CN107905863B - 一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统 - Google Patents

一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，包括压缩制干冰系统、生活余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统。本发明利用夜间电厂所生产的低价电能，通过压缩制干冰系统制备得到了低温干冰，降低了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的环境温度，在布雷顿循环的理论基础上使得该系统的发电效率有了明显的提升；通过收集来自工业生产、日常生活中产生的各种废液、废气作为生活余热利用系统的热源，极大的实现了能源的梯级利用。

Description

一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统
技术领域
本发明涉及一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，应用于电能的调峰以及超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环。
背景技术
进入21世纪以来，能源短缺、环境恶化等问题逐渐困扰和制约着人类的生存发展，如何提高能源利用率、减少环境污染已成为全世界共同关注的问题。开发新型的能源利用方式，利用清洁能源，充分回收工业生活余热中的能量等是现行能够缓解能源危机并一定程度上降低污染物排放的可行方法。
在中国，火力发电仍然是用电的主要来源。二氧化碳作为近年来新兴的绿色工质，在热力循环方面有着巨大的发展前景。二氧化碳在大气中广泛存在，存储量大且廉价易得，对环境的影响小，不可燃并且具有良好的化学稳定性。二氧化碳的临界温度为304.21K，临界压力为7.377MPa，容易实现超临界性态，对设备的要求较低，降低了制造成本。超临界二氧化碳具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度，在热力循环中压缩功耗低，有利于提高热力系统净效率。以超临界二氧化碳为工质的压缩机、气轮机等动力机械的结构紧凑、体积较小。
分布式热电冷三联产系统是指在用户附近，以小规模、分散式的方式布置，可独立输出电、冷或热量的系统。它有别于传统的“大机组、大电厂、大电网”的集中式能源生产与供应模式，而是分散在用户端(每一栋楼甚至每一个房间)，以能源综合梯级利用模式来达到更高能源利用率、更低能源成本、更高功能安全性以及更好的环保性能等多功能目标。
具体来说，分布式热电冷三联产系统具有以下优点：对能源进行分层使用，使得能源综合利用率最高达85％；减少公用电源由于停电等事故带来的影响，并保证电力、热能的稳定供应；热电冷联产系统与外部电网配合，可增加用户供电可靠性；热电冷联产系统利用发电机组排放的余热制冷(供热)，为用户提供电能的同时还可以供冷、供热，减轻了公用电网在高峰负荷时的压力等。
数据显示，火力发电厂每天的发电高峰时期是早上8点到下午16点，而在其他时间段电厂发电功率明显降低，但在夜间仍然出现发电量供过于求的现象。因此，国内电力需求增长缓慢，电力过剩矛盾日益凸显。在这种背景下，SCO2调峰蓄能系统能充分利用夜间电能进行干冰的制备，能很好地应对用户一天二十四小时随时对电力的需求。将超临界二氧化碳作为一种蓄能介质分布在各家各户，能很好地起到能源调峰的作用。
发明内容
本发明的目的为解决传统冷热电三联产系统中存在的问题，并引入超临界二氧化碳来完成调峰蓄能的作用，提出了一种分布式超临界二氧化碳冷热电三联产系统，通过使用超临界二氧化碳为整个系统的循环工质，来实现系统中各个部件的运作，完成该系统产电、产热和产冷的三种功能。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，包括压缩制干冰系统、生活余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统，其中，
所述的压缩制干冰系统包括二氧化碳存储罐、第一压缩机、干冰存储罐以及第一储热罐；
所述的生活余热利用系统包括生活余热热源、第二储热罐和第一换热器；
