CN114320504B - 一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法，该系统包括储液罐、蒸发组件、储能组件、高压储气罐、释能组件和冷凝组件；所述储液罐内存储有液态二氧化碳，所述储液罐出口依次经第一阀门、蒸发组件和储能组件连接至高压储气罐入口，所述高压储气罐出口依次经第二阀门、释能组件、冷凝组件连接至储气罐入口；该方法包括储能与释能两个阶段。本发明结构紧凑，设计合理，对热能与冷能充分利用，能够降低存储系统的规模，增加系统的灵活性，同时能还利用各种类型热源，如地热、太阳能和工业余热等增强系统发电性能。

Description

一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法

技术领域

本发明属于压缩二氧化碳技术领域，特别涉及一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能系统是目前发展较为成熟，可有效解决风能发电、太阳能发电稳定并网运行的一种储能技术。压缩空气储能技术先后经历的传统压缩空气储能技术、绝热压缩空气储能技术、液化压缩空气储能技术以及超临界压缩空气储能系统。但都存在效率低、储能密度小、一些系统参数难达到的缺点。

与空气相比，二氧化碳具有良好的物性特征，如易实现超临界状态(31.1℃、7.38MPa)、动力黏度低、密度大、流动和换热性能好，是一种具有较大开发潜力的储能介质。在压缩空气储能系统中使用二氧化碳代替空气作为储能介质，不仅可以提高储能系统运行储能效率，而且可以循环利用大量的二氧化碳，使压缩二氧化碳储能系统成为更具有发展前景的储能循环系统。

现有技术中，跨临界二氧化碳储能技术还存在着如下一些问题，如发电效率和储能密度还不高、跨临界二氧化碳储能技术中液态二氧化碳储罐中存在液化不充分的问题等。

发明内容

基于此，为了解决上述传统储能系统中存在的主要技术问题，本发明提供了一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法，结构紧凑，设计合理，对热能与冷能充分利用，能够降低存储系统的规模，增加系统的灵活性，同时能还利用各种类型热源，如地热、太阳能和工业余热等增强系统发电性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种液态跨临界二氧化碳储能系统，包括储液罐、蒸发组件、储能组件、高压储气罐、释能组件和冷凝组件；

所述储液罐内存储有液态二氧化碳，

所述储液罐出口依次经第一阀门、蒸发组件和储能组件连接至高压储气罐入口，所述高压储气罐出口依次经第二阀门、释能组件、冷凝组件连接至储气罐入口。

本发明进一步的改进在于，储液罐具有保温层与稳压装置，液罐内部液态二氧化碳温度维持在-6℃～-3℃范围内，压力维持在2.9MPa～3.3MPa范围内。

本发明进一步的改进在于，所述蒸发组件包括冷库与第一换热器，冷库内盛有足量冰水混合物，温度维持在0℃；第一换热器高温通道内工质为冷库中冰水混合物，低温通道内工质为来自储液罐的液态二氧化碳，液态二氧化碳经蒸发组件吸热变成气态二氧化碳，同时为冷库提供冷量。

本发明进一步的改进在于，所述储能组件包括至少一台连接电动机的压缩机，发电机由用电低谷时期电网富余的电能供给，富余的电能通过驱动压缩机，将低温低压二氧化碳压缩为超临界二氧化碳，将电能转化为二氧化碳内能储存。

本发明进一步的改进在于，储能组件采用多级压缩的方式，压缩机之间通过间冷器连接，所述间冷器高温通道工质为上一级压缩机出口的二氧化碳，低温通道工质为环境冷源，通过风机或者循环泵驱动低温工质流动；

经压缩机压缩得到的超临界二氧化碳气体通过管道流入高压储气罐中，超临界二氧化碳气体的压力在15MPa～25MPa范围内。

本发明进一步的改进在于，所述释能组件包括回热器、预热器和透平机组；

所述回热器低温通道为来自高压储气罐的超临界二氧化碳，高温通道为透平出口乏气，采用回热对乏气中热量进一步利用；

所述预热器低温通道工质为经回热器加热的超临界二氧化碳，高温通道工质为热源供热单元工质；

所述透平机组包括至少一台连接发电机的透平，经回热器与预热器加热的高温高压超临界二氧化碳进入透平做功，驱动发电机发电，将二氧化碳的内能转化为电能，实现低谷时期暂存电能向高峰时期电能的转化。

