CN112576329B - 一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法，其以导热油作为蓄热工质，该系统包括储能侧单元、发电侧单元、氮封单元、氮气排放单元和导热油再生单元；储能侧换热器采用余热等作为热源将导热油加热后进行储存；发电侧单元采用储存的导热油将工质加热以用于发电；氮封单元用于对导热油的保护及系统定压；氮气排放单元用于当罐内压力升高时维持系统的运行压力；导热油再生单元用于对导热油进行在线再生。本发明适用于中温蓄热的导热油储能发电系统，可以达到氮封系统安全、环保排放的目的，可在线实现导热油的再生与回收，实现导热油储能系统的稳定安全运行。发电时可实现储能系统启动时间小于10分钟，满足电网调峰快速响应的需求。

Description

一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法，其采用导热油作为储热工质，属于储能技术领域。

背景技术：

近年来，我国新能源发展迅速，但由于风光出力的波动性，导致弃风、弃光日趋严重。此外，我国工业生产中存在着大量的中低品位的余热能源，这些废热还没有得到充分的利用。随着新能源占比的扩大，电网峰谷差不断加大，电网调节能力严重不足。蓄热储能发电技术是解决弃风弃光、实现余热回收利用、缓解电网峰谷差最有效、最经济的手段之一。

按照储热的温度划分，储热技术可以分为三类：400℃以上的高温蓄热一般采用石英石、混凝土等固体蓄热材料，200-400℃中温蓄热一般采用熔融盐、导热油作为蓄热材料；200℃以下的低温蓄热一般采用水作为蓄热材料。针对中温蓄热，熔融盐中二元盐的使用温度一般为260-550℃，且需要与其他工质联合蓄热。此外熔融盐系统复杂，需设置伴热防止凝固，额外增加能源消耗。因此，中温蓄热一般采用导热油来进行蓄热。

目前市场上存在着多种样式的导热油储能系统，但都存在着各种各样的问题。实用新型专利（CN 210740716 U）和(CN 209541174 U)提出了两种导热油储能系统，但这两种导热油系统均存在着以下三个缺陷和不足：

1、氮封系统设计存在缺陷

导热油储能系统中，为了保证导热油的安全稳定运行，需要进行氮封。在系统不同运行工况时，冷热油罐的氮封系统会需要补充或排出氮气。在系统压力超出安全压力时，安全阀会启动排出氮气。由于导热油运行过程中会分解产生轻组分，导热油轻组分会和氮气混合在以气相状态存在。该两项实用新型中的氮封系统中，将氮气均直接排向大气，这样会使得排出的氮气温度过高，同时会带出导热油的轻组分污染环境，无法满足安全环保的要求。

2、未配置再生系统

导热油储能过程中，轻组分和重组分会一直产生，当达到一定的分解率时，需要进行再生回收处理。若不处理，轻组分会使得系统压力升高，影响系统的运行安全，重组分会堆积在阀门、管道、设备中，影响设备的运行。因此，导热油储能系统需布置在线再生回收系统，保证系统的安全稳定运行。

3、无法快速启动满足，难以满足电网调峰快速响应的需求

目前的导热油储能系统中，发电侧的设备及换热器未能根据电网调峰快速响应的需求做特殊设计。按照目前的系统设计，启动时，管道、油泵、换热器均需要进行暖管，管道温升在2-5℃/min左右，启动时间在1小时以上，难以满足电网快速响应的需求。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法，适用于中温蓄热的导热油储能发电系统，防止氮气排放温度过高，防止氮气中的导热油轻组分随氮气排出，达到氮气安全、环保排放的目的，并且可在线实现导热油的再生与回收，实现导热油储能系统的稳定安全运行；可实现储能系统启动时间小于10分钟，满足电网调峰快速响应的需求。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种快速响应的蓄热储能发电系统，包括储能侧单元、发电侧单元、氮封单元、氮气排放单元和导热油再生单元；