所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第二换热器、超临界二氧化碳透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩机和发电机；
第一压缩机用电与电网来电相连，第一压缩机的入口与二氧化碳存储装置的出口相连，第一压缩机设有两个出口，其中一个为工质出口与干冰存储装置的入口相连，另一个为工作过程产热出口与第一储热罐相连，干冰存储罐的出口与冷却器相连，而第一储热罐的出口与第二换热器相连；
生活余热热源的出口与第二储热罐的入口相连，第二储热罐的出口与第一换热器的余热入口相连；
第一换热器的循环工质入口与高温回热器的低温侧流体出口相连，第一换热器的循环工质出口与第二换热器的循环工质入口相连，第二换热器的循环工质出口与超临界二氧化碳透平入口相连；超临界二氧化碳透平出口与高温回热器的高温侧流体入口相连，超临界二氧化碳透平通过轴系与发电机相连，能够带动发电机发电；高温回热器的高温侧流体出口与低温回热器的高温侧流体入口相连，低温回热器的高温侧流体出口处工质分流，一路从冷却器的入口进入，冷却器的出口与主压缩机的入口相连，主压缩机的出口与低温回热器的低温侧流体入口相连，低温回热器的低温侧流体出口与高温回热器的低温侧流体入口相连；另一路从再压缩机的入口进入，再压缩机的出口与高温回热器的低温侧流体入口相连。
本发明进一步的改进在于，工作时，第一压缩机在电网来电的驱动下，将二氧化碳气体工质压缩成为干冰并储存起来，压缩过程中产生的热量通过第一储热罐储存起来用于发电系统的回热器或者用于供热；压缩得到的干冰用于降低超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统的环境温度即冷却器温度，且同时用于冷气的输出达到制冷的目的。
本发明进一步的改进在于，所述的压缩制干冰系统还包括暖气制热装置，第一储热罐的出口还与暖气制热装置相连。
本发明进一步的改进在于，所述的压缩制干冰系统还包括空调制冷装置，干冰存储罐的出口还与空调制冷装置相连。
本发明进一步的改进在于，所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统选用超临界二氧化碳作为工质。
本发明进一步的改进在于，生活余热热源来自工业生产、日常生活中产生的废液和废气，且第一换热器的出口与净化装置相连。
本发明进一步的改进在于，利用晚间电能进行干冰的压缩制备以完成电能的调峰蓄能。
与现有发电系统相比，本发明提供的分布式发电系统，主要区别在于利用夜间的低价电能转化为平价电能以节约成本，利用生活余热并实现能源的梯级利用。本发明利用夜间电厂所生产的低价电能，通过压缩制干冰系统制备得到了低温干冰，降低了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的环境温度，在布雷顿循环的理论基础上使得该系统的发电效率有了明显的提升；通过收集来自工业生产、日常生活中产生的各种废液、废气作为生活余热利用系统的热源，极大的实现了能源的梯级利用。概括来说，本发明具有以下几个优点：
1、本发明实现了来自工业生产、日常生活中产生的各种废液、废气以及压缩制干冰系统工作中产生的热量的梯级利用，对于降低能源消耗、避免资源浪费十分有利。该系统采用生活余热热源为换热器提供热量，进一步利用了废液废气使得能源利用率得到提高，降低了废液废气的温度，并且连接净化装置起到了保护环境的作用；
2、本发明利用压缩制干冰装置，实现了对于夜间电能的充分利用，一方面起到了对电能调峰蓄能的作用，另一方面也节省了成本，提高了电能的使用效率。
3、本发明采用了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统，分流再压缩的设计理念能避免回热器出现“夹点”，极大地提高了系统循环效率。
4、本发明中循环系统采用超临界二氧化碳为循环工质，考虑到工质本身的特性，循环中动力机械的结构将会更加紧凑，所占空间会更小，能更好地满足分布式系统的要求，能很好地提高经济性。
5、本发明在夜间电能价格较低的基础上，利用夜间电能制备干冰，整个系统完成了热电冷三联产，并且降低了产电系统的环境温度以提高产电效率，充分的满足了分布单位对电量的要求。
6、压缩制干冰系统所产生的制冷与制热效果完全可以满足使用单位的冷热需求，即空调与暖气
附图说明
图1是所述的分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统。
