CN115773215A - 耦合orc的太阳能光热补热式压缩空气储能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统及方法，包括压缩空气储能系统、气‑水加热器、空气高温加热器、空气透平机组、发电机、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统、ORC低温发电系统以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统的出气口依次连接气‑水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；空气透平机组连接发电机；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；ORC低温发电系统连接第二水储热系统；第二水储热系统为ORC低温发电系统供热，太阳能光热系统连接高温储热系统；采用太阳能光热补热，抬高了透平各级进口温度，提高系统的整体效率。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统。
背景技术
为实现降低碳排放，着力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，提升能源清洁利用水平和电力系统运行效率，电力行业提出电力多能互补发展应提出充分发挥电源侧灵活调节作用或合理配置储能的具体措施。压缩空气储能电站具有规模大、效率高、成本低、寿命长、建设周期短、清洁无污染等诸多优势，还能代替火电机组为电力系统提供转动惯量，是适合大规模应用的新兴电力储能技术。但是传统的压缩空气系统需要化石能源进行补燃，传统化石能源补热能耗大、污染重，且压缩机最后一级出口释放的热品位较低，无法参与到放电过程，造成了浪费。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种ORC耦合补热塔式光热式压缩空气储能系统，结合传统非补燃压缩空气储能电站、光热补热系统以及ORC技术，构建低碳环保的新型补燃式压缩空气储能系统，不仅提升了压缩空气储能综合利用效率，解决传统化石能源补热能耗大、污染重的缺点，压缩空气储能为构建新型电力系统提供了实现电能大量存储和“削峰填谷”的新方案，将有力促进新能源的大规模消纳，并利用原本压缩空气系统无法利用的较低品位的热量进行发电，将压缩空气储能与光热补热技术、ORC低温发电技术结合，可实现零碳运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、气-水加热器、空气高温加热器、空气透平机组、发电机、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统、ORC低温发电系统以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统储气室的出气口依次连接气-水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；空气透平机组连接发电机；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统，ORC低温发电系统加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为ORC低温发电系统供热提供热源；太阳能光热系统连接高温储热系统，为高温储热系统补充热量。
太阳能光热系统采用塔式聚光集热系统、槽式聚光集热系统或菲涅尔式集热系统。
相邻两级压缩机之间的换热器组包括换热器和气-水冷却器，换热器的冷侧连接高温储热系统；气-水冷却器的冷侧连接第一水储热系统。
高温储热系统包括热介质罐、缓冲介质罐和冷介质罐，热介质罐的出口连接空气高温加热器的热侧入口，缓冲介质罐的出口和热介质罐的入口分别连接吸热塔进出口，冷介质罐的入口连接空气高温加热器的热侧出口；换热器的冷侧出口连接热介质罐的入口，换热器的冷侧入口连接冷介质罐的出口。
第一水储热系统包括热水罐和冷水罐，热水罐的出口气-水加热器的热侧入口，冷水罐的入口连接气-水加热器的热侧出口；气-水冷却器的冷侧出入口分别连接热水罐入口和冷水罐出口。
高温储热系统的储热介质采用熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。
最高一级压缩机的出口设置低温换热器，低温换热器连接第二水储热系统，并为第二水储热系统提供热量，第二水储热系统的出入口分别连接ORC低温发电系统加热工质进出口。
空气透平机组设置有多级透平机，每一级透平机的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器和空气高温加热器，压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器。
本发明所述耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统的运行方法，空气经过压缩空气储能系统压缩后储能，压缩空气依次经过气-水加热器和空气高温加热器，分别在高温储热系统和第一水储热系统换热后进入空气透平机组做功，使得空气透平机组带动发电机发电；其中，冷却器组吸收压缩空气过程的热量，同时将热量通过水和熔盐分别存储至第一水储热系统、第二水储热系统和高温储热系统，太阳能光热系统进一步为高温储热系统补充热量，提高储热介质温度；第一水储热系统和高温储热系统利用热量对压缩空气加热，第二水储热系统对ORC低温发电系统供热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明系统采用太阳能光热补热，从而抬高了透平各级进口温度，提高系统的整体效率，克服了常规补燃式压缩空气系统能耗大、污染重、循环效率较低等缺点；同时采用ORC低温余热发电技术耦合压缩空气储能系统，回收利用压缩空气余热，提高整体发电效率。根据计算，本系统电-电转换效率可达到70％以上，效率最高可达80％以上，高于常规压缩空气机组；具体如下：
1)利用太阳能光热系统加热储热介质，提高储热介质温度，再利用储热介质加热空气，提高了透平各级进口温度，提高了系统的整体效率；