所述储能侧单元包括冷油罐、与冷油罐连接的冷油泵，所述冷油泵输出两路管路，其中一路通过第一截止阀连接导热油缓冲罐，另一路通过第二截止阀连接储能侧换热器，所述储能侧换热器采用供热余热作为换热介质；

所述发电侧单元包括与所述储能侧换热器连接的热油罐、与所述热油罐连接的热油泵，所述热油泵输出两路管路，其中一路通过第三截止阀连接导热油再生罐，另一路通过第四截止阀连接所述的导热油缓冲罐，所述导热油缓冲罐连接发电侧换热器；

所述氮封单元包括氮封入口管，所述氮封入口管连接所述的冷油罐，所述冷油罐通过氮封连通管连接所述热油罐，所述氮封连通管上布置有氮封管截止阀，所述氮封连通管通过氮封排放阀与所述氮气排放单元连接；

所述氮气排放单元包括与所述氮封排放阀连接的氮气冷却器，所述氮气冷却器连接放空分水罐，所述放空分水罐的顶部通过活性炭吸附罐连接氮气排放管道，所述放空分水罐的底部连接放水阀；

所述导热油再生单元包括与所述热油泵通过第三截止阀连接的导热油再生罐，所述导热油再生罐上部通过轻组分冷凝器连接轻组分储罐，所述轻组分储罐通过再生系统油泵连接所述的冷油罐。

所述的快速响应的蓄热储能发电系统，所述冷油罐上设置有冷油罐安全阀与所述氮气排放单元连接，所述热油罐上设置有热油罐安全阀与所述氮气排放单元连接。

所述的快速响应的蓄热储能发电系统，所述热油罐至导热油缓冲罐之间的管道均布置有电伴热。

用上述快速响应的蓄热储能发电系统进行储能发电的方法，该方法为：

系统运行时，首先启动氮封单元开始工作，再运行储能工况，储能侧单元中的储能侧换热器吸收太阳能、工业余热、压缩空气的热量或由低谷电和弃风弃光电加热，导热油从冷油罐中流出经冷油泵加压后经第二截止阀进入储能侧换热器之中被加热，达到高温状态后，进入热油罐之中，储能工况工作完毕时，冷油罐内要存有油罐容积5-10%的冷油，供发电工况启动时使用；储能工况运行完毕后，系统进入静止工况，此时，系统从外部热源中吸收到的热量全部储存于热油罐中的导热油之中；当系统需要发电时，储能侧单元中，冷油泵开启、第一截止阀开启、第二截止阀关闭，导热油从冷油罐中流出经冷油泵加压后经第一截止阀进入导热油缓冲罐之中；发电侧单元中，热油泵开启，第三截止阀关闭，第四截止阀开启，导热油从热油罐中流出经热油泵加压后经第四截止阀进入导热油缓冲罐中；此时，通过调节第一截止阀和第四截止的开度，可以控制冷导热油和热导热油进入导热油缓冲罐的流量，进而调节导热油缓冲罐的出口温度，导热油缓冲罐的出口温度要根据发电侧换热器的壳体温度进行调整，发电工况结束后，系统进入待储工况，此时系统内的导热油均储存在冷油罐之中，等待下一次储能工况启动，在储能工况和发电工况运行的过程中，氮气排放工况、导热油再生工况根据系统运行实际情况进行运行。

所述的快速响应的蓄热储能发电方法，所述氮气排放工况：当发电工况运行时，导热油从热油罐流入冷油罐，氮气随之从冷油罐流向热油罐导致压力升高，系统会通过氮气排放单元排出部分氮气以维持系统的压力稳定，在罐内压力超过氮封压力时，冷油罐/热油罐内的氮气经过氮封排放阀进行排放；当冷油罐/热油罐内压力由于事故骤然升高超过其工作压力1.1倍时，氮气也经冷油罐安全阀和热油罐安全阀进行排放。氮气排放工况运行时，氮气冷却器启动，先将氮气冷却至环境温度，再进入放空分水罐内，在放空分水罐内，排放的氮气分离为气相物质和液相物质，液相物质经放水阀排出，气相物质为氮气和导热油轻组分的混合物，其先进入活性炭吸附罐之中，将导热油轻组分进行吸附，剩余的氮气排入大气之中。

