CN115031283A - 一种热电灵活储供系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热电灵活储供系统及其运行方法，涉及节能技术领域，包括依次连接的低压储气罐、压缩机、储能换热器、高压储气罐、释能换热器和膨胀机，且膨胀机与回热器、低压储气罐依次连接；还包括热网水循环单元，热网水循环单元包括热泵和第一换热器，热泵的低温侧入口和第一换热器的高温侧出口适于连接城市一级热网端口，且热泵的低温侧出口连接储能换热器的低温侧入口，高温侧入口连接储能换热器的低温侧出口，高温侧出口连接第一换热器的高温侧入口，第一换热器用于对低压储气罐加热。本发明基于夜间电负荷低与热负荷高的用能特性，将夜间低谷电能及时存储与热负荷即时供应，实现热电解耦，有利于能源的充分利用，实现经济效益最大化。
Description
技术领域
本发明涉及能量储存技术领域，具体而言，涉及一种热电灵活储供系统及其运行方法。
背景技术
火力发电目前是我国发电的主体，且短期内地位难以改变。我国火力发电厂约一半以上集中在北方地区，其中80％以上的火力发电厂属于热电联产厂，又叫热电厂，发电的同时兼具保障供热功能。近年来各地纷纷加大了热电联产机组技术改造力度，将纯凝火电改造为热电联产并回收余热热量成为未来的主要发展模式。
我国北方高寒地区冬季用能特性为日间电负荷高、电价高且热负荷低，夜间电负荷低、电价低且热负荷高。由于高寒季节热负荷需求大，目前热电厂采用的供能方案为以“以热定电”运行模式，即，以供热负荷的大小来确定发电量，换言之，要根据供热负荷来选择配套的锅炉及汽轮发电机组，根据蒸汽用量来确定热电机组的进汽量，把发出的电作为供热的副产品，热电机组若发挥最大供热能力，发电出力不可调节，若为了满足电力调峰需求而降低发电出力，供热能力则随之下降。此外，热负荷不足部分还需由仅供热的热源厂补充。在“以热定电”运行模式中，热电输出相互耦合、相互制约，在供应热负荷的同时存在电能消纳问题。而且，由于需要以化石燃料为能源的热源厂额外提供热源量以满足高的热负荷需求，因此存在资源浪费与环境污染的问题，环保效益差。总之，现行主要的热电联产运行模式在实际操作中存在诸多制约，电、热矛盾较为突出，在提高电厂灵活性的同时会降低能源利用效率。因此，在满足供热负荷且发电还能在大范围内进行调节、兼顾提高热电联产的能源利用效率与灵活性是现行技术亟待解决的问题。
发明内容
针对以上现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种热电灵活储供系统及其运行方法。
为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：
本发明提供了一种热电灵活储供系统，包括依次连接的低压储气罐、压缩机、储能换热器、高压储气罐、释能换热器和膨胀机，且所述膨胀机与所述低压储气罐连接，以形成二氧化碳闭式循环回路；
所述热电灵活储供系统还包括热网水循环单元，所述热网水循环单元包括热泵和第一换热器；所述热泵的低温侧入口和所述第一换热器的高温侧出口适于连接城市一级热网端口，且所述热泵的低温侧出口连接所述储能换热器的低温侧入口，高温侧入口连接所述储能换热器的低温侧出口，高温侧出口连接所述第一换热器的高温侧入口，所述第一换热器用于对所述低压储气罐加热。
进一步地，所述低压储气罐内设有吸附剂填充区，所述吸附剂填充区内设有吸附剂，所述吸附剂用于吸附所述二氧化碳。
进一步地，所述的吸附剂包括硅铝基材料或碳基材料。
进一步地，所述低压储气罐中二氧化碳的有效储气密度大于或等于 100kg/m3，所述高压储气罐中超临界二氧化碳的有效储气密度大于或等于 500kg/m3。
进一步地，所述第一换热器设于所述低压储气罐内，且与所述吸附剂填充区邻接设置。
进一步地，所述热电灵活储供系统还包括发电机，所述发电机与所述膨胀机的传动轴固定连接。
