[发明专利]在用于通过空气绝热压缩蓄能的装置中使用的回热器的温度控制

说明书

技术领域

本发明涉及通过压缩空气来大量蓄能的一般领域。本发明更具体地涉及在用于通过空气绝热压缩来蓄能的装置中使用的回热器/交流换热器/热再生器的温度控制。

背景技术

通过压缩空气来蓄能包括蓄存压缩空气以便后续用作机械能量源。典型地，用于这种蓄能的装置经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级和膨胀级，在压缩级空气被压缩至高压并蓄存在蓄存腔室中，在膨胀级通过压缩空气膨胀经过驱动交流发电机的空气涡轮机来发电。

通过压缩空气来蓄能的原理利用所谓的“非高峰”时段——在此期间电费费率较便宜——与所谓的“高峰”时段——在此期间费率较昂贵——之间的电价差。在非高峰时段以较低成本有利地执行耗能压缩级，而在高峰时段执行发电膨胀级以便当费率更有利时供应电力至输电网络。

存在各类用于通过压缩空气来蓄能的装置。一些此类装置称为“非绝热的”，因为它们不回收在压缩级期间由于压缩空气而产生的热量。结果，它们提供了相对低的电效率(低于50％)。它们还有污染，因为它们排放燃烧化石燃料产生的CO₂排放物，而燃烧化石燃料对于在膨胀级中被吸入空气涡轮机之前预热空气来说是必须的。此类非绝热装置因此无法满足欧洲共同体对要求实现提供高效率并且环境友好的能量装置的能量、经济和环境性能的新要求。

为了减轻这些缺点，已提出通过空气的绝热压缩来蓄能(称为先进的绝热压缩空气蓄能(AA-CAES))的装置。这种装置提供了回收在高温操作的可逆蓄热中的压缩产生的热量。为此，该装置的回热器形成部首先用于回收和蓄存通过压缩产生的热能——在空气被蓄存在腔室中之前——其次将该热能恢复到膨胀空气流以便在它被供给至空气涡轮机之前加热它。因此，借助于回热器使得此类装置能够在无CO₂排放物的情况下操作并且使它们的电效率能够上升到70％以上。

在此类装置中，回热器的特别之处在于交替经历沿一个方向然后沿另一方向流动的同一股空气流：在压缩级通过回热器并产生热能的压缩空气流，与在膨胀级通过回热器以便被加热的空气流相同，其中膨胀级与压缩级交替发生。在这种条件下，(压缩级中的)回热器的出口处的空气温度受处于空气在膨胀级中的空气的进入温度影响。遗憾的是，如果回热器未经有效地调节，则在压缩过程中在回热器出口处的空气温度将在装置的一系列操作循环后逐渐升高，因为在膨胀级期间从回热器提取的能量尽管通过壁损失也不会补偿在压缩级期间蓄存的热量。这种温度滞后是无法接受的，因为不能允许在通向蓄存容器(storage capacity)的入口处高于临界阈值(约50℃)的空气温度。超过该阈值则要求立即停止装置的操作，否则会导致蓄存容器中的有机层快速老化(由于过度加热它)，或者甚至导致其设计中采用的钢材变形(由于超过塑性变形极限而丧失机械强度)。此外，回热器的持续和不可逆的过热使得不可能对其出口温度执行任何类型的控制。

因此，在用于通过空气的绝热压缩来大量蓄能的装置中使用的回热器必须执行两项热功能。首先，它必须能够在良好的热力学可逆条件下蓄存基本上所有通过压缩机产生的热量。其次，它必须能够将空气的出口温度控制成在较窄的范围内(在压缩级和膨胀级)，以便确保设备(例如压缩机、空气涡轮机和蓄存腔室)继续运行并保持完好。

发明内容

因此，本发明的主要目的是通过提供一种调节回热器的方法来减轻此类缺点，该方法使得能够在数量大的操作循环上有效地执行上述两种热功能。

此目的通过一种调节在用于通过空气的绝热压缩来蓄能的装置中使用的回热器的温度的方法实现，该回热器包括用于蓄存可感热的耐火材料层，该层竖直布置在顶部分配箱与底部分配箱之间，该回热器经历连续的操作循环，每个操作循环包括压缩级，在此期间热空气流经由其顶部分配箱渗透到回热器中并且直接通过耐火材料层以便在产生其热能之后经由底部分配箱离开，接着是膨胀级，在此期间冷空气流经由其底部分配箱渗透到回热器中并且直接通过耐火材料层以便在回收其热能之后经由顶部分配箱离开，该方法的特征在于，该方法包括在两个连续的操作循环之间对位于底部分配箱附近的耐火材料层的底部隔室的冷却，以便使其达到与在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围相兼容的温度。

本发明可供用于在冷却级结束时并在后续的压缩级之前冷却回热器的端部(即，用于冷却耐火材料位于底部分配箱附近的部分)，以便使耐火材料的温度变成与对在压缩级期间离开回热器的空气要求的温度范围兼容的温度。结果，能够避免回热器的任何温度偏离，并且因此能在大量的操作循环上保证蓄能装置的热力平衡，而不需要冷却耐火材料层的整体。