CN114893267B - 用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高背压‑抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，包括：储能部分，将低压液态CO2降压、加热成超临界CO2，利用带级间冷却的压缩机组对超临界CO2压缩形成液态高压CO2并储存；释能部分，使液态高压CO2经过带级间加热的透平机组，通过透平做功进行发电，做功后的CO2经冷却后形成低压液态CO2并储存；换热部分，包括抽凝机组和高背压抽凝机组，抽凝机组的汽轮机中压缸末级抽汽提供高温热源用于透平机组级间加热的初级加热；高背压抽凝机组的高背压乏汽提供低温热源用于透平机组级间加热的非初级加热及加热低压液态CO2形成超临界CO2。既为储能提供合适的热源的同时合理利用热电联供系统中的废热。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是一种用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统。
背景技术
在热电联供系统中，高背压抽凝机组中汽轮机末端得到乏汽(乏汽温度一般在70℃以上)为热网回水初步加热，抽凝机组与高背压抽凝机组中压缸末级得到抽汽(抽汽温度一般能达到300℃以上)为热网回水进行二次加热。尽管该形式形成了二次加热，深度利用了高温的抽汽和乏汽，但仍会产生大量的热能损失。
储能技术能够有效解决目前新能源发电不稳定的问题，在用电低峰期将多余的电能储存起来，并在用电高峰期将储存的电能进行利用。目前利用较为广泛的大型储能技术是压缩空气储能，其工作原理是利用低谷电能压缩空气，将电网富余电能转化成空气的内能储存起来；在用电高峰期，释放出的高压空气经燃烧室加热升温，再通过膨胀机做功发电，实现能量储存和释放。但其存在依靠燃烧室，对环境影响较大，能量密度低，储存体积大等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，利用热电联供系统产生抽汽和乏汽为CO2压缩储能过程和膨胀释能过程提供相应的热源。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，包括：
储能部分，将低压液态CO2降压、加热成超临界CO2，利用带级间冷却的压缩机组对超临界CO2压缩，形成液态高压CO2并储存；
释能部分，使液态高压CO2经过带级间加热的透平机组，形成高压超临界CO2并通过透平做功进行发电，做功后的CO2经冷却后形成低压液态CO2并储存；
换热部分，包括所述热电联供系统中的抽凝机组和高背压抽凝机组，所述抽凝机组的汽轮机中压缸末级抽汽提供高温热源，用于透平机组级间加热的初级加热；所述高背压抽凝机组的高背压乏汽提供低温热源，用于透平机组级间加热的非初级加热、以及储能部分低压液态CO2形成超临界CO2的加热。
进一步技术方案为：
所述储能部分和所述释能部分由以下设备依次串接形成的CO2工质回路构成：
低压储罐、节流阀、第一换热器、带级间冷却的压缩机组、高压储罐、带级间加热的透平机组和第一冷却风机；
低压储罐、高压储罐分别用于储存低压液态CO2和液态高压CO2；
节流阀用于对低压液态CO2节流降压，第一换热器用于对节流降压后的CO2加热成超临界CO2。
所述高温热源通过第七换热器进行供热，所述第七换热器热端的进、出口与所述汽轮机中压缸末级相连形成回路，第七换热器冷端的出口分别与透平机组用于初级加热的第四换热器入口连接；
所述低温热源通过第六换热器进行供热，所述第六换热器热端的进、出口与所述高背压凝汽器相连形成回路，第六换热器冷端的出口分别与透平机组用于非初级加热的第五换热器的入口、所述第一换热器的入口连接；
所述第四换热器、所述第五换热器及所述第一换热器的出口与冷罐入口连接，所述冷罐出口与压缩机组用于级间冷却的第二换热器和第三换热器的入口连接，第二换热器和第三换热器的出口与热罐入口连接，所述热罐出口分别与第六换热器的冷端入口、第七换热器冷端的入口连接。