所述的快速响应的蓄热储能发电方法，所述导热油再生工况运行时，热油泵开启，第三截止阀开启，导热油从热油罐中流出经热油泵加压后经第三截止阀进入再生系统之中，由第三截止阀来调节进入导热油再生单元的流量，导热油进入再生装置之后，通过控制一定的压力和温度，将轻组分和中间有效组分蒸馏出来，进入轻组分冷凝器之中，经冷凝后进入轻组分储罐之中，然后经再生系统导热油泵输送至冷油罐之中，导热油再生装置中剩余的重组分和导热油残值进入重组分储罐之中，集中进行环保处理。

有益效果：

1、本发明提出了一种适用于中温蓄热的导热油储能发电系统及其快速启动方法，可回收工业余热、太阳能、压缩空气、弃风弃光电和低谷电的能量，发电时通过加热水蒸气、高压空气、有机工质等驱动汽轮机或透平做功发电，满足用电高峰时电网的需求。

2、本发明提出了一种导热油氮封系统中氮气排放系统设计方法，可以解决氮气排放温度过高、污染环境等问题，通过空冷器将排出的氮气先进行冷却，再将氮气中的导热油轻组分通过活性炭吸附罐吸附，实现氮气排放的安全和环保。

3、本发明提出了一种导热油再生系统设计方法，可在线实现导热油的轻组分和重组分的分离，轻组分冷凝后进行回收，重组分储存后集中进行环保处理，实现导热油储能系统的稳定安全运行。

4、本发明提出了一种可实现导热油储能发电系统快速启动的系统设计和启动方法，可实现储能系统启动时间小于10分钟，满足电网调峰快速响应的需求。

附图说明：

图1本发明的系统连接图。

图中：1、冷油罐；2、热油罐；3、冷油泵；4、第一截止阀；5、第二截止阀；6、储能侧换热器；7、热油泵；8、第三截止阀；9、第四截止阀；10、导热油缓冲罐；11、发电侧换热器；12、氮封入口管道；13、氮封联通管；14、冷油罐安全阀；15、氮封联通管截止阀；16、热油罐安全阀；17、氮封放气阀；18、氮气冷却器；19、活性炭吸附罐；20、放空分水罐；21、放水阀；22、轻组分冷凝器；23、导热油再生装置；24、轻组分储罐；25、重组分储罐；26、再生系统油泵。

具体实施方式：

现在结合附图对本技术发明作进一步详细的说明。这些附图均为示意图，仅以示意方式说明本技术发明的基本结构，因此其仅显示与本技术发明有关的构成。

本发明为一种快速响应的蓄热储能发电系统及方法，其以导热油作为储热介质，如图1所示，其主要由储能侧单元、发电侧单元、氮封单元、氮气排放单元和导热油再生单元组成。

储能侧单元主要有冷油罐1、冷油泵3、第一截止阀4、第二截止阀5、储能侧换热器6、冷油罐安全阀14及连接管道组成。冷油泵3后有两个管道支路，一个管道支路通过第一截止阀4与导热油缓冲罐10相连，另一个管道支路通过第二截止阀5与储能侧换热器6相连。冷油罐1上布置有冷油罐安全阀14。

发电侧单元主要由热油罐2、热油泵7、第三截止阀8、第四截止阀9、导热油缓冲罐10、发电侧换热器11、热油罐安全阀16及连接管道组成。热油罐2、热油泵7、热油罐2至导热油缓冲罐10之间的管道均布置有电伴热，如图1中的虚线所示。热油罐2上布置有热油罐安全阀16。热油泵7后有两个管道支路，一个管道支路通过第三截止阀8与导热油再生单元相连，缓冲罐10相连，另一个管道支路通过第四截止阀9与导热油缓冲罐10相连。导热油缓冲罐10入口分别通过第一截止阀4和第四截止阀9与冷油泵3和热油泵7相连，出口与发电侧换热器11相连。

