换热器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
储存在冷凝液体中间储存装置T-301中的冷凝水藉由流81被送至冷液体储存装置T-406。因此，冷凝水被回收，其可用作热传递流体。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的换热器E-106，而没有与来自热液体储存装置T-402的热水(流60)的直接接触。换热器E-106可以与交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和E-104可以合并以节省设备成本。由于方法的循环操作，这是可能的：该交换器或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
离开换热器E-106的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)非直接接触的换热器E-107，其中，空气由来自热液体储存装置T-403的水(流61)加热(流17)。经冷却的水(流89)被送到另一非直接接触的换热器E-108。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
然后其在非直接接触的换热器E-208中由来自交换器E-107的水(流89)加热。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在直接接触的交换器C-201由来自在线混合器的热水(流87)加热，该在线混合器对来自交换器E-201的热水(流88)、来自热液体储存装置T-404的热水(流85)和来自热液体储存装置T-405的热水(流86)进行混合。
离开换热器C-208的底部的经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
该膨胀的空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，51,320千克/小时的空气被释放到大气(流50)中。
最后的涡轮机EX-204的出口压力(2.50巴)选择为使得在过程出口处的最终水量等于在压缩期间最初用于冷却空气的水量，即54,688千克/小时。相当于冷凝水(湿气)量的水量结合到排放到周围的空气中。
热学流的这一明智的顺序和通过最后的涡轮机EX-204的材料的质量增加实现了发电增益。
由连续膨胀产生的功率是6.4兆瓦电(MWe)。
用于各个空气加热循环、通过换热器E-106、E-107、E-201和C-208、并且储存在冷液体储存装置T-406中的热水最终温度为85.4℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是2.9兆瓦热(MWth)，即30千瓦电(kWe)的功率消耗。
以下总结表给出了各个示例的主要结果。
Figure BDA0002532901220000221
冷凝水返回到传热流体回路的示例4和5展示了所产生的电力的增加。
此外，根据现有技术的示例1至3展示了存在且未被使用的大量的水。因此，有利的是管理冷凝水的流动，从而重新使用存在的水量。
示例5是特别有利的，因为它示出了零液体流量，即在系统中以最佳的方式管理液体的流量：不需要添加或去除液体。该示例还示出了远高于其它示例中的增益的发电增益。

Claims (17)

1.一种压缩气体能量储存和回收系统，包括：
-至少一个气体压缩装置(K-101、K-102、K-103、K-104)，
-至少一个储存所述压缩气体的装置(T-201)，
-至少一个使所述压缩气体膨胀的装置(EX-201、EX-202、EX-203、EX-204)，
-至少一个第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)，所述第一换热器设置在对所述压缩气体进行压缩的装置(K-101、K-102、K-103、K-104)下游，
-至少一个第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)，所述第二换热器设置在使所述压缩气体膨胀的装置(EX-201、EX-202、EX-203、EX-204)上游，
-至少一个冷液体储存装置(T-406)和至少一个热液体储存装置(T-402、T-403、T-404、T-405)，
-至少一个分离所述气体和所述液体的装置(V-101、V-102、V-103、V-104)，
所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)和所述第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)在所述气体和所述液体之间传热，所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)和所述第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)定位在所述冷液体储存装置(T-406)和所述热液体储存装置(T-402、T-403、T-404、T-405)之间，所述分离装置(V-101、V-102、V-103、V-104)定位在至少所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)之后，其特征在于，所述系统包括至少一个供给装置(81)，其将离开所述分离装置(V-101、V-102、V-103、V-104)的所述液体供给到至少一个所述冷液体储存装置(T-406)中。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体是空气。
3.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述液体是水。
4.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)和所述第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)合并。
5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，使用多个气体压缩装置(K-101、K-102、K-103、K-104)和/或使所述气体膨胀的多个装置(EX-201、EX-202、EX-203、EX-204)，优选地至少三个。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，使用多个第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)，优选地至少在每个所述压缩装置(K-101、K-102、K-103、K-104)之后有所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所使用多个分离装置(V-101、V-102、V-103、V-104)，优选地在每个所述第一换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)之后使用至少一个所述分离装置(V-101、V-102、V-103、V-104)。
8.如权利要求5至7中任一项所述的系统，其特征在于，使用多个第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)，优选地至少在每个所述膨胀装置(EX-201、EX-202、EX-203、EX-204)上游有所述第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)。
9.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二换热器(E-106、E-107、E-201、C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)是所述液体与所述气体之间的直接接触的交换器(C-105、C-106、C-107、C-108、C-208)。
10.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，用于供给离开所述分离装置(V-101、V-102、V-103、V-104)的液体的所述供给装置(81)包括中间储罐(T-301)。
11.一种能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)由与冷的液体进行热交换而冷却压缩气体，并在换热器(E-101、E-102、E-103、E-104)出口处储存热的液体，
c)分离所述经冷却的压缩气体和所述冷凝液体，并且储存所述冷凝液体，
d)储存所述冷却的压缩气体，
e)借助换热器，使用步骤c)中储存的热液体加热所述经冷却的压缩气体，并储存所述冷液体，
f)使所述压缩气体膨胀，
g)将步骤c)中储存的所述冷凝液体注入所述储存的冷液体。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤a)至c)中的至少一个在移到下一个步骤之前执行多次。
13.如权利要求11至12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)和f)中的至少一个在执行步骤g)之前执行多次。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体是空气。
15.如权利要求11和14中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体是水。
16.如权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一次步骤e)中，所述气体通过与所述热液体的直接接触的热交换来加热。
17.如权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中储存的所述液体和所述冷凝液体是分开储存的。
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