进一步地，所述热电灵活储供系统还包括回热器，所述回热器的低温侧入口连接所述高压储气罐的出气口，低温侧出口连接所述释能换热器的低温侧入口，高温侧入口连接所述膨胀机的出气口，高温侧出口连接所述低压储气罐的进气口。
进一步地，所述热电灵活储供系统还包括导热油内循环单元，所述导热油内循环单元包括油泵和第二换热器；所述油泵的进液口连接所述释能换热器的高温侧出口，出液口连接所述第二换热器的低温侧入口；所述第二换热器的低温侧出口连接所述释能换热器的高温侧入口，所述第二换热器用于回收吸附热。
进一步地，所述第二换热器设于所述低压储气罐内，且与所述吸附剂填充区邻接设置。
另外，本发明提供了如上所述的热电灵活储供系统的运行方法，包括以下步骤：
当电网负荷处于低谷而热负荷处于高峰时，启动热泵，使城市一级热网回水降温后进入储能换热器，与经压缩机压缩后的超临界二氧化碳换热，降温后的所述超临界二氧化碳进入高压储气罐内储存，升温后的所述城市一级热网回水经由所述热泵进入第一换热器内，向低压储气罐内二氧化碳提供脱附热后用于向热用户供热；
当电网负荷处于高峰而热负荷处于低谷时，使所述超临界二氧化碳流出所述高压储气罐，进入所述释能换热器换热升温，之后经所述膨胀机膨胀做功以输出电能，完成做功后的所述二氧化碳在所述回热器中进一步降温，之后进入所述低压储气罐内存储。
进一步地，所述脱附热的温度为200℃及以上。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于夜间电负荷低与热负荷高的用能特性，采用压缩二氧化碳储能系统与城市一级热网端口耦合方式，实现夜间低谷电能及时存储与热负荷即时供应，即热电解耦，有利于能源的充分利用，避免低谷电不合理消纳与热电高度耦合问题，实现经济效益最大化。
2、本发明通过将城市一级热网回水降温，用于与冷却压缩机出气口的高温超临界CO2换热，经CO2加热后的高温水蒸气作为热泵高温热源吸热以进一步提升温度，吸热后的高温水蒸气用于加热低压储气罐，为其内的CO2提供脱附热，与低压储气罐换热后的高温液态水向热用户供应热负荷，经过以上过程能够实现能量梯级利用，最大化余热回收，提升系统能量利用水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的热电灵活储供系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的低压储气罐和第一换热器、第二换热器配合的结构示意图；
图3为本发明实施例的吸附剂的吸附量随温度变化的曲线图；
附图标记说明：
1、低压储气罐；101、吸附剂填充区；2、压缩机；3、储能换热器；4、高压储气罐；5、释能换热器；6、膨胀机；7、热泵；8、第一换热器；9、城市一级热网端口；10、回热器；11、油泵；12、第二换热器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中使用的技术术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的部件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的部件或者物件及其等同部件，并不排除其他部件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例以解决现有热电联产机组能源利用效率与灵活性低为核心，面向北方高寒地区冬季用能需求，提供了一种热电灵活储供系统，参见图1，包括依次连接的低压储气罐1、压缩机2、储能换热器3、高压储气罐4、释能换热器5和膨胀机6，且所述膨胀机6与所述低压储气罐1连接，以形成二氧化碳(CO2)闭式循环回路；具体地，所述低压储气罐1的出气口连接所述压缩机2的进气口，所述压缩机2的出气口连接所述储能换热器3的高温侧入口，所述储能换热器3的高温侧出口连接所述高压储气罐4的进气口，所述高压储气罐4的出气口连接所述释能换热器5的低温侧入口，所述释能换热器5的低温侧出口连接所述膨胀机6的进气口，所述膨胀机6的出气口连接所述低压储气罐1的进气口，由此，储能工质CO2在系统内形成循环流动。
