自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统及工作方法

摘要

一种自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统及方法，属能源与动力领域。其特征在于：风力机（2）输出的机械能直接通过容积式空气压缩机（4）对空气进行增压并通过空气稳压罐（5）稳定风力强弱影响，空气稳压罐（5）中的高压腔（7）与低压腔（9）通过节流阀（8）相连，当高压腔（7）压力高于一定压力限制后，高压腔（7）上的放气阀（5）自动打开对外排气。低压腔（9）出口与空气透平（10）相连，空气透平（10）输出的机械能直接通过传动轴（11）驱动机械蒸汽再压缩系统的压缩机（12）。当短时无风状态时，高压腔（7）将向低压腔（9）供气，可实现部分储能功能。本发明适合同时具有风力资源和机械蒸汽再压缩需求的地区的供能方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统和工作方法，属于能源与动力领域。

背景技术

由于受到自然风速及风力强弱多变的影响，风力机输出的机械能变化剧烈，为了充分有效利用风力机械能，一般多采用复杂的整流的方法，将风力转化为稳定的电力对外输出，不仅需要配备高性能的整流设备，而且存在着一定的能耗损失。有研究者提出采用大容积设备进行空气储能的方法来解决该问题，即首先通过风力发电机将空气进行压缩，然后将压缩空气储存的空气罐中或者储存在地下密闭空腔中，然后在低风速或者无风的情况下，对该储存的压缩空气再通过空气透平转化为所需要的机械能。

然而，由于风力机转化为电能的过程存在复杂的电流整流过程和能耗损失，且采用全部空气储能所需的储存空间巨大，因此涉及的经济成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种直接利用风力机输出的机械能驱动机械蒸汽再压缩系统和工作方法。

包括风力机、传动机构、容积式空气压缩机、空气稳压罐、排气阀、节流阀、空气透平、传动轴、加热器、结晶器、浓缩液输送泵、浓缩液储罐、原料储罐、换热器和凝结液储罐；

其中空气稳压罐包括高压腔和低压腔，高压腔上布置有排气阀；结晶器包括气相出口和液相出口；加热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；换热器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；

风力机通过传动机构与1台或多台容积式空气压缩机相连，空气经过容积式空气压缩机与空气稳压罐的高压腔相连，高压腔通过节流阀与低压腔相连，低压腔与空气透平相连；

空气透平通过传动轴与压缩机相连；

原料储罐与换热器的冷侧入口相连，换热器冷侧出口与加热器冷侧入口相连，加热器冷侧出口与结晶器入口相连，结晶器气相出口通过压缩机与加热器热侧入口相连；结晶器液相出口分为两路，一路通过浓缩液输送泵与浓缩液储罐相连，另一路与原料混合后与加热器的冷侧入口相连。

加热器的热侧出口与换热器热侧入口相连，换热器热侧出口与凝结液储罐相连。

根据本发明所述的自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统的工作方法，其特征在于：

流动的空气通过推动风力机的叶片旋转转化为机械能，该机械能通过传动机构驱动容积式空气压缩机，空气经过容积式空气压缩机增压后送入空气稳压罐的高压腔。当高压腔的压力超过一定限制后，高压腔上的排气阀门打开对外释放压缩空气。

高压腔通过节流阀与低压腔相连，低压腔通过空气透平将压缩空气的内能转化为机械能，空气透平通过第2传动机构驱动压缩机对蒸汽进行增压。

来自原料储罐的原料首先进入换热器冷侧，被预热后与部分循环晶浆混合后进入加热器冷侧，吸收其热侧蒸汽冷凝释放的潜热后部分蒸发，然后进入结晶器进行分离，结晶器气相出口的蒸汽，然后经过压缩机，升压后进入加热器热侧，释放潜热后变为液态，并通过换热器热侧继续冷凝后送入凝结液储罐。

结晶器液相出口浓缩液分为两路：一路经过浓缩液输送泵送入浓缩液储罐，另一路与原料混合后进入加热器冷侧，开始下一轮循环。

由于该系统直接将风力机输出的机械能用于驱动容积式空气压缩机，将风能转化为压缩空气的内能，而且通过采用空气稳压罐稳定了后续机械蒸汽再压缩系统的操作负荷，特别适应多变的风力特点，输出的机械能能够就地驱动机械蒸汽再压缩子系统。

与常规用于储存空气能得大型空气储罐相比，该系统的空气稳压罐主要用于压力稳定，可适应风力多变的特点，尽管存在部分空气能损失，但其结构尺寸显著减小，能够降低成本。

与常规将风力机输出机械能先转化为电能，再全部进行后续储能的系统相比，该系统直接利用了风力机械能，不需要采用电流整流等措施，因此结构相对简单，且可以减少变电能量损失。

根据本发明所述的自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统的工作方法，其特征在于：一台风力机通过传动机构驱动1台或多台容积式空气压缩机形成一套风力机空气压缩单元，多套风力机空气压缩单元的压缩空气进入空气稳压罐。采用一套还是多套风力机空气压缩单元主要取决于空气稳压罐压力、容积，以及当地风力的多变特性。

根据本发明所述的自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统的工作方法，其特征在于：空气透平入口的压力波动范围在设计值的20%以内，主要是因为如果采用速度型透平如轴流透平或者向心透平，受到喘振特性曲线操作边界条件的限制，限制操作压力范围是为保证空气透平能够正常工作。

附图说明

图1为本发明提出的自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统；

图中标号名称：1、空气，2、风力机，3、传动机构，4、容积式空气压缩机，5、空气稳压罐，6、排气阀，7、高压腔，8、节流阀，9、低压腔，10、空气透平，11，传动轴，12、压缩机，13、加热器，14、蒸汽，15、中间物料、16、结晶器，17、浓缩液，18、浓缩液输送泵，19、浓缩液储罐，20、原料储罐，21、原料，22、换热器，23、冷凝液储罐。

具体实施方式

下面参照图1说明该自适应风力驱动机械蒸汽再压缩系统的运行过程。首次启动该系统时，需要对机械蒸汽再压缩子系统抽真空。主要操作步骤如下：

受到流动空气1推动的风力机2通过传动机构3，将机械能传递给容积式空气压缩机4，驱动容积式空气压缩机4对空气1进行增压，增压后的空气1进入空气稳压罐5的高压腔7，当高压腔7压力达到一定值后，打开排气阀6直接向环境释放压力空气，高压腔7内的空气通过节流阀8进入低压腔9并降低压力，低压腔9内的空气通过空气透平10对外做功，空气透平10通过传动轴与压缩机10相连，空气透平10输出的机械能用于驱动压缩机12对蒸汽14进行增压。

来自原料储罐20的原料21首先经过进入换热器22的冷侧，被预热后与部分浓缩液17混合后进入加热器13的冷侧入口，吸收了加热器13热侧蒸汽14释放的潜热后变为中间物料15，中间物料15然后进入大空间的结晶器16变为气体和浓缩液的混合物，结晶器16气相出口的蒸汽14进入压缩机12，经过压缩机12升压后进入加热器13的热侧入口，释放热能后变为冷凝液并从加热器12热侧出口进入换热器20热侧，对原料21进行预热，最后送入凝结液储罐23。从结晶器13液相出口的出来的浓缩液17分为两路，一路分经过浓缩液输送泵18送入浓缩液储罐18，令一路与原料混合后进入加热器13冷侧，开始下一轮循环操作。