所述低温热源可将第六换热器的冷端换热介质加热至50℃，所述高温热源可将第七换热器的冷端换热介质加热至80℃。
所述第六换热器和所述第七换热器的冷端换热介质为水。
所述第四换热器、所述第五换热器及所述第一换热器的出口与冷罐入口相连的管路上设有第二冷却风机。
本发明的有益效果如下：
本发明将热电联供系统中的热源与储能和释能部分相耦合，既能够为储能提供合适的热源，又能合理利用热电联供系统中的废热。本发明具体还有如下优点：
和以空气作为工质的装置相比，本发明系统以二氧化碳作为工质，储能效率显著提高，同时解决了压缩空气储能需要依靠燃烧室，对环境影响较大，储存体积大的问题。
本发明系统以二氧化碳作为工质，可以有效利用从火力发电厂、钢铁厂、汽车尾气等高碳排放处捕捉到的二氧化碳，对实现碳达峰和碳中和目标有重要意义。
本发明乏汽温度较低可用于将换热工质加热至约50℃，抽汽温度较高可用于将换热工质加热至80℃，加热后的换热工质将在膨胀过程对CO2进行加热，增加CO2膨胀做功能力，整个系统可以有效在发电厂中实现余热、废热的充分利用、减少可用能损失，提高整体的效率。
本发明系统换热部分的换热工质能够循环利用。其中高温热源的换热工质为释能部分提供热量后，以及低温热源的工质为释能部分和储能部分提供热量后，经过冷却降温可继续为储能部分提供冷量。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
图中：l、第一换热器；2、第一级压缩机；3、第二换热器；4、第二级压缩机；5、第三换热器；6、高压储罐；7、第四换热器；8、第一级透平；9、第五换热器；10、第二级透平；11、第一冷却风机；12、低压储罐；13、节流阀；14、第六换热器；15、第七换热器；16、热罐；17、冷罐；18、第二冷却风机。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本申请的一种用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，包括：
储能部分，将低压液态CO2降压、加热成超临界CO2，利用带级间冷却的压缩机组对超临界CO2压缩，形成液态高压CO2并储存；
释能部分，使液态高压CO2经过带级间加热的透平机组，形成高压超临界CO2并通过透平做功进行发电，做功后的CO2经冷却后形成低压液态CO2并储存；
换热部分，包括热电联供系统中的抽凝机组和高背压抽凝机组，抽凝机组的汽轮机中压缸末级抽汽提供高温热源，用于透平机组级间加热的初级加热；高背压抽凝机组的高背压乏汽提供低温热源，用于透平机组级间加热的非初级加热、以及储能部分中低压液态CO2加热形成超临界CO2。
本申请将压缩液态CO2储能与热电联供系统进行耦合，用用电低峰产生的冗余电力压缩液态CO2，并在用电高峰风时期使其膨胀做功进行电能的释放，实现冗余电能的储存与合理利用。在热电联供系统中抽凝机组与高背压抽凝机组中压缸末级得到抽汽，高背压抽凝机组中汽轮机末端得到乏汽，使用抽汽和乏汽对膨胀过程中的二氧化碳进行加热。
以下以具体实施例进一步说明本申请的技术方案。
参见图1，储能部分和释能部分由以下设备依次串接形成的CO2工质回路构成：
低压储罐12、节流阀13、第一换热器1、带级间冷却的压缩机组、高压储罐6、带级间加热的透平机组和第一冷却风机11。
低压储罐12、节流阀13、第一换热器1、带级间冷却的压缩机组和高压储罐6依次串接形成储能部分，低压储罐12用于储存低压液态CO2，低压液态CO2经过节流阀13降压、第一换热器1加热后变为超临界CO2，超临界CO2经所述带级间冷却的压缩机组压缩形成液态高压CO2储存在高压储罐6中；
高压储罐6、带级间加热的透平机组、第一冷却风机11和低压储罐12依次串接形成释能部分，高压储罐6中液态高压CO2经带级间加热的透平机组通过透平做功进行高压超临界CO2发电，做功后的CO2经所述第一冷却风机11冷却后储存在低压储罐12中完成循环。
