CN109681279B - 一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法 - Google Patents

一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法，该系统包括液态空气储能子系统和煤基超临界二氧化碳发电子系统，液态空气储能子系统的空气尾气出口与煤基超临界二氧化碳发电子系统的空气预热器的入口相连通；本发明将煤基超临界二氧化碳发电与液态空气储能进行有机结合，无需火电机组降低负荷就能满足电网消纳大规模可再生能源发电的要求，同时还能提高原有煤基超临界二氧化碳发电机组的发电出力，具有系统发电效率高、调峰灵活性强和经济性好等优点。

Description

一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法
技术领域
本发明属于先进高效火力发电技术领域，具体涉及一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法。
背景技术
我国以煤为主的能源禀赋决定了今后相当长时期内燃煤火力发电在我国电力结构中的重要地位。不断提高火电机组的效率是电力行业研究的永恒主题和目标。大量的研究证实，超临界二氧化碳布雷顿循环是极具潜力的新概念先进动力系统。由于超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，同等温度水平下超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的发电效率要比传统蒸汽朗肯循环发电系统高出5个百分点以上。因此，积极开发大型煤基超临界二氧化碳发电技术对于提升我国能源电力行业的发电效率具有重要意义。
未来随着太阳能发电、风力发电等可再生能源装机容量的不断增加，作为基础电源和调峰主力的煤电必须具备优越的负荷调节能力，才能使电网更灵活和更大大比例地消纳可再生能源发电。因此，未来煤基超临界二氧化碳发电技术要获得广泛的发展和应用，必须具备良好的调峰性能。传统的火电调峰方法是降低发电的负荷，这种方法最大的缺点是会导致系统发电效率降低，且各设备严重偏离最佳设计工况点，经济性和安全性大为降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法，该系统将煤基超临界二氧化碳发电与液态空气储能进行集成，当电网需要火电机组降低负荷以满足可再生能源发电消纳时，本发明中的煤基超临界二氧化碳发电机组仍可处于满负荷运行，所发出的电一部分输送至电网，其余的电可通过液态空气储能系统的充电过程予以储存，并在用电高峰时通过液态空气储能系统的放电过程向外输送至电网。因此，本发明不需要火电机组降低负荷就能满足电网消纳大规模可再生能源发电的要求，同时还能提高原有煤基超临界二氧化碳发电机组的发电出力，具有系统发电效率高、调峰灵活性强和经济性好等优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统，包括液态空气储能子系统和煤基超临界二氧化碳发电子系统；
所述液态空气储能子系统中，来自环境中的空气经空气过滤器10过滤净化后与第一级压缩机11的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第一级压缩机11的出口与第一级压缩热储罐12的入口相连通，高温空气在第一级压缩热储罐12中与储热介质进行换热将热量储存在第一级压缩热储罐12中，第一级压缩热储罐12的高温空气出口与第二级压缩机13的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第二级压缩机13的出口与第二级压缩热储罐15的高温空气入口相连通，高温空气在第二级压缩热储罐15中与储热介质进行换热将热量储存在第二级压缩热储罐15中，第二级压缩热储罐15的高温空气出口与第一级空气冷却器16的高温空气入口相连通，被冷却后通过第一级空气冷却器16的高温空气出口与第二级空气冷却器22的高温空气入口相连通，并被进一步冷却，第二级空气冷却器22的高温空气出口与空气液化节流阀28入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器29进行气液分离，其中气相工质通过液态空气分离器29的顶部出口与节流阀30的入口相连通，节流阀30的出口工质与第二级空气冷却器22的气相冷侧入口相连通，第二级空气冷却器22的气相冷侧出口与第一级空气冷却器16的气相冷侧入口相连通，第一级空气冷却器16的气相冷侧出口工质与回热器33的高温侧出口空气混合后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器69的空气入口相连通；从液态空气分离器29得到的液态空气通过液态空气分离器29的底部出口与液态空气储罐31的入口相连通；上述过程构成液态空气储能子系统的充电系统；
