CN114198167A - 一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法，该系统包括加热器、常温常压储水罐、高温高压储水罐、闪蒸罐、蒸汽透平、循环水增压泵、循环水冷却器、机工质透平、有机工质增压泵和有机工质冷却器；该控制方法采用常温常压储水罐存储常温常压水，通过增压泵及加热器对水进行加温加压，采用高温高压储水罐作为储能容器存储高温高压水的内能；当释能过程中存在富余热能时，水循环系统采用闪蒸‑朗肯耦合循环，通过第二循坏水泵及加热器进一步加压加热部分高温高压饱和水，利用产生的过热蒸汽用以驱动第一蒸汽透平，利用高温高压饱和水闪蒸产生的饱和蒸汽及高压级透平排汽驱动第二蒸汽透平，充分实现余热资源的高效梯级利用。

Description

一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法

技术领域

本发明属于物理储能领域，具体为一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法。

背景技术

现有的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、超导储能和电化学储能等，抽水蓄能系统结构简单、效率高、容量大，是目前产业发展最为完善的储能技术，并且已经在世界范围内实现了商业应用。然而抽水蓄能系统对于地理环境存在地势差的要求，同时会影响当地生态环境，因此需要综合生态环境等多方面因素进行考虑；此外，传统抽水蓄能系统往往规模庞大，存在投资成本高、回收期限长、灵活性较差等缺点。

因此，亟需对传统的抽水蓄能系统进行改进，以提高系统储能效率，同时摆脱地形限制，增加系统灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法，以解决上述问题。本发明的系统可摆脱传统抽水蓄能系统对于地形的要求，同时减小系统能量损失、提高储能系统效率、降低成本。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

一种双工质循环压水蓄能系统，包括闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统及闭式有机工质循环系统；闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统包括加热器、常温常压储水罐、高温高压储水罐、闪蒸罐、第一蒸汽透平、第二蒸汽透平、第一循环水增压泵、第二循环水增压泵和循环水冷却器；闭式有机工质循环系统包括有机工质透平、有机工质增压泵和有机工质冷却器；

常温常压储水罐出口与高温高压储水罐进口之间依次连接有第一循环水增压泵、加热器和第一调节阀，高温高压储水罐第一出口依次通过第二调节阀和加热器后连接至第一蒸汽透平入口，高温高压储水罐第二出口通过第三调节阀连接至闪蒸罐，第一蒸汽透平轴端与第一发电机组相连，第一蒸汽透平出口与第二蒸汽透平进口相连，闪蒸罐气相出口连接至第二蒸汽透平进口，闪蒸罐液相出口通过管路连接至循环水冷却器入口，管路上布置有第一换热器，第二蒸汽透平轴端与第二发电机组相连，第二蒸汽透平出口通过管路连接至循环水冷却器入口，管路上布置有第二换热器，循环水冷却器出口通过管路连接至常温常压储水罐进口，管路上布置有第四调节阀；有机工质增压泵出口与有机工质透平进口之前依次连接有第一换热器及第二换热器，有机工质透平轴端连接第三发电机组，有机工质透平出口连接至有机工质冷却器进口，有机工质冷却器出口通过管路连接至有机工质增压泵进口。

本发明进一步的改进在于，常温常压储水罐设置有第一压力温度传感器，高温高压储水罐上设置有第二压力温度传感器。

本发明进一步的改进在于，常温常压储水罐、高温高压储水罐及闪蒸罐外设有绝热材料层。

本发明进一步的改进在于，加热器热量由富余电能转化、太阳能、地热能或工业余热提供。

本发明进一步的改进在于，加热器为电加热器、电磁加热器、太阳能集热器、换热器或余热锅炉。

一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，包括以下步骤：

当存在富余热能时，打开第一调节阀及第一循环水增压泵，第一循环水增压泵将常温常压储水罐中的工质送入加热器中吸收热量，吸收热量后的高温高压饱和水进入高温高压储水罐中存储，当高温高压储水罐水位达到额定最高水位或富余热能消失时，关闭第一调节阀及第一循环水增压泵，完成储能过程；

当处于用电高峰且不存在富余热能时，打开第三调节阀、第四调节阀以及有机工质增压泵，高温高压储水罐中的高温高压饱和水经过第三调节阀进入闪蒸罐中降压产生饱和蒸汽和饱和水，饱和蒸汽进入第二蒸汽透平中膨胀做功，驱动第二发电机组工作输出电能，做功后的蒸汽进入第二换热器传递热量至有机工质；饱和水进入第一换热器传递热量至有机工质，随后与流经第二换热器的蒸汽透平排汽混合，得到的混合流体进入循环水冷却器进行冷却，最后经过第四调节阀存储于常温常压储水罐中，至此完成水循环回路并实现能量释放；在有机工质回路中，常温常压的有机工质经有机工质增压泵增压后依次经过第一换热器及第二换热器，分别与来自闪蒸罐的饱和水和来自第二蒸汽透平的排汽进行换热升温，随后高温高压的有机工质进入有机工质透平膨胀做功，带动第三发电机组工作输出电能，做功后的有机工质经有机工质冷却器冷却后进入有机工质增压泵，至此完成有机工质循环回路并实现能量释放；当高温高压储水罐中存储的水完全流出或用电高峰结束时，关闭所有调节阀、增压泵及透平，释能过程结束。

