СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В РЕГЕНЕРАТОРЕ ТЕПЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОМ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПУТЕМ АДИАБАТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ ВОЗДУХА
CONTROL METHOD OF TEMPERATURE IN HEAT REGENERATOR USED IN ENERGY ACCUMULATION PLANT BY ADIABATIC AIR COMPRESSION

Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение главным образом относится к области массового накопления энергии путем сжатия воздуха. Более конкретно, оно касается контроля температуры теплового регенератора, используемого в установке для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха.
Уровень техники.
Способ накопления энергии посредством сжатия воздуха состоит в накоплении сжатого воздуха для его последующего использования в качестве источника механической энергии. Как правило, установки, используемые для накопления энергии по данному способу, работают последовательными циклами, причем каждый из рабочих циклов включает в себя стадию сжатия, на которой воздух сжимают под высоким давлением и сохраняют в емкости для хранения воздуха, и стадию расширения, на которой в результате расширения сжатого воздуха в воздушные турбины, приводящие в действие генераторы, производят электроэнергию.
Принцип накопления энергии посредством сжатия воздуха позволяет использовать разницу в цене электроэнергии между так называемыми периодами «низкой нагрузки», в течение которых действуют более низкие расценки на электроэнергию, и так называемыми периодами «высокой нагрузки», в течение которых действуют более высокие расценки на электроэнергию. При этом стадии сжатия, связанные с расходом электроэнергии, предпочтительно осуществляют с меньшими расходами в течение периодов низкой нагрузки, а стадии расширения, связанные с производством электроэнергии, - в течение периодов высокой нагрузки, что обеспечивает возможность получения электроэнергии, подаваемой в сети электропередачи, по более выгодным ценам.
2
Известны различные типы установок для накопления электроэнергии посредством сжатия воздуха. Некоторые из таких установок называют «диабатическими», т.к. они не обеспечивают сбора тепла, выделяющегося при сжатии воздуха на стадиях сжатия. В связи с этим они обладают сравнительно низким КПД производства электроэнергии (менее 50%). Кроме того, они вызывают загрязнение окружающей среды, т.к. они производят выбросы углекислого газа (CO), образующегося при сгорании ископаемого топлива, необходимого для нагревания воздуха перед его подачей на воздушные турбины на стадии расширения. Таким образом, такие диабатические установки плохо соответствуют современным энергетическим, экономическим и экологическим требованиям, предъявляемым к высокопроизводительным и экологически чистым энергетическим установкам.
2
Для устранения данных недостатков были предложены установки для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха (также называемые AA-CAES от англ. «Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage», т.е. «усовершенствованная установка для накопления энергии при помощи адиабатически сжатого воздуха»). Особенность установок такого типа состоит в том, что тепло, выделяющееся при сжатии, собирают в реверсивную систему хранения тепла, работающую при высокой температуре. Для этого используют тепловой регенератор, предусмотренный в установке и позволяющий, с одной стороны, собирать и сохранять тепловую энергию, выделяемую при сжатии воздуха перед его сохранением в емкости, а с другой стороны, возвращать такую тепловую энергию в поток расширяющегося воздуха для его нагревания перед его подачей на воздушные турбины. Использование теплового регенератора позволяет таким установкам работать без выброса CO и повышает их КПД производства электроэнергии до 70%.
Особенность регенератора таких установок состоит в том, что один и тот же поток воздуха циркулирует в нем сначала в одном направлении, а затем в обратном направлении: поток сжатого воздуха, который проходит через регенератор на стадиях сжатия, отдавая свою тепловую энергию, является тем же потоком воздуха, который проходит через регенератор для повторного нагревания на стадиях расширения, которые происходят поочередно со стадиями сжатия. В таких условиях температура воздуха на выходе регенератора (на стадии сжатия) зависит от температуры воздуха на входе регенератора на стадии расширения. Однако без эффективной регулировки регенератора, по причине того, что количество тепла, откачанного на стадиях расширения, не компенсирует количество тепла, накопленного на стадиях сжатия, даже с учетом потерь в стенках температура воздуха на выходе регенератора на стадиях сжатия последовательно растет по мере выполнения последовательных циклов работы установки. Такой температурный гистерезис недопустим, поскольку температура воздуха на входе емкости для хранения не должна превышать некоторого критического порогового значения (порядка 50°С). Превышение такого порогового значения приводит к немедленному прекращению работы установки во избежание быстрого разрушения органического покрытия емкости для хранения воздуха (в результате его чрезмерного нагрева), а также возможного искривления стальных элементов ее конструкции (в результате превышения предела механической прочности, вызванного превышением пределов пластической деформации). Кроме того, последовательное и необратимое перегревание регенератора делает невозможным контроль температуры на его выходе.
