阅读说明：本技术 海上风电间冷再热式换热器及运行方法 (Cold reheating type heat exchanger of offshore wind power station and operation method ) 是由 韩万龙 姚明宇 于在松 顾建威 谢羽 蒋世希 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海上风电间冷再热式换热器及工作方法,该换热器包括换热器外壳、一次间冷/二次间冷/一次再热/二次再热子换热器、换热器入口/出口管路、各子换热器液态工质进出口管路及进口阀门、各子换热器空气进出口管路,可按电网需求将系统中高低压空压机产生的热能通过热交换存储在系统中,或将系统中存储的热能通过热交换转化为气体内能推动高低压空气透平做功而转化为电能,其中四套独立并联的子换热器可实现高低压空气压缩机的间冷过程和高低压空气透平的再热过程,子储热器管路流程短,间冷过程和再热过程液态工质流动压力损失少,两过程不同时进行且管路间无热量交换,可使海上风电间冷再热式换热器内的换热更加高效、节能。(The invention discloses an offshore wind power intercooling reheating heat exchanger and a working method thereof, the heat exchanger comprises a heat exchanger shell, a primary intercooling/secondary intercooling/primary reheating/secondary reheating sub heat exchanger, a heat exchanger inlet/outlet pipeline, liquid working medium inlet/outlet pipelines and inlet valves of the sub heat exchangers, and air inlet/outlet pipelines of the sub heat exchangers, the heat energy generated by a high-low pressure air compressor in a system can be stored in the system through heat exchange according to the requirement of a power grid, or the heat energy stored in the system is converted into gas internal energy through heat exchange to drive a high-low pressure air turbine to do work and converted into electric energy, wherein four sets of independent parallel sub heat exchangers can realize the intercooling process of the high-low pressure air compressor and the reheating process of the high-low pressure air turbine, the pipeline flow of the sub heat accumulator is short, the liquid working medium flow pressure loss in the intercooling, the two processes are not carried out simultaneously, and no heat exchange exists between pipelines, so that the heat exchange in the cold reheating type heat exchanger of the offshore wind power plant room is more efficient and energy-saving.)

海上风电间冷再热式换热器及运行方法

技术领域

本发明涉及海上风力发电和空气储热储能技术的交叉领域，具体涉及应用于间冷式空气储热储能海上风力发电系统的一种海上风电间冷再热式换热器及运行方法。

背景技术

海上风能具有总储量大、可利用小时数长、距离能源消费地近的优点，与陆上风能利用相似，海上风电也存在海上风电场输出功率与电网需求不匹配的难题，而且海上风电对电网的冲击浮动更大。解决这一难题，有学者提出将海上风电与压缩空气、储热技术、水下储压缩空气能技术相结合，构建能源转化效率较高、占用陆上空间少的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，可以较为有效平抑海上风电机组的功率输出，使海上风电与电网需求更好匹配。但上述系统方案，未提及其系统中具有再热和间冷功能的换热器的具体结构及细致技术特征，如果能够有针对性地开发一种应用于上述系统的换热技术及运行方法，则可推动海上风电机组及储热储能系统更好地实现自身功率调节，对区域电网更加友好，将使海上风能更好的被人类利用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种海上风电间冷再热式换热器及运行方法，可完成高低压空气压缩机的间冷过程和高低压空气透平的再热过程。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