本发明进一步的改进在于，透平机组采用多级膨胀的方式，透平之间通过中间再热器连接；

所述中间再热器低温通道工质为上一级透平出口的二氧化碳，高温通道工质为热源供热单元工质；

将热源供热单元工质进行分流，按设定的比例分配到预热器和中间再热器能够进一步提升系统的性能；将所有质量流量热水依次经预热器、中间再热器放热；

透平机组出口乏气经回热器降温后进入冷凝组件。

本发明进一步的改进在于，冷凝组件包括冷凝器、第二换热器、冷库以及减压阀；

经回热器冷却的气态二氧化碳经过冷凝器进一步冷却至常温，然后进入第二换热器冷却至3℃～6℃并液化；

所述第二换热器高温通道工质为经冷凝器冷却后的常温气态二氧化碳，低温通道为来自冷库的冰水混合物；

在第二换热器中，气态二氧化碳放热冷却并逐渐液化为液态二氧化碳；

经第二换热器得到的液态二氧化碳经减压阀进一步调节温度、压力至储液罐温度、压力。

本发明进一步的改进在于，第一换热器与第二换热器共用一个冷库，或者采用两个独立的冷库，冷库间通过泵与管道在储能和释能阶段交换工质；

降温降压后的液态二氧化碳沿管道进入储液罐；

在储液罐顶端，设置气体出口，储液罐内少量气态二氧化碳在循环泵的推动下与冷凝器出口二氧化碳混合，通过第二换热器、减压阀调节再次回到储液罐。

一种液态跨临界二氧化碳储能方法，该方法基于所述的一种液态跨临界二氧化碳储能系统，包括储能与释能两个阶段：

初始阶段，所有阀门和设备均处于关闭状态；

储能阶段：打开对应的阀门和循环泵；储液罐中液态二氧化碳进入第一换热器吸收热量发生气化，冷量储存于冷库中；随后，气态二氧化碳经单级或多级压缩机压缩为超临界二氧化碳，若为多级压缩，压缩机间安装间冷器冷却上一级压缩机排气；间冷器冷源由环境空气或冷却水提供；压缩后的超临界二氧化碳储存于储气罐中；关闭阀门和循环泵，储能阶段结束；

释能阶段：打开对应的阀门、循环泵和减压阀；储气罐内超临界二氧化碳先后经过回热器加热、预热器加热后进入单级或多级透平做功；若为多级膨胀做功，透平间安装中间再热器加热上一级排气；其中回热器热源为透平出口乏气，预热器、中间再热器热源为地热、太阳能和工业余热；透平出口二氧化碳经回热器冷却后进入冷凝器冷却至常温，然后与储液罐中排出的少量气态二氧化碳混合一起进入第二换热器，在第二换热器内冷却并液化；第二换热器冷源为冷库；液化后的二氧化碳经减压阀降温降压至储液罐额定温度、压力范围后进入储液罐；关闭阀门、循环泵和减压阀，释能阶段结束。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

(1)本发明提出了一种新的液态跨临界二氧化碳储能系统，以二氧化碳为储能介质，利用其密度高、易相变的特点，有效的降低了储能阶段系统耗功，进而增加了系统输出功量，且有效的提高了系统的紧凑性和灵活性。

(2)本发明采用简单有效的方式实现了二氧化碳的液化与气化，低压二氧化碳以液态形式储存在储液罐中，高压二氧化碳以超临界状态储存在储气罐中，储能密度大。

(3)除了以电网富余电力为系统的电能来源，本发明也可以利用风能等可再生能源为系统的电能来源。本发明在释能阶段，采用热源，如地热、太阳能和工业余热等，加热储能介质二氧化碳，有效提高了储能系统的电电转换效率，且投资成本较低、无补燃、无污染，是实现清洁、高效、经济大规模储能的有效途径。

