CN114111105A - 一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于热能动力技术领域，提供了一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，包括气体侧循环系统，气体侧循环系统包括超高温压缩机、电动机、熔盐换热器、蒸汽发生器、膨胀机、吸热器、气体储罐A和气体储罐B；超高温压缩机出口与熔盐换热器的入口连接，熔盐换热器的出口与蒸汽发生器入口连接，蒸汽发生器出口与膨胀机入口连接，膨胀机出口与吸热器入口连接，吸热器出口与超高温压缩机入口连接，构成一个完整的气体侧循环。借此，本发明以二元混合气体工质作为运行工质，改善了气体压缩性和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。

Description

一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统。
背景技术
太阳能光伏、风电呈现显著的间歇性特点，其装机容量不断攀升将对电网运行的安全性和稳定性提出巨大挑战，急需一种能提高新能源消纳能力的技术，以降低间歇性新能源大量建设后对电网的冲击。
当前成熟的大规模、长时间调峰技术只有抽水蓄能。但抽水蓄能受制于地理条件限制，且投资成本高、建设周期长，无法满足急速增长的新能源装机容量带来的调峰需求。随着国际国内太阳能热发电技术商业化示范的完成，高温熔盐储热发电的安全性、经济性、稳定性、可靠性得到充分验证。
超高温热泵是正在积极探索的先进储能方法，目前方案中超高温热泵系统采用单一气体作为循环工质。需要注意的是，循环工质易压缩性和升温性能直接与压缩机的功耗相关，循环工质传热能力与换热设备尺寸成本直接相关。而单一工质受工质物性的限制无法同时满足易压缩、升温明显、传热能力强等需要。受限于熔盐的较高凝固点温度的影响，熔盐储热只能吸收280℃以上热量，280℃以下热量可用于产生工业蒸汽，以供热交换器和蒸汽箱等设备使用。
现有技术中，存在一种光热发电及热泵余热综合利用系统，专利申请号为CN202010419010.4，该专利通过设置冷凝换热子系统、光热换热子系统和供热管网；通过利用光热给供热管网加热，另一方面接收电厂锅炉的汽轮机排汽冷凝后放出的热量，通过热泵将热蒸汽中的能量输送至供热管网，实现了两种清洁能源的协同利用，以此实现节约资源，提高热能利用的目的。冷凝换热子系统、光热换热子系统和供热管网的铺设维护成本较高，直接将电厂锅炉的汽轮机排汽冷凝后放出的热量通入系统中，所产生的热量不足以转化成电能，经济效益较差，成本较低。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其以二元混合气体工质作为运行工质，改善了气体压缩性和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，包括气体侧循环系统，气体侧循环系统包括超高温压缩机、电动机、熔盐换热器、蒸汽发生器、膨胀机、吸热器、气体储罐A和气体储罐B；
超高温压缩机出口与熔盐换热器的入口连接，熔盐换热器的出口与蒸汽发生器入口连接，蒸汽发生器的出口与膨胀机的入口连接，膨胀机的出口与吸热器的入口连接，吸热器出口与超高温压缩机入口连接，以此构成一个完整的气体侧循环系统。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，所述气体侧循环系统中还设有熔盐系统，
所述熔盐系统包括低温熔盐储罐、高温熔盐储罐、常温水储罐和蒸汽收集系统；
其中低温熔盐储罐出口与熔盐换热器的入口连接，熔盐换热器的出口与高温熔盐储罐的入口连接；常温水储罐的出口与蒸汽发生器入口连接，蒸汽发生器出口与蒸汽收集系统入口连接。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，所述气体侧循环系统中还设有气体储罐A、气体储罐B、热水储罐、冷水储罐；
气体储罐A出口与膨胀机出口与吸热器二元气体侧入口间连接，气体储罐B出口与膨胀机出口与吸热器二元气体侧入口间连接；热水储罐出口与吸热器水工质侧入口连接，吸热器水工质侧出口与冷水储罐入口连接。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其中气体储罐A和气体储罐B分别装载气体成分A和气体成分B；
气体成分A为氖气、氩气、氙气中的任意一种；
气体成分B为空气、二氧化碳、氮气中的任意一种；
气体成分A具有易升温易压缩，传热较弱的特性，气体成分B具有不易升温不易压缩，传热较强的特性。以超高温压缩机进口温度300℃，进口压力2MPa，超高温压缩机目标出口温度600℃为例，气体成分A选择氩气，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为157.6kJ/kg，定压比热为0.52kJ/kg/K，气体成分B选择二氧化碳，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为329.3kJ/kg，定压比热为1.16kJ/kg/K。
根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分A的易压缩易升温性能和气体成分B的高传热性能，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积。在高温模式下，即超高温压缩机出口温度T是500-800℃范围内，通过气体储罐A向气体侧循环系统内注入更多气体成分A，使气体循环内气体成分A的体积百分数X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=（T-320）/6。在中温模式下，即超高温压缩机出口温度T是300-500℃范围内，通过气体储罐B向气体侧循环系统内注入更多气体成分B，使得气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=T/10-20。
