CN109812304B - 集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法 - Google Patents

集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法，包括液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统；液空储能子系统包括空分装置、液氮及液氧储罐、液氮及液氧泵、高低压氮气透平、氮气收集装置、第一发电机、储热装置、传热介质泵、切换阀等。超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳循环泵、高低温换热器、燃烧室、二氧化碳透平、第二发电机、水分离器、冷却器、液体二氧化碳收集装置等。液空储能子系统在低谷时储存电力在调峰时释放，并将天然气的能量在调峰时由超临界二氧化碳循环转换为电力，系统储能量大，调峰能力强，具备大规模快速负荷调节能力，系统效率高、无污染、零排放、100％碳捕集，副产品经济价值高。

Description

集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法，属于电力系统调峰及储能技术领域。
背景技术
随着新能源发电装机容量不断扩大，电力系统必须有充足的调峰容量来平抑新能源电力的波动。同时，风力发电、太阳能发电的间歇性和波动性问题，导致用电低谷时的弃风、弃光现象，这就需要借助大规模储能技术。因此，先进的调峰和储能技术是当前电力系统的迫切需求。
通常水电适合用于调峰，而现在火电也参与调峰，并且越来越多地采用燃气轮机承担电网尖峰负荷调节。抽水蓄能电站既可大规模储能，又可大规模调峰，而且是清洁绿色的可再生能源，但是受限于地理条件。带补燃的压缩空气储能系统可兼具储能与大规模调峰功能，但是会有二氧化碳排放。
近年来，液化空气储能技术和新型的燃气轮机技术的发展为开发更先进的储能调峰发电系统提供了广阔的探索空间。特别是以超临界二氧化碳为工质的半闭式直燃加热循环系统，兼具高效发电与廉价捕碳的优点，采用纯氧燃烧，配备有大型空分装置，天然地具备液化空气储能的硬件条件。
如何对半闭式超临界二氧化碳循环系统和液化空气储能系统进行集成，使其具备大规模储能和大规模快速负荷调节能力，并且高效率、无污染、零排放、100％碳捕集，是本领域技术人员致力于解决的难题。此类发电系统在行业上未见有相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何对半闭式超临界二氧化碳循环系统和液化空气储能系统进行改进，使其具备大规模储能和大规模快速负荷调节能力，并且高效率、无污染、零排放、100％碳捕集。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统，其特征在于：包括液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统；
所述液空储能子系统包括空分装置，空分装置的液氮出口连接液氮储罐进口，空分装置的液氧出口连接液氧储罐进口，液氮储罐出口连接液氮泵进口，液氧储罐出口连接液氧泵进口，液氮泵出口连接低温换热器氮进口，液氧泵出口连接低温换热器氧进口，低温换热器氮出口连接高温换热器氮进口，低温换热器氧出口连接高温换热器氧进口，高温换热器氮出口连接高压氮气透平进口，高压氮气透平出口连接高温换热器再热氮气进口，高温换热器再热氮气出口连接低压氮气透平进口，低压氮气透平出口连接氮气收集装置，高压氮气透平和低压氮气透平同轴连接第一发电机，高温换热器氧出口连接所述超临界二氧化碳子系统的燃烧室氧进口；储热装置出口连接传热介质泵进口，传热介质泵出口分两路分别连接空分装置传热介质进口和高温换热器传热介质进口，空分装置传热介质出口连接切换阀的一个进口，高温换热器传热介质出口连接切换阀的另一个进口，切换阀出口连接储热装置进口；