氮封单元由氮封入口管12、氮封联通管13、氮封联通管截止阀15、氮封排放阀17组成。氮封入口管12与冷油罐1相连，冷油罐1和热油罐2顶部通过氮封联通管13进行联通，氮封联通管13上布置有截止阀15，氮封联通管通过氮封排放阀17与氮气排放单元相连。

氮气排放单元由氮气冷却器18、活性炭吸附罐19、放空分水罐20、放水阀21组成。氮气排放单元通过氮封排放阀17与氮封单元相连，通过冷油罐安全阀14与冷油罐1相连，通过热油罐安全阀16与热油罐相连。

导热油再生单元主要由导热油再生装置23、轻组分冷凝器22、轻组分储罐24、重组分储罐25、导热油再生单元油泵26等组成。导热油再生单元通过第三截止阀8与热油泵1相连，通过导热油再生单元油泵26与冷油罐1相连。

系统运行时，氮封单元要首先工作。系统的运行工况主要分为储能工况、静止工况、发电工况和待储工况，氮气排放工况、导热油再生工况等根据系统运行实际情况进行运行。下面分别论述之：

氮封单元：为了实现对导热油的保护及系统定压，导热油系统布置有氮封单元。氮封单元的氮气来源为厂区内自备的制氮机，在系统运行前，氮气从氮封入口管道12进入冷油罐1内并维持一定压力，此时氮封联通管13上的截止阀15打开，冷油罐1和热油罐2内维持有相同的压力。此压力根据所采用导热油的工作压力决定，一般比工作压力高0.2-0.4MPa。由于导热油会随系统运行产生的温度变化，导热油收缩或膨胀造成罐内压力波动，此时可通过氮封进气管道12及氮封排气阀17的开关调整储罐内压力，进而稳定导热油系统定压。当罐内压力升高时，氮封排气阀17开启，将罐内氮气排放至氮气冷却系统；当罐内压力降低时，氮封进气管道12开启进行补气，维持系统的运行压力。在停机检修时，氮封联通管上的截止阀15关闭，冷油罐1和热油罐2分开进行检修。

储能工况：储能工况运行时，冷油泵3开启、第一截止阀4关闭、第二截止阀5开启，导热油从冷油罐1中流出经冷油泵3加压后经第二截止阀5进入储能侧换热器6之中，吸收太阳能、工业余热、压缩空气的热量或由低谷电和弃风弃光电加热，达到高温状态后，进入热油罐2之中。储能工况工作完毕时，冷油罐1内要存有一定量的冷油，供发电工况启动时使用。

静止工况：储能工况运行完毕后，系统进入静止工况。此时，系统从外部热源中吸收到的热量全部储存于热油罐2中的导热油之中。

发电工况：当电网用电量较大时，发电工况开始启动以响应电网需求。由于热油罐2、热油泵7、热油罐2至导热油缓冲罐10之间的管道均布置有电伴热，此段管道从上一循环运行后温降较小，不需要进行暖管，可大大缩短系统的启动时间。发电工况运行时，储能侧单元中，冷油泵3开启、第一截止阀4开启、第二截止阀5关闭，导热油从冷油罐1中流出经冷油泵3加压后经第一截止阀4进入导热油缓冲罐10之中。发电侧单元中，热油泵7开启，第三截止阀8关闭，第四截止阀9开启，导热油从热油罐2中流出经热油泵7加压后经第四截止阀9进入导热油缓冲罐10中。此时，通过调节第一截止阀4和第四截止9的开度，可以控制冷导热油和热导热油进入导热油缓冲罐的流量，进而可以调节导热油缓冲罐10的出口温度。为了防止发电侧换热器11发生干烧及温差过大的情况，导热油缓冲罐10的出口温度要根据发电侧换热器11的壳体温度进行调整，并逐渐升高，这样可以防止发电侧换热器产生过大的热应力，提高换热器的使用寿命。发电工质可以是水蒸汽、高压压缩空气或有机工质，经发电侧换热器11加热后，进入透平做功，带动发电机进行发电，满足电网的需求。发电侧单元中电伴热和导热油缓冲罐10的设计，可有效减小发电工况的启动时间。