本发明进一步的改进在于，当处于用电高峰且存在富余热能时，水循环系统采用闪蒸-朗肯耦合循环，除工作释能过程步骤外，打开第二调节阀及第二循环水增压泵，高温高压储水罐中的一部分高温高压饱和水经第二循环水增压泵加压后进入加热器加热至过热蒸汽，随后过热蒸汽进入第一蒸汽透平中膨胀做功，驱动第一发电机组工作输出电能，做功后的蒸汽与来之闪蒸罐的饱和蒸汽混合后进入第二蒸汽透平继续做功。

本发明进一步的改进在于，循环水冷却器及有机工质冷却器冷端工质为空气或水，冷端吸收的热量用于供热。

本发明进一步的改进在于，常温常压储水罐及高温高压储水罐内布置有温度压力传感器以获得容器内压力，高温高压储水罐的压力及温度维持恒定，并可根据热源功率进行调节，闪蒸罐的个数及闪蒸级数可根据高温高压水的参数进行调节。

本发明进一步的改进在于，储能过程与释能过程能够同时进行或单独工作。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种双工质循环压水蓄能系统及控制方法，采用常温常压储水罐存储常温常压水，通过增压泵及加热器对水进行加温加压，采用高温高压储水罐作为储能容器存储高温高压水的内能，系统结构简单，摆脱了传统抽水蓄能对于地势差的要求，降低了系统投资成本；

进一步，本发明释能过程将水循环系统及闭式有机工质循环系统有机集成，将闪蒸罐排出的饱和水及蒸汽透平做功后的排汽作为有机工质循环的热源，降低了系统能量损失，系统效率高。

进一步，当释能过程中存在富余热能时，水循环系统采用闪蒸-朗肯耦合循环，通过第二循坏水泵及加热器进一步加压加热部分高温高压饱和水，利用产生的过热蒸汽用以驱动第一蒸汽透平，利用高温高压饱和水闪蒸产生的饱和蒸汽及高压级透平排汽驱动第二蒸汽透平，充分实现余热资源的高效梯级利用。

进一步，高温高压储水罐的压力及温度可查可控，闪蒸罐的个数及闪蒸级数可根据高温高压水的参数进行调节，系统适用于多种热源，应用灵活。

进一步，储能过程与释能过程可同时进行或单独工作，可以应对热源供热间歇、热量不稳定的问题，保持透平发电机组稳定运行，提高发电效率，确保系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种双工质循环压水蓄能系统示意图；

附图标记说明：

1、加热器；2、常温常压储水罐；3、高温高压储水罐；4、闪蒸罐；5、第一蒸汽透平；6、第二蒸汽透平；7、有机工质透平；8、第一换热器；9、第二换热器；10、第一循环水增压泵；11、循环水冷却器；12、有机工质增压泵；13、有机工质冷却器；14、第一调节阀；15、第二调节阀；16、第三调节阀；17、第四调节阀；18、第二循环水增压泵；21、第一压力温度传感器；22、第二压力温度传感器；23、第一发电机组；24、第二发电机组；25、第三发电机组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种双工质循环压水蓄能系统，包括闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统及闭式有机工质循环系统；具体包括加热器1、常温常压储水罐2、高温高压储水罐3、闪蒸罐4、第一蒸汽透平5、第二蒸汽透平6、有机工质透平7、第一换热器8、第二换热器9、第一循环水增压泵10、循环水冷却器11、有机工质增压泵12、有机工质冷却器13、第一调节阀14、第二调节阀15、第三调节阀16、第四调节阀17、第二循环水增压泵18、第一压力温度传感器21、第二压力温度传感器22、第一发电机组23、第二发电机组24和第三发电机组25。

常温常压储水罐2出口与高温高压储水罐3进口之间依次连接有第一循环水增压泵10、加热器1和第一调节阀14，高温高压储水罐3第一出口依次通过第二调节阀15和加热器1后连接至第一蒸汽透平5入口，高温高压储水罐3第二出口通过第三调节阀16连接至闪蒸罐4，第一蒸汽透平5轴端与第一发电机组23相连，第一蒸汽透平5出口与第二蒸汽透平6进口相连，闪蒸罐4气相出口连接至第二蒸汽透平6进口，闪蒸罐4液相出口连接至第一换热器8高温侧进口，第一换热器8高温侧出口与循环水冷却器11入口相连，第二蒸汽透平6轴端与第二发电机组24相连，第二蒸汽透平6出口连接至第二换热器9高温侧入口，第二换热器9高温侧出口同样连接至循环水冷却器11入口，循环水冷却器11出口通过第四调节阀17连接至常温常压储水罐2进口，上述各部件构成闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统。