图中：1为外网来电，2为二氧化碳存储罐，3为第一压缩机，4为干冰存储罐，5为空调制冷装置，6为第一储热罐，7为暖气制热装置，8为第二换热器，9为生活余热热源，10为第二储热罐，11为第一换热器，12为超临界二氧化碳透平，13为高温回热器，14为低温回热器，15为冷却器，16为主压缩机，17为再压缩机，18为发电机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供的一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，包括压缩制干冰系统、生活余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统。
其中，所述的压缩制干冰系统包括外网来电1、二氧化碳存储罐2、第一压缩机3、干冰存储罐4、空调制冷装置5、第一储热罐6和暖气制热装置7，第一压缩机3接入外网来电1进行驱动，且在第一压缩机上设有工质气体入口与二氧化碳存储罐2相连，第一压缩机3设有两个出口，其中一个为工质出口与干冰存储罐4相连，另一个为工作过程产热出口与第一储热罐6相连，干冰存储罐4的出口分别与空调制冷装置5和冷却器15相连，而第一储热罐6的出口分别与暖气制热装置7和第二换热器8相连。第一压缩机3由外网来电1进行驱动，二氧化碳存储罐2中的二氧化碳气体从第一压缩机3的入口进入并进行压缩，压缩后得到的干冰进入干冰存储罐4进行存储，同时，第一压缩机3在工作过程中产生的热量由另一个出口导入到第一储热罐6中进行存储。干冰存储罐4中的干冰主要有两个用途，一是与空调制冷装置5相连用于分布式单元的制冷，二是与超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统的冷却器15相连，降低该发电系统的环境温度从而提高发电效率。第一储热罐6的热量也主要有两个用途，一是与暖气制热装置7相连用于分布式单元的制热，二是与第二换热器8相连，提供第二换热器8所需热量。
所述的生活余热利用系统包括生活余热热源9、第二储热罐10、第一换热器11，生活余热热源9的出口与第二储热罐10的入口相连，第二储热罐10的出口与第一换热器11的余热入口相连，且第一换热器11上设有排出废液、废气的出口。在该系统中，生活余热热源9为系统提供热量来源，生活余热可以是工业生产、日常生活中产生的各种具有余热利用价值废液、废气，通过第二储热罐10进行热量的调控，进而保证第一换热器11的稳定热量来源，废液废气由第一换热器11的余热入口进入与发电系统的循环工质进行换热，完成换热的废液废气将由第一换热器11的出口排出。从环保角度来看，若废液废气中含有对环境有污染的物质，那么第一换热器11的出口应与净化装置的入口相连，以保证排出的废液废气达到环保标准。
所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第一换热器11、第二换热器8、超临界二氧化碳透平12、高温回热器13、低温回热器14、冷却器15、主压缩机16、再压缩机17、发电机18。第一换热器11的循环工质入口与高温回热器13的低温侧流体出口相连，第一换热器11的循环工质出口与第二换热器8的循环工质入口相连，第二换热器8的循环工质出口与超临界二氧化碳透平12的入口相连，超临界二氧化碳透平12通过轴系与发电机18相连，且超临界二氧化碳透平12的出口与高温回热器13的高温侧流体入口相连，高温回热器13的高温侧流体出口与低温回热器14的高温侧流体入口相连，低温回热器14的高温侧流体出口处工质流体分为两路流出，一路是与冷却器15的入口相连，冷却器15的出口与主压缩机16的入口相连，主压缩机16的出口与低温回热器14的低温侧流体入口相连，低温回热器14的低温侧流体出口与高温回热器13的低温侧流体入口相连；另一路是与再压缩机17的入口相连，再压缩机17的出口与高温回热器13的低温侧流体入口相连。在该系统中，循环工质超临界二氧化碳由高温回热器13的低温侧流体出口流出，进入第一换热器11进行第一次换热，由第一换热器11流出后进入第二换热器8进行第二次换热，吸热后的工质由第二换热器8的循环工质出口流出，由超临界二氧化碳透平12的入口进入并在其中膨胀做功，通过轴系带动发电机18输出电能。在完成透平做功后，工质流体由超临界二氧化碳透平12的出口流出，进入高温回热器13的高温侧流体入口并在其中进行回热，再由高温回热器13的高温侧流体出口流出，进入低温回热器14的高温侧流体入口，在其中进行再次回热并由低温回热器14的高温侧流体出口流出，在出口处分为两路：一路是由冷却器15的入口流入，在得到干冰环境的足够冷却后由冷却器15的出口流出，进入主压缩机16进行压缩，压缩完成后由主压缩机16的出口流出，由低温回热器14的低温侧流体入口流入进行预热，再由低温回热器14的低温侧流体出口流出；而另一路则是直接进入再压缩机17进行压缩，由再压缩机17的出口流出后与第一路的流体汇合并流入高温回热器13的低温侧流体入口进行再次回热，之后由高温回热器13的低温侧流体出口流出，进入第一换热器11进行吸热，从而完成整个闭式循环。