液态空气储罐31的工质出口与液态空气泵32的入口相连通，经泵加压后的工质与第二级空气加热器25的低温侧入口相连通，第二级空气加热器25的低温侧出口与第一级空气加热器19的低温侧入口相连通，第一级空气加热器19的低温侧出口与回热器33的低温侧入口相连通，回热器33的低温侧出口工质与第二级压缩热储罐15的低温侧入口相连通，通过与第二级压缩热储罐15中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第一级空气透平34做功，第一级空气透平34的出口与第一级压缩热储罐12的低温侧入口相连通，通过与第一级压缩热储罐12中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第二级空气透平35做功，第二级空气透平35的出口与回热器33的高温侧入口相连通，回热器33的高温侧出口空气与第一级空气冷却器16的气相冷侧出口工质通过管道并管后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器69的空气入口相连通；上述过程构成液态空气储能子系统的放电系统；
所述煤基超临界二氧化碳发电子系统包括预冷器1、主压缩机2、再压缩机3、低温回热器4、高温回热器5、锅炉6、高压透平7、低压透平8及发电机9；
低温回热器4的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器1与主压缩机2的入口相连通，主压缩机2的出口与低温回热器4的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机3的入口相连通，再压缩机3的出口与低温回热器4的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与烟气冷却器67的入口相连通，另一路与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器5的冷侧入口相连通，烟气冷却器67的出口及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器5的冷侧出口通过管道并管后与一次气气冷壁61的入口相连通；一次气气冷壁61的出口与低温过热器66的入口相连通，低温过热器66的出口与高温过热器63的入口相连通，高温过热器63的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的高压透平7的入口相连通；超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高压透平7的出口与再热气冷壁62的入口相连通，再热气冷壁62的出口与低温再热器65的入口相连通，低温再热器65的出口经高温再热器64与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的低压透平8相连通；低压透平8的出口与高温回热器5的热侧入口相连通，高温回热器5的热侧出口与低温回热器4的热侧入口相连通，低压透平8的输出轴与发电机9的驱动轴相连接。
第一级空气加热器19的高温侧出口工质与第一级冷储罐20的入口相连通，第一级冷储罐20的出口与第一级蓄冷工质冷侧输送泵21入口相连通，第一级蓄冷工质冷侧输送泵21的出口与第一级空气冷却器16的液相冷侧入口相连通，第一级空气冷却器16的液相冷侧出口与第一级热储罐17的入口相连通，第一级热储罐17的出口与第一级蓄冷工质热侧输送泵18的入口相连通，第一级蓄冷工质热侧输送泵18的出口与第一级空气加热器19的高温侧入口相连通。
第二级空气加热器25的高温侧出口工质与第二级冷储罐26的入口相连通，第二级冷储罐26的出口与第二级蓄冷工质冷侧输送泵27入口相连通，第二级蓄冷工质冷侧输送泵27的出口与第二级空气冷却器22的液相冷侧入口相连通，第二级空气冷却器22的液相冷侧出口与第二级热储罐23的入口相连通，第二级热储罐23的出口与第二级蓄冷工质热侧输送泵24的入口相连通，第二级蓄冷工质热侧输送泵24的出口与第二级空气加热器25的高温侧入口相连通。
所述的一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统的发电方法，当煤基超临界二氧化碳发电子系统发出的电大于电网所需的火电负荷时，过量的电用来给液态空气储能子系统的压缩机电机14供电，通过带动第一级压缩机11和第二级压缩机13将来自环境中的空气进行两级压缩，两级压缩的压缩热分别储存在第一级压缩热储罐12和第二级压缩热储罐15中，第二级压缩热储罐15的高温空气出口依次经第一级空气冷却器16和第二级空气冷却器22与空气液化节流阀28入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器29进行气液分离，其中液态空气由液态空气分离器29的底部出口进入液态空气储罐31进行储存；当电网中用电负荷处于高峰时段时，储存在液态空气储罐31中的液态空气经液态空气泵32加压后，依次经第二级空气加热器25、第一级空气加热器19、回热器33和第二级压缩热储罐15加热后进入第一级空气透平34做功并向外输出电能，第一级空气透平34的出口工质进入第一级压缩热储罐12加热后进入第二级空气透平35做功并向外输出电能。