有机工质增压泵12出口连接至第一换热器8低温端进口，第一换热器8低温端出口连接至第二换热器9低温端进口，第二换热器9低温端出口与有机工质透平7进口相连，有机工质透平7轴端连接第三发电机组25，有机工质透平7出口连接至有机工质冷却器13进口，有机工质冷却器13出口连接至有机工质增压泵12进口，循环工质为低沸点有机工质，上述各部件构成闭式有机工质循环系统。

常温常压储水罐2设置有第一压力温度传感器21，高温高压储水罐3上设置有第二压力温度传感器22，常温常压储水罐2、高温高压储水罐3及闪蒸罐4外设有绝热材料层。

加热器1热量可由富余电能转化、太阳能、地热能、工业余热等多种热源提供，所述加热器形式不限于电加热器、电磁加热器、太阳能集热器、换热器、余热锅炉等多种形式。

本发明实施例的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，具体包括以下步骤：

初始状态下，所有调节阀为关闭状态；

当存在富余热能时，系统开始进行储能过程：打开第一调节阀14及第一循环水增压泵10，第一循环水增压泵10开始工作，将常温常压储水罐2中的常温常压水送入加热器1中吸收热量，吸收热量后的高温高压饱和水进入高温高压储水罐3中存储；当高温高压储水罐3水位达到额定最高水位或富余热能消失时，关闭第一调节阀14及第一循环水增压泵10，储能过程结束；

当处于用电高峰且不存在富余热能时，释能系统进入工作状态一：打开第三调节阀16、第四调节阀17以及有机工质增压泵12，高温高压储水罐3中的高温高压饱和水经过第三调节阀16进入闪蒸罐4，高温高压饱和水在闪蒸罐4中降压产生饱和蒸汽和饱和水，饱和蒸汽进入第二蒸汽透平6中膨胀做功，驱动第二发电机组24工作输出电能，做功后的蒸汽进入第二换热器9传递热量至有机工质；饱和水进入第一换热器8传递热量至有机工质，随后与流出第二换热器9的第二蒸汽透平排汽混合，得到的混合流体进入循环水冷却器11进行冷却，最后经过第四调节阀17存储于常温常压储水罐2中，至此完成水循环回路并实现能量释放；在有机工质回路中，常温常压的有机工质经有机工质增压泵12增压后进入第一换热器8，与来自闪蒸罐4的饱和水进行换热升温，吸收饱和水的部分热量，随后有机工质进入第二换热器9，与来自第二蒸汽透平6的排汽进行换热升温，第二换热器9低温侧出口的高温高压的有机工质进入有机工质透平7膨胀做功，带动第三发电机组25工作输出电能，做功后的有机工质经有机工质冷却器13冷却后进入有机工质增压泵12，至此完成有机工质循环回路并实现能量释放；当高温高压储水罐3中存储的水完全流出或用电高峰结束时，关闭所有调节阀、增压阀及透平，释能过程结束。

优选的，当处于用电高峰且存在富余热能时，水循环系统采用闪蒸-朗肯耦合循环，释能系统进入工作状态二：除上述工作状态一步骤外，打开第二调节阀15及第二循环水增压泵18，高温高压储水罐3中的一部分高温高压饱和水经第二循环水增压泵18加压后进入加热器1加热至过热蒸汽，随后过热蒸汽进入第一蒸汽透平5中膨胀做功，驱动第一发电机组23工作输出电能，做功后的蒸汽与来之闪蒸罐4的饱和蒸汽混合后进入第二蒸汽透平6继续做功。

优选的，循环水冷却器11及有机工质冷却器13冷端工质为空气或水，冷端吸收的热量可用于供热。

优选的，常温常压储水罐2及高温高压储水罐3内布置有温度压力传感器以获得容器内压力，高温高压储水罐3的压力及温度维持恒定，并可根据热源功率进行调节，闪蒸罐4的个数及闪蒸级数可根据高温高压水的参数进行调节。

优选的，储能过程可与释能过程同时进行或单独工作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双工质循环压水蓄能系统，其特征在于，包括闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统及闭式有机工质循环系统；闭式闪蒸-朗肯耦合水循环系统包括加热器、常温常压储水罐、高温高压储水罐、闪蒸罐、第一蒸汽透平、第二蒸汽透平、第一循环水增压泵、第二循环水增压泵和循环水冷却器；闭式有机工质循环系统包括有机工质透平、有机工质增压泵和有机工质冷却器；

