CN115506861A - 一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火力发电和储能领域，具体涉及一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法。包括：低压缸连接有第一发电机，中压缸的出口连接有用户端，用户端的出口连接除氧器；间冷器组的入口和出口分别与凝汽器的出口和用户端的入口连接，电动机与第一发电机连接，间冷器组的出口还连接有高压二氧化碳储罐；预热器组的入口和出口分别与中压缸的出口和低压加热器组的入口连接，膨胀机组的出口还连接有低压二氧化碳储罐，低压二氧化碳储罐的出口与压缩机组的入口连接，高压二氧化碳储罐的出口与预热器组的入口连接。本发明提供了一种结构简单，成本较低的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法。

Description

一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法

技术领域

本发明涉及火力发电和储能领域，具体涉及一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法。

背景技术

热电联产机组与大规模储能系统协调运行，可提升电力系统的灵活性。大规模储能系统主要包括抽水蓄能系统、压缩空气储能系统和燃料电池储能系统等。其中抽水蓄能系统受地域限制，燃料电池储能系统的能源转换效率普遍偏低，只有压缩空气储能系统因污染低、效率高、寿命长等优点被认为是最具适用性的储能系统。但传统的压缩空气储能技术依赖化石燃料，绝热压缩空气储能技术需要巨大的储气库，液态空气储能技术受空气临界温度太低(约为-140.6℃)的约束。

与空气相比，二氧化碳具有良好的热物性，其临界参数为31℃和7.377MPa，很容易通过现有技术实现。同时以超临界二氧化碳为工质的循环动力系统由于系统紧凑、具备良好的热力性能和安全性能，近年来受到越来越多的关注。但是，将压缩二氧化碳储能技术应用于电源侧，尤其是配合电网进行调峰的研究还十分匮乏。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的压缩二氧化碳和电网的耦合系统装置复杂，成本较高的缺陷，从而提供一种结构简单，成本较低的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，包括：

热电联产装置，包括循环连接的锅炉、高压缸、中压缸、低压缸、凝汽器、低压加热器组、除氧器和高压加热器组，所述低压缸连接有第一发电机，所述中压缸的出口连接有用户端，所述用户端的出口连接除氧器的入口；

储能装置，包括依次连接的间冷器组、压缩机组和电动机，所述间冷器组的入口和出口分别与凝汽器的出口和用户端的入口连接，所述电动机与第一发电机连接，所述间冷器组的出口还连接有高压二氧化碳储罐；

释能装置，包括依次连接的预热器组、膨胀机组和第二发电机，所述预热器组的入口和出口分别与中压缸的出口和低压加热器组的入口连接，所述膨胀机组的出口还连接有低压二氧化碳储罐，低压二氧化碳储罐的出口与压缩机组的入口连接，高压二氧化碳储罐的出口与预热器组的入口连接。

可选地，还包括分别设于所述低压二氧化碳储罐的出口与压缩机组的入口之间的第一稳压阀，和所述高压二氧化碳储罐的出口与预热器组的入口之间的第二稳压阀。

可选地，还包括设于所述凝汽器与所述间冷器组之间的凝结水泵。

可选地，所述凝结水泵与所述低压加热器组之间设有第一冷却器，所述膨胀机组与低压二氧化碳储罐之间设有第二冷却器。

可选地，所述低压加热器组和高压加热器组之间设有除氧器，所述用户端的出口与所述除氧器的入口连接。

可选地，所述中压缸的出口还连接有水泵汽轮机，所述水泵汽轮机和除氧器之间依次设有主给水泵和前置泵，所述水泵汽轮机还与所述凝汽器连接。

可选地，还包括设于用户端和除氧器之间的回水泵。

还提供了一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产方法，使用所述的系统进行联产，包括以下步骤：

锅炉给水在锅炉内吸热后进入高压缸膨胀做功，随后回流至锅炉再热，再热后的再热蒸汽进入中压缸膨胀做功，中压缸的排汽一部分流入用户端供暖，供暖后回水至除氧器；另一部分进入低压缸继续膨胀做功，并驱动第一发电机发电，排汽进入凝汽器冷凝成液，经低压加热器组升温后，进入高压加热器组升温，最终回到锅炉，完成热力循环；

当夜晚用户端的电负荷需求较低而热负荷相对较高时，低压二氧化碳储罐中的二氧化碳降压后，第一发电机为电动机供电，电动机带动压缩机组将降压后的二氧化碳压缩，压缩后的高压二氧化碳存储于高压二氧化碳储罐中，压缩过程中产生的压缩热被间冷器组吸收，间冷器组中的凝结水吸收压缩热后流至用户端供暖；

