CN110778485B - 耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统及方法 - Google Patents

耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源转化领域，旨在解决现有的压缩空气储能和利用过程中，储存难度大且再次释放发电利用的方式的能量利用不够充分的问题，提供耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统及方法。系统包括空气压缩机、一级换热器和用于储气的高压容器；二级换热器、低温储热罐和高温储热罐；一级空气透平、中间换热器和二级空气透平；S‑CO2透平、S‑CO2回热器、S‑CO2压气机和S‑CO2热源加热器。空气压缩机压缩空气后将热储存于导热介质中，将高压空气储存于高压容器中；在需要时释放高压空气加热后驱动空气透平发电，同时S‑CO2循环中的出气对压缩空气发电通道中的空气进行加热。本发明的有益效果是压缩空气能量储存合理且再次释放能量利用率高。

Description

耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统及方法
技术领域
本发明涉及能源转化领域，具体而言，涉及耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统及方法。
背景技术
压缩空气储能可利用多余的电能进行压缩空气，将电能暂时转化为空气的压缩能合/热能进行存储，以便在需要时释放再次转化为电能。
现有技术中对能量的储存和再次利用中，存在储存难度大，且再次释放发电利用的方式的能量利用不够充分的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，以解决现有的压缩空气储能和利用过程中，储存难度大且再次释放发电利用的方式的能量利用不够充分的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，包括空气压缩机、一级换热器和用于储气的高压容器；所述一级换热器具有第一通道和第二通道，所述第一通道作为所述一级换热器的热端，所述第二通道作为所述一级换热器的冷端；所述空气压缩机的入口连通空气、出口连通所述第一通道，所述第一通道的出口连通至所述高压容器的入口，形成储压通道；
所述储能发电系统还包括二级换热器、低温储热罐和高温储热罐；所述二级换热器具有第三通道和第四通道，所述第三通道作为所述二级换热器的热端，所述第四通道作为所述二级换热器的冷端；所述一级换热器的第二通道的出口连通所述高温储热罐、所述高温储热罐的出口连通所述第三通道、所述第三通道的出口连通所述低温储热罐、所述低温储热罐的出口连通所述第二通道的入口，形成导热介质循环通道；
所述储能发电系统还包括一级空气透平、中间换热器和二级空气透平；所述中间换热器具有第五通道和第六通道，所述第五通道作为所述中间换热器的冷端，所述第六通道作为所述中间换热器的热端；所述高压容器的出口连通所述第四通道、所述第四通道的出口连通所述一级空气透平、所述一级空气透平的出口连通所述第五通道、所述第五通道的出口连通所述二级空气透平、所述二级空气透平的出口连通空气，形成压缩空气发电通道；
所述储能发电系统还包括S-CO2透平、S-CO2回热器、S-CO2压气机和S-CO2热源加热器；所述S-CO2回热器具有第七通道和第八通道，所述第七通道作为所述S-CO2回热器的热端，所述第八通道作为所述S-CO2回热器的冷端；所述S-CO2压气机的出口连通所述第八通道、所述第八通道的出口连通所述S-CO2热源加热器、所述S-CO2热源加热器的出口连通所述S-CO2透平、所述S-CO2透平的出口连通所述第七通道、所述第七通道的出口连通所述第六通道、所述第六通道的出口连通所述S-CO2压气机的入口，形成S-CO2发电循环。
本方案中的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统的使用方法如下：
空气进入空气压缩机压缩至高温高压状态；空气压缩机利用弃风、弃光或低谷电的能量驱动压缩空气，并将压缩后的空气储存至高压容器中；大规模储能一般利用开采后的盐穴作为高压容器储存压缩空气；在用电高峰时，将压缩空气从盐穴中释放出来，可用来驱动空气透平做功并带动发电机进行发电，以实现“削峰填谷”的需求；盐穴的储存压力可以达到16-18MPa。当然，高压容器还可以使用其他合适的金属容器。
高温高压状态空气通过一级换热器将热量传递给导热介质循环通道内的导热介质，降低温度后的低温高压空气进入地底盐穴储存；低温导热介质进入一级换热器吸收压缩空气热量，成为高温导热介质；高温导热介质进入高温储热罐储存；高温导热介质进入二级换热器将热量传递给由高压容器输出的低温高压空气，降温成为低温导热介质；低温导热介质进入低温储热罐储存；导热介质可以是导热油或导热熔盐；