海上风电间冷再热式换热器，包括换热器外壳1、一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5、二次再热子换热器6、换热器入口管路7、一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11、一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18、一次间冷空气入口管路19、二次间冷空气入口管路20、一次再热空气入口管路21、二次再热空气入口管路22、一次间冷空气出口管路23、二次间冷空气出口管路24、一次再热空气出口管路25、二次再热空气出口管路26和换热器出口管路27，一次间冷子换热器3分别与一次间冷入口管路8的流出端、一次间冷出口管路15的流入端、一次间冷空气入口管路19的流出端、一次间冷空气出口管路23的流入端相连，二次间冷子换热器4分别与二次间冷入口管路9的流出端、二次间冷出口管路16的流入端、二次间冷空气入口管路20的流出端、二次间冷空气出口管路24的流入端相连，一次再热子换热器5分别与一次再热入口管路10的流出端、一次再热出口管路17的流入端、一次再热空气入口管路21的流出端、一次再热空气出口管路25的流入端相连，二次再热子换热器6分别二次再热入口管路11的流出端、二次再热出口管路18的流入端、二次再热空气入口管路22的流出端、二次再热空气出口管路26的流入端相连，一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14分别位于一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11上，换热器入口管路7的流入端与储热器出口管路28的流出端相连，换热器入口管路7的流出端与一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11的流入端相连，换热器出口管路27的流出端与储热器入口管路29的流入端相连，换热器出口管路27的流入端与一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18的流出端相连，储热器出口管路28的流入端和储热器入口管路29的流出端均与储热器46相连，低压空压机30通过低压空压机出口管路35与一次间冷空气入口管路19的流入端相连，高压空压机31通过高压空压机入口管路36与一次间冷空气出口管路23的流出端相连，高压空压机31通过高压空压机出口管路37与二次间冷空气入口管路20的流入端相连，水下气囊34通过储气流入管路42与二次间冷空气出口管路24的流出端相连，水下气囊34通过储气流出管路41与一次再热空气入口管路21的流入端相连，高压空气透平32通过高压透平流入管路38与一次再热空气出口管路25的流出端相连，高压空气透平32通过高压透平流出管路39与二次再热空气入口管路22的流入端相连，低压空气透平33通过低压透平流入管路40与二次再热空气出口管路26的流出端相连。

所述换热器外壳1与储热器46、高压空气透平32、低压空气透平33、高压空压机31和低压空压机30均固定于储热储能站平台2上，水下气囊34位于低于储热储能站平台2以下500至1000米深的位置，储热储能站平台2通过海底电缆与海上风电机组的升压站连接。

所述一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5和二次再热子换热器6均为管壳式换热器或微通道换热器。

所述换热器外壳1、一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5、二次再热子换热器6、换热器入口管路7、一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11、一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18、一次间冷空气入口管路19、二次间冷空气入口管路20、一次再热空气入口管路21、二次再热空气入口管路22、一次间冷空气出口管路23、二次间冷空气出口管路24、一次再热空气出口管路25、二次再热空气出口管路26和换热器出口管路27的外部均设置有保温层。

所述海上风电间冷再热式换热器的运行方法主要有三个阶段，分别为保持阶段、间冷阶段和再热阶段，所述保持阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率在电网的可调节范围内时，海上风电机组通过升压站直接对电网供电，所述的海上风电间冷再热式换热器不参与间冷式空气储热储能海上风力发电系统工作，即此时所述海上风电间冷再热式换热器内的一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13和二次再热入口阀14处于关闭状态，储气流入管路42上的储气流入阀44和储气流出管路41上的储气流出阀43处于关闭状态；所述间冷阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率大于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、储气流入阀44，关闭一次再热入口阀13、二次再热入口阀14和储气流出阀43，储热储能站平台2为低压空压机30和高压空压机31供电，低压空压机30和高压空压机31将电能转化为压缩空气势能和气体内能，空气经低压空压机30第一次压缩后，进入一次间冷子换热器3中与储热器46中冷罐流出的液态工质进行热交换，升温后的液态工质储存在储热器46的热罐中，降温后的空气经过高压空压机31再次压缩，进入二次间冷子换热器4中与储热器46中冷罐流出的液态工质进行热交换，升温后的液态工质储存在储热器46的热罐中，降温后的高压空气储存在水下气囊34中；所述再热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率小于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、储气流出阀43，关闭一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12和储气流入阀44，储存在水下气囊34中的高压空气经过一次再热子换热器5时，与储热器46中热罐流出的高温液态工质发生热交换提升高压气体的内能，降温后的液态工质储存在储热器46的冷罐中，随后升高温度的高压气体推动高压空气透平32做功，将一部分气体的压力势能和内能转化为电能，随后这部分气体再次进入二次再热子换热器6与储热器46中热罐流出的高温液态工质发生热交换再次提升气体内能，降温后的液态工质储存在储热器46的冷罐中，再次升高温度的这部分气体从二次再热子换热器6流出推动低压空气透平33做功后被排入大气中，将剩余的可利用的一部分气体的压力势能和内能转化为电能，高压空气透平32和低压空气透平33产生的电能均通过与储热储能站平台2相连的海底电缆输送至海上升压站或电网。