作为优选，当温度低于300摄氏度时候，全部是气体B。
作为优选，当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体A。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，所述电动机与超高温压缩机通过联轴器连接；超高温压缩机、电动机、膨胀机同轴直连，其中，电动机在低功率热备用状态转速均为500转/分，在工况稳定运行转速均为3000转/分。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，超高温压缩机为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或多级轴流式压缩机；膨胀机为多级轴流式膨胀机或径流式膨胀机。
根据本发明的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，熔盐换热器为印刷电路板式换热器或管壳式换热器；蒸汽发生器为印刷电路板式换热器或管壳式换热器；吸热器的吸热来源为低品位热源，具体包括但不限于空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热。
本发明的具体有益技术效果：
提出一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，以升温能力强的气体成分A和传热能力强的气体成分B组成的二元混合气体工质作为运行工质，并根据运行工况要求调整气体成分比例，超高温压缩机出口温度300-500℃范围内，气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系为X=T/10-20，超高温压缩机出口温度500-800℃范围内时，X=（T-320）/6，根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分A的易压缩易升温性能和气体成分B的高传热性能，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
附图说明
图1是本发明的二元气体热泵系统流程图。
在图中，1超高温压缩机、2电动机、3熔盐换热器、4蒸汽发生器、5膨胀机、6吸热器、7低温熔盐储罐、8高温熔盐储罐、9常温水储罐、10蒸汽收集系统、11气体储罐A、12气体储罐B、13热水储罐、14冷水储罐。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，主要包括超高温压缩机1、电动机2、熔盐换热器3、蒸汽发生器4、膨胀机5、吸热器6、低温熔盐储罐7、高温熔盐储罐8、常温水储罐9、蒸汽收集系统10、气体储罐A11、气体储罐B12、热水储罐13、冷水储罐14。
电动机2与超高温压缩机1通过联轴器连接。超高温压缩机1出口与熔盐换热器3的二元气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器3的二元气体工质侧出口与蒸汽发生器4二元气体工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器4二元气体工质侧出口与膨胀机5入口通过管道连接，膨胀机5出口与吸热器6二元气体工质侧进口通过管道连接，吸热器6二元气体工质侧出口与超高温压缩机1入口通过管道连接，构成一个完整的气体侧循环。
其中低温熔盐储罐7出口与熔盐换热器3的熔盐工质侧进口通过管道连接，熔盐换热器3的熔盐工质侧出口与高温熔盐储罐8进口通过管道连接；常温水储罐9出口与蒸汽发生器4水工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器4水工质侧出口与蒸汽收集系统10进口连接；气体储罐A11出口与膨胀机5出口与吸热器6二元气体侧进口间管道连接，气体储罐B12出口与膨胀机5出口与吸热器6二元气体侧进口间管道连接；热水储罐13出口与吸热器6水工质侧进口通过管道连接，吸热器6水工质侧出口与冷水储罐14进口通过管道连接。
其中气体储罐A11和气体储罐B12分别装载气体成分A和气体成分B。气体成分A可以为氖气、氩气、氙气，气体成分B可以为空气、二氧化碳、氮气。
超高温压缩机1、电动机2、膨胀机5同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。超高温压缩机1为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机以及多级轴流式压缩机。膨胀机5为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。熔盐换热器3为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。蒸汽发生器4为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。吸热器6的吸热还可以从空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热等其他低品位热源中吸收。
一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统的运行分为高温模式和中温模式，当需要产生较多高温熔盐和较少工业蒸汽时为高温模式，需要产生较少高温熔盐和较多工业蒸汽时为中温模式。高温模式下要求超高温热泵尽量产生高温压缩气体，中温模式下对超高温热泵出口温度要求有所降低，但要求气体工质换热能力强以实现系统在较小温差下安全稳定传热。