所述超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳循环泵，二氧化碳循环泵出口连接高温换热器低温侧二氧化碳进口，高温换热器低温侧二氧化碳出口连接燃烧室二氧化碳进口，燃烧室二氧化碳出口连接二氧化碳透平进口，二氧化碳透平连接第二发电机，二氧化碳透平的高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳连接高温换热器高温侧高压二氧化碳进口，高温换热器高温侧高压二氧化碳出口连接第一水分离器进口，第一水分离器出口连接冷却器进口，冷却器出口连接液体二氧化碳收集装置，二氧化碳透平的低压出口连接高温换热器高温侧低压二氧化碳进口，高温换热器高温侧低压二氧化碳出口连接第二水分离器进口，第二水分离器出口连接低温换热器低压二氧化碳进口，低温换热器低压二氧化碳出口连接二氧化碳循环泵进口；液化天然气储罐出口连接液化天然气泵进口，液化天然气泵出口连接低温换热器天然气进口，低温换热器天然气出口连接高温换热器天然气进口，高温换热器天然气出口连接燃烧室天然气进口。
优选地，所述空分装置为压缩深冷空分装置。
优选地，所述储热装置的传热介质为水。
优选地，所述低温换热器和高温换热器为多股流换热器，包括一个以上换热器串联及并联组合。
本发明还提供了一种集成超临界二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，采用上述的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统，其特征在于：液空储能子系统中的空分装置持续运行，制备的液氧和液氮分别储存于液氧储罐和液氮储罐中；将切换阀调节至储热装置仅与空分装置连通的位置，传热介质泵运行，通过传热介质将空分装置中压缩气体的热量传递至储热装置中进行储存。
液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统在电网调峰时工作过程如下：
将切换阀调节至储热装置仅与高温换热器连通的位置，传热介质泵运行，通过传热介质将储热装置中的热量传递给高温换热器；
氮泵将液氮升压，液氮经过低温换热器加热，再经高温换热器进一步加热升温，再经高压氮气透平膨胀做功，压力下降，然后经高温换热器再热，再经低压氮气透平膨胀做功，排气进入氮气收集装置，高压氮气透平和低压氮气透平推动第一发电机产生电力。
液氧泵将液氧升压，液氧经过低温换热器加热，再经高温换热器进一步加热升温，最后进入燃烧室；液化天然气泵将液化天然气升压，液化天然气经过低温换热器加热，再经高温换热器进一步加热升温，最后进入燃烧室与液氧燃烧。
二氧化碳循环泵将液体二氧化碳工质增压，液体二氧化碳工质经高温换热器加热，再进入燃烧室升温，燃烧室排出的混合气进入二氧化碳透平膨胀做功，二氧化碳透平推动第二发电机产生电力，二氧化碳透平高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳，这股二氧化碳经高温换热器释放余热，再经第一水分离器除湿，最后经冷却器冷却成液体储存于液体二氧化碳收集装置，二氧化碳透平低压排气口排出的二氧化碳经高温换热器释放余热，再经第二水分离器除湿，再经低温换热器液化，最后回到二氧化碳循环泵。
第一发电机和第二发电机共同提供调峰电力。
优选地，所述空分装置在用电低谷或者电力过剩时段调高产量，在用电高峰时段调低产量。
优选地，所述氮泵将液氮升压至3MPa以上。
优选地，所述液氧泵将液氧升压至15MPa以上。
优选地，所述液化天然气泵将液化天然气升压至15MPa以上。
优选地，所述二氧化碳循环泵将液体二氧化碳工质增压至15MPa以上，液体二氧化碳工质经高温换热器加热，再进入燃烧室升温至800℃以上，二氧化碳透平高压出口抽出的燃烧产生的多余二氧化碳的压力为3.8～4.2MPa，二氧化碳透平低压排气口排出的二氧化碳压力为0.7～1MPa。
优选地，所述第一水分离器的进口介质温度高于且接近介质中二氧化碳的凝结温度。
优选地，所述第二水分离器的进口介质温度高于且接近介质中水的冰点。
优选地，所述低温换热器中二氧化碳透平低压排气流体中残余水分会凝结成的冰在调峰运行完成后停机时清除。
优选地，所述高压氮气透平和低压氮气透平排出的氮气回收用于工业用途，空分装置产生的余热除用于系统本身外还用于向外输出供暖。
优选地，所述二氧化碳收集装置收集的二氧化碳可用于工业用途、增强型石油开采或者进行封存。
相比现有技术，本发明提供的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统具有如下有益效果：
1、具备大规模储能能力，对于10MWe以上等级的机组，液氧作为超临界二氧化碳循环中燃烧室的氧化剂，其液氧需求量非常大，从而作为储能介质的液氮的产量也按比例增大，所以通过空分装置可以大量地消耗电网过剩电力；
2、具备大规模快速负荷调节能力，超临界二氧化碳循环采用半闭式直燃加热方式，二氧化碳透平膨胀比高，二氧化碳透平排气温度较低，并且被液氮、液氧、液化天然气以及二氧化碳循环泵出来的二氧化碳工质迅速冷却和液化，使循环的启动速度加快，并且超临界二氧化碳循环没有压气机，采用泵，系统的可靠性好；