2)本系统采用太阳能光热系统，太阳能光热系统将太阳能转化为储热介质的热能进入高温储热系统存储；
3)当系统处于压缩储能过程时，ORC低温发电系统可吸收空气压缩的低品位余热，使得该系统的总能效率得到提高，降低对冷却设备的额外投资，并降低厂内电量消耗。
附图说明
图1是一种塔式聚光集热系统补热的压缩空气储能系统示意图；
图2是一种槽式聚光集热系统补热的压缩空气储能系统示意图；
图中：1.自洁式过滤器，2.压缩机，3.换热器，4.气-水冷却器，41.低温换热器，5.储气室，6.气-水加热器，7.空气高温加热器，8.空气透平，9.发电机，10.热介质罐，11.缓冲介质罐，12.冷介质罐，13.热水罐，14.冷水罐，15.ORC低温发电系统，16.定日镜，17.吸热塔，18.集热器，19-反射镜阵列，20-集热管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
压缩空气高温段换热既可采用熔盐和水的换热，也可采用导热油和水作为储热介质，具体根据温度的情况选用。此处以熔盐为例展开描述。
参考图1，本发明提供一种耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、气-水加热器6、空气高温加热器7、空气透平机组、发电机9、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统、ORC低温发电系统15以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统储气室的出气口依次连接气-水加热器6、空气高温加热器7和空气透平机组；空气透平机组连接发电机9；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；气-水加热器6的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器7热侧连接高温储热系统，ORC低温发电系统15加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为ORC低温发电系统15供热提供热源；太阳能光热系统连接高温储热系统，为高温储热系统补充热量；所述高温储热系统是指储热介质的温度高于第一水储热系统和第二水储热系统的温度。
以塔式聚光集热系统为例，塔式聚光集热系统包括定日镜16、吸热塔17和集热器18；集热器18位于吸热塔17的顶部，定日镜16的反射面朝向集热器18，吸热塔17进出口连接高温储热系统。
塔式光热补热系统的储热介质可以用导热油或熔盐，具体的：高温储热系统包括热介质罐10、缓冲介质罐11和冷介质罐12，热介质罐10的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，缓冲介质罐11的出口和热介质罐10的入口分别连接吸热塔17进出口，冷介质罐11的入口连接空气高温加热器7的热侧出口。
以熔盐和导热油为例，高温储热系统包括热盐罐、缓冲盐罐和冷盐罐，热盐罐的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，缓冲盐罐的出口和热盐罐的入口分别连接吸热塔17进出口，冷盐罐的入口连接空气高温加热器7的热侧出口；或高温储热系统包括热油罐、缓冲油罐和冷油罐，热油罐的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，缓冲油罐的出口和热油罐的入口分别连接吸热塔17进出口，冷油罐的入口连接空气高温加热器7的热侧出口。
相邻两级压缩机之间的换热器组包括换热器3和气-水冷却器4，换热器3的冷侧连接高温储热系统；换热器3的冷侧出口连接热介质罐10的入口，换热器3的冷侧入口连接冷介质罐12的出口；气-水冷却器4的冷侧连接第一水储热系统，气-水冷却器4的冷侧出入口分别连接热水罐13入口和冷水罐14出口。
高温储热系统的储热介质采用熔盐、导热油、沙子、储热颗粒或水，则换热器3采用适用于对应储热介质的换热器，例如空气-熔盐换热器、空气-导热油换热器、沙子-导热油换热器或储热颗粒-导热油换热器或空气-水换热器。
水储热系统包括热水罐13和冷水罐14，热水罐12的出口气-水加热器6的热侧入口，冷水罐14的入口连接气-水加热器6的热侧出口。
最高一级压缩机的出口设置低温换热器41，低温换热器41连接第二水储热系统，并为第二水储热系统提供热量，第二水储热系统的出入口分别连接ORC低温发电系统15加热工质进出口。
空气透平机组设置有多级空气透平，每一级空气透平8的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器6和空气高温加热器7，压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器1，以高温储热系统和太阳能光热系统采用熔盐作为储热介质为例进行说明。
第一部分，如图1所示ORC耦合塔式聚光集热补热的压缩空气储能系统：压缩储能过程中，压缩空气子系统整体上采用多级压缩，级间冷却的方式。空气经过自洁式过滤器1进入压缩机2，压缩机每一级出口的空气进入空气-熔盐冷却器进行高温段换热，将冷熔盐罐中的低温熔盐加热后储存在缓冲熔盐罐中；然后经气-水冷却器4进行低温段换热，将冷水加热为高温热水，并存储在热水罐13中；最后一级设低温换热器41。经过压缩、冷却后的高压常温空气，储存在高压储气库5中。
释能发电工程中，储气库5中的高压空气推动多级空气透平进而带动发电机完成发电，该过程采用了多次再热的多段膨胀过程。为维持透平稳定运行，并提高空气的做功能力，储气库5内的高压空气首先进入空气-水加热器6，利用热水罐13中的热水加热空气，降温后的冷水储存在冷水罐14中；然后进入空气高温加热器7，利用热盐罐中的熔盐加热空气，降温后的熔盐储存在冷熔盐罐。升温后的高温高压热空气进入透平8带动发电机9做功。待空气膨胀到一定程度后，温度和压力皆有所降低，随后空气进入下一段空气-水换热器6和空气高温加热器7，利用水和熔盐的热量完成一次再热，然后再进入下一段透平做功。
压缩机前几级出口高温空气经冷却所放出的热量，可满足透平入口空气预热和级间再热所需热量。压缩机最后一级出口释放的热量不用参与膨胀机发电过程，单独设置一套水罐系统，在释能放电过程中，同步设置ORC低温发电系统15，使压机最后一级产生的热量得以利用。