本实施例中，带级间冷却的压缩机组具体包括第一级压缩机2、第二换热器3、第二级压缩机4、第三换热器5；带级间加热的透平机组具体包括第四换热器7、第一级透平8、第五换热器9、第二级透平10。
高温热源通过第七换热器15进行供热，第七换热器15热端的进、出口与汽轮机中压缸末级相连形成回路，第七换热器15冷端的出口分别与透平机组用于初级加热的第四换热器7入口连接；
换热部分低温热源通过第六换热器14进行供热，第六换热器14热端的进、出口与高背压凝汽器相连形成回路，第六换热器14冷端的出口分别与透平机组用于非初级加热的第五换热器9的入口、第一换热器1的入口连接；
第四换热器7、第五换热器9及第一换热器1的出口与冷罐17入口连接，并在连接的管路上设有第二冷却风机18，冷罐17出口与压缩机组用于级间冷却的第二换热器3和第三换热器5的入口连接，第二换热器3和第三换热器5的出口与热罐16入口连接，热罐16出口分别与第六换热器14的冷端入口、第七换热器15冷端的入口连接。
优选的，低温热源可将第六换热器14的冷端换热介质加热至50℃，高温热源可将第七换热器15的冷端换热介质加热至80℃。
具体的，第六换热器14和第七换热器15的冷端换热介质为水。
本实施例的用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，工作流程为：
储能部分的工作流程：
液态二氧化碳从低压储罐12中流出，通过节流阀13降压，通过第一换热器1加热至超临界态，进入第一级压缩机2，初级压缩后，进入第二换热器3进行初级冷却，再进入第二级压缩机4，第二级压缩后，进入第三换热器5进行第二级冷却，从而实现“多级压缩，级间冷却”，降低压缩耗能。通过设置好参数，在第二级冷却后可使CO2温度低于临界点温度，以液态CO2形式储存在高压储罐6中。
释能部分的工作流程：
液态二氧化碳从高压储罐6流出，进入第四换热器7进行初级加热，加热后进入第一级透平8进行第一级膨胀后，进入第五换热器9进行第二级加热，再进入第二级透平10进行第二级膨胀，膨胀后经第一冷却风机11冷却，冷却后的低压液态二氧化碳进入低压储罐12进行储存。
换热部分的工作流程：
根据储能、释能部分应用的不同换热器中所需热水温度的不同，将热电联供系统中抽汽和乏汽充分利用。
第一换热器1、第五换热器9中热水(该热水下文称为“热水I”)所需温度较低，使用高背压凝汽器产出的乏汽进行加热有良好的效果，第四换热器7中热水(该热水下文称为“热水II”)所需温度较高，需使用抽凝机组产出的抽汽进行加热。通过在高背压凝汽器处架设管道，将热电联供系统中高背压抽凝机组中的乏汽引入第六换热器14中，进行热水I的加热。通过在热网首站处架设管道，将热电联供系统中抽凝机组中的抽汽引入第七换热器15中，进行热水II的加热。热水I进入储能部分中第一换热器1参与初次加热，同时进入释能部分中的第五换热器9中参与第二级级间加热。
热水II进入释能部分中第四换热器7中，参与第一级级间加热。
加热后的热水I和热水II经第二冷却风机18冷却(为达到冷罐要求)进入冷罐17中。冷罐17中的冷水进入储能部分中的第二换热器3、第三换热器5参与级间冷却。之后，冷却水进入热罐16中再次进行循环。
本实施例的热电联供系统中，抽凝机组通过从汽轮机中压缸末级抽取部分蒸汽对外供热后，再从管道引回热网首站和另一部分抽汽进一步加热热网循环水，使其升温至所需温度后送至热用户。其余蒸汽进入低压缸继续膨胀做功。高背压抽凝机组是在抽凝机组的基础上增加高背压乏汽利用，通过提高低压缸排汽压力，从而提高排汽温度。高背压乏汽从高背压凝汽器中被引出后，供热后再流回到高背压凝汽器与剩余乏汽加热热网循环水，充分利用机组排汽的汽化潜热，提高机组循环热效率。本实施例的储能部分通过压缩超临界CO2以将电能转化为CO2内能储存，压缩后的超临界CO2经过换热器冷却，变为液态高压CO2储存在高压储罐中，当需要发电时，释能部分将液态高压CO2经过换热器加热再次变为超临界CO2，再将高压超临界CO2通过透平做功进行发电，做功后的CO2经过风机冷却变为液态CO2并储存在低压储罐中，完成循环。