附图说明

图1为液态跨临界二氧化碳储能系统结构示意图。

附图标记说明：

1、储液罐，2、第一换热器，3、冷库，4、第一压缩机，5、第一电动机，6、间冷器，7、第二压缩机，8、第二电动机，9、高压储气罐，10、回热器，11、预热器，12、第一透平，13、第一发电机，14、中间再热器，15、第二透平，16、第二发电机，17、冷凝器，18、第二换热器，19、热源。

101、第一阀门，102、第二阀门，103、第三阀门，104、减压阀。

201、第一循环泵，202、第二循环泵，203、第三循环泵，204、第四循环泵。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1液态跨临界二氧化碳储能系统结构示意图。实例采用了两级压缩、级间冷却，两级膨胀、级间再热的方式。

本发明的各部件、设备连接关系如下：

储液罐1出口依次连接第一阀门101、第一换热器2热通道、第一压缩机4、间冷器6热通道、第二压缩机7、高压储气罐9入口。其中，第一换热器2冷通道连接第一循环泵201和冷库3；第一压缩机4、第二压缩机7分别外接第一电动机5、第二电动机8；间冷器6冷通道连接大气空气或冷却水。

高压储气罐9出口依次连接第二阀门102、回热器10冷通道、预热器11冷通道、第一透平12、中间再热器14冷通道、第二透平15、回热器10热通道、冷凝器17、第二换热器18热通道、减压阀104、储液罐1入口。其中第一透平12与第二透平15分别外接第一发电机13、第二发电机16；预热器11和中间再热器14热量由热源19提供，经热源19加热的换热工质依次经第三阀门103和第三循环泵203，然后分流，分别流向预热器11和中间再热器14热通道；冷凝器17冷源由大气环境或冷却水提供；第二换热器18冷通道连接第二循环泵202和冷库3；储液罐顶端气体出口通过循环泵204连接与冷凝器17出口二氧化碳汇聚。

在其中一个实例中，加热热源采用地热能。

进一步的，由于二氧化碳临界温度低，还可采用太阳能和工业余热等作为热源。

在其中一个实例中，储液罐1中储存温度为-6℃～-3℃的液态二氧化碳，压力维持在2.9MPa～3.3MPa范围内，储液罐1具有保温层与稳压装置，保温性能良好，密封性良好。

在其中一个实例中，高压储气罐9中储存超临界二氧化碳，高压储气罐9保温性能良好，密封性良好。

在其中一个实例中，在第一换热2中，液态二氧化碳吸热气化，并为冷库3提供冷量。

在其中一个实例中，冷库3中储存由足量的冰水混合物，温度维持在0℃。

在其中一个实例中，第一压缩机4和第二压缩机7消耗用电低谷时期电网富余的电能驱动电动机5和电动机8，将电能转化为二氧化碳内能。在相同的富余电能条件下，多级压缩、级间冷却的压缩方式可以有效减少对电能的消耗，从而压缩更大质量的二氧化碳气体，增大储能效率。经压缩机压缩得到的超临界二氧化碳气体(压力在15MPa～25MPa范围内)通过管道流入高压储气罐9中。

在其中一个实例中，预热器11和中间再热器14通过热源19加热二氧化碳，提高二氧化碳的做功能力。将热源供热单元工质进行分流，按设定的比例分配到预热器11和中间再热器14能够进一步提升系统的性能；将所有质量流量热水依次经预热器11和中间再热器14放热。

在其中一个实例中，二氧化碳在第一透平12和第二透平15中做功驱动发电机13和发电机16发电，将二氧化碳内能转化为电能，实现电能的削峰填谷。透平机组出口乏气温度可能依旧比较高。经回热器10降温后进入冷凝组件。