当白天用户的电负荷需求较高而热负荷需求较低时，高压二氧化碳储罐中的二氧化碳降压后，被预热器组加热后送入膨胀机组中膨胀做功，并带动第二发电机发电，膨胀后的低压二氧化碳存储于低压二氧化碳储罐中，预热器组的采暖抽汽换热后回水至低压加热器组。

可选地，还包括凝汽器中的冷凝液由凝结水泵抽出后，经低压加热器组升温后进入除氧器中，并依次经前置泵和主给水泵升压后进入高压加热器组升温。

可选地，分别通过第一稳压阀和第二稳压阀对低压二氧化碳储罐和高压二氧化碳储罐中的二氧化碳降压。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，通过将压缩二氧化碳储能装置与火电厂热电联产装置进行耦合，显著提高了传统热电联产机组的调峰能力和二氧化碳储能系统的热电解耦能力，热电联产装置向压缩二氧化碳储能装置供应多余电能的同时，还利用采暖抽汽提供了释能过程的加热热源，利用凝结水收集了储能过程的压缩热，省去了储热设备，降低了储能系统复杂度，节省了成本。

2.本发明提供的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，第一稳压阀和第二稳压阀的设置保证二氧化碳在压缩时的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统的示意图。

附图标记说明：

1、一级高压加热器；2、二级高压加热器；3、三级高压加热器；4、除氧器；5、一级低压加热器；6、二级低压加热器；7、三级低压加热器；8、四级低压加热器；9、锅炉；10、高压缸；11、中压缸；12、低压缸；13、凝汽器；14、凝结水泵；15、第一冷却器；16、前置泵；17、主给水泵；18、水泵汽轮机；19、第一发电机；20、电动机；21、压缩机组；22、间冷器组；23、高压二氧化碳储罐、24、第二稳压阀；25、预热器组；26、膨胀机组；27、第二发电机；28、第二冷却器；29、低压二氧化碳储罐；30、第一稳压阀；31、用户端；32、回水泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统的一种具体实施方式，包括热电联产装置、储能装置和释能装置。

热电联产装置包括循环连接的锅炉9、高压缸10、中压缸11、低压缸12、凝汽器13、凝结水泵14、第一冷却器15、低压加热器组和高压加热器组，所述低压缸12连接有第一发电机19，所述中压缸11的出口连接有用户端31，所述用户端31的出口依次连接回水泵32、除氧器4、前置泵16、主给水泵17和高压加热器组，中压缸11与主给水泵17之间还设有给水泵汽轮机18。

高压加热器组包括一级高压加热器1、二级高压加热器2、三级高压加热器3，其中，高压缸10的出口与一级高压加热器1的壳侧入口连接；二级高压加热器2的壳侧入口连接在高压缸10出口与锅炉9的再热器入口之间的管路上；中压缸11的出口分别与三级高压加热器3的壳侧入口、除氧器4入口和用户端31入口连接；一级高压加热器1的壳侧出口依次连接二级高压加热器2的壳侧、三级高压加热器3的壳侧和除氧器4的入口；除氧器4的出口依次连接三级高压加热器3的管侧、二级高压加热器2的管侧、一级高压加热器1的管侧和锅炉9入口。

低压加热器组包括一级低压加热器5、二级低压加热器6、三级低压加热器7、四级低压加热器8，其中，低压缸12的出口分别连接一级低压加热器5的壳侧入口、二级低压加热器6的壳侧入口、三级低压加热器7的壳侧入口、四级低压加热器8的壳侧入口；一级低压加热器5的壳侧出口依次连接二级低压加热器6的壳侧、三级低压加热器7的壳侧、四级低压加热器8的壳侧和凝汽器13的入口；凝汽器13的出口依次连接凝结水泵14、第一冷却器15的管侧、四级低压加热器8的管侧、三级低压加热器7的管侧、二级低压加热器6的管侧、一级低压加热器5的管侧和除氧器4的入口。

储能装置包括依次连接的间冷器组22、压缩机组21和电动机20，电动机20通过传动轴与压缩机组21连接，所述间冷器组22的入口和出口分别与第一冷却器15的管侧入口和用户端31的入口连接，所述电动机20通过线路与第一发电机19连接，所述间冷器组22的出口还连接有高压二氧化碳储罐23。

释能装置包括依次连接的预热器组25、膨胀机组26和第二发电机27，第二发电机27通过传动轴与膨胀机组26连接，所述预热器组25的入口和出口分别与中压缸11的出口和低压加热器组的入口连接，所述膨胀机组26的出口还通过第二冷却器28连接有低压二氧化碳储罐29，低压二氧化碳储罐29的出口通过第一稳压阀30与压缩机组21的入口连接，高压二氧化碳储罐23的出口通过第二稳压阀24与预热器组25的入口连接。