3、系统效率高、无污染、零排放、100％碳捕集，由于超临界二氧化碳循环发电效率高，超临界二氧化碳循环采用天然气纯氧燃烧，所以燃烧几乎没有污染气体产生，且燃烧产生的二氧化碳可直接收集，同时，液空储能子系统的储放循环效率高，无任何污染；
4、副产品经济价值高，空分装置可以产生氩气等气体产品，氮气透平排出的氮气还可以回收用于工业用途，空分装置产生的大量余热除用于系统本身外还可向外输出供暖，捕集的二氧化碳也可用于工业用途、增强型采油。
附图说明
图1为本实施例提供的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统示意图；
附图标记说明：
1—空分装置，2—液氮储罐，3—液氧储罐，4—液氮泵，5—液氧泵，6—低温换热器，7—高温换热器，8—高压氮气透平，9—氮气收集装置，10—低压氮气透平，11—第一发电机，12—储热装置，13—传热介质泵，14—切换阀，15—液化天然气储罐，16—液化天然气泵，17—二氧化碳循环泵，18—燃烧室，19—二氧化碳透平，20—第二发电机，21—第一水分离器，22—冷却器，23—液体二氧化碳收集装置，24—第二水分离器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统示意图，所述的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统包括液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统。
液空储能子系统包括空分装置1，空分装置1的液氮出口连接液氮储罐2进口，空分装置1的液氧出口连接液氧储罐3进口，液氮储罐2出口连接液氮泵4进口，液氧储罐3出口连接液氧泵5进口，液氮泵4出口连接低温换热器6氮进口，液氧泵5出口连接低温换热器6氧进口，低温换热器6氮出口连接高温换热器7氮进口，低温换热器6氧出口连接高温换热器7氧进口，高温换热器7氮出口连接高压氮气透平8进口，高压氮气透平8出口连接高温换热器7再热氮气进口，高温换热器7再热氮气出口连接低压氮气透平10进口，低压氮气透平10出口连接氮气收集装置9，高压氮气透平8和低压氮气透平10同轴连接第一发电机11，高温换热器7氧出口连接超临界二氧化碳子系统的燃烧室18氧进口；储热装置12出口连接传热介质泵13进口，传热介质泵13出口分两路分别连接空分装置1传热介质进口和高温换热器7传热介质进口，空分装置1传热介质出口连接切换阀14的一个进口，高温换热器7传热介质出口连接切换阀14的另一个进口，切换阀14出口连接储热装置12进口。
超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳循环泵17，二氧化碳循环泵17出口连接高温换热器7低温侧二氧化碳进口，高温换热器7低温侧二氧化碳出口连接燃烧室18二氧化碳进口，燃烧室18二氧化碳出口连接二氧化碳透平19进口，二氧化碳透平19连接第二发电机20，二氧化碳透平19的高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳连接高温换热器7高温侧高压二氧化碳进口，高温换热器7高温侧高压二氧化碳出口连接第一水分离器21进口，第一水分离器21出口连接冷却器22进口，冷却器22出口连接液体二氧化碳收集装置23，二氧化碳透平19的低压出口连接高温换热器7高温侧低压二氧化碳进口，高温换热器7低压二氧化碳出口连接第二水分离器24进口，第二水分离器24出口连接低温换热器6低压二氧化碳进口，低温换热器6低压二氧化碳出口连接二氧化碳循环泵17进口；液化天然气储罐15出口连接液化天然气泵16进口，液化天然气泵16出口连接低温换热器6天然气进口，低温换热器6天然气出口连接高温换热器7天然气进口，高温换热器7天然气出口连接燃烧室18天然气进口。
本实施例提供的集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统使用时的具体步骤如下：
液空储能子系统中的空分装置1持续运行，并且在用电低谷或者电力过剩时段调高产量，在用电高峰时调低产量，电力以最经济的方式用于制备液氧和液氮，分别储存于液氧储罐3和液氮储罐2中。将切换阀14调节至储热装置12仅与空分装置1连通的位置，传热介质泵13运行，通过传热介质将空分装置1中压缩气体的热量传递至储热装置12中进行储存。