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法，具有如下优点：(1)将煤基超临界二氧化碳发电与液态空气储能进行有机结合，无需火电机组降低负荷就能满足电网消纳大规模可再生能源发电的要求，同时还能提高原有煤基超临界二氧化碳发电机组的发电出力，具有系统发电效率高、调峰灵活性强和经济性好等优点；(2)将液态空气储能子系统中排放的空气尾气引入煤基超临界二氧化碳发电子系统中锅炉的空气预热器进口，能够有效地利用液态空气储能子系统的空气尾气余热，使得系统效率提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为预冷器、2为主压缩机、3为再压缩机、4为低温回热器、5为高温回热器、6为锅炉、7为高压透平、8为低压透平、9为发电机、10为空气过滤器、11为第一级压缩机、12为第一级压缩热储罐、13为第二级压缩机、14为电机、15为第二级压缩热储罐、16为第一级空气冷却器、17为第一级热储罐、18为第一级蓄冷工质热侧输送泵、19为第一级空气加热器、20为第一级冷储罐、21为第一级蓄冷工质冷侧输送泵、22为第二级空气冷却器、23为第二级热储罐、24为第二级蓄冷工质热侧输送泵、25为第二级空气加热器、26为第二级冷储罐、27为第二级蓄冷工质冷侧输送泵、28为空气液化节流阀、29为液态空气分离器、30为节流阀、31为液态空气储罐、32为液态空气泵、33为回热器、34为第一级空气透平、35为第二级空气透平；61-69为锅炉中的部件：61为一次气气冷壁、62为再热气冷壁、63为高温过热器、64为高温再热器、65为低温再热器、66为低温过热器、67为烟气冷却器、68为SCR脱硝装置、69为空气预热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统包括液态空气储能子系统和煤基超临界二氧化碳发电子系统。
所述液态空气储能子系统中，来自环境中的空气经空气过滤器10过滤净化后与第一级压缩机11的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第一级压缩机11的出口与第一级压缩热储罐12的入口相连通，高温空气在第一级压缩热储罐12中与储热介质进行换热将热量储存在第一级压缩热储罐12中，第一级压缩热储罐12的高温空气出口与第二级压缩机13的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第二级压缩机13的出口与第二级压缩热储罐15的高温空气入口相连通，高温空气在第二级压缩热储罐15中与储热介质进行换热将热量储存在第二级压缩热储罐15中，第二级压缩热储罐15的高温空气出口与第一级空气冷却器16的高温空气入口相连通，被冷却后通过第一级空气冷却器16的高温空气出口与第二级空气冷却器22的高温空气入口相连通，并被进一步冷却，第二级空气冷却器22的高温空气出口与空气液化节流阀28入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器29进行气液分离，其中气相工质通过液态空气分离器29的顶部出口与节流阀30的入口相连通，节流阀30的出口工质与第二级空气冷却器22的气相冷侧入口相连通，第二级空气冷却器22的气相冷侧出口与第一级空气冷却器16的气相冷侧入口相连通，第一级空气冷却器16的气相冷侧出口工质与回热器33的高温侧出口空气混合后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器69的空气入口相连通；从液态空气分离器29得到的液态空气通过液态空气分离器29的底部出口与液态空气储罐31的入口相连通。上述过程构成液态空气储能子系统的充电系统及充电过程。
液态空气储罐31的工质出口与液态空气泵32的入口相连通，经泵加压后的工质与第二级空气加热器25的低温侧入口相连通，第二级空气加热器25的低温侧出口与第一级空气加热器19的低温侧入口相连通，第一级空气加热器19的低温侧出口与回热器33的低温侧入口相连通，回热器33的低温侧出口工质与第二级压缩热储罐15的低温侧入口相连通，通过与第二级压缩热储罐15中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第一级空气透平34做功，第一级空气透平34的出口与第一级压缩热储罐12的低温侧入口相连通，通过与第一级压缩热储罐12中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第二级空气透平35做功，第二级空气透平35的出口与回热器33的高温侧入口相连通，回热器33的高温侧出口空气与第一级空气冷却器16的气相冷侧出口工质通过管道并管后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器69的空气入口相连通。上述过程构成液态空气储能子系统的放电系统及放电过程。
所述煤基超临界二氧化碳发电子系统包括预冷器1、主压缩机2、再压缩机3、低温回热器4、高温回热器5、锅炉6、高压透平7、低压透平8及发电机9；
