CN114991897B - 多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统及压力调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统及压力调节方法，包括蒸发器，压缩机以及冷凝器；低温液体混合物储罐的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口经高温混合物储罐后分为若干支路，每支路经透平后与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通。由于储能系统的高温混合物储罐中的工质压力是随着时间降低的，因此该系统采用了多级透平分级膨胀的设计，当系统压力逐步降低时透平处于滑压运行状态，当压力降低到一定范围后，关闭高压通道，开启低压通道，只运行低压透平，停运高压透平，可以更大限度的提高透平高效运行范围。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统技术领域，特别涉及一种多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统及压力调节方法。
背景技术
随着新能源，尤其是风电和太阳能光伏发电的增加，新能源发电对于电网的冲击作用越来越大，为了解决这个问题，国家大力鼓励光伏配套储能、风电配套储能，储能调峰电站等方向的研究。虽然储能的形式有很多，例如抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能、储热、飞轮储能等。但目前适合于大规模储能的方式只有压缩空气储能，储热和抽水储能。而电池储能虽然效率最高，但是成本太高，适合于新能源汽车这类小型紧凑式应用场合，但不适合于电站级别的大规模储能。飞轮储能则适合于调频这样的快速响应需求，也不适合于电站级别的大规模储能。压缩空气储能、抽水储能、储热相比较而言。抽水储能成本最低，切效率也比较高，但劣势是需要修建水库，只适合于在水力资源丰富的江河湖地区建造。储热是近年来兴起的储能方式，在太阳能光热发电领域应用广泛。但储热并非可以单独使用，而是作为太阳能发电系统的配套系统应用，若作为单独的储能电站，则目前成本相对较高。压缩空气储能是可以与抽水储能相媲美的另一种储能方式。上个世纪80年代德国、美国相继建立了压缩空气储能电站。压缩空气储能相继经历了补燃压缩空气储能电站，蓄热压缩空气储能电站的发展历程，目前正在向液化压缩空气储能电站及超临界压缩空气储能电站的方向发展。传统的补燃压缩空气储能电站及蓄热压缩空气储能电站都需要储存大量压缩空气，一般选择自然山洞、废弃矿井、底下岩穴、含水层等特殊地形储存压缩空气。国内新建的蓄热压缩空气储能电站则多以地面储罐、管道储气等方式储存。国外也有提出水下气囊储存压缩空气的设计。但这些储存方式都面临占地大，投资的问题。最先进的液化压缩空气储能及超临界压缩空气储能的储存空间理论上可以缩减为原来的20分之一，但是这两项技术都涉及到低温冷却技术，需要将空气冷却到-200℃以及-196℃以下，深冷技术难度大，投资大。即这两项新技术在解决了压缩空气储存空间问题的同时又引入了新的技术困难。
若有方法，既可以解决压缩空气储能占地空间大的问题，又不引入类似低温冷却这样的新技术难题，那么即可大大推广压缩空气储能的应用范围，有助于新能源的发展利用，环节不稳定电源对于电网的冲击。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统及压力调节方法，采用了技术难度相对较低，可行性较高的方法，既可以解决压缩空气储能占地空间大的问题，又不引入类似低温冷却这样的新技术难题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，包括低温液体混合物储罐，蒸发器，压缩机，高温混合物储罐以及冷凝器；
其中，所述低温液体混合物储罐的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与高温混合物储罐的入口相连通，高温混合物储罐的出口分为若干支路，每支路经透平后与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通。
本发明进一步的改进在于，高温混合物储罐的出口分为两路，一路与高压透平的入口相连，另一路与低压透平的入口相连，高压透平出口与低压透平的入口相连通，低压透平的出口与冷凝器的热侧入口相连通。
本发明进一步的改进在于，高压透平的入口设置有高压透平入口调阀。
本发明进一步的改进在于，低压透平入口设置有低压透平入口调阀。