所述热电灵活储供系统还包括热网水循环单元，图1中以虚线示出了热网水的循环回路，所述热网水循环单元包括热泵7和第一换热器8，所述热泵 7的低温侧入口和所述第一换热器8的高温侧出口适于连接城市一级热网端口 9，且所述热泵7的低温侧出口连接所述储能换热器3的低温侧入口，所述热泵7的高温侧入口连接所述储能换热器3的低温侧出口，所述热泵7的高温侧出口连接所述第一换热器8的高温侧入口，所述第一换热器8用于对所述低压储气罐1加热。
在本实施例中，低压储气罐1用于低压高密度储存CO2，压缩机2用于将低压储气罐1内解吸附的CO2压缩为高压高密度的超临界CO2，储能换热器3用于对超临界CO2进行降温，高压储气罐4用于储存超临界CO2，释能换热器5用于对高压储气罐4释放的超临界CO2的进行升温，膨胀机6用于使超临界CO2膨胀做功，完成做功后的CO2进入低压储气罐1内被吸附储存，完成闭式循环。本发明以CO2为工质储能，通过低压储气罐1的吸附作用和高压储气罐4的超临界CO2的压缩作用实现高密度CO2工质的闭式循环，避免了温室气体外泄引起的环境问题。相较于传统压缩空气储能，闭式循环的 CO2储能系统具有储能效率高、储能密度大等优点，有利于降低系统循环流量，提升系统的能量转换效率，降低能量损耗。
在CO2闭式循环过程中，当夜间电网负荷处于低谷而热负荷处于高峰时，为热电解耦过程；即：富余电能供给给热泵7，以城市一级热网回水作为低温热源，经热泵7降温后进入储能换热器3作为冷媒，与压缩后的CO2发生热交换，使得CO2温度降低后再进入高压储气罐4，而城市一级热网回水温度升高、吸热气化，以将压缩热回收利用，回温后的城市一级热网回水进入热泵7 作为高温热源再次吸热并成为高温水蒸气，之后高温水蒸气进入低压储气罐1 内作为热源对低压储气罐1加热，使低压CO2温度升高(提供脱附热)并从低压储气罐1内解吸附给压缩机2，经压缩机2压缩为超临界CO2，以此将电网负荷处于低谷时的富余电能转换为高压气体能存储，提供脱附热后的高温水蒸气温度降低成为液态热水，作为热网给水进入城市一级热网端口9向热用户供热，经过以上步骤实现电热灵活储供，即热电解耦过程。当白天电网负荷处于高峰而热负荷处于低谷时，为膨胀发电阶段；即：高压储气罐4释放存储的高压状态的超临界CO2，超临界CO2受热膨胀做功，将高压气体能转换为电能，用于削峰填谷。
本发明基于夜间电负荷低与热负荷高的用能特性，采用压缩二氧化碳储能系统与城市一级热网端口9耦合方式，实现夜间低谷电能及时存储与热负荷即时供应，即夜间(电负荷低谷期、热负荷高峰期)储电-供热联合(热电解耦)，有利于能源的充分利用，避免低谷电不合理消纳与热电高度耦合问题，在满足供热负荷时，发电还能在大范围内进行调节，实现经济效益最大化；相比于现有的压缩空气绝热系统，本发明的灵活储供方案可节省大量储热介质及高容量储罐，极大提升系统经济性。此外，本发明通过将城市一级热网回水降温，用于与冷却压缩机2出气口的高温超临界CO2换热，经CO2加热后的高温水蒸气作为热泵7高温热源吸热以进一步提升温度，吸热后的高温水蒸气用于加热低压储气罐1，为其内的CO2提供脱附热，与低压储气罐1 换热后的高温液态水向热用户供应热负荷，经过以上过程能够实现能量梯级利用，有利于最大化余热回收，提升系统能量利用水平。
需要注意的是，本发明上下文所述的低压储气罐1中的低压是相比高压储气罐4的超临界CO2而言，其实质为常压。
可选地，所述低压储气罐1内设有吸附剂填充区101，所述吸附剂填充区 101内设有吸附剂，所述吸附剂为多孔吸附材料，用于吸附所述二氧化碳。通过吸附剂的吸附效应，可实现膨胀做功后的CO2低压高密度存储。
上述所述的吸附剂包括具有丰富微孔结构的硅铝基材料或碳基材料，可高效吸附CO2分子，是实现CO2低压高密度存储的可行途径。