盐穴空气进入二级换热器吸收导热介质热量成为高温高压空气；高温高压空气进入一级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为中压低温空气；中压低温空气进入中间换热器吸收S-CO2透平排气热量，成为中温中压空气；中温中压空气进入二级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为低压低温空气；低温低压空气直接排入大气；
S-CO2进入S-CO2压气机升压至工作压力；S-CO2进入S-CO2回热器冷端进行回热加热；S-CO2进入S-CO2热源加热器加热至工作温度；S-CO2进入S-CO2透平膨胀做功并带动发电机发电；S-CO2进入S-CO2回热器热端进行回热降温；S-CO2进入S-CO2中间换热器将余热传递给中压低温空气；S-CO2进入S-CO2压气机完成布雷顿循环。
本申请的方案至少具有以下有益技术效果之一：
（1）本系统采用S-CO2透平排气作为再热热源，增加一次再热，提高了压缩空气储能发电系统的循环效率；
（2）常规S-CO2布雷顿循环均采用预冷器进行冷却，能量没有充分利用，本系统利用中压低温空气进行冷却，同时实现了能量的充分利用；
（3）本系统无需常规S-CO2布雷顿循环中的预冷器，减少了基础建设成本；
（4）通过压缩空气的储存和释放，能够实现“削峰填谷”的效果，且压缩空气后的热能和压力能分别储存，不需要能够同时存储高温高压空气的高要求的容器，降低设备成本，能量存储合理。
在一种实施方式中，所述空气压缩机由弃风、弃光或低谷电驱动。
在一种实施方式中，所述高压容器为盐穴。
在一种实施方式中，所述导热介质为导热油或导热熔盐。
本申请还提供一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电方法，其基于前述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统；所述储能发电方法包括以下步骤：
空气进入空气压缩机压缩至高温高压状态；空气压缩机利用弃风、弃光或低谷电的能量驱动压缩空气，并将压缩后的空气储存至高压容器中；
高温高压状态空气通过一级换热器将热量传递给导热介质循环通道内的导热介质，降低温度后的低温高压空气进入地底盐穴储存；低温导热介质进入一级换热器吸收压缩空气热量，成为高温导热介质；高温导热介质进入高温储热罐储存；高温导热介质进入二级换热器将热量传递给高压容器输出的低温高压空气，降温成为低温导热介质；低温导热介质进入低温储热罐储存；
高压容器输出的低温高压空气进入二级换热器吸收导热介质热量成为高温高压空气；高温高压空气进入一级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为中压低温空气；中压低温空气进入中间换热器吸收S-CO2透平排气热量，成为中温中压空气；中温中压空气进入二级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为低压低温空气；低温低压空气直接排入大气；
S-CO2进入S-CO2压气机升压至工作压力；S-CO2进入S-CO2回热器冷端进行回热加热；S-CO2进入S-CO2热源加热器加热至工作温度；S-CO2进入S-CO2透平膨胀做功并带动发电机发电；S-CO2进入S-CO2回热器热端进行回热降温；S-CO2进入S-CO2中间换热器将余热传递给中压低温空气；S-CO2进入S-CO2压气机完成布雷顿循环。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统的结构示意图。
图标：1-空气压缩机；2-一级换热器；3-低温储热罐；4-高温储热罐；5-二级换热器；6-一级空气透平；7-中间换热器；8-二级空气透平；9-S-CO2透平；10-S-CO2回热器；11-S-CO2压气机；12-S-CO2热源加热器；13-高压容器；S1-第一通道；S2-第二通道；S3-第三通道；S4-第四通道；S5-第五通道；S6-第六通道；S7-第七通道；S8-第八通道；L1-储压通道；L2-导热介质循环通道；L3-压缩空气发电通道；L4-S-CO2发电循环。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参见图1，本实施例中提供一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，包括空气压缩机1、一级换热器2和用于储气的高压容器13；一级换热器2具有第一通道S1和第二通道S2，第一通道S1作为一级换热器2的热端，第二通道S2作为一级换热器2的冷端；空气压缩机1的入口连通空气、出口连通第一通道S1，第一通道S1的出口连通至高压容器13的入口，形成储压通道L1。可选地，空气压缩机1由弃风、弃光或低谷电驱动。