本发明进一步的改进在于，还包括掺混器和干气密封盘站，低温液体混合物储罐出口与掺混器的第一入口相连接，高温混合物储罐出口与掺混器的第二入口相连接，掺混器的出口与干气密封盘站的入口相连接，干气密封盘站出口分为四路，分别与高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口相连接。
本发明进一步的改进在于，低温液体混合物储罐出口与掺混器的第一入口之间设置有变频液体增压泵。
本发明进一步的改进在于，干气密封盘站出口分为四路，分别与高压透平入口轴端密封气调节阀，高压透平出口轴端密封气调节阀，低压透平入口轴端密封气调节阀以及低压透平出口轴端密封气调节阀的入口相连接，高压透平入口轴端密封气调节阀，高压透平出口轴端密封气调节阀，低压透平入口轴端密封气调节阀以及低压透平出口轴端密封气调节阀的出口分别与高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口相连接。
一种如上所述的多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统的压力调节方法，包括以下步骤：
当有富余电能需要储存时，首先采用低温热源加热蒸发器，同时启动压缩机，将低温液体混合物储罐中的液体混合物抽入蒸发器的冷侧，液体混合物在蒸发器中吸收热水的热量蒸发为气态混合物，然后气态混合物在压缩机中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，将增加后的高压高温混合物储存在高温混合物储罐当中，完成储能过程；
当需要输出电能时，高温混合物储罐中的高温高压混合物工质处于高压时，使高温混合物储罐中储存的高温高压混合物工质流入高压透平中，高温高压混合物工质在高压透平做功输出电能后流入低压透平中，低压透平排出的废气进入冷凝器的热侧释放热量，然后储存在低温液体混合物储罐中。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用了压缩液体CO2混合物储能技术之后，混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，而无需低温冷却。因此低温低压CO2混合物可以采用密度很大的液体形式储存，储存空间小。同时CO2混合物在经过压缩机增压后，以20MPa为例，其高压状态下密度也很大，可以达到液态水密度的70％-80％，其储存空间要求也很小。由于储能系统的高温混合物储罐中的工质压力是随着时间降低的，因此该系统采用了多级透平分级膨胀的设计，当系统压力逐步降低时透平处于滑压运行状态，当压力降低到一定范围后，关闭高压通道，开启低压通道，只运行低压透平，停运高压透平，这样可以更大限度的提高透平高效运行范围，避免透平处于低效运行区间，从而提高整个系统的效率。本发明是一种效率很高的储能系统，同时该系统解决了传统压缩空气储能系统需要大量储存空间的缺陷，也避免了新一代液化压缩空气储能系统需要低温冷却的技术困难。
附图说明
图1为本发明系统的示意图。
其中，1为低温液体混合物储罐，2为蒸发器，3为压缩机，4为高温混合物储罐，5-1为低压透平入口调阀，5-2为高压透平入口调阀，5-3为高压透平，5-4为低压透平，6为冷凝器，7-1为变频液体增压泵，7-2为掺混器，7-3为干气密封盘站，7-4为高压透平入口轴端密封气调节阀，7-5为高压透平出口轴端密封气调节阀，7-6为低压透平入口轴端密封气调节阀，7-7为低压透平出口轴端密封气调节阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，包括低温液体混合物储罐1，蒸发器2，压缩机3，高温混合物储罐4，低压透平入口调阀5-1，高压透平入口调阀5-2，高压透平5-3，低压透平5-4，冷凝器6，变频液体增压泵7-1，掺混器7-2，干气密封盘站7-3，高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6以及低压透平出口轴端密封气调节阀7-7。
其中，高压透平5-3上还设置有高压透平入口轴端密封气入口和高压透平出口轴端密封气入口，低压透平5-4上还设置有低压透平入口轴端密封气入口和低压透平出口轴端密封气入口。