所述低压储气罐1中二氧化碳的有效储气密度大于或等于100kg/m3，所述高压储气罐4中超临界二氧化碳的有效储气密度大于或等于500kg/m3。本发明的吸附式低压储存相比于常温常压条件，储气密度可提升50-70倍，而且高压储气体积低于压缩空气储能技术中高压储罐储气体积十分之一，有利于管理和维护，且大大降低了设备投入。因此，采用吸附式低压储存和压缩超临界CO2储存的储气总体积及综合造价远低于压缩空气储能。
可选地，参见图2，所述第一换热器8设于所述低压储气罐1内，且与所述吸附剂填充区101邻接设置。解吸附过程则需供应高品位脱附热(200℃左右)，第一换热器8用于对吸附剂填充区101进行加热以使CO2从吸附剂上解吸附并释放给压缩机2，第一换热器8紧邻吸附剂填充区101有利于降低加热时的热量损耗。
可选地，所述热电灵活储供系统还包括发电机(图中未示出)，所述发电机与所述膨胀机6的传动轴固定连接。超临界CO2被加热到高温高压的状态后，进入膨胀机6做功并带动发电机发电，进而将高压气体能转化为电能。
可选地，所述热电灵活储供系统还包括回热器10，所述回热器10设于所述高压储气罐4和所述释能换热器5的连接管路上，所述回热器10的低温侧入口连接所述高压储气罐4的出气口，所述回热器10的低温侧出口连接所述释能换热器5的低温侧入口，所述回热器10的高温侧入口连接所述膨胀机6 的出气口，所述回热器10的高温侧出口连接所述低压储气罐1的进气口。设置回热器10，可利用膨胀机6出口乏气作为热源，预热待膨胀的CO2气体，提升系统整体运行效率。
可选地，所述热电灵活储供系统还包括导热油内循环单元，图1中以虚线示出了导热油内循环单元导热介质的内循环回路，所述导热油内循环单元包括油泵11和第二换热器12，所述油泵11的进液口连接所述释能换热器5 的高温侧出口，所述油泵11的出液口连接所述第二换热器12的低温侧入口，所述第二换热器12的低温侧出口连接所述释能换热器5的高温侧入口，所述第二换热器12用于回收吸附热。在CO2膨胀释能过程中采用回热循环，用于提高CO2平均吸热温度并降低CO2平均放热温度，可提升系统循环效率。通过导热介质内循环，冷态导热介质被油泵11泵入第二换热器12，用于吸收吸附热，吸热后的高温导热介质进入释能换热器5用于加热膨胀前的高压CO2，提升高压CO2温度，由于吸附热能量品位高于压缩热，相较于传统绝热方式，膨胀机6做功能力更强，经济性进一步提升。
可选地，参见图2，所述第二换热器12设于所述低压储气罐1内，且与所述吸附剂填充区101邻接设置。由此，在低压储气罐1内形成第一换热器8、吸附剂填充区101、第二换热器12依次邻接的结构。CO2吸附过程会产生200℃左右的高品位吸附热，第二换热器12用于回收吸附剂填充区101的吸附热并将热量供给于释能换热器5，第二换热器12紧邻吸附剂填充区101有利于降低吸热时的热量损耗，且有利于实现系统结构简化与高效运行。
本发明另一实施例提供了如上所述的热电灵活储供系统的运行方法，包括以下步骤：
热电解耦阶段：当电网负荷处于低谷而热负荷处于高峰时(通常为夜间)，启动热泵7，使城市一级热网回水降温后进入储能换热器3，与经压缩机2压缩后的超临界二氧化碳换热，降温后的所述超临界二氧化碳进入高压储气罐4 内储存，升温后的所述城市一级热网回水经由所述热泵7进入第一换热器8 内，向低压储气罐1内二氧化碳提供脱附热后用于向热用户供热；
膨胀发电阶段：当电网负荷处于高峰而热负荷处于低谷时(通常为白天)，使所述超临界二氧化碳流出所述高压储气罐4，进入释能换热器5换热升温，之后经膨胀机6膨胀做功以输出电能，完成做功后的所述二氧化碳进入所述低压储气罐1内存储。
热电解耦阶段，脱附热的温度为200℃及以上，吸附剂的吸附量随温度升高而降低，参见图3，温度越高，越有利于解吸附。
所述热电灵活储供系统的运行方法相对于现有技术所具有的优势同所述热电灵活储供系统，在此不再赘述。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热电灵活储供系统，其特征在于，包括依次连接的低压储气罐(1)、压缩机(2)、储能换热器(3)、高压储气罐(4)、释能换热器(5)和膨胀机(6)，且所述膨胀机(6)与所述回热器(10)及所述低压储气罐(1)连接，以形成二氧化碳闭式循环回路；