待储工况：发电工况结束后，系统进入待储工况，此时系统内的导热油均储存在冷油罐1之中，等待下一次储能工况启动。

氮气排放工况：当导热油储罐内的压力过高时，系统会通过氮气排放单元排出部分氮气以维持系统的压力稳定。油罐内的氮气一般情况下经过氮封排放阀17进行排放，当油罐内压力骤然升高时，氮气也会经冷油罐安全阀14和热油罐安全阀16进行排放。氮气排放工况运行时，氮气冷却器18启动，先将氮气冷却至环境温度，再进入放空分水罐20内。在放空分水罐20内，排放的氮气分离为气相物质和液相物质，液相物质一般为水，经放水阀21排出。气相物质为氮气和导热油轻组分的混合物，直接排入大气中会引起环境污染，因此其先进入活性炭吸附罐19之中，将导热油轻组分进行吸附，剩余的氮气排入大气之中，达到环保的目的。

导热油再生工况：当导热油系统运行一段时间之后，由于导热油中轻组分和重组分的产生，会影响系统运行的安全和稳定性。此时，可对导热油进行在线再生。导热油再生工况可与蓄热工况和发电工况同时运行。导热油再生工况运行时，热油泵7开启，第三截止阀8开启，导热油从热油罐2中流出经热油泵7加压后经第三截止阀8进入再生系统之中，由第三截止阀8来调节进入导热油再生单元的流量。导热油进入再生装置23之后，通过控制一定的压力和温度，将轻组分和中间有效组分蒸馏出来，进入轻组分冷凝器22之中，经冷凝后进入轻组分储罐24之中，然后经再生系统导热油泵26输送至冷油罐之中。再生装置23中剩余的重组分和导热油残值进入重组分储罐25之中，集中进行环保处理。

以上说明书中描述的只是本技术发明的具体实施方式，各种举例说明不对本技术发明的实质构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本技术发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种快速响应的蓄热储能发电系统，其特征在于，采用导热油作为蓄热介质，该系统包括储能侧单元、发电侧单元、氮封单元、氮气排放单元和导热油再生单元；

所述储能侧单元包括冷油罐、与冷油罐连接的冷油泵，所述冷油泵输出两路管路，其中一路通过第一截止阀连接导热油缓冲罐，另一路通过第二截止阀连接储能侧换热器，所述储能侧换热器采用工业余热、太阳能或压缩空气作为换热介质；

所述发电侧单元包括与所述储能侧换热器连接的热油罐、与所述热油罐连接的热油泵，所述热油泵输出两路管路，其中一路通过第三截止阀连接导热油再生罐，另一路通过第四截止阀连接所述的导热油缓冲罐，所述导热油缓冲罐连接发电侧换热器；

所述氮封单元包括氮封入口管，所述氮封入口管连接所述的冷油罐，所述冷油罐通过氮封连通管连接所述热油罐，所述氮封连通管上布置有氮封管截止阀，所述氮封连通管通过氮封排放阀与所述氮气排放单元连接；

所述氮气排放单元包括与所述氮封排放阀连接的氮气冷却器，所述氮气冷却器连接放空分水罐，所述放空分水罐的顶部通过活性炭吸附罐连接氮气排放管道，所述放空分水罐的底部连接放水阀；