储能发电系统还包括二级换热器5、低温储热罐3和高温储热罐4；二级换热器5具有第三通道S3和第四通道S4，第三通道S3作为二级换热器5的热端，第四通道S4作为二级换热器5的冷端；一级换热器2的第二通道S2的出口连通高温储热罐4、高温储热罐4的出口连通第三通道S3、第三通道S3的出口连通低温储热罐3、低温储热罐3的出口连通第二通道S2的入口，形成导热介质循环通道L2。
储能发电系统还包括一级空气透平6、中间换热器7和二级空气透平8；中间换热器7具有第五通道S5和第六通道S6，第五通道S5作为中间换热器7的冷端，第六通道S6作为中间换热器7的热端；高压容器13的出口连通第四通道S4、第四通道S4的出口连通一级空气透平6、一级空气透平6的出口连通第五通道S5、第五通道S5的出口连通二级空气透平8、二级空气透平8的出口连通空气，形成压缩空气发电通道L3。
储能发电系统还包括S-CO2透平9、S-CO2回热器10、S-CO2压气机11和S-CO2热源加热器12；S-CO2回热器10具有第七通道S7和第八通道S8，第七通道S7作为S-CO2回热器10的热端，第八通道S8作为S-CO2回热器10的冷端；S-CO2压气机11的出口连通第八通道S8、第八通道S8的出口连通S-CO2热源加热器12、S-CO2热源加热器12的出口连通S-CO2透平9、S-CO2透平9的出口连通第七通道S7、第七通道S7的出口连通第六通道S6、第六通道S6的出口连通S-CO2压气机11的入口，形成S-CO2发电循环L4。
本方案中的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统的使用方法如下：
空气进入空气压缩机1压缩至高温高压状态；空气压缩机1利用弃风、弃光或低谷电的能量驱动压缩空气，并将压缩后的空气储存至高压容器13中；大规模储能一般利用开采后的盐穴作为高压容器13储存压缩空气；在用电高峰时，将压缩空气从盐穴中释放出来，可用来驱动空气透平做功并带动发电机进行发电，以实现“削峰填谷”的需求；盐穴的储存压力可以达到16-18MPa。当然，高压容器13还可以使用其他合适的金属容器。
高温高压状态空气通过一级换热器2将热量传递给导热介质循环通道L2内的导热介质，降低温度后的低温高压空气进入地底盐穴储存；低温导热介质进入一级换热器2吸收压缩空气热量，成为高温导热介质；高温导热介质进入高温储热罐4储存；高温导热介质进入二级换热器5将热量传递给由高压容器13输出的低温高压空气，降温成为低温导热介质；低温导热介质进入低温储热罐3储存；导热介质可以是导热油或导热熔盐；
盐穴空气进入二级换热器5吸收导热介质热量成为高温高压空气；高温高压空气进入一级空气透平6做功并拖动发电机发电，膨胀为中压低温空气；中压低温空气进入中间换热器7吸收S-CO2透平9排气热量，成为中温中压空气；中温中压空气进入二级空气透平8做功并拖动发电机发电，膨胀为低压低温空气；低温低压空气直接排入大气；
S-CO2进入S-CO2压气机11升压至工作压力；S-CO2进入S-CO2回热器10冷端进行回热加热；S-CO2进入S-CO2热源加热器12加热至工作温度；S-CO2进入S-CO2透平9膨胀做功并带动发电机发电；S-CO2进入S-CO2回热器10热端进行回热降温；S-CO2进入S-CO2中间换热器7将余热传递给中压低温空气；S-CO2进入S-CO2压气机11完成布雷顿循环。
本申请的方案至少具有以下有益技术效果之一：
（1）本系统采用S-CO2透平9排气作为再热热源，增加一次再热，提高了压缩空气储能发电系统的循环效率；
（2）常规S-CO2布雷顿循环均采用预冷器进行冷却，能量没有充分利用，本系统利用中压低温空气进行冷却，同时实现了能量的充分利用；
（3）本系统无需常规S-CO2布雷顿循环中的预冷器，减少了基础建设成本；
（4）通过压缩空气的储存和释放，能够实现“削峰填谷”的效果，且压缩空气后的热能和压力能分别储存，不需要能够同时存储高温高压空气的高要求的容器，降低设备成本。
本申请还提供一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电方法，其基于前述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统；储能发电方法包括以下步骤：
空气进入空气压缩机1压缩至高温高压状态；空气压缩机1利用弃风、弃光或低谷电的能量驱动压缩空气，并将压缩后的空气储存至高压容器13中；
高温高压状态空气通过一级换热器2将热量传递给导热介质循环通道L2内的导热介质，降低温度后的低温高压空气进入地底盐穴储存；低温导热介质进入一级换热器2吸收压缩空气热量，成为高温导热介质；高温导热介质进入高温储热罐4储存；高温导热介质进入二级换热器5将热量传递给高压容器13输出的低温高压空气，降温成为低温导热介质；低温导热介质进入低温储热罐3储存；
