CN115823923A - 压缩二氧化碳储能系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩二氧化碳储能系统及其运行方法，包括：依次连通形成闭式循环的低压储罐、第一节流阀、第一换热器、压缩机组、冷却器、高压储罐、第二节流阀、再热器、膨胀机组、第二换热器、增压装置及第三换热器，低压储罐用于常温下储存液态二氧化碳，低压储罐的内部压力为3.5～7.2MPa，低压储罐出口的二氧化碳经节流降压、压缩、冷却后以液态或超临界态存储于高压储罐；高压储罐的压力为7.4‑25MPa，高压储罐出口的二氧化碳经节流、再热、膨胀、冷却、增压、换热升温以常温液态进入低压储罐，冷却所需的冷源来自第一换热器和/或第三换热器储存的冷量。本发明可以在常温下实现二氧化碳的液态储存，降低了对低温冷源的依赖，提高了储能效率。

Description

压缩二氧化碳储能系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及压缩二氧化碳储能技术领域，具体为一种常温液态跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法。

背景技术

随着工业的不断发展，人们对于能源的需求也日益增大。目前，化石能源的供应日趋紧张，而且化石能源的过度使用会对环境造成破坏，因此开发新的能源成为了社会的迫切需求。但由于新能源具有间歇性、波动性等特点，无法长时间提供稳定的电能。若这种不稳定的电能大规模接入电网将会对电网的安全稳定运行及电能质量造成很大影响。因此发展电力储能技术对于解决新能源并网问题具有重要意义。

二氧化碳化学性质稳定、无毒、成本低，临界压力为7.38MPa，临界温度约为31℃，在常温下容易实现液态的储存。压缩二氧化碳储能技术包括储能过程和释能过程，储能时利用压缩机将低压气态的二氧化碳压缩并冷却后储存于高压储罐中；释能时，高压二氧化碳经加热后进入膨胀机做功，然后存储于低压储罐中。现有技术中低压储罐压力较低，需要借助低温冷源进行冷凝，导致系统存在较大的能量损失，储能效率较低。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种压缩二氧化碳储能系统及其运行方法，可以在常温下实现二氧化碳的液态储存，降低了系统对低温冷源的依赖，提高了系统储能效率以及冷能的利用率。

本发明提供一种压缩二氧化碳储能系统，包括：依次连通形成闭式循环的低压储罐、第一节流阀、第一换热器、压缩机组、冷却器、高压储罐、第二节流阀、再热器、膨胀机组、第二换热器、增压装置及第三换热器，其中，低压储罐用于常温下储存液态二氧化碳，低压储罐的内部压力为3.5～7.2MPa，低压储罐出口的液态二氧化碳经第一节流阀降压后的压力不低于其三相点压力，第一节流阀出口的气液混合态二氧化碳与第一换热器的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，第一换热器的换热介质吸收并储存二氧化碳放出的冷量；气态二氧化碳随后进入压缩机组被压缩至超临界态；压缩机组出口的超临界态二氧化碳经冷却器冷却后以液态或超临界态存储于高压储罐。

高压储罐的压力为7.4-25MPa，高压储罐出口的超临界态二氧化碳经过第二节流阀节流至不低于其三相点压力、再热器加热后进入膨胀机组做功发电，做功后的气态二氧化碳进入第二换热器被第二换热器冷却至液态，第二换热器的冷源来自第一换热器和/或第三换热器储存的二氧化碳放出的冷量；第二换热器出口的液态二氧化碳经增压装置增压至额定压力后，进入第三换热器与第三换热器换热升温至额定温度，第三换热器储存增压后的液态二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入低压储罐。

本发明通过第一节流阀对低压储罐中液态二氧化碳降压至三相点压力以上后，利用第一换热器将节流过程中产生的冷量储存起来；在释能过程中第二换热器利用储存起来的冷量将气态的二氧化碳冷凝至液态，实现了系统冷能的循环利用，提高了系统储能效率。二氧化碳以常温液态的形式储存于低压储罐中，不需要借助外界低温冷源冷凝二氧化碳，有效地提高了系统的灵活度，低压储罐不需要复杂的保温措施，有效地降低了系统的能量损失。

本发明的可选技术方案中，还包括冷库，在储能阶段，冷库的初始温度为常温，冷库向第一换热器提供热量蒸发第一节流阀出口的气液混合态二氧化碳，并将吸收的二氧化碳放出的冷量送入冷库储存；和/或第三换热器向增压装置出口的液态二氧化碳提供换热所需的热量，并将吸收的液态二氧化碳换热产生的冷量送入冷库储存；在释能阶段，冷库的初始温度范围是-55～-20℃，冷库用以向第二换热器提供冷源冷却做功后的气态二氧化碳。

根据该技术方案，冷库的设置简化了系统的复杂程度，提高了冷量储存以及释放的灵活性，同时节约能源，提高能量的利用率，且降低了系统对外部低温冷源的依赖，节约了成本。

本发明的可选技术方案中，压缩机组包括两级压缩机，冷却器包括两级级间冷却器，每级级间冷却器分别设于每级压缩机的出口形成级间冷却。

根据该技术方案，本专利低压储罐可以使得二氧化碳在常温下储存，且其压力为3.5～7.2MPa，较低的压缩级数及冷却级数即可达到超临界状态，降低了系统的复杂程度及设备成本，提高系统效率。