所述低温液体混合物储罐1的出口与蒸发器2的冷侧入口相连通，蒸发器2的冷侧出口与压缩机3的入口相连通，压缩机3的出口与高温混合物储罐4的入口相连通，高温混合物储罐4的出口分为两路，分别与低压透平入口调阀5-1的入口以及高压透平入口调阀5-2的入口相连接，高压透平入口调阀5-2的出口与高压透平5-3的入口相连接，低压透平入口调阀5-1的出口与低压透平5-4的入口相连通，高压透平5-3出口与低压透平5-4的入口相连通，低压透平5-4的出口与冷凝器6的热侧入口相连通，冷凝器6的热侧出口与低温液体混合物储罐1的入口相连通。低温液体混合物储罐1出口上还有支路与变频液体增压泵7-1的入口相连接，变频液体增压泵7-1的出口与掺混器7-2的一个入口相连接，高温混合物储罐4出口的一个支路与掺混器7-2的另一个入口相连接，掺混器7-2的出口与干气密封盘站7-3的入口相连接，干气密封盘站7-3有4个出口，分别与高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6以及低压透平出口轴端密封气调节阀7-7的入口相连接，高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6以及低压透平出口轴端密封气调节阀7-7的出口分别与高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口相连接。
一种多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统的压力调节方法，包括以下步骤：
当有富余电能需要储存时，首先采用低温热源加热蒸发器2，同时启动压缩机3，将低温液体混合物储罐1中的液体混合物抽入蒸发器2的冷侧，液体混合物在蒸发器2中吸收热水的热量蒸发为气态混合物，然后气态混合物在压缩机3中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，将增加后的高压高温混合物储存在高温混合物储罐4当中，完成储能过程。
当需要输出电能时，在高温混合物储罐4中的工质处于高压时，使高温混合物储罐4中储存的高温高压混合物工质经过高压透平入口调阀5-2流入高压透平5-3中，关闭高温混合物储罐4中到低压透平5-4的管道，混合物工质在高压透平5-3做功输出电能后继续流入低压透平5-4继续做功，低压透平5-4排出的废气进入冷凝器6的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐1中。
与此同时，变频液体增压泵7-1启动将低温液体CO2混合物注入掺混器7-2，从高温混合物储罐4的另一个支路注入掺混器7-2的高温CO2混合物工质与之混合后变为高压适当温度的混合物气体，然后进入干气密封盘站7-3，经过盘站分配由4个支路分别经过高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6，低压透平出口轴端密封气调节阀7-7的调节后进入高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口，密封气经过轴端密封通道后与主流汇合从透平出口流出。
其中，以本实施例作为示例，由于在此过程中高温混合物储罐4中压力随着工质质量的减少而降低，变频液体增压泵7-1的频率也需要随之降低，使出口压力与高温混合物储罐4的压力匹配，同时调节掺混器7-2出口混合物温度在200℃左右。高压透平入口调阀5-2的开度保持在30％-70％之间为最佳，以保证阀门处于最佳调节性区间同时保持干气密封气压力略高于透平内气体压力。高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6，低压透平出口轴端密封气调节阀7-7的调节原则为保证每个支路的流量在400Nm3/h左右。
在此过程中高温混合物储罐4中压力随着工质质量的减少也降低，当降低到一定范围时，在本发明实施例中当压力降低到8MPa时，开启高温混合物储罐4到低压透平5-4的管道，同时关闭高温混合物储罐4到高压透平5-3的管道，此时高压透平5-3停止运行，只有低压透平5-4运行，高温混合物经过低压透平入口调阀5-1进入低压透平5-4做功，低压透平5-4排出的废气仍然进入冷凝器6的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐1中。在此过程中低压透平入口调阀5-1的开度保持在30％-70％之间为最佳，以保证阀门处于最佳调节性区间同时保持干气密封气压力略高于透平内气体压力。
与此同时，变频液体增压泵7-1，掺混器7-2，干气密封盘站7-3，低压透平入口轴端密封气调节阀7-6，低压透平出口轴端密封气调节阀7-7的工作过程与之前相同，高压透平入口轴端密封气调节阀7-4，高压透平出口轴端密封气调节阀7-5则关闭，密封气不进入高压透平5-3。
但图1所示的压缩液体CO2混合物储能系统的其它冷却或加热方式不影响本发明的应用，本发明的内容对于压缩液体CO2混合物储能系统的其它冷却或加热方式也适用，因此本发明中的压缩液体CO2混合物储能系统是广泛意义上的压缩液体CO2混合物储能系统，而非局限于图示布局。例如其它压缩液体CO2混合物储能系统可采用太阳能加热蒸发器中的工质，或采用水冷冷却冷凝器中的工质，等等。