В связи с этим тепловой регенератор, используемый в установке для массового накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха, должен выполнять двойную тепловую функцию. С одной стороны, он должен обеспечивать возможность сохранения, по существу, всего тепла, выделяемого компрессорами в условиях оптимальной термодинамической обратимости. С другой стороны, он должен обеспечивать контроль температуры выходящего воздуха, удерживая ее в пределах узких диапазонов (в течение стадий сжатия и расширения), с целью обеспечения работоспособности и целостности оборудования (такого как компрессоры, воздушные турбины и емкости для хранения воздуха).
Раскрытие изобретения.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в устранении указанных недостатков и предложении способа регулировки теплового регенератора, обеспечивающего возможность эффективного выполнения обеих вышеуказанных функций в течение большого числа рабочих циклов.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается способ регулировки температуры теплового регенератора, используемого в установке для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха. Тепловой регенератор содержит слой жаропрочного материала для хранения ощутимой теплоты, расположенный, в вертикальном направлении, между верхней распределительной камерой и нижней распределительной камерой. Тепловой регенератор используют при выполнении последовательных рабочих циклов. Каждый из рабочих циклов включает в себя стадию сжатия, на которой поток горячего воздуха входит в регенератор через его верхнюю распределительную камеру, проходит через слой жаропрочного материала и выходит через нижнюю распределительную камеру, отдав свою тепловую энергию, за которой следует стадия расширения, на которой поток холодного воздуха входит в регенератор через его нижнюю распределительную камеру, проходит через слой жаропрочного материала и выходит через верхнюю распределительную камеру, восстановив свою тепловую энергию. Способ отличается тем, что между двумя последовательными рабочими циклами производят охлаждение нижнего отдела слоя жаропрочного материала, расположенного вблизи нижней распределительной камеры, с приведением его температуры в соответствие с заданным диапазоном температур воздуха, выходящего из теплового регенератора на стадиях сжатия.
В соответствии с изобретением в конце стадии расширения и перед началом новой стадии сжатия предусмотрено охлаждение конечной части теплового регенератора (т.е. части жаропрочного материала, расположенной вблизи нижней распределительной камеры) с целью приведения температуры жаропрочного материала в соответствие с заданным диапазоном температур воздуха, выходящего из теплового регенератора на стадиях сжатия. Таким образом, можно исключить любые отклонения температуры регенератора и обеспечить сохранение термодинамического равновесия установки для накопления энергии в течение большого числа рабочих циклов без необходимости охлаждения всей массы слоя жаропрочного материала.
Кроме того, охлаждение конечной части теплового регенератора между двумя последовательными рабочими циклами позволяет ограничить необходимый отвод тепла масштабами расширения температурного фронта в течение одного цикла. Напротив, было установлено, что использование для охлаждения независимых средств (например, теплообменника), предусмотренных на выходе регенератора, требовало бы отвода большего количества тепла и использование более значительного количества жаропрочного материала для сохранения того же количества тепла. Таким образом, методика охлаждения по изобретению позволяет уменьшить количество тепла, необходимое для регулировки теплового регенератора, что обеспечивает более высокую тепловую эффективность регенератора.
Охлаждение нижнего отдела слоя жаропрочного материала может быть обеспечено орошением жидкостью, температура которой соответствует заданному диапазону температур воздуха, выходящего из теплового регенератора на стадиях сжатия. Данный вариант осуществления изобретения обладает тем преимуществом, что используемая вода также служит для очистки этого отдела теплового регенератора. В альтернативном варианте охлаждение нижнего отдела слоя жаропрочного материала может быть обеспечено инжекцией потока воздуха, температура которого соответствует заданному диапазону температур воздуха, выходящего из теплового регенератора на стадиях сжатия.
В соответствии с изобретением также предлагается тепловой регенератор установки для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха, содержащий слой жаропрочного материала для хранения ощутимой теплоты, расположенный в вертикальном направлении между верхней распределительной камерой, предназначенной для приема потока горячего воздуха на стадиях сжатия, и нижней распределительной камерой, предназначенной для приема потока холодного воздуха на стадиях расширения. Тепловой регенератор отличается тем, что содержит средства охлаждения нижнего отдела слоя жаропрочного материала, расположенного вблизи нижней распределительной камеры, для приведения его температуры в соответствие с заданным диапазоном температур воздуха, выходящего из теплового регенератора на стадиях сжатия.
