CN112923595B - 一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统及方法，以克服目前压缩二氧化碳储能技术存在的低压二氧化碳液化依赖低温冷源，难以在室温条件下进行液化的问题。本发明主要由二氧化碳储能循环回路，蓄热循环回路组成。利用涡流管实现低压二氧化碳储能工质在常温条件下液化。所提出的压缩二氧化碳储能系统可用于平抑可再生能源的功率波动，提高可再生能源的并网容量等级，也可以用于电力系统削峰填谷，降低峰谷差。对于减少碳排放、促进经济发展、加快我国能源结构转型等方面具有重要的现实意义和工程应用价值。

Description

一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统及方法
技术领域
本发明属于物理储能技术领域，特别涉及一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统及方法。
背景技术
能源是社会发展的物质基础，同时也是制约经济发展的关键因素。随着经济和社会的不断发展，能源消耗不断增加，继续增加传统电力产能将带来严峻的环境污染问题。太阳能、风能等可再生能源的开发利用为解决当前我国能源与环境问题提供了途径。然而，风能、太阳能具有波动性、间歇性等特点，大规模并网所带来的功率波动是其规模化有效利用所面临的主要困难，给我国电力产业供给侧带来严峻挑战。如何提高可再生能源利用率，是加快我国能源结构向绿色可持续发展体系转变的关键。
储能系统具有分时能量储存与释放的能力，可以平抑风能、太阳能等发电系统的功率波动，提高电网对新能源电力的接纳能力。压缩气体储能作为规模化储能技术之一，具有投资成本低，储能密度高等优点，有助于实现可再生能源的高效利用。
压缩气体储能技术主要经历以下发展过程，首先是以空气为储存工质的传统压缩空气储能技术，为保证系统存储容量，需要大规模天然洞穴(山洞、废弃矿井等)，化石燃料的补燃不可避免的带来环境污染，压缩过程热以及膨胀透平尾气余热的浪费，造成系统运行效率低。在此基础上发展而来的绝热压缩空气储能技术，有效的利用了空气压缩过程中产生的热量，使系统摆脱了对化石燃料的依赖，提高了系统运行效率。基于绝热压缩空气储能技术，引入电加热、太阳能集热等多种方式可提高系统输出功率等级。然而，无论如何改进，只要空气以气态形式存储，就会极大的限制系统储能密度。有基于此，以液态形式存储的液化空气储能技术应运而生，极大的提高了系统的储能密度，但同时也带来了新的问题。由于空气的临界温度较低，其液化需在-195℃的极端低温条件下进行，这将要求过程需要额外冷源提供低温条件，且会导致部件材料的“冷脆”问题，对材料的要求较高，同时在液化过程中会出现“空气分离”现象。因而，寻求临界温度较高的其他介质代替空气，以提高液态存储的温度是采用液态储存的压缩气体储能技术的关键。鉴于二氧化碳物性良好，其具有合适的临界温度(约31℃)和适中的临界压力(约7.38MPa)，相比于空气液化更为容易，同时还具有做功能力大、设备紧凑的优点，因而成为新一代储能系统工质的研究热点。
以绝热压缩空气储能技术为基础，现有的压缩二氧化碳储能技术与压缩空气储能技术最大的不同点在于其形式为闭式循环，经透平膨胀做功的二氧化碳无法排放到大气中，需设置储罐存储低压二氧化碳。目前提出的压缩二氧化碳储能技术中，若以气态形式存储二氧化碳，会导致储能密度不高，且需配置节流阀来调节系统输出功率的稳定，产生了节流损失，降低了系统效率；若以液态形式存储二氧化碳，则依赖LNG等低温冷源对低压二氧化碳进行液化，抑或需低温蓄冷装置来实现冷能的循环利用，极大的限制了系统应用的灵活性，无论何种形式，均无法在常温条件下实现低压二氧化碳的液化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统及方法，以解决当前压缩二氧化碳储能技术中存在的膨胀后二氧化碳液化需要额外冷源，难以在室温条件下进行液化的问题，涡流管一般用于制冷系统，带压气体经涡流管膨胀加速，形成自由涡流后分离得到制冷需要的冷气流。而在本系统中，低压二氧化碳经涡流管除产生冷热两股气流，还得到饱和的二氧化碳液体。本发明具备应用灵活、工作高效、储能密度高、功率输出稳定等优点，可应用于波动性可再生能源的并网场合，有效减少“弃风”、“弃光”，也可应用于实现电力系统削峰填谷，增强电力系统运行可靠性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，包括低压二氧化碳储液罐，所述低压二氧化碳储液罐的出口端连接至第一换热器，所述第一换热器的出口端连接至主压缩机，所述主压缩机通过主电动机驱动，所述主压缩机的出口端依次通过第二换热器和冷凝器连接至高压二氧化碳储液罐，所述高压二氧化碳储液罐的出口端通过蒸发器连接至透平，所述透平上连接有发电机，所述透平的出口端连接至涡流管的入口，所述涡流管的低温液体出口连接至低压二氧化碳储液罐的入口端，所述涡流管的低温气体出口和高温气体出口混合后连接至副压缩机，所述副压缩机由副电动机驱动，所述副压缩机的出口端连接至涡流管的入口，还包括低温储水罐，所述低温储水罐的出口端通过第二换热器连接至高温储水罐，所述高温储水罐的出口端通过蒸发器连接至低温储水罐。