常温常压储水罐出口与高温高压储水罐进口之间依次连接有第一循环水增压泵、加热器和第一调节阀，高温高压储水罐第一出口依次通过第二调节阀和加热器后连接至第一蒸汽透平入口，高温高压储水罐第二出口通过第三调节阀连接至闪蒸罐，第一蒸汽透平轴端与第一发电机组相连，第一蒸汽透平出口与第二蒸汽透平进口相连，闪蒸罐气相出口连接至第二蒸汽透平进口，闪蒸罐液相出口通过管路连接至循环水冷却器入口，管路上布置有第一换热器，第二蒸汽透平轴端与第二发电机组相连，第二蒸汽透平出口通过管路连接至循环水冷却器入口，管路上布置有第二换热器，循环水冷却器出口通过管路连接至常温常压储水罐进口，管路上布置有第四调节阀；有机工质增压泵出口与有机工质透平进口之前依次连接有第一换热器及第二换热器，有机工质透平轴端连接第三发电机组，有机工质透平出口连接至有机工质冷却器进口，有机工质冷却器出口通过管路连接至有机工质增压泵进口。

2.根据权利要求1所述的一种双工质循环压水蓄能系统，其特征在于，常温常压储水罐设置有第一压力温度传感器，高温高压储水罐上设置有第二压力温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种双工质循环压水蓄能系统，其特征在于，常温常压储水罐、高温高压储水罐及闪蒸罐外设有绝热材料层。

4.根据权利要求1所述的一种双工质循环压水蓄能系统，其特征在于，加热器热量由富余电能转化、太阳能、地热能或工业余热提供。

5.根据权利要求1所述的一种双工质循环压水蓄能系统，其特征在于，加热器为电加热器、电磁加热器、太阳能集热器、换热器或余热锅炉。

6.权利要求1至5中任一项所述的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当存在富余热能时，打开第一调节阀及第一循环水增压泵，第一循环水增压泵将常温常压储水罐中的工质送入加热器中吸收热量，吸收热量后的高温高压饱和水进入高温高压储水罐中存储，当高温高压储水罐水位达到额定最高水位或富余热能消失时，关闭第一调节阀及第一循环水增压泵，完成储能过程；

当处于用电高峰且不存在富余热能时，打开第三调节阀、第四调节阀以及有机工质增压泵，高温高压储水罐中的高温高压饱和水经过第三调节阀进入闪蒸罐中降压产生饱和蒸汽和饱和水，饱和蒸汽进入第二蒸汽透平中膨胀做功，驱动第二发电机组工作输出电能，做功后的蒸汽进入第二换热器传递热量至有机工质；饱和水进入第一换热器传递热量至有机工质，随后与流经第二换热器的蒸汽透平排汽混合，得到的混合流体进入循环水冷却器进行冷却，最后经过第四调节阀存储于常温常压储水罐中，至此完成水循环回路并实现能量释放；在有机工质回路中，常温常压的有机工质经有机工质增压泵增压后依次经过第一换热器及第二换热器，分别与来自闪蒸罐的饱和水和来自第二蒸汽透平的排汽进行换热升温，随后高温高压的有机工质进入有机工质透平膨胀做功，带动第三发电机组工作输出电能，做功后的有机工质经有机工质冷却器冷却后进入有机工质增压泵，至此完成有机工质循环回路并实现能量释放；当高温高压储水罐中存储的水完全流出或用电高峰结束时，关闭所有调节阀、增压泵及透平，释能过程结束。

7.根据权利要求6所述的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，其特征在于，当处于用电高峰且存在富余热能时，水循环系统采用闪蒸-朗肯耦合循环，除工作释能过程步骤外，打开第二调节阀及第二循环水增压泵，高温高压储水罐中的一部分高温高压饱和水经第二循环水增压泵加压后进入加热器加热至过热蒸汽，随后过热蒸汽进入第一蒸汽透平中膨胀做功，驱动第一发电机组工作输出电能，做功后的蒸汽与来之闪蒸罐的饱和蒸汽混合后进入第二蒸汽透平继续做功。

8.根据权利要求6所述的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，其特征在于，循环水冷却器及有机工质冷却器冷端工质为空气或水，冷端吸收的热量用于供热。

9.根据权利要求6所述的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，其特征在于，常温常压储水罐及高温高压储水罐内布置有温度压力传感器以获得容器内压力，高温高压储水罐的压力及温度维持恒定，并可根据热源功率进行调节，闪蒸罐的个数及闪蒸级数可根据高温高压水的参数进行调节。

10.根据权利要求6所述的一种双工质循环压水蓄能系统的控制方法，其特征在于，储能过程与释能过程能够同时进行或单独工作。

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