本发明的有益效果在于：

目前，尚未见到可用于间冷式空气储热储能海上风力发电系统的具有间冷和再热功能的换热器成熟技术方案。本发明提出了一种海上风电间冷再热式换热器的完整技术特征及运行方案，可以实现将系统中高低压空压机产生的热能通过热交换后存储在系统中，以及将系统中存储的热能通过热交换转化为气体内能推动高低压空气透平做功而释放，本发明中包含的四套独立并联的子换热器，可完成高低压空气压缩机的间冷过程和高低压空气透平的再热过程，子储热器管路流程短，间冷过程和再热过程液态工质流动压力损失少，具有间冷过程和再热过程不同时进行，两过程之间管路无热量交换，海上风电间冷再热式换热器内的换热更加高效、节能。本发明可推动海上风电机组及储热储能系统更高效率地实现自身功率调节，有助于使海上风能更好的被人类利用。

附图说明

图1是本发明海上风电间冷再热式换热器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，海上风电间冷再热式换热器，包括换热器外壳1、一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5、二次再热子换热器6、换热器入口管路7、一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11、一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18、一次间冷空气入口管路19、二次间冷空气入口管路20、一次再热空气入口管路21、二次再热空气入口管路22、一次间冷空气出口管路23、二次间冷空气出口管路24、一次再热空气出口管路25、二次再热空气出口管路26和换热器出口管路27，一次间冷子换热器3分别与一次间冷入口管路8的流出端、一次间冷出口管路15的流入端、一次间冷空气入口管路19的流出端、一次间冷空气出口管路23的流入端相连，二次间冷子换热器4分别与二次间冷入口管路9的流出端、二次间冷出口管路16的流入端、二次间冷空气入口管路20的流出端、二次间冷空气出口管路24的流入端相连，一次再热子换热器5分别与一次再热入口管路10的流出端、一次再热出口管路17的流入端、一次再热空气入口管路21的流出端、一次再热空气出口管路25的流入端相连，二次再热子换热器6分别二次再热入口管路11的流出端、二次再热出口管路18的流入端、二次再热空气入口管路22的流出端、二次再热空气出口管路26的流入端相连，一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14分别位于一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11上，换热器入口管路7的流入端与储热器出口管路28的流出端相连，换热器入口管路7的流出端与一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11的流入端相连，换热器出口管路27的流出端与储热器入口管路29的流入端相连，换热器出口管路27的流入端与一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18的流出端相连，储热器出口管路28的流入端和储热器入口管路29的流出端均与储热器46相连，低压空压机30通过低压空压机出口管路35与一次间冷空气入口管路19的流入端相连，高压空压机31通过高压空压机入口管路36与一次间冷空气出口管路23的流出端相连，高压空压机31通过高压空压机出口管路37与二次间冷空气入口管路20的流入端相连，水下气囊34通过储气流入管路42与二次间冷空气出口管路24的流出端相连，水下气囊34通过储气流出管路41与一次再热空气入口管路21的流入端相连，高压空气透平32通过高压透平流入管路38与一次再热空气出口管路25的流出端相连，高压空气透平32通过高压透平流出管路39与二次再热空气入口管路22的流入端相连，低压空气透平33通过低压透平流入管路40与二次再热空气出口管路26的流出端相连。