进一步地，所述低压二氧化碳储液罐与第一换热器之间设置有第一阀门。
进一步地，所述高压二氧化碳储液罐与蒸发器之间设置有第二阀门。
进一步地，所述高压二氧化碳储液罐的温度保持在31摄氏度以下。
进一步地，所述高温储水罐与蒸发器之间设置有第一循环泵。
进一步地，所述低温储水罐与第二换热器之间设置有第二循环泵。
进一步地，所述第一换热器的换热介质为常温空气，且第一换热器中液态二氧化碳在常温空气的加热下完全气化。
进一步地，所述冷凝器的换热介质为常温水，且冷凝器中气态二氧化碳在常温水的冷却下完全液化。
进一步地，所述的低压二氧化碳储液罐外部设绝热保温材料。
一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能方法，包括储能过程和释能过程：
在储能过程中，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐经第一换热器蒸发后，进入主压缩机压缩至高压，主压缩机由多余电能驱动的主电动机带动，压缩后的高压气态二氧化碳经第二换热器，冷凝器释放热量后，冷凝至液态进入高压二氧化碳储液罐，同时，低温储水罐中的低温水送入第二换热器，压缩过程产生的热量经第二换热器传递至工质水，升温后的工质水存入高温储水罐，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化，储能过程完成；
在释能过程中，液态的高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐流入蒸发器，在蒸发器中热能传递至高压二氧化碳，二氧化碳气化并升温，随后进入透平膨胀做功，透平带动发电机输出稳定电能送入电网，透平出口的低压气态二氧化碳进入涡流管的入口，经涡流管分离成三股流体，低温液体由涡流管的低温液体出口直接进入低压二氧化碳储液罐进行存储，涡流管低温气体出口的低温气体和高温气体出口的高温气体混合后进入由副电动机驱动的副压缩机，压缩后再次进入涡流管完成自冷凝过程，同时，高温储水罐中的高温水流入蒸发器，在蒸发器中将热量传递给液态高压二氧化碳，降温后的水存入低温储水罐，释能过程完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统采用电能作为能量输入，采用二氧化碳作为储能工质。将电能通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能以及内能进行存储，通过透平将所储存的能量进行稳定、可控的释放。高压、低压二氧化碳均以液态形式存储，人工储罐即可满足所需容量需求，无需额外的低温冷源，低压二氧化碳通过涡流管即可实现在常温条件下的液化。该系统具备应用灵活、工作高效、储能密度高、功率输出稳定等优点，可有效提高可再生能源的并网容量等级，亦可实现电力系统削峰填谷，对于减少碳排放、促进经济发展、加快我国能源结构转型等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
进一步地，将涡流管引入所述储能系统，低压二氧化碳无需额外冷源即可实现常温条件下的液化，可同时摆脱对地理条件和低温冷源的依赖，提高储能系统的储能密度，以及应用的灵活性。改善储能系统性能的同时，拓宽了涡流管的应用范围。
进一步地，本发明采用水作为蓄热介质，来源广泛，相比其他蓄热介质(导热油等)成本更低，比热容更大，用量更少，可有效减小系统体积；整个系统二氧化碳压力运行范围在临界压力附近及以上，动力循环效率高，压缩耗功少。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统的结构示意图。
图1中：1、低压二氧化碳储液罐；2、第一阀门；3、第一换热器；4、主电动机；5、主压缩机；6、第二换热器；7、冷凝器；8、高压二氧化碳储液罐；9、第二阀门；10、蒸发器；11、透平；12、发电机；13、涡流管；14、副压缩机；15、高温储水罐；16、第一循环泵；17、低温储水罐；18、第二循环泵；19、副电动机。
图2为涡流管结构示意图。