采用了压缩液体CO2混合物储能技术之后，混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，而无需低温冷却。由于储能系统的高温混合物储罐中的工质压力是随着时间降低的，因此该系统采用了多级透平分级膨胀的设计，当系统压力逐步降低时透平处于滑压运行状态，当压力降低到一定范围后，关闭高压通道，开启低压通道，只运行低压透平，停运高压透平，这样可以更大限度的提高透平高效运行范围，避免透平处于低效运行区间，从而提高整个系统的效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，例如，对蒸发器2加热的热源可以是余热热源或者太阳能等，对冷凝器6冷却的冷源可以是空气或者江河湖水等，另外，本发明实施例中将透平分为高压透平5-3和低压透平5-4，也可根据成本预算以及工程需要将透平再细分为更多级，其运行原理与本发明相同。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，其特征在于，包括低温液体混合物储罐（1），蒸发器（2），压缩机（3），高温混合物储罐（4）以及冷凝器（6）；
其中，所述低温液体混合物储罐（1）的出口与蒸发器（2）的冷侧入口相连通，蒸发器（2）的冷侧出口与压缩机（3）的入口相连通，压缩机（3）的出口与高温混合物储罐（4）的入口相连通，高温混合物储罐（4）的出口分为若干支路，每支路经透平后与冷凝器（6）的热侧入口相连通，冷凝器（6）的热侧出口与低温液体混合物储罐（1）的入口相连通；
还包括掺混器（7-2）和干气密封盘站（7-3），低温液体混合物储罐（1）出口与掺混器（7-2）的第一入口相连接，高温混合物储罐（4）出口与掺混器（7-2）的第二入口相连接，掺混器（7-2）的出口与干气密封盘站（7-3）的入口相连接，干气密封盘站（7-3）出口分为四路，分别与高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口相连接；
低温液体混合物储罐（1）出口与掺混器（7-2）的第一入口之间设置有变频液体增压泵（7-1）；
高温混合物储罐（4）的出口分为两路，一路与高压透平（5-3）的入口相连，另一路与低压透平（5-4）的入口相连，高压透平（5-3）出口与低压透平（5-4）的入口相连通，低压透平（5-4）的出口与冷凝器（6）的热侧入口相连通。
2.根据权利要求1所述的多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，其特征在于，高压透平（5-3）的入口设置有高压透平入口调阀（5-2）。
3.根据权利要求1所述的多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，其特征在于，低压透平（5-4）入口设置有低压透平入口调阀（5-1）。
4.根据权利要求1所述的多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统，其特征在于，干气密封盘站（7-3）出口分为四路，分别与高压透平入口轴端密封气调节阀（7-4），高压透平出口轴端密封气调节阀（7-5），低压透平入口轴端密封气调节阀（7-6）以及低压透平出口轴端密封气调节阀（7-7）的入口相连接，高压透平入口轴端密封气调节阀（7-4），高压透平出口轴端密封气调节阀（7-5），低压透平入口轴端密封气调节阀（7-6）以及低压透平出口轴端密封气调节阀（7-7）的出口分别与高压透平入口轴端密封气入口，高压透平出口轴端密封气入口，低压透平入口轴端密封气入口，低压透平出口轴端密封气入口相连接。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的多级膨胀的液体二氧化碳混合物储能系统的压力调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
当有富余电能需要储存时，首先采用低温热源加热蒸发器（2），同时启动压缩机（3），将低温液体混合物储罐（1）中的液体混合物抽入蒸发器（2）的冷侧，液体混合物在蒸发器（2）中吸收热水的热量蒸发为气态混合物，然后气态混合物在压缩机（3）中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，将增加后的高压高温混合物储存在高温混合物储罐（4）当中，完成储能过程；
当需要输出电能时，高温混合物储罐（4）中的高温高压混合物工质处于高压时，使高温混合物储罐（4）中储存的高温高压混合物工质流入高压透平（5-3）中，高温高压混合物工质在高压透平（5-3）做功输出电能后流入低压透平（5-4）中，低压透平（5-4）排出的废气进入冷凝器（6）的热侧释放热量，然后储存在低温液体混合物储罐（1）中。
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