整个分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统充分利用夜间电能完成了对分布式单位的冷、热、电的制备，并且也充分利用了工业生产、生活中产生的废液废气的热量，实现了能源的综合利用。同时，干冰的制备也使得超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统的效率得到大大提升。

Claims (2)

1.一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，其特征在于，包括压缩制干冰系统、生活余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统，其中，
所述的压缩制干冰系统包括二氧化碳存储罐(2)、第一压缩机(3)、干冰存储罐(4)以及第一储热罐(6)；
所述的生活余热利用系统包括生活余热热源(9)、第二储热罐(10)和第一换热器(11)；
所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第二换热器(8)、超临界二氧化碳透平(12)、高温回热器(13)、低温回热器(14)、冷却器(15)、主压缩机(16)、再压缩机(17)和发电机(18)；
第一压缩机用电与电网来电(1)相连，第一压缩机(3)的入口与二氧化碳存储装置(2)的出口相连，第一压缩机(3)设有两个出口，其中一个为工质出口与干冰存储装置(4)的入口相连，另一个为工作过程产热出口与第一储热罐(6)相连，干冰存储罐(4)的出口与冷却器(15)相连，而第一储热罐(6)的出口与第二换热器(8)相连；
生活余热热源(9)的出口与第二储热罐(10)的入口相连，第二储热罐(10)的出口与第一换热器(11)的余热入口相连；
第一换热器(11)的循环工质入口与高温回热器(13)的低温侧流体出口相连，第一换热器(11)的循环工质出口与第二换热器(8)的循环工质入口相连，第二换热器(8)的循环工质出口与超临界二氧化碳透平(12)入口相连；超临界二氧化碳透平(12)出口与高温回热器(13)的高温侧流体入口相连，超临界二氧化碳透平(12)通过轴系与发电机(18)相连，能够带动发电机(18)发电；高温回热器(13)的高温侧流体出口与低温回热器(14)的高温侧流体入口相连，低温回热器(14)的高温侧流体出口处工质分流，一路从冷却器(15)的入口进入，冷却器(15)的出口与主压缩机(16)的入口相连，主压缩机(16)的出口与低温回热器(14)的低温侧流体入口相连，低温回热器(14)的低温侧流体出口与高温回热器(13)的低温侧流体入口相连；另一路从再压缩机(17)的入口进入，再压缩机(17)的出口与高温回热器(13)的低温侧流体入口相连；
所述的压缩制干冰系统还包括暖气制热装置(7)和空调制冷装置(5)，第一储热罐(6)的出口还与暖气制热装置(7)相连；干冰存储罐(4)的出口还与空调制冷装置(5)相连；生活余热热源(9)来自工业生产、日常生活中产生的废液和废气，且第一换热器(11)的出口与净化装置相连；
工作时，第一压缩机(3)在电网来电(1)的驱动下，利用晚间电能将二氧化碳气体工质压缩成为干冰并储存起来，以完成电能的调峰蓄能，压缩过程中产生的热量通过第一储热罐(6)储存起来用于发电系统的回热器或者用于供热；压缩得到的干冰用于降低超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统的环境温度即冷却器温度，且同时用于冷气的输出达到制冷的目的。
2.根据权利要求1所述的一种分布式超临界二氧化碳调峰蓄能热电冷三联产系统，其特征在于，所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统选用超临界二氧化碳作为工质。
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