高压容器13输出的低温高压空气进入二级换热器5吸收导热介质热量成为高温高压空气；高温高压空气进入一级空气透平6做功并拖动发电机发电，膨胀为中压低温空气；中压低温空气进入中间换热器7吸收S-CO2透平9排气热量，成为中温中压空气；中温中压空气进入二级空气透平8做功并拖动发电机发电，膨胀为低压低温空气；低温低压空气直接排入大气；
S-CO2进入S-CO2压气机11升压至工作压力；S-CO2进入S-CO2回热器10冷端进行回热加热；S-CO2进入S-CO2热源加热器12加热至工作温度；S-CO2进入S-CO2透平9膨胀做功并带动发电机发电；S-CO2进入S-CO2回热器10热端进行回热降温；S-CO2进入S-CO2中间换热器7将余热传递给中压低温空气；S-CO2进入S-CO2压气机11完成布雷顿循环。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，其特征在于：
所述储能发电系统包括空气压缩机、一级换热器和用于储气的高压容器；
所述一级换热器具有第一通道和第二通道，所述第一通道作为所述一级换热器的热端，所述第二通道作为所述一级换热器的冷端；
所述空气压缩机的入口连通空气、出口连通所述第一通道，所述第一通道的出口连通至所述高压容器的入口，形成储压通道；
所述储能发电系统还包括二级换热器、低温储热罐和高温储热罐；
所述二级换热器具有第三通道和第四通道，所述第三通道作为所述二级换热器的热端，所述第四通道作为所述二级换热器的冷端；
所述一级换热器的第二通道的出口连通所述高温储热罐、所述高温储热罐的出口连通所述第三通道、所述第三通道的出口连通所述低温储热罐、所述低温储热罐的出口连通所述第二通道的入口，形成导热介质循环通道；
所述储能发电系统还包括一级空气透平、中间换热器和二级空气透平；
所述中间换热器具有第五通道和第六通道，所述第五通道作为所述中间换热器的冷端，所述第六通道作为所述中间换热器的热端；
所述高压容器的出口连通所述第四通道、所述第四通道的出口连通所述一级空气透平、所述一级空气透平的出口连通所述第五通道、所述第五通道的出口连通所述二级空气透平、所述二级空气透平的出口连通空气，形成压缩空气发电通道；
所述储能发电系统还包括S-CO2透平、S-CO2回热器、S-CO2压气机和S-CO2热源加热器；
所述S-CO2回热器具有第七通道和第八通道，所述第七通道作为所述S-CO2回热器的热端，所述第八通道作为所述S-CO2回热器的冷端；
所述S-CO2压气机的出口连通所述第八通道、所述第八通道的出口连通所述S-CO2热源加热器、所述S-CO2热源加热器的出口连通所述S-CO2透平、所述S-CO2透平的出口连通所述第七通道、所述第七通道的出口连通所述第六通道、所述第六通道的出口连通所述S-CO2压气机的入口，形成S-CO2发电循环。
2.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，其特征在于：
所述空气压缩机由弃风、弃光或低谷电驱动。
3.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，其特征在于：
所述高压容器为盐穴。
4.根据权利要求1所述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统，其特征在于：
所述导热介质为导热油或导热熔盐。
5.一种耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的耦合超临界二氧化碳循环的压缩空气储能发电系统；所述储能发电方法包括以下步骤：
空气进入空气压缩机压缩至高温高压状态；空气压缩机利用弃风、弃光或低谷电的能量驱动压缩空气，并将压缩后的空气储存至高压容器中；
高温高压状态空气通过一级换热器将热量传递给导热介质循环通道内的导热介质，降低温度后的低温高压空气进入高压容器储存；低温导热介质进入一级换热器吸收压缩空气热量，成为高温导热介质；高温导热介质进入高温储热罐储存；高温导热介质进入二级换热器将热量传递给高压容器输出的低温高压空气，降温成为低温导热介质；低温导热介质进入低温储热罐储存；
高压容器输出的低温高压空气进入二级换热器吸收导热介质热量成为高温高压空气；高温高压空气进入一级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为中压低温空气；中压低温空气进入中间换热器吸收S-CO2透平排气热量，成为中温中压空气；中温中压空气进入二级空气透平做功并拖动发电机发电，膨胀为低压低温空气；低温低压空气直接排入大气；
S-CO2进入S-CO2压气机升压至工作压力；S-CO2进入S-CO2回热器冷端进行回热加热；S-CO2进入S-CO2热源加热器加热至工作温度；S-CO2进入S-CO2透平膨胀做功并带动发电机发电；S-CO2进入S-CO2回热器热端进行回热降温；S-CO2进入S-CO2中间换热器将余热传递给中压低温空气；S-CO2进入S-CO2压气机完成布雷顿循环。
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