Тепловой регенератор может содержать контур жидкостного охлаждения нижнего отдела слоя жаропрочного материала. В таком случае контур жидкостного охлаждения может содержать платформу жидкостных инжекторов, расположенную в вертикальном направлении над нижним отделом слоя жаропрочного материала, резервуар, предусмотренный вблизи нижней распределительной камеры регенератора для сбора инжектированной жидкости, насос и теплообменник для охлаждения жидкости, поступающей из резервуара.
В альтернативном варианте тепловой регенератор может содержать контур газового охлаждения нижнего отдела слоя жаропрочного материала. В таком случае контур газового охлаждения может содержать воздуховод, концы которого выходят в регенератор по разные стороны от нижнего отдела слоя жаропрочного материала, вентилятор и теплообменник для охлаждения потока воздуха, выводимого из-под нижнего отдела слоя жаропрочного материала.
Кроме того, нижний отдел слоя жаропрочного материала может проходить в вертикальном направлении от нижней распределительной камеры до уровня, соответствующего приблизительно 10% суммарной высоты слоя жаропрочного материала.
В соответствии с изобретением также предлагается установка для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха, содержащая, по меньшей мере, один воздушный компрессор, полость для хранения сжатого воздуха, соединенную с компрессором, и, по меньшей мере, одну воздушную турбину, соединенную с этой полостью. Установка отличается тем, что содержит, по меньшей мере, один вышеуказанный тепловой регенератор, соединенный с указанными полостью, компрессором и воздушной турбиной.
Краткое описание чертежей.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, приведенного со ссылками на чертежи, которые иллюстрируют один из примеров осуществления изобретения, не накладывающий каких-либо ограничений. На чертежах:
- на фиг.1 схематически представлена установка для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха, оборудованная тепловыми регенераторами;
- на фиг.2 представлен тепловой регенератор по одному из вариантов осуществления изобретения;
- на фиг.3 представлен тепловой регенератор по другому варианту осуществления изобретения; и
- на фиг.4А-4С представлены температурные профили теплового регенератора по изобретению на различных стадиях.
Осуществление изобретения.
На фиг.1 крайне схематично представлена установка 10 для массового (порядка нескольких гигаватт (ГВт) тепловой энергии) накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха по изобретению.
Данная установка 10 содержит одну или несколько ступеней сжатия (на фиг.1 представлены две такие ступени, соответствующие ступени среднего сжатия и ступени сильного сжатия) и одну или несколько ступеней расширения (на фиг.1 также представлены две такие ступени).
Каждая из ступеней сжатия состоит из компрессора аксиального или радиального типа (компрессор К1 среднего сжатия и компрессор К2 высокого давления), приводимого в действие электродвигателем (соответственно, М1 и М2), причем последний получает электропитание из сети RTE электропередачи. Каждая из ступеней расширения содержит воздушную турбину Т1, Т2, соединенную с генератором А1, А2, предназначенным для подачи электроэнергии в сеть RTE электропередачи.
Установка 10 также содержит облицованную скальную полость SM, в которой хранят под высоким давлением воздух, сжатый компрессорами К1, К2. В соответствии с известными технологиями облицованная скальная полость (или LRC от англ. «Lined Rock Cavern») представляет собой полость, образованную в компактной скальной породе 12, стенки которой снабжены покрытием 14, обеспечивающим герметичность при высоком давлении. Полость такого типа в отличие от полостей в соляных пластах, изолированных водоносных слоях и других естественных или искусственных полостей, оптимально приспособлена для хранения воздуха под высоким давлением с обеспечением полной герметичности.
Каждая из ступеней сжатия/расширения установки 10 по изобретению дополнительно содержит тепловой регенератор (а именно, регенератор ST1 среднего давления и регенератор ST2 высокого давления). Точнее, тепловой регенератор ST1 среднего давления установлен между выходом компрессора К1 среднего давления и входом компрессора К2 высокого давления. Он также соединен с выходом воздушной турбины Т1 и со входом воздушной турбины Т2. Тепловой регенератор ST2 высокого давления установлен между выходом компрессора К2 высокого давления и каналом 16 подачи скальной полости SM. Он также соединен со входом воздушной турбины Т1. Тепловые регенераторы ST1, ST2 установлены в полостях, выдолбленных в скальной породе 12. Их устройство описано ниже.
Принцип работы установки 10 для накопления энергии посредством адиабатического сжатия воздуха очевидным образом следует из вышесказанного. Установка последовательно выполняет рабочие циклы, причем каждый из рабочих циклов содержит стадию сжатия (предпочтительно осуществляемую в периоды низкой нагрузки с низкими ценами на электроэнергию), за которой следует стадия расширения (предпочтительно осуществляемая в периоды высокой нагрузки с высокими ценами на электроэнергию).
