[发明专利]一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统

说明书

技术领域

本发明涉及气体膨胀发电技术领域，特别是一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统。

背景技术

随着我国电网容量的不断增长，峰谷差不断增大，可再生能源和分布式供能的蓬勃发展，对大规模发展储能发电产业的需求也越来越大。对于目前国家实施的“智能电网”的建设，大规模储能发电系统更是其不可或缺的部分。为解决电能大规模存储问题，耗费了巨大的人力和财力，开发了各种各样的储能方式，蓄电池组、机械飞轮、超级电容器堆、超导磁储电等等，终因效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大等，难以运作。目前已经广泛采用的大规模储能发电系统是抽水蓄能方式和压缩空气储能。

压缩空气储能系统是一种新型储能技术，由于其高效率、低成本、高寿命，不会带来污染和生态问题，逐渐成为各国目前研究的重点。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来，驱动膨胀机工作，带动发电机发电，完成了电能—空气势能—电能的转化。

膨胀机作为压缩空气储能发电系统的核心做功部件，对压缩空气储能发电系统的效率具有很大的影响。在大型的压缩空气储能发电系统中，由于空气流量大，膨胀机可以采用常规的轴流透平系统，具有很高的效率，但是当空气的流量较小时，设计和制造小型高效的轴流透平存在很大难度。

此外，压缩空气储能发电系统运行过程中，由于储气室的空气压力逐渐下降，为了维持膨胀机进口的压力恒定，通常采用节流阀将空气节流稳定至一个较低的压力，然后进入膨胀机膨胀做功。由于节流阀的使用，导致高压空气的做功能力下降，从而使系统的效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统。该系统将活塞膨胀机和向心透平膨胀机有机地耦合在一起，能够合理地利用高压气体的能量，从而提高膨胀发电系统的效率。

为实现上述目的，本发明提供一种应用于高压气体发电的联合膨胀动力系统，包括活塞膨胀机组、透平膨胀机组及再热器；所述活塞膨胀机组的进气口与高压气体进气管路连接，高压气体通过高压气体进气管路进入活塞膨胀机组；所述活塞膨胀机组的排气口与所述透平膨胀机组的进气口连接，将排气供给透平膨胀机组；所述再热器设于活塞膨胀机组和透平膨胀机组的进气管路上，用于加热系统中做功的气体；所述阀门设于所述活塞膨胀机组的进气管路上，用于控制气体的流动方向，从而控制高压气体在活塞膨胀机组中的流程；所述透平膨胀机组位于活塞膨胀机组的下游，利用活塞膨胀机组的排气作为动力源进行做功。

优选地，所述活塞膨胀机组采用多缸结构形式，其每级气缸通过曲柄连杆与主轴连接。

优选地，所述活塞膨胀机组包括至少一台活塞膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

优选地，所述活塞膨胀机组设置有离合器，所述离合器安装在活塞膨胀机组的主轴上，以实现每级活塞曲柄连杆与主轴的连接与脱离，从而实现活塞膨胀机组的级数控制。

优选地，所述透平膨胀机组采用多级串联结构，通过一根主轴输出功率。

优选地，所述透平膨胀机组包括至少一台向心透平膨胀机，其采用多级串联或者并联的结构形式。

优选地，所述向心透平膨胀机的进气压力为0.2～5MPa。

优选地，所述活塞膨胀机组设有膨胀控制系统，实现膨胀工况的控制。

优选地，所述再热器的热源包括太阳能热源、生物质能热源、外界余热废热热源或压缩机的压缩热热源。

本发明为了合理地利用高压气体的能量，将活塞膨胀机组和向心透平膨胀机组有机地耦合在一起。当高压气体需要进行膨胀做功时，首先进入活塞式膨胀机组进行高压段的膨胀，高压气体在其中膨胀做功，将气体的压力降低至一定的低压，同时输出相应的膨胀功。为了进一步地提高系统的效率，配置相应的气体管道阀门，根据高压气体的压力来控制活塞膨胀机的级数。高压气体经过活塞膨胀机组膨胀做功后压力温度降低，然后继续进入向心透平膨胀机组，气体在其中进一步地膨胀做功。同时，为了提高系统的做功能力和效率，采用再热循环流程，通过再热器对气体工质进行级间加热。