在高温模式下，即超高温压缩机出口温度T是500-800℃范围内，通过气体储罐A向气体侧循环系统内注入更多气体成分A，使气体循环内气体成分A的体积百分数X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=（T-320）/6。在中温模式下，即超高温压缩机出口温度T是300-500℃范围内，通过气体储罐B向气体侧循环系统内注入更多气体成分B，使得气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=T/10-20。
作为优选，当温度低于300摄氏度时候，全部是气体B。
作为优选，当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体A。
通过上述气体的分配方式，能够进一步综合改善了超高温热泵系统内气体升温性能和传热能力，降低超高温压缩机1的压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
具体运行方式如下：
高温模式下，气体储罐A11向气体侧循环系统内注入更多气体成分A，利用气体成分A升温能力强的特点，产生更多高温热以加热高温熔盐储热，降低压缩机功耗。中温模式下，气体储罐B12向系统内注入更多气体成分B，利用气体成分B传热能力强的特点，提升二元气体的综合换热能力，实现系统在较小温差下安全稳定传热，降低熔盐换热器3的体积。
本发明提出一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，以升温能力强的气体成分A和传热能力强的气体成分B组成的二元混合气体工质作为运行工质，并根据运行工况要求调整气体成分比例，超高温压缩机出口温度300-500℃范围内，气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系为X=T/10-20，超高温压缩机出口温度500-800℃范围内时，X=（T-320）/6，根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分A的易压缩易升温性能和气体成分B的高传热性能，综合改善了超高温热泵系统内气体升温性能和传热能力，降低超高温压缩机1的压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，包括气体侧循环系统，气体侧循环系统包括超高温压缩机（1）、电动机（2）、熔盐换热器（3）、蒸汽发生器（4）、膨胀机（5）、吸热器（6）、气体储罐A（11）和气体储罐B（12）；
超高温压缩机（1）出口与熔盐换热器（3）的入口连接，熔盐换热器（3）的出口与蒸汽发生器（4）入口连接，蒸汽发生器（4）的出口与膨胀机（5）的入口连接，膨胀机（5）的出口与吸热器（6）的入口连接，吸热器（6）出口与超高温压缩机（1）入口连接，以此构成一个完整的气体侧循环系统。
2.根据权利要求1所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，所述气体侧循环系统中还设有熔盐系统，
所述熔盐系统包括低温熔盐储罐（7）、高温熔盐储罐（8）、常温水储罐（9）和蒸汽收集系统（10）；
其中低温熔盐储罐（7）出口与熔盐换热器（3）的入口连接，熔盐换热器（3）的出口与高温熔盐储罐（8）的入口连接；常温水储罐（9）的出口与蒸汽发生器（4）入口连接，蒸汽发生器（4）出口与蒸汽收集系统（10）入口连接。
3.根据权利要求2所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，所述气体侧循环系统中还设有气体储罐A（11）、气体储罐B（12）、热水储罐（13）、冷水储罐（14）；
气体储罐A（11）出口与膨胀机（5）出口与吸热器（6）二元气体侧入口间连接，气体储罐B（12）出口与膨胀机（5）出口与吸热器（6）二元气体侧入口间连接；热水储罐（13）出口与吸热器（6）水工质侧入口连接，吸热器（6）水工质侧出口与冷水储罐（14）入口连接。
4.根据权利要求3所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，其中气体储罐A（11）和气体储罐B（12）分别装载气体成分A和气体成分B；
气体成分A为氖气、氩气、氙气中的任意一种；
气体成分B为空气、二氧化碳、氮气中的任意一种；
在高温模式下，通过气体储罐A（11）向气体侧循环系统内注入气体成分A占30%以上；
在中温模式下，通过气体储罐B（12）向气体侧循环系统内注入气体成分B占70%以上。
5.根据权利要求1所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，所述电动机（2）与超高温压缩机（1）通过联轴器连接；超高温压缩机（1）、电动机（2）、膨胀机（5）同轴直连，其中，电动机在低功率热备用状态转速均为500转/分，在其余工况稳定运行转速均为3000转/分。
6.根据权利要求1所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，超高温压缩机（1）为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或多级轴流式压缩机；膨胀机（5）为多级轴流式膨胀机或径流式膨胀机。
7.根据权利要求2所述的基于二元气体超高温热泵的综合能源系统，其特征在于，熔盐换热器（3）为印刷电路板式换热器或管壳式换热器；
蒸汽发生器（4）为印刷电路板式换热器或管壳式换热器；
吸热器（6）的吸热来源为低品位热源，具体包括但不限于空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热。
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