На стадии сжатия поток воздуха проходит по следующему контуру (обозначенному на фиг.1 жирными линями): воздух сжимают при помощи компрессора К1 среднего давления до первого уровня давления (например, порядка 34 бар абсолютного давления при температуре около 570°С). Затем такой сжатый воздух пропускают через регенератор ST1 среднего давления, в котором тепло сжатия сохраняют в виде ощутимой теплоты. После охлаждения сжатый воздух подают на вход компрессора К2 высокого давления для дополнительного сжатия. На выходе из компрессора воздух, сжатый под высоким давлением (например, порядка 150 бар абсолютного давления при температуре около 350°С), пропускают через регенератор ST2 высокого давления для отбора его тепловой энергии, которую сохраняют в виде ощутимой теплоты. Затем воздух, сжатый под высоким давлением, подают для хранения при низкой температуре (от 5 до 60°С) по каналу 16 в полость SM.
На стадии расширения, которая следует за стадией сжатия, поток воздуха проходит по следующему контуру (обозначенному на фиг.1 тонкими линями): воздух, сжатый под высоким давлением, находящийся в полости SM, повторно подают в регенератор ST2 высокого давления по контуру, обратному контуру стадии сжатия. Таким образом, сжатый воздух пропускают через регенератор ST2 высокого давления для возвращения ему тепловой энергии, сохраненной в регенераторе. После выхода из регенератора ST2 высокого давления нагретый таким образом сжатый воздух подают на воздушную турбину Т1 для производства электроэнергии, которая поступает в сеть RTE электропередачи от генератора А1. После выхода из воздушной турбины Т1 сжатый воздух подают на регенератор ST1 среднего давления, через который воздух пропускают, возвращая ему его тепловую энергию. Нагретый таким образом воздух подают затем на воздушную турбину Т2, которая производит электроэнергию, также поступающую в сеть RTE электропередачи (от генератора А2).
Ниже следует описание конструкции тепловых регенераторов ST1, ST2 установки для накопления энергии, приведенное со ссылками на фиг.2 и 3.
Каждый из регенераторов ST1, ST2 содержит барабан 20 по существу цилиндрической формы, расположенный вертикально в полости, выдолбленной в скальной породе 12. На верхнем конце барабана расположена верхняя распределительная камера 22, в которую на стадиях сжатия поступает горячий сжатый воздух, а на его нижнем конце - нижняя распределительная камера 24, в которую на стадиях расширения поступает холодный расширенный воздух. Кроме того, барабан заполнен слоем 26 жаропрочного материала для накопления ощутимой теплоты, расположенным между распределительными камерами 22, 24, причем такой слой может быть разделен на несколько отделов. Слой 26 может быть образован, например, штабелем керамических блоков, между которыми предусмотрены пропускные каналы. Разумеется, для образования слоя жаропрочного материала могут быть использованы и другие вещества (асбестовое волокно, жаропрочный бетон и т.д.).
В течение цикла работы установки такие регенераторы ST1, ST2 испытывают нагрузки особого рода. В частности, очевидно, что рабочий цикл, описанный выше, предполагает, что регенераторы работают в режиме замкнутого контура (масса воздуха остается постоянной между стадиями сжатия и стадиями расширении), что затрудняет поддержание термодинамического равновесия.
То обстоятельство, что такое термодинамическое равновесие не может быть абсолютным, вызывает отклонения температуры регенераторов в ходе циклов работы установки, вследствие чего возникает нарастающее увеличение температуры воздуха на выходе из регенераторов на стадиях сжатия.
Для устранения таких отклонений температуры в соответствии с изобретением предусмотрено производимое между двумя последовательными циклами работы охлаждение нижнего отдела (или нижней части) 26а слоя жаропрочного материала каждого из регенераторов ST1, ST2, которое позволяет обеспечить поддержание термодинамического равновесия и предотвратить выход за пределы требуемого диапазона температур воздуха на выходе регенератора на стадиях сжатия (нижний отдел 26а представляет собой часть слоя, расположенную в непосредственной близости от нижней распределительной камеры 24 регенератора).
Для этого в варианте осуществления изобретения по фиг.2 каждый из регенераторов ST1, ST2 содержит контур жидкостного (например, водяного) охлаждения нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала.