锅炉9及其再热器出口分别与高压缸10和中压缸11入口相连接，高压缸10出口与锅炉9再热器入口相连接，同时设置两段高压抽汽分别与一级高压加热器1和二级高压加热器2相连接；中压缸11出口与低压缸12入口相连接，同时设置两段抽汽分别与三级高压加热器3和除氧器4、给水泵汽轮机18相连接，给水泵汽轮机18驱动前置泵16和主给水泵17并与凝汽器13相连接；中压缸11出口设置采暖抽汽与用户端31相连接，用户端31通过回水泵32与除氧器4入口相连接，采暖抽汽还作为膨胀机组26入口二氧化碳的加热汽源与预热器组25相连接；低压缸12出口与凝汽器13入口相连接，同时设置四段低压抽汽与低压加热器组相连接；高压缸10、中压缸11和低压缸12同轴连接驱动第一发电机19发电；凝结水泵14入口与凝汽器13出口热井相连接，凝结水泵14出口分两路，其中一路依次与第一冷却器15、低压加热器组、除氧器4、前置泵16、主给水泵17、高压加热器组和锅炉9入口相连接，另一路与间冷器组22相连接，用于提供凝结水收集储能装置压缩过程中产生的压缩热。

汽轮机组共有八级非调整抽汽和一段采暖抽汽，采暖抽汽来自中压缸11，供暖至用户端31；第一级抽汽、第二级抽汽抽自高压缸10，分别供至一级高压加热器1、二级高压加热器2；第三级抽汽、第四级抽汽抽自中压缸11，分别供至三级高压加热器3、除氧器4；后四级抽汽均来自低压缸12，供至低压加热器组；高压缸10、中压缸11和低压缸12同轴连接驱动第一发电机19发电，给水泵汽轮机18汽源为部分第四段抽汽，用于驱动前置泵16、主给水泵17，排汽接入凝汽器13内，凝汽器13的冷源为来自冷却水塔的循环水。

压缩机组21的级数根据储能压力和释能压力设置为多级，由电动机20驱动运转，来自凝结水泵14的凝结水在每一级压缩机后的间冷器内吸收压缩热后供应至用户端31入口与采暖抽汽共同供暖，间冷器组22管侧出口与高压二氧化碳储罐23入口相连接。高压二氧化碳储罐23通过第二稳压阀24与膨胀机组26连接，膨胀机组26级数设置为多级，膨胀机组26带动第二发电机27发电，来自低压缸12的采暖抽汽在每一级膨胀机前的预热器内加热二氧化碳后回水至某一级低压加热器对应的疏水冷却器，膨胀机组26出口通过第二冷却器28与低压二氧化碳储罐29入口相连接，低压二氧化碳储罐29出口通过第一稳压阀30与压缩机组21入口相连接。

一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产方法，包括以下步骤：

锅炉给水在锅炉9内吸收燃料燃烧放出的热量成为过热蒸汽，进入高压缸10膨胀做功，随后回流至锅炉再热器，再热后的再热蒸汽进入中压缸11膨胀做功，中压缸11的排汽一部分作为采暖抽汽流入用户端31供暖，供暖后回水至除氧器4；另一部分进入低压缸12继续膨胀做功，并驱动第一发电机19发电，排汽进入凝汽器13冷凝成液并汇聚于热井中，由凝结水泵14抽出后，经低压加热器组升温后进入除氧器4中，并依次经前置泵16和主给水泵17升压后进入高压加热器组升温，最终回到锅炉9，完成热力循环。

当夜晚用户端的电负荷需求较低而热负荷相对较高时，强化供暖储能模式开启。低压二氧化碳储罐29中的二氧化碳经第一稳压阀30降压后，第一发电机19为电动机20供电，电动机20带动压缩机组21将降压后的二氧化碳压缩，压缩后的高压二氧化碳存储于高压二氧化碳储罐23中，压缩过程中产生的压缩热被间冷器组22吸收，间冷器组22的冷源为热电联产装置凝结水泵14出口的凝结水，间冷器组22中的凝结水吸收压缩热后流至用户端31与采暖抽汽共同供暖。

当白天用户的电负荷需求较高而热负荷需求较低时，强化供电释能模式开启。高压二氧化碳储罐23中的二氧化碳经第二稳压阀24降压后，被预热器组25加热后送入膨胀机组26中膨胀做功，并带动第二发电机27发电，膨胀后的低压二氧化碳存储于低压二氧化碳储罐29中，预热器组25的采暖抽汽换热后回水至低压加热器组对应的疏水冷却器。