液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统在电网调峰时快速启动，同时，将切换阀14调节至储热装置12仅与高温换热器7连通的位置，传热介质泵13运行，通过传热介质将储热装置12中的热量传递给高温换热器7。
液氮泵4将液氮升压至10MPa，液氮经过低温换热器6加热，再经高温换热器7进一步加热升温，再经高压氮气透平8膨胀做功，压力降至2MPa，然后经高温换热器7再热，再经低压氮气透平10膨胀做功，排气进入氮气收集装置9，高压氮气透平8和低压氮气透平10推动第一发电机11产生电力。
液氧泵5将液氧升压至35MPa，液氧经过低温换热器6加热，再经高温换热器7进一步加热升温，最后进入燃烧室18与天然气燃烧；液化天然气泵16将液化天然气升压至35MPa以上，液化天然气经过低温换热器6加热，再经高温换热器7进一步加热升温，最后进入燃烧室18燃烧。
二氧化碳循环泵17将液体二氧化碳工质增压至35MPa，液体二氧化碳工质经高温换热器7加热，再进入燃烧室18升温至1100℃，燃烧室18排出的混合气进入二氧化碳透平19膨胀做功，二氧化碳透平19推动第二发电机20产生电力，二氧化碳透平19高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳，这股二氧化碳压力约为4MPa，经高温换热器7释放余热，再经第一水分离器21除湿，最后经冷却器22冷却成液体储存于液体二氧化碳收集装置23，二氧化碳透平19低压排气口排出的二氧化碳压力为0.8MPa，经高温换热器7释放余热，再经第二水分离器24除湿，再经低温换热器6液化(残余水分凝结成冰，在停机时清除)，最后回到二氧化碳循环泵17。第一发电机11和第二发电机20共同提供调峰电力。
通过上述运行方式，液空储能子系统在低谷时储存的电力在调峰时释放，并将天然气的能量在调峰时由超临界二氧化碳循环转换为电力，系统储能量大，调峰能力强。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，采用集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统，其特征在于：调峰发电系统包括液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统；
所述液空储能子系统包括空分装置（1），空分装置（1）的液氮出口连接液氮储罐（2）进口，空分装置（1）的液氧出口连接液氧储罐（3）进口，液氮储罐（2）出口连接液氮泵（4）进口，液氧储罐（3）出口连接液氧泵（5）进口，液氮泵（4）出口连接低温换热器（6）氮进口，液氧泵（5）出口连接低温换热器（6）氧进口，低温换热器（6）氮出口连接高温换热器（7）氮进口，低温换热器（6）氧出口连接高温换热器（7）氧进口，高温换热器（7）氮出口连接高压氮气透平（8）进口，高压氮气透平（8）出口连接高温换热器（7）再热氮气进口，高温换热器（7）再热氮气出口连接低压氮气透平（10）进口，低压氮气透平（10）出口连接氮气收集装置（9），高压氮气透平（8）和低压氮气透平（10）同轴连接第一发电机（11），高温换热器（7）氧出口连接所述超临界二氧化碳子系统的燃烧室（18）氧进口；储热装置（12）出口连接传热介质泵（13）进口，传热介质泵（13）出口分两路分别连接空分装置（1）传热介质进口和高温换热器（7）传热介质进口，空分装置（1）传热介质出口连接切换阀（14）的一个进口，高温换热器（7）传热介质出口连接切换阀（14）的另一个进口，切换阀（14）出口连接储热装置（12）进口；
所述超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳循环泵（17），二氧化碳循环泵（17）出口连接高温换热器（7）二氧化碳进口，高温换热器（7）二氧化碳出口连接燃烧室（18）二氧化碳进口，燃烧室（18）二氧化碳出口连接二氧化碳透平（19）进口，二氧化碳透平（19）连接第二发电机（20），二氧化碳透平（19）的高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳连接高温换热器（7）高压二氧化碳进口，高温换热器（7）高压二氧化碳出口连接第一水分离器（21）进口，第一水分离器（21）出口连接冷却器（22）进口，冷却器（22）出口连接液体二氧化碳收集装置（23），二氧化碳透平（19）的低压出口连接高温换热器（7）低压二氧化碳进口，高温换热器（7）低压二氧化碳出口连接第二水分离器（24）进口，第二水分离器（24）出口连接低温换热器（6）低压二氧化碳进口，低温换热器（6）低压二氧化碳出口连接二氧化碳循环泵（17）进口；液化天然气储罐（15）出口连接液化天然气泵（16）进口，液化天然气泵（16）出口连接低温换热器（6）天然气进口，低温换热器（6）天然气出口连接高温换热器（7）天然气进口，高温换热器（7）天然气出口连接燃烧室（18）天然气进口；