作为本发明的优选实施方式，所述换热器外壳1与储热器46、高压空气透平32、低压空气透平33、高压空压机31和低压空压机30均固定于储热储能站平台2上，水下气囊34位于低于储热储能站平台2以下500至1000米深的位置，储热储能站平台2通过海底电缆与海上风电机组的升压站连接。

作为本发明的优选实施方式，所述一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5和二次再热子换热器6均为管壳式换热器或微通道换热器，具有传热系数高、结构强度高、安装方便、使用寿命长的优点。

作为本发明的优选实施方式，所述换热器外壳1、一次间冷子换热器3、二次间冷子换热器4、一次再热子换热器5、二次再热子换热器6、换热器入口管路7、一次间冷入口管路8、二次间冷入口管路9、一次再热入口管路10、二次再热入口管路11、一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、一次间冷出口管路15、二次间冷出口管路16、一次再热出口管路17、二次再热出口管路18、一次间冷空气入口管路19、二次间冷空气入口管路20、一次再热空气入口管路21、二次再热空气入口管路22、一次间冷空气出口管路23、二次间冷空气出口管路24、一次再热空气出口管路25、二次再热空气出口管路26和换热器出口管路27的外部均设置有保温层，可以最大限度降低换热器内部部件间的热量传递以及换热器与外界的热量传递。

如图1所示，本发明所述海上风电间冷再热式换热器的运行方法主要有三个阶段，分别为保持阶段、间冷阶段和再热阶段，所述保持阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率在电网的可调节范围内时，海上风电机组通过升压站直接对电网供电，所述的海上风电间冷再热式换热器不参与间冷式空气储热储能海上风力发电系统工作，即此时所述海上风电间冷再热式换热器内的一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、一次再热入口阀13和二次再热入口阀14处于关闭状态，储气流入管路42上的储气流入阀44和储气流出管路41上的储气流出阀43处于关闭状态；所述间冷阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率大于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12、储气流入阀44，关闭一次再热入口阀13、二次再热入口阀14和储气流出阀43，储热储能站平台2为低压空压机30和高压空压机31供电，低压空压机30和高压空压机31将电能转化为压缩空气势能和气体内能，空气经低压空压机30第一次压缩后，进入一次间冷子换热器3中与储热器46中冷罐流出的液态工质进行热交换，升温后的液态工质储存在储热器46的热罐中，降温后的空气经过高压空压机31再次压缩，进入二次间冷子换热器4中与储热器46中冷罐流出的液态工质进行热交换，升温后的液态工质储存在储热器46的热罐中，降温后的高压空气储存在水下气囊34中；所述再热阶段是指当间冷式空气储热储能海上风力发电系统中海上风电机组的输出功率小于电网的可调节范围内时，储热储能站平台2上的控制系统发出指令打开一次再热入口阀13、二次再热入口阀14、储气流出阀43，关闭一次间冷入口阀45、二次间冷入口阀12和储气流入阀44，储存在水下气囊34中的高压空气经过一次再热子换热器5时，与储热器46中热罐流出的高温液态工质发生热交换提升高压气体的内能，降温后的液态工质储存在储热器46的冷罐中，随后升高温度的高压气体推动高压空气透平32做功，将一部分气体的压力势能和内能转化为电能，随后这部分气体再次进入二次再热子换热器6与储热器46中热罐流出的高温液态工质发生热交换再次提升气体内能，降温后的液态工质储存在储热器46的冷罐中，再次升高温度的这部分气体从二次再热子换热器6流出推动低压空气透平33做功后被排入大气中，将剩余的可利用的一部分气体的压力势能和内能转化为电能，高压空气透平32和低压空气透平33产生的电能均通过与储热储能站平台2相连的海底电缆输送至海上升压站或电网。