图2中：21、入口；22、低温气体出口；23、高温气体出口；24、低温液体出口。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，可有效平抑可再生能源的功率波动，提高可再生能源的利用率，也可实现电力系统削峰填谷，降低峰谷差。本发明以电能为输入，采用二氧化碳作为储能工质。将电能通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能与内能进行存储，通过透平将所储存的能量进行稳定可控释放。主要优势在于高压、低压二氧化碳均以液态形式存储，人工储罐即可满足需求；采用涡流管实现透平膨胀后的低压二氧化碳自冷凝，摆脱低压二氧化碳液化过程对低温冷源的依赖，极大的提升了系统的灵活性；蓄热系统采用水作为蓄热介质，来源广泛，相比其他蓄热介质(导热油等)成本更低，比热容更大，用量更少，可有效减小系统体积；整个系统二氧化碳压力运行范围在临界压力附近及以上，动力循环效率高，压缩耗功少。
该系统工作过程分为储能过程和释能过程：
储能过程中，电能通过主电动机4驱动主压缩机5，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐1流出，经第一换热器3蒸发后，进入主压缩机5压缩至较高压力等级，气态的高压二氧化碳经第二换热器2降温后进入冷凝器7冷凝至液态进入高压二氧化碳储液罐8存储，压缩热经第二换热器6传递至蓄热循环回路，储能过程完成；
释能过程中，高压的液态二氧化碳在蒸发器10中吸收储存在蓄热循环回路中的热能，完成气化过程并提升温度，进入透平11膨胀做功，透平11带动发电机12输出电能送入电网，透平11出口低压气态二氧化碳进入涡流管13。二氧化碳气体进入涡流管13通过喷嘴膨胀加速后，气体进入两相区，并在涡流室内高速旋转，中心区域气温低，外层区域气温高，饱和液被分离，从低温液体出口24流出，同时冷热气体分别由低温气体出口22和高温气体出口23流出，混合后送入副压缩机14，经副电动机19驱动压缩后再次进入涡流管13完成常温液化过程，直至所有二氧化碳均完成液化，释能过程完成。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1，一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统示意图来详细描述其工作原理。该系统主要由二氧化碳储能循环回路，蓄热循环回路组成。二氧化碳储能循环回路由二氧化碳压缩机、透平、各类换热器、液态二氧化碳储罐、电动机/发电机及阀门组成；蓄热循环回路由储水罐、循环泵组成。
主要工作原理描述如下：
系统工作过程分为储能过程和释能过程。
在储能过程中，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐1经第一阀门2流出，经第一换热器3蒸发后，进入主压缩机5压缩至高压，主压缩机5由多余电能驱动的主电动机4带动，压缩后的高压气态二氧化碳经第二换热器6，冷凝器7释放热量后，冷凝至液态进入高压二氧化碳储液罐8进行存储。同时，在蓄热回路中，低温储水罐17中的低温水经第二循环泵18加压后送入第二换热器6，压缩过程产生的压缩过程热经第二换热器6传递至蓄热循环回路中的工质水，升温后的水存入高温储水罐15，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化，储能过程完成。
在释能过程中，液态的高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐8流出，经第二阀门9流入蒸发器10，在蒸发器10中蓄热循环回路的热能传递至高压二氧化碳，二氧化碳气化并升温，随后进入透平11膨胀做功，透平11带动发电机12输出稳定可控电能送入电网，透平11出口的低压气态二氧化碳进入涡流管13，经涡流管分离成三股流体，低温液体由涡流管13的低温液体出口24直接进入低压二氧化碳储液罐1进行存储，涡流管13低温气体出口22的低温气体和高温气体出口23的高温气体混合后进入由副电动机19驱动的副压缩机14，压缩后再次进入涡流管13完成自冷凝过程。同时，在蓄热循环回路中，高温储水罐15中的高温水经第一循环泵16流入蒸发器10，在蒸发器10中将热量传递给液态高压二氧化碳，降温后的水存入低温储水罐17，释能过程完成。
其中，低压二氧化碳储液罐1外部设绝热保温材料；低压二氧化碳储液罐1、高压二氧化碳储液罐8出口设置第一阀门2和第二阀门9控制罐内液体的流出以及流量；高压二氧化碳储液罐8温度保持在31摄氏度以下；第一换热器3中液态二氧化碳在常温空气的加热下完全气化；冷凝器7中气态二氧化碳在常温水的冷却下完全液化。所述的各类换热器包括但不限于板式换热器、管式换热器、印刷电路板式换热器等。
另外，可在蒸发器10和透平11之间设置加热器，利用电加热或太阳能集热等热源对进入透平11的高压二氧化碳工质进行加热，以提高透平的进口温度和透平做功能力。