所述导热油再生单元包括与所述热油泵通过第三截止阀连接的导热油再生罐，所述导热油再生罐上部通过轻组分冷凝器连接轻组分储罐，所述轻组分储罐通过再生系统油泵连接所述的冷油罐。

2.根据权利要求1所述的快速响应的蓄热储能发电系统，其特征在于，所述冷油罐上设置有冷油罐安全阀与所述氮气排放单元连接，所述热油罐上设置有热油罐安全阀与所述氮气排放单元连接。

3.根据权利要求1所述的快速响应的蓄热储能发电系统，其特征在于，所述热油罐至导热油缓冲罐之间的管道均布置有电伴热。

4.一种用权利要求1-3之一所述的快速响应的蓄热储能发电系统进行储能发电的方法，其特征在于，该方法为：

系统运行时，首先启动氮封单元开始工作，再运行储能工况，储能侧单元中的储能侧换热器吸收太阳能、工业余热、压缩空气的热量或由低谷电和弃风弃光电加热，导热油从冷油罐中流出经冷油泵加压后经第二截止阀进入储能侧换热器之中被加热，达到高温状态后，进入热油罐之中，储能工况工作完毕时，冷油罐内要存有油罐容积5-10%的冷油，供发电工况启动时使用；储能工况运行完毕后，系统进入静止工况，此时，系统从外部热源中吸收到的热量全部储存于热油罐中的导热油之中；当系统需要发电时，储能侧单元中，冷油泵开启、第一截止阀开启、第二截止阀关闭，导热油从冷油罐中流出经冷油泵加压后经第一截止阀进入导热油缓冲罐之中；发电侧单元中，热油泵开启，第三截止阀关闭，第四截止阀开启，导热油从热油罐中流出经热油泵加压后经第四截止阀进入导热油缓冲罐中；此时，通过调节第一截止阀和第四截止阀的开度，可以控制冷导热油和热导热油进入导热油缓冲罐的流量，进而调节导热油缓冲罐的出口温度，导热油缓冲罐的出口温度要根据发电侧换热器的壳体温度进行调整，发电工况结束后，系统进入待储工况，此时系统内的导热油均储存在冷油罐之中，等待下一次储能工况启动，在储能工况和发电工况运行的过程中，氮气排放工况、导热油再生工况根据系统运行实际情况进行运行。

5.根据权利要求4所述的储能发电的方法，其特征在于，所述氮气排放工况工作过程为：当发电工况运行时，导热油从热油罐流入冷油罐，氮气随之从冷油罐流向热油罐导致压力升高，系统会通过氮气排放单元排出部分氮气以维持系统的压力稳定，在罐内压力超过氮封压力时，冷油罐/热油罐内的氮气经过氮封排放阀进行排放；当冷油罐/热油罐内压力由于事故骤然升高超过其工作压力1.1倍时，氮气也经冷油罐安全阀和热油罐安全阀进行排放，氮气排放工况运行时，氮气冷却器启动，先将氮气冷却至环境温度，再进入放空分水罐内，在放空分水罐内，排放的氮气分离为气相物质和液相物质，液相物质经放水阀排出，气相物质为氮气和导热油轻组分的混合物，其先进入活性炭吸附罐之中，将导热油轻组分进行吸附，剩余的氮气排入大气之中。

6.根据权利要求4所述的储能发电的方法，其特征在于，所述导热油再生工况运行时，热油泵开启，第三截止阀开启，导热油从热油罐中流出经热油泵加压后经第三截止阀进入再生系统之中，由第三截止阀来调节进入导热油再生单元的流量，导热油进入再生装置之后，通过控制一定的压力和温度，将轻组分和中间有效组分蒸馏出来，进入轻组分冷凝器之中，经冷凝后进入轻组分储罐之中，然后经再生系统导热油泵输送至冷油罐之中，导热油再生装置中剩余的重组分和导热油残值进入重组分储罐之中，集中进行环保处理。

Images