Данный контур водяного охлаждения содержит, в частности, платформу 30 водяных инжекторов, расположенную в вертикальном направлении над нижним отделом 26а слоя жаропрочного материала (причем нижний отдел 26а отделен в вертикальном направлении от остального, так называемого активного, жаропрочного материала, который обеспечивает сохранение тепловой энергии компрессоров). Резервуар 32, расположенный на выходе нижней распределительной камеры 24 регенератора ST1, ST2, обеспечивает возможность сбора воды после охлаждения ею нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала. Кроме того, контур водяного охлаждения содержит насос 34, который приводят в действие на стадиях охлаждения, и теплообменник 36, обеспечивающий охлаждение воды, поступающей из резервуара 32. Теплообменник 36 соединен с внешним контуром, в котором могут быть использованы воздушные радиаторы или источник холодной воды (например, водоем или резервуар).
Теплообменник 36 отрегулирован так, чтобы обеспечивать охлаждение нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала до требуемой температуры. Эта температура должна соответствовать заданному диапазону температур воздуха на выходе теплового регенератора на стадиях сжатия. Например, она может быть несколько ниже средней температуры выходящего воздуха на стадиях сжатия.
Фиг.3 иллюстрирует другой вариант осуществления охлаждения нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала регенераторов ST1, ST2. В данном варианте осуществления каждый из регенераторов содержит контур газового (например, воздушного) охлаждения нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала.
Такой контур воздушного охлаждения содержит, в частности, воздухопровод 40, концы которого выходят в регенератор ST1, ST2 по разные стороны от нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала, циркуляционный вентилятор 42, который приводят в действие на стадиях охлаждения, и теплообменник 44, предназначенный для охлаждения потока воздуха, поступающего с выхода нижней распределительной камеры 24.
Теплообменник 44 отрегулирован так, чтобы обеспечивать охлаждение нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала до требуемой температуры. Эта температура должна соответствовать заданному диапазону температур воздуха на выходе теплового регенератора на стадиях сжатия.
Следует отметить, что длительность стадии охлаждения (методом орошения жидкостью или газового охлаждения) зависит от количества рассеиваемого тепла, от расхода воды или воздуха, а также от температуры такой воды или воздуха на входе.
При любом выборе метода охлаждения размеры охлаждаемого нижнего отдела 26а слоя жаропрочного материала зависят от нескольких параметров. Например, в вертикальном направлении такой нижний отдел может проходить от нижней распределительной камеры 24 регенератора ST1, ST2 до высоты, соответствующей приблизительно 10% суммарной высоты слоя 26 жаропрочного материала.
Ниже следует описание влияния таких стадий охлаждения на температурный профиль теплового регенератора, приведенное со ссылками на фиг.4А-4С.
C
F
На фиг.4А-4С представлены графики температуры Т потока воздуха, проходящего через тепловой регенератор по изобретению (между верхней распределительной камерой Е и нижней распределительной камерой E регенератора). Данные графики получены в результате моделирования нескольких циклов работы установки для накопления энергии с использованием динамической одномерной модели регенератора.
1
С
F
F
MR
На стадии сжатия (фиг.4А) температурный фронт T потока воздуха, проходящего через регенератор (между верхней распределительной камерой Е и нижней распределительной камерой E), перемещается в направлении нижней распределительной камеры E (относительно профиля T, который соответствует температуре жаропрочного материала, находящегося внутри регенератора). Следует отметить, что такое перемещение температурного фронта происходит неравномерно, но сопровождается искажением, порожденным задержками теплопередачи и продольным рассеянием тепла.
2
F
C
F
На следующей стадии расширения (фиг.4В) температурный фронт T потока воздуха, проходящего через регенератор (между верхней распределительной камерой E и нижней распределительной камерой E), возвращается в исходное положение. Тем не менее, в связи с указанными искажениями происходит расширение фронта, в результате чего температура в области нижней распределительной камеры E регенератора не достигает своего исходного значения.
F
Наконец, стадия охлаждения, следующая за стадией расширения (фиг.4С), позволяет довести температуру нижнего отдела жаропрочного материала регенератора до требуемого уровня (температурный профиль, соответствующий данному участку представлен на фиг.4С между точками Р и E).
Таким образом, охлаждение нижнего отдела жаропрочного материала между двумя последовательными циклами работы установки для накопления энергии ограничивает необходимый отвод тепла масштабами расширения температурного фронта в течение одного цикла (речь идет о количестве тепла, отвод которого необходимо обеспечить для получения термодинамически обратимой работы регенератора). Кроме того, из фиг.4А-4С видно, что охлаждение при помощи независимых средств (например, теплообменника), предусмотренных на выходе регенератора, требовало бы отвода большего количества тепла. Таким образом, методика охлаждения по изобретению обеспечивает более высокую суммарную термодинамическую эффективность, поскольку требует отвода меньшего количества тепла.