所述热电灵活储供系统还包括热网水循环单元，所述热网水循环单元包括热泵(7)和第一换热器(8)；
所述热泵(7)的低温侧入口和所述第一换热器(8)的高温侧出口适于连接城市一级热网端口(9)，且所述热泵(7)的低温侧出口连接所述储能换热器(3)的低温侧入口，高温侧入口连接所述储能换热器(3)的低温侧出口，高温侧出口连接所述第一换热器(8)的高温侧入口，所述第一换热器(8)用于对所述低压储气罐(1)加热。
2.根据权利要求1所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述低压储气罐(1)内设有吸附剂填充区(101)，所述吸附剂填充区(101)内设有吸附剂。
3.根据权利要求2所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述低压储气罐(1)中二氧化碳的有效储气密度大于或等于100kg/m3，所述高压储气罐(4)中超临界二氧化碳的有效储气密度大于或等于500kg/m3。
4.根据权利要求2所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述第一换热器(8)设于所述低压储气罐(1)内，且与所述吸附剂填充区(101)邻接设置。
5.根据权利要求2-4任一项所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述热电灵活储供系统还包括回热器(10)；
所述回热器(10)的低温侧入口连接所述高压储气罐(4)的出气口，低温侧出口连接所述释能换热器(5)的低温侧入口，高温侧入口连接所述膨胀机(6)的出气口，高温侧出口连接所述低压储气罐(1)的进气口。
6.根据权利要求2-4任一项所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述热电灵活储供系统还包括导热油内循环单元，所述导热油内循环单元包括油泵(11)和第二换热器(12)；
所述油泵(11)的进液口连接所述释能换热器(5)的高温侧出口，出液口连接所述第二换热器(12)的低温侧入口；
所述第二换热器(12)的低温侧出口连接所述释能换热器(5)的高温侧入口，所述第二换热器(12)用于回收吸附热。
7.根据权利要求6所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述第二换热器(12)设于所述低压储气罐(1)内，且与所述吸附剂填充区(101)邻接设置。
8.根据权利要求1所述的热电灵活储供系统，其特征在于，所述热电灵活储供系统还包括发电机，所述发电机与所述膨胀机(6)的传动轴固定连接。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的热电灵活储供系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
当电网负荷处于低谷而热负荷处于高峰时，启动热泵(7)，使城市一级热网回水降温后进入储能换热器(3)，与经压缩机(2)压缩后的超临界二氧化碳换热，降温后的所述超临界二氧化碳进入高压储气罐(4)内储存，升温后的所述城市一级热网回水经由所述热泵(7)进入第一换热器(8)内，向低压储气罐(1)内二氧化碳提供脱附热后用于向热用户供热；
当电网负荷处于高峰而热负荷处于低谷时，使所述超临界二氧化碳流出所述高压储气罐(4)，进入释能换热器(5)换热升温，之后经膨胀机(6)膨胀做功以输出电能，完成做功后的所述二氧化碳进入所述低压储气罐(1)内存储。
10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，所述脱附热的温度为200℃及以上。
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