作为可选的实施例，太阳能光热系统采用塔式聚光集热系统，塔式聚光集热系统通过一定数量的反射镜阵列16，将太阳辐射反射到安置于集热塔17顶端的太阳能集热器18上。缓冲熔盐罐中的熔盐进入集热塔，进一步加热升温，突破压缩机排气温度的限制，将太阳能转化为熔盐工质的热能。换热后的熔盐储存在高温熔盐罐10中供系统循环使用。
参考图2，当采用槽式聚光集热系统时，槽式聚光集热系统通过集热槽的槽型抛物面的反射镜阵列19将太阳光聚焦到集热管20对传热工质加热，缓冲熔盐罐中的熔盐进入集热管，将太阳能转化为工质的热能，进一步提升已经吸收了压缩热的熔盐温度。换热后的熔盐储存在高温熔盐罐中供系统循环使用。
综上所述，本发明采用太阳能光热技术对压缩空气储能项目的热盐罐进行了补热，从而抬高了透平各级进口温度，提高了系统的整体效率，克服了常规燃料补热式压缩空气系统能耗大、污染重、循环效率较低等缺点，实现了零碳运行。根据计算，采用太阳能光热补热的压缩空气储能电效率远远大于不补热的电电效率,效率最高可达80％以上；而且拓宽了应用场景，推进了相关装备示范和技术发展；在太阳能资源比较好的地区，有着较高的经济社会效益和工程实用价值。
Claims (10)
1.一种耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩空气储能系统、气-水加热器(6)、空气高温加热器(7)、空气透平机组、发电机(9)、高温储热系统、第一水储热系统、第二水储热系统、ORC低温发电系统(15)以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统储气室的出气口依次连接气-水加热器(6)、空气高温加热器(7)和空气透平机组；空气透平机组连接发电机(9)；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；气-水加热器(6)的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器(7)热侧连接高温储热系统，ORC低温发电系统(15)加热工质进出口连接第二水储热系统的出入口；第二水储热系统为ORC低温发电系统(15)供热提供热源；太阳能光热系统连接高温储热系统，为高温储热系统补充热量。
2.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，太阳能光热系统采用塔式聚光集热系统、槽式聚光集热系统或菲涅尔式集热系统。
3.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，相邻两级压缩机之间的换热器组包括换热器(3)和气-水冷却器(4)，换热器(3)的冷侧连接高温储热系统；气-水冷却器(4)的冷侧连接第一水储热系统。
4.根据权利要求2所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，高温储热系统包括热介质罐(10)、缓冲介质罐(11)和冷介质罐(12)，热介质罐(10)的出口连接空气高温加热器(7)的热侧入口，缓冲介质罐(11)的出口和热介质罐(10)的入口分别连接吸热塔(17)进出口，冷介质罐(11)的入口连接空气高温加热器(7)的热侧出口；换热器(3)的冷侧出口连接热介质罐(10)的入口，换热器(3)的冷侧入口连接冷介质罐(12)的出口。
5.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，第一水储热系统包括热水罐(13)和冷水罐(14)，热水罐(13)的出口气-水加热器(6)的热侧入口，冷水罐(3)的入口连接气-水加热器(6)的热侧出口；气-水冷却器(4)的冷侧出入口分别连接热水罐(13)入口和冷水罐(14)出口。
6.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，高温储热系统的储热介质采用熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。
7.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，最高一级压缩机的出口设置低温换热器(41)，低温换热器(41)连接第二水储热系统，并为第二水储热系统提供热量，第二水储热系统的出入口分别连接ORC低温发电系统(15)加热工质进出口。
8.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，空气透平机组设置有多级透平机(8)，每一级透平机(8)的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器(6)和空气高温加热器(7)，压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
9.根据权利要求1所述的耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统，其特征在于，压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器(1)。
10.权利要求1至9任一项所述耦合ORC的太阳能光热补热式压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，空气经过压缩空气储能系统压缩后储能，压缩空气依次经过气-水加热器(6)和空气高温加热器(7)，分别在高温储热系统和第一水储热系统换热后进入空气透平机组做功，使得空气透平机组带动发电机(9)发电；其中，冷却器组吸收压缩空气过程的热量，同时将热量通过水和熔盐分别存储至第一水储热系统、第二水储热系统和高温储热系统，太阳能光热系统进一步为高温储热系统补充热量，提高储热介质温度；第一水储热系统和高温储热系统利用热量对压缩空气加热，第二水储热系统对ORC低温发电系统(15)供热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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