低温回热器4的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器1与主压缩机2的入口相连通，主压缩机2的出口与低温回热器4的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机3的入口相连通，再压缩机3的出口与低温回热器4的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与烟气冷却器67的入口相连通，另一路与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器5的冷侧入口相连通，烟气冷却器67的出口及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器5的冷侧出口通过管道并管后与一次气气冷壁61的入口相连通；一次气气冷壁61的出口与低温过热器66的入口相连通，低温过热器66的出口与高温过热器63的入口相连通，高温过热器63的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的高压透平7的入口相连通；超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高压透平7的出口与再热气冷壁62的入口相连通，再热气冷壁62的出口与低温再热器65的入口相连通，低温再热器65的出口经高温再热器64与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的低压透平8相连通；低压透平8的出口与高温回热器5的热侧入口相连通，高温回热器5的热侧出口与低温回热器4的热侧入口相连通，低压透平8的输出轴与发电机9的驱动轴相连接。
本发明的具体工作工程为：当煤基超临界二氧化碳发电子系统发出的电大于电网所需的火电负荷时，过量的电用来给液态空气储能子系统的压缩机电机14供电，通过带动第一级压缩机11和第二级压缩机13将来自环境中的空气进行两级压缩，两级压缩的压缩热分别储存在第一级压缩热储罐12和第二级压缩热储罐15中，第二级压缩热储罐15的高温空气出口依次经第一级空气冷却器16和第二级空气冷却器22与空气液化节流阀28入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器29进行气液分离，其中液态空气由液态空气分离器29的底部出口进入液态空气储罐31进行储存；当电网中用电负荷处于高峰时段时，储存在液态空气储罐31中的液态空气经液态空气泵32加压后，依次经第二级空气加热器25、第一级空气加热器19、回热器33和第二级压缩热储罐15加热后进入第一级空气透平34做功并向外输出电能，第一级空气透平34的出口工质进入第一级压缩热储罐12加热后进入第二级空气透平35做功并向外输出电能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括液态空气储能子系统和煤基超临界二氧化碳发电子系统；
所述液态空气储能子系统中，来自环境中的空气经空气过滤器（10）过滤净化后与第一级压缩机（11）的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第一级压缩机（11）的出口与第一级压缩热储罐（12）的入口相连通，高温空气在第一级压缩热储罐（12）中与储热介质进行换热将热量储存在第一级压缩热储罐（12）中，第一级压缩热储罐（12）的高温空气出口与第二级压缩机（13）的入口相连通，经压缩后的高温空气通过第二级压缩机（13）的出口与第二级压缩热储罐（15）的高温空气入口相连通，高温空气在第二级压缩热储罐（15）中与储热介质进行换热将热量储存在第二级压缩热储罐（15）中，第二级压缩热储罐（15）的高温空气出口与第一级空气冷却器（16）的高温空气入口相连通，被冷却后通过第一级空气冷却器（16）的高温空气出口与第二级空气冷却器（22）的高温空气入口相连通，并被进一步冷却，第二级空气冷却器（22）的高温空气出口与空气液化节流阀（28）入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器（29）进行气液分离，其中气相工质通过液态空气分离器（29）的顶部出口与节流阀（30）的入口相连通，节流阀（30）的出口工质与第二级空气冷却器（22）的气相冷侧入口相连通，第二级空气冷却器（22）的气相冷侧出口与第一级空气冷却器（16）的气相冷侧入口相连通，第一级空气冷却器（16）的气相冷侧出口工质与回热器（33）的高温侧出口空气混合后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器（69）的空气入口相连通；从液态空气分离器（29）得到的液态空气通过液态空气分离器（29）的底部出口与液态空气储罐（31）的入口相连通；上述过程构成液态空气储能子系统的充电系统；
液态空气储罐（31）的工质出口与液态空气泵（32）的入口相连通，经泵加压后的工质与第二级空气加热器（25）的低温侧入口相连通，第二级空气加热器（25）的低温侧出口与第一级空气加热器（19）的低温侧入口相连通，第一级空气加热器（19）的低温侧出口与回热器（33）的低温侧入口相连通，回热器（33）的低温侧出口工质与第二级压缩热储罐（15）的低温侧入口相连通，通过与第二级压缩热储罐（15）中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第一级空气透平（34）做功，第一级空气透平（34）的出口与第一级压缩热储罐（12）的低温侧入口相连通，通过与第一级压缩热储罐（12）中的储热介质进行换热，被加热的高温工质进入第二级空气透平（35）做功，第二级空气透平（35）的出口与回热器（33）的高温侧入口相连通，回热器（33）的高温侧出口空气与第一级空气冷却器（16）的气相冷侧出口工质通过管道并管后与煤基超临界二氧化碳发电子系统中空气预热器（69）的空气入口相连通；上述过程构成液态空气储能子系统的放电系统；