在其中一个实例中，在第二换热18中，气态二氧化碳吸收冷库3冷量并发生液化。

在其中一个实例中，在减压阀104中，液态二氧化碳进一步降温降压到储液罐1额定的温度与压力范围内。

在其中一个实例中，所述间冷器6高温通道工质为上一级压缩机出口的二氧化碳，低温通道工质为环境冷源，如空气、冷却水等，通过风机或者循环泵驱动低温工质流动。

在其中一个实例中，所述回热器10低温通道为来自高压储气罐的超临界二氧化碳，高温通道为透平出口乏气，采用回热对乏气中热量进一步利用。

在其中一个实例中，所述预热器11低温通道工质为经回热器加热的超临界二氧化碳，高温通道工质为热源供热单元工质。由于二氧化碳临界温度低，可以有效利用各种温度热源中热量。

本发明提供一种液态跨临界二氧化碳储能方法，包括储能与释能两个阶段，具体包含以下步骤：

初始阶段，所有阀门、设备均处于关闭状态。

储能阶段中，打开第一阀门101、第一循环泵201。储液罐1中液态二氧化碳从出口流出，在第一换热器2中吸收热量并发生气化。气化后的二氧化碳进入第一压缩机4，电网低谷时期富余电能带动第一电动机5驱动第一压缩机4，电能转化为二氧化碳内能。压缩后二氧化碳进入间冷器6冷却，然后进入第二压缩机7被压缩，第二压缩机7出口二氧化碳为超临界状态。第二压缩机7由第二电动机8驱动。第二压缩机出口的超临界二氧化碳被储存在高压储气罐9中。关闭第一阀门101、第一循环泵201，储能阶段结束。

释能阶段中，打开第二阀门102、第三阀门103、减压阀104、第二循环泵202、第三循环泵203、第四循环泵204。高压储气罐9中超临界二氧化碳从出口流出，首先，进入回热器10，被第二透平15出口乏气加热，然后，进入预热器11。第三循环泵驱动下，管道内由热源19加热的工质，在预热器11中向超临界二氧化碳放热，超临界二氧化碳温度进一步升高。升温后的超临界二氧化碳进入第一透平12做功，驱动第一发电机13发电。第一透平12出口二氧化碳经中间再热器14再热进入第二透平15做功，驱动第二发电机16发电。中间再热器14热源与预热器11的热源相同，均为热源19，可以适当调整二者质量流量比，进一步提高系统效率。第二透平15出口做完功的乏气温度还较高，进入回热器10进一步冷却。经回热10冷却的二氧化碳进入冷凝器17冷却至常温，然后进入第二换热器18。在第二换热器18内，第二循环泵202驱动下，冷库冰水混合物与二氧化碳换热，气态二氧化碳冷却并发生液化，第二换热器18出口为液态二氧化碳。经过减压阀104调节二氧化碳压力与温度达到储液罐标准后，将液态二氧化碳储存于储液罐1中。储液罐1中可能还有少量气态二氧化碳，在第四循环泵204驱动下，储液罐1中的少量气态二氧化碳通过储液罐顶部管道与冷凝器17出口气态二氧化碳混合，进入第二换热器18液化。关闭第二阀门102、第三阀门103、减压阀104、第二循环泵202、第三循环泵203、第四循环泵204，释能阶段结束。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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，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 (4)

1.一种液态跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，包括储液罐、蒸发组件、储能组件、高压储气罐、释能组件和冷凝组件；

所述储液罐内存储有液态二氧化碳，储液罐具有保温层与稳压装置，液罐内部液态二氧化碳温度维持在-6℃～-3℃范围内，压力维持在2.9MPa～3.3MPa范围内；

所述储液罐出口依次经第一阀门、蒸发组件和储能组件连接至高压储气罐入口，所述高压储气罐出口依次经第二阀门、释能组件、冷凝组件连接至储气罐入口；

所述蒸发组件包括冷库与第一换热器，冷库内盛有足量冰水混合物，温度维持在0℃；第一换热器高温通道内工质为冷库中冰水混合物，低温通道内工质为来自储液罐的液态二氧化碳，液态二氧化碳经蒸发组件吸热变成气态二氧化碳，同时为冷库提供冷量；