上述仅对本发明的实施例加以说明，但并不能作为本发明的全部保护范围，范式依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或等比例缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，包括低压二氧化碳储液罐(1)，所述低压二氧化碳储液罐(1)的出口端连接至第一换热器(3)，所述第一换热器(3)的出口端连接至主压缩机(5)，所述主压缩机(5)通过主电动机(4)驱动，所述主压缩机(5)的出口端依次通过第二换热器(6)和冷凝器(7)连接至高压二氧化碳储液罐(8)，所述高压二氧化碳储液罐(8)的出口端通过蒸发器(10)连接至透平(11)，所述透平(11)上连接有发电机(12)，所述透平(11)的出口端连接至涡流管(13)的入口(21)，所述涡流管(13)的低温液体出口(24)连接至低压二氧化碳储液罐(1)的入口端，所述涡流管(13)的低温气体出口(22)和高温气体出口(23)混合后连接至副压缩机(14)，所述副压缩机(14)由副电动机(19)驱动，所述副压缩机(14)的出口端连接至涡流管(13)的入口(21)，还包括低温储水罐(17)，所述低温储水罐(17)的出口端通过第二换热器(6)连接至高温储水罐(15)，所述高温储水罐(15)的出口端通过蒸发器(10)连接至低温储水罐(17)。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述低压二氧化碳储液罐(1)与第一换热器(3)之间设置有第一阀门(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述高压二氧化碳储液罐(8)与蒸发器(10)之间设置有第二阀门(9)。
4.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述高压二氧化碳储液罐(8)的温度保持在31摄氏度以下。
5.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述高温储水罐(15)与蒸发器(10)之间设置有第一循环泵(16)。
6.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述低温储水罐(17)与第二换热器(6)之间设置有第二循环泵(18)。
7.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一换热器(3)的换热介质为常温空气，且第一换热器(3)中液态二氧化碳在常温空气的加热下完全气化。
8.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述冷凝器(7)的换热介质为常温水，且冷凝器(7)中气态二氧化碳在常温水的冷却下完全液化。
9.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述的低压二氧化碳储液罐(1)外部设绝热保温材料。
10.一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种基于涡流管的自冷凝式压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，包括储能过程和释能过程：
在储能过程中，液态的低压二氧化碳由低压二氧化碳储液罐(1)经第一换热器(3)蒸发后，进入主压缩机(5)压缩至高压，主压缩机(5)由多余电能驱动的主电动机(4)带动，压缩后的高压气态二氧化碳经第二换热器(6)，冷凝器(7)释放热量后，冷凝至液态进入高压二氧化碳储液罐(8)，同时，低温储水罐(17)中的低温水送入第二换热器(6)，压缩过程产生的热量经第二换热器(6)传递至工质水，升温后的工质水存入高温储水罐(15)，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化，储能过程完成；
在释能过程中，液态的高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐(8)流入蒸发器(10)，在蒸发器(10)中热能传递至高压二氧化碳，二氧化碳气化并升温，随后进入透平(11)膨胀做功，透平(11)带动发电机(12)输出稳定电能送入电网，透平(11)出口的低压气态二氧化碳进入涡流管(13)的入口(21)，经涡流管(13)分离成三股流体，低温液体由涡流管(13)的低温液体出口(24)直接进入低压二氧化碳储液罐(1)进行存储，涡流管(13)低温气体出口(22)的低温气体和高温气体出口(23)的高温气体混合后进入由副电动机(19)驱动的副压缩机(14)，压缩后再次进入涡流管(13)完成自冷凝过程，同时，高温储水罐(15)中的高温水流入蒸发器(10)，在蒸发器(10)中将热量传递给液态高压二氧化碳，降温后的水存入低温储水罐(17)，释能过程完成。
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