热电联产装置吸收煤炭燃烧产生的热量，向用户端供暖并驱动第一发电机输出电能，同时向压缩二氧化碳储能系统提供用于收集压缩热的冷凝水和用于预热二氧化碳的采暖抽汽；储能装置在用电低峰时将热电联产装置多余的电能储存起来，产生的压缩热与采暖抽汽共同向热用户供暖，在用电高峰时输出电能，以提高机组调峰能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，包括：

热电联产装置，包括循环连接的锅炉(9)、高压缸(10)、中压缸(11)、低压缸(12)、凝汽器(13)、低压加热器组、除氧器(4)和高压加热器组，所述低压缸(12)连接有第一发电机(19)，所述中压缸(11)的出口连接有用户端(31)，所述用户端(31)的出口连接除氧器(4)的入口；

储能装置，包括依次连接的间冷器组(22)、压缩机组(21)和电动机(20)，所述间冷器组(22)的入口和出口分别与凝汽器(13)的出口和用户端(31)的入口连接，所述电动机(20)与第一发电机(19)连接，所述间冷器组(22)的出口还连接有高压二氧化碳储罐(23)；

释能装置，包括依次连接的预热器组(25)、膨胀机组(26)和第二发电机(27)，所述预热器组(25)的入口和出口分别与中压缸(11)的出口和低压加热器组的入口连接，所述膨胀机组(26)的出口还连接有低压二氧化碳储罐(29)，低压二氧化碳储罐(29)的出口与压缩机组(21)的入口连接，高压二氧化碳储罐(23)的出口与预热器组(25)的入口连接。

2.根据权利要求1所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，还包括分别设于所述低压二氧化碳储罐(29)的出口与压缩机组(21)的入口之间的第一稳压阀(30)，和所述高压二氧化碳储罐(23)的出口与预热器组(25)的入口之间的第二稳压阀(24)。

3.根据权利要求2所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，还包括设于所述凝汽器(13)与所述间冷器组(22)之间的凝结水泵(14)。

4.根据权利要求3所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，所述凝结水泵(14)与所述低压加热器组之间设有第一冷却器(15)，所述膨胀机组(26)与低压二氧化碳储罐(29)之间设有第二冷却器(28)。

5.根据权利要求1－4任一项所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，所述中压缸(11)的出口还连接有水泵汽轮机(18)，所述水泵汽轮机(18)和除氧器(4)之间依次设有主给水泵(17)和前置泵(16)，所述水泵汽轮机(18)还与所述凝汽器(13)连接。

6.根据权利要求5所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产系统，其特征在于，还包括设于用户端(31)和除氧器(4)之间的回水泵(32)。

7.一种耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产方法，其特征在于，使用权利要求1－6任一项所述的系统进行联产，包括以下步骤：

锅炉给水在锅炉(9)内吸热后进入高压缸(10)膨胀做功，随后回流至锅炉(9)再热，再热后的再热蒸汽进入中压缸(11)膨胀做功，中压缸(11)的排汽一部分流入用户端(31)供暖，供暖后回水至除氧器(4)；另一部分进入低压缸(12)继续膨胀做功，并驱动第一发电机(19)发电，排汽进入凝汽器(13)冷凝成液，经低压加热器组升温后，进入高压加热器组升温，最终回到锅炉(9)，完成热力循环；

当夜晚用户端的电负荷需求较低而热负荷相对较高时，低压二氧化碳储罐(29)中的二氧化碳降压后，第一发电机(19)为电动机(20)供电，电动机(20)带动压缩机组(21)将降压后的二氧化碳压缩，压缩后的高压二氧化碳存储于高压二氧化碳储罐(23)中，压缩过程中产生的压缩热被间冷器组(22)吸收，间冷器组(22)中的凝结水吸收压缩热后流至用户端(31)供暖；

当白天用户的电负荷需求较高而热负荷需求较低时，高压二氧化碳储罐(23)中的二氧化碳降压后，被预热器组(25)加热后送入膨胀机组(26)中膨胀做功，并带动第二发电机(27)发电，膨胀后的低压二氧化碳存储于低压二氧化碳储罐(29)中，预热器组(25)的采暖抽汽换热后回水至低压加热器组。

8.根据权利要求7所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产方法，其特征在于，还包括凝汽器(13)中的冷凝液由凝结水泵(14)抽出后，经低压加热器组升温后进入除氧器(4)中，并依次经前置泵(16)和主给水泵(17)升压后进入高压加热器组升温。

9.根据权利要求8所述的耦合压缩二氧化碳储能的火电厂热电联产方法，其特征在于，分别通过第一稳压阀(30)和第二稳压阀(24)对低压二氧化碳储罐(29)和高压二氧化碳储罐(23)中的二氧化碳降压。

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