液空储能子系统中的空分装置（1）持续运行，制备的液氧和液氮分别储存于液氧储罐（3）和液氮储罐（2）中；将切换阀（14）调节至储热装置（12）仅与空分装置（1）连通的位置，传热介质泵（13）运行，通过传热介质将空分装置（1）中压缩气体的热量传递至储热装置（12）中进行储存；
液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统在电网调峰时工作过程如下：
将切换阀（14）调节至储热装置（12）仅与高温换热器（7）连通的位置，传热介质泵（13）运行，通过传热介质将储热装置（12）中的热量传递给高温换热器（7）；
液氮泵（4）将液氮升压，液氮经过低温换热器（6）加热，再经高温换热器（7）进一步加热升温，再经高压氮气透平（8）膨胀做功，压力下降，然后经高温换热器（7）再热，再经低压氮气透平（10）膨胀做功，排气进入氮气收集装置（9），高压氮气透平（8）和低压氮气透平（10）推动第一发电机（11）产生电力；
液氧泵（5）将液氧升压，液氧经过低温换热器（6）加热，再经高温换热器（7）进一步加热升温，最后进入燃烧室（18）；液化天然气泵（16）将液化天然气升压，液化天然气经过低温换热器（6）加热，再经高温换热器（7）进一步加热升温，最后进入燃烧室（18）与液氧燃烧；二氧化碳循环泵（17）将液体二氧化碳工质增压，液体二氧化碳工质经高温换热器（7）加热，再进入燃烧室（18）升温，燃烧室（18）排出的混合气进入二氧化碳透平（19）膨胀做功，二氧化碳透平（19）推动第二发电机（20）产生电力，二氧化碳透平（19）高压出口抽出燃烧产生的多余二氧化碳，这股二氧化碳经高温换热器（7）释放余热，再经第一水分离器（21）除湿，最后经冷却器（22）冷却成液体储存于液体二氧化碳收集装置（23），二氧化碳透平（19）低压排气口排出的二氧化碳经高温换热器（7）释放余热，再经第二水分离器（24）除湿，再经低温换热器（6）液化，最后回到二氧化碳循环泵（17）；
第一发电机（11）和第二发电机（20）共同提供调峰电力。
2.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述空分装置为压缩深冷空分装置。
3.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述储热装置的传热介质为水。
4.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述空分装置（1）在用电低谷或者电力过剩时段调高产量，在用电高峰时段调低产量。
5.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述液氮泵（4）将液氮升压至3MPa以上。
6.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述液氧泵（5）将液氧升压至15MPa以上。
7.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述液化天然气泵（16）将液化天然气升压至15MPa以上。
8.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述二氧化碳循环泵（17）将液体二氧化碳工质增压至15MPa以上，液体二氧化碳工质经高温换热器（7）加热，再进入燃烧室（18）升温至800℃以上，二氧化碳透平（19）高压出口抽出的燃烧产生的多余二氧化碳的压力为3.8～4.2MPa，二氧化碳透平（19）低压排气口排出的二氧化碳压力为0.7～1MPa。
9.如权利要求1所述的一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电方法，其特征在于：所述高压氮气透平（8）和低压氮气透平（10）排出的氮气回收用于工业用途，空分装置（1）产生的余热除用于系统本身外还用于向外输出供暖。
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