所述煤基超临界二氧化碳发电子系统包括预冷器（1）、主压缩机（2）、再压缩机（3）、低温回热器（4）、高温回热器（5）、锅炉（6）、高压透平（7）、低压透平（8）及发电机（9）；
低温回热器（4）的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器（1）与主压缩机（2）的入口相连通，主压缩机（2）的出口与低温回热器（4）的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机（3）的入口相连通，再压缩机（3）的出口与低温回热器（4）的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与烟气冷却器（67）的入口相连通，另一路与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器（5）的冷侧入口相连通，烟气冷却器（67）的出口及超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温回热器（5）的冷侧出口通过管道并管后与一次气气冷壁（61）的入口相连通；一次气气冷壁（61）的出口与低温过热器（66）的入口相连通，低温过热器（66）的出口与高温过热器（63）的入口相连通，高温过热器（63）的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的高压透平（7）的入口相连通；超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高压透平（7）的出口与再热气冷壁（62）的入口相连通，再热气冷壁（62）的出口与低温再热器（65）的入口相连通，低温再热器（65）的出口经高温再热器（64）与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中的低压透平（8）相连通；低压透平（8）的出口与高温回热器（5）的热侧入口相连通，高温回热器（5）的热侧出口与低温回热器（4）的热侧入口相连通，低压透平（8）的输出轴与发电机（9）的驱动轴相连接。
2.根据权利要求1所述的一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一级空气加热器（19）的高温侧出口工质与第一级冷储罐（20）的入口相连通，第一级冷储罐（20）的出口与第一级蓄冷工质冷侧输送泵（21）入口相连通，第一级蓄冷工质冷侧输送泵（21）的出口与第一级空气冷却器（16）的液相冷侧入口相连通，第一级空气冷却器（16）的液相冷侧出口与第一级热储罐（17）的入口相连通，第一级热储罐（17）的出口与第一级蓄冷工质热侧输送泵（18）的入口相连通，第一级蓄冷工质热侧输送泵（18）的出口与第一级空气加热器（19）的高温侧入口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第二级空气加热器（25）的高温侧出口工质与第二级冷储罐（26）的入口相连通，第二级冷储罐（26）的出口与第二级蓄冷工质冷侧输送泵（27）入口相连通，第二级蓄冷工质冷侧输送泵（27）的出口与第二级空气冷却器（22）的液相冷侧入口相连通，第二级空气冷却器（22）的液相冷侧出口与第二级热储罐（23）的入口相连通，第二级热储罐（23）的出口与第二级蓄冷工质热侧输送泵（24）的入口相连通，第二级蓄冷工质热侧输送泵（24）的出口与第二级空气加热器（25）的高温侧入口相连通。
4.一种如权利要求1所述的含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统的发电方法，其特征在于，当煤基超临界二氧化碳发电子系统发出的电大于电网所需的火电负荷时，过量的电用来给液态空气储能子系统的压缩机电机（14）供电，通过带动第一级压缩机（11）和第二级压缩机（13）将来自环境中的空气进行两级压缩，两级压缩的压缩热分别储存在第一级压缩热储罐（12）和第二级压缩热储罐（15）中，第二级压缩热储罐（15）的高温空气出口依次经第一级空气冷却器（16）和第二级空气冷却器（22）与空气液化节流阀（28）入口相连通，通过节流降压使空气部分液化，含液态空气的气液混合工质进入液态空气分离器（29）进行气液分离，其中液态空气由液态空气分离器（29）的底部出口进入液态空气储罐（31）进行储存；当电网中用电负荷处于高峰时段时，储存在液态空气储罐（31）中的液态空气经液态空气泵（32）加压后，依次经第二级空气加热器（25）、第一级空气加热器（19）、回热器（33）和第二级压缩热储罐（15）加热后进入第一级空气透平（34）做功并向外输出电能，第一级空气透平（34）的出口工质进入第一级压缩热储罐（12）加热后进入第二级空气透平（35）做功并向外输出电能。
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