本实施例中热电联供系统的乏汽温度较低，可用于将冷却水加热至约50℃，抽汽温度较高，可用于将冷却水加热至80℃，加热后的冷却水将在膨胀过程对CO2进行加热，增加CO2膨胀做功，整个系统可以有效在发电厂中实现余热、废热的充分利用、减少可用能损失，提高整体的效率。
本申请可合理利用从燃煤发电厂、钢铁厂等高碳排放捕捉到的二氧化碳，又将热电联供系统中的废热进行了有效的利用，显著的减少了能源浪费现象，同时又响应碳中和、碳达峰的要求。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：
储能部分，将低压液态CO2降压、加热成超临界CO2，利用带级间冷却的压缩机组对超临界CO2压缩，形成液态高压CO2并储存；
释能部分，使液态高压CO2经过带级间加热的透平机组，形成高压超临界CO2并通过透平做功进行发电，做功后的CO2经冷却后形成低压液态CO2并储存；
换热部分，包括所述热电联供系统中的抽凝机组和高背压抽凝机组，所述抽凝机组的汽轮机中压缸末级抽汽提供高温热源，用于透平机组级间加热的初级加热；所述高背压抽凝机组的高背压乏汽提供低温热源，用于透平机组级间加热的非初级加热、以及储能部分低压液态CO2形成超临界CO2的加热；
所述储能部分和所述释能部分由以下设备依次串接形成的CO2工质回路构成：低压储罐（12）、节流阀（13）、第一换热器（1）、带级间冷却的压缩机组、高压储罐（6）、带级间加热的透平机组和第一冷却风机（11）；
低压储罐（12）、节流阀（13）、第一换热器（1）、带级间冷却的压缩机组和高压储罐（6）依次串接形成储能部分，低压储罐（12）用于储存低压液态CO2，低压液态CO2经过节流阀（13）降压、第一换热器（1）加热后变为超临界CO2，超临界CO2经所述带级间冷却的压缩机组压缩形成液态高压CO2储存在高压储罐（6）中；
高压储罐（6）、带级间加热的透平机组、第一冷却风机（11）和低压储罐（12）依次串接形成释能部分，高压储罐（6）中液态高压CO2经带级间加热的透平机组通过透平做功进行高压超临界CO2发电，做功后的CO2经所述第一冷却风机（11）冷却后储存在低压储罐（12）中完成循环；
所述高温热源通过第七换热器（15）进行供热，所述第七换热器（15）热端的进、出口与所述汽轮机中压缸末级相连形成回路，第七换热器（15）冷端的出口分别与透平机组用于初级加热的第四换热器（7）入口连接；
所述低温热源通过第六换热器（14）进行供热，所述第六换热器（14）热端的进、出口与高背压凝汽器相连形成回路，第六换热器（14）冷端的出口分别与透平机组用于非初级加热的第五换热器（9）的入口、所述第一换热器（1）的入口连接；
所述第四换热器（7）、所述第五换热器（9）及所述第一换热器（1）的出口与冷罐（17）入口连接，所述冷罐（17）出口与压缩机组用于级间冷却的第二换热器（3）和第三换热器（5）的入口连接，第二换热器（3）和第三换热器（5）的出口与热罐（16）入口连接，所述热罐（16）出口分别与第六换热器（14）的冷端入口、第七换热器（15）冷端的入口连接。
2.根据权利要求1所述的用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述低温热源将第六换热器（14）的冷端换热介质加热至50℃，所述高温热源将第七换热器（15）的冷端换热介质加热至80℃。
3.根据权利要求1所述的用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第六换热器（14）和所述第七换热器（15）的冷端换热介质为水。
4.根据权利要求1所述的用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第四换热器（7）、所述第五换热器（9）及所述第一换热器（1）的出口与冷罐（17）入口相连的管路上设有第二冷却风机（18）。
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2022
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