所述储能组件包括至少一台连接电动机的压缩机，发电机由用电低谷时期电网富余的电能供给，富余的电能通过驱动压缩机，将低温低压二氧化碳压缩为超临界二氧化碳，将电能转化为二氧化碳内能储存；

所述释能组件包括回热器、预热器和透平机组；

所述回热器低温通道为来自高压储气罐的超临界二氧化碳，高温通道为透平出口乏气，采用回热对乏气中热量进一步利用；

所述预热器低温通道工质为经回热器加热的超临界二氧化碳，高温通道工质为热源供热单元工质；

所述透平机组包括至少一台连接发电机的透平，经回热器与预热器加热的高温高压超临界二氧化碳进入透平做功，驱动发电机发电，将二氧化碳的内能转化为电能，实现低谷时期暂存电能向高峰时期电能的转化；

透平机组采用多级膨胀的方式，透平之间通过中间再热器连接；

所述中间再热器低温通道工质为上一级透平出口的二氧化碳，高温通道工质为热源供热单元工质；

将热源供热单元工质进行分流，按设定的比例分配到预热器和中间再热器能够进一步提升系统的性能；将所有质量流量热水依次经预热器、中间再热器放热；

透平机组出口乏气经回热器降温后进入冷凝组件；

冷凝组件包括冷凝器、第二换热器、冷库以及减压阀；

经回热器冷却的气态二氧化碳经过冷凝器进一步冷却至常温，然后进入第二换热器冷却至3℃～6℃并液化；

所述第二换热器高温通道工质为经冷凝器冷却后的常温气态二氧化碳，低温通道为来自冷库的冰水混合物；

在第二换热器中，气态二氧化碳放热冷却并逐渐液化为液态二氧化碳；

经第二换热器得到的液态二氧化碳经减压阀进一步调节温度、压力至储液罐温度、压力。

2.根据权利要求1所述的一种液态跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，储能组件采用多级压缩的方式，压缩机之间通过间冷器连接，所述间冷器高温通道工质为上一级压缩机出口的二氧化碳，低温通道工质为环境冷源，通过风机或者循环泵驱动低温工质流动；

经压缩机压缩得到的超临界二氧化碳气体通过管道流入高压储气罐中，超临界二氧化碳气体的压力在15MPa～25MPa范围内。

3.根据权利要求1所述的一种液态跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，第一换热器与第二换热器共用一个冷库，或者采用两个独立的冷库，冷库间通过泵与管道在储能和释能阶段交换工质；

降温降压后的液态二氧化碳沿管道进入储液罐；

在储液罐顶端，设置气体出口，储液罐内少量气态二氧化碳在循环泵的推动下与冷凝器出口二氧化碳混合，通过第二换热器、减压阀调节再次回到储液罐。

4.一种液态跨临界二氧化碳储能方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的一种液态跨临界二氧化碳储能系统，包括储能与释能两个阶段：

初始阶段，所有阀门和设备均处于关闭状态；

储能阶段：打开对应的阀门和循环泵；储液罐中液态二氧化碳进入第一换热器吸收热量发生气化，冷量储存于冷库中；随后，气态二氧化碳经单级或多级压缩机压缩为超临界二氧化碳，若为多级压缩，压缩机间安装间冷器冷却上一级压缩机排气；间冷器冷源由环境空气或冷却水提供；压缩后的超临界二氧化碳储存于储气罐中；关闭阀门和循环泵，储能阶段结束；

释能阶段：打开对应的阀门、循环泵和减压阀；储气罐内超临界二氧化碳先后经过回热器加热、预热器加热后进入单级或多级透平做功；若为多级膨胀做功，透平间安装中间再热器加热上一级排气；其中回热器热源为透平出口乏气，预热器、中间再热器热源为地热、太阳能和工业余热；透平出口二氧化碳经回热器冷却后进入冷凝器冷却至常温，然后与储液罐中排出的少量气态二氧化碳混合一起进入第二换热器，在第二换热器内冷却并液化；第二换热器冷源为冷库；液化后的二氧化碳经减压阀降温降压至储液罐额定温度、压力范围后进入储液罐；关闭阀门、循环泵和减压阀，释能阶段结束。

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