本发明的可选技术方案中，压缩机组利用电网富余电力或可再生能源压缩气态二氧化碳至超临界态。

根据该技术方案，电网富余电力及可再生能源能够降低系统的运行成本，提高能源的利用率。

本发明的可选技术方案中，膨胀机组包括两级膨胀机，再热器为两级级间再热器，每级级间再热器分别设于每级膨胀机的入口形成级间再加热。

根据该技术方案，高压储罐的压力为7.4-25MPa，较低的膨胀级数及加热级数即可使二氧化碳具备较强的做功能力，降低了系统的复杂程度以及设备成本，提高系统效率。

本发明的可选技术方案中，还包括储热罐和储冷罐，储热罐的入口与级间冷却器的出口连通，储热罐的出口与级间再热器的入口连通，储冷罐的入口与级间再热器的出口连通，储冷罐的出口与级间冷却器的入口连通。

根据该技术方案，储热罐能够收集压缩热，并将压缩热传递给再热器，再热器产生的低温热源进入储冷罐储存，提高了能量的利用率，有利于节约能源。

本发明另提供一种上述的压缩二氧化碳储能系统的运行方法，包括以下步骤：

储能步骤：打开第一节流阀，关闭第二节流阀，低压储罐出口的液态二氧化碳经第一节流阀降压后的压力不低于其三相点压力，第一节流阀出口的二氧化碳与第一换热器的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，第一换热器的换热介质吸收并储存液态二氧化碳放出的冷量；气态二氧化碳随后进入压缩机组被压缩至超临界态；压缩机组出口的超临界态二氧化碳经冷却器冷却后以液态或超临界态存储于高压储罐，关闭第一节流阀，储能步骤结束。

释能步骤：关闭第一节流阀，打开第二节流阀，高压储罐出口的超临界态二氧化碳经过第二节流阀节流至不低于其三相点压力、再热器加热后进入膨胀机组做功发电，做功后的气态二氧化碳进入第二换热器被第二换热器冷却至液态，第二换热器的冷源来自第一换热器和/或第三换热器储存的液态二氧化碳放出的冷量；第二换热器出口的液态二氧化碳经增压装置增压至额定压力后，进入第三换热器与第三换热器换热升温至额定温度，第三换热器并储存增压后的液态二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入低压储罐，关闭第二节流阀，释能步骤结束。

附图说明

图1为本发明实施方式中压缩二氧化碳储能系统的结构示意图。

图2为本发明实施方式中第一蓄冷设备的换热流程结构示意图。

图3为本发明实施方式中压缩二氧化碳储能系统的运行方法流程示意图。

附图标记：

低压储罐1；第一节流阀2；第一换热器31；常温换热介质311；低温换热介质312；第二换热器32；第三换热器33；压缩机组4；压缩机41；冷却器5；级间冷却器51；高压储罐6；第二节流阀7；再热器8；级间再热器81；膨胀机组9；膨胀机91；增压装置10；储热罐11；储冷罐12；冷库13；第一冷库131；第二冷库132。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

请参阅图1所示，本发明提供一种压缩二氧化碳储能系统，包括：依次连通形成闭式循环的低压储罐1、第一节流阀2、第一换热器31、压缩机组4、冷却器5、高压储罐6、第二节流阀7、再热器8、膨胀机组9、第二换热器32、增压装置10及第三换热器33，其中，低压储罐1用于常温下储存液态二氧化碳，低压储罐1的内部压力为3.5～7.2MPa，为常温下对应的二氧化碳的饱和压力，低压储罐1出口的液态二氧化碳经第一节流阀2降压后的压力不低于其三相点压力，第一节流阀2出口的气液混合态二氧化碳与第一换热器3的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，第一换热器3的换热介质吸收并储存二氧化碳放出的冷量；气态二氧化碳随后进入压缩机组4被压缩至超临界态；压缩机组4出口的超临界态二氧化碳经冷却器5冷却后以液态或超临界态存储于高压储罐6。

高压储罐6的压力为7.4-25MPa，高压储罐6出口的超临界态二氧化碳经过第二节流阀7节流至不低于其三相点压力、再热器8加热后进入膨胀机组9做功发电，做功后的气态二氧化碳进入第二换热器32被第二换热器32冷却至液态，第二换热器32的冷源来自第一换热器31和/或第三换热器33储存的液态二氧化碳放出的冷量；第二换热器32出口的液态二氧化碳经增压装置10增压至额定压力后，进入第三换热器33与第三换热器33换热升温至额定温度，第三换热器33并储存增压后的液态二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入低压储罐1。

本发明通过第一节流阀2对低压储罐1中的液态二氧化碳降压至三相点压力(0.52MPa)以上后，利用第一换热器31将节流过程中产生的冷量储存起来；在释能过程中第二换热器32利用储存起来的冷量将气态的二氧化碳冷凝至液态，冷凝后温度范围为-55～-20℃，实现了系统冷能的循环利用，第三换热器33通过与增压后的液态二氧化碳换热，使得二氧化碳升温至常温，并储存换热产生的冷量，进一步提高了系统储能效率以及能量的利用率。二氧化碳经过增压装置10增压，提升了液态二氧化碳进入低压储罐1的压力，进而提高了二氧化碳的冷凝温度，在二氧化碳与第三换热器33换热升温后能够以常温液态的形式储存于低压储罐1中，本发明实施方式不需要借助外界低温冷源冷凝二氧化碳，即可实现液态二氧化碳的常温储存，相比较二氧化碳的气态存储，液态/超临界态存储，提高了储能密度及储能系统的效率，同时利用低压储罐和高压储罐的方式，无需借助外界环境即可实现储能/释能的灵活切换，提高了系统的灵活性。低压储罐1不需要复杂的保温措施，有效地降低了系统的能量损失及成本。

本发明的优选实施方式中，还包括冷库13，在储能阶段，冷库13的初始温度为常温，冷库向第一换热器31提供热量蒸发第一节流阀2出口的气液混合态二氧化碳，并将吸收的二氧化碳放出的冷量送入冷库13储存；和/或第三换热器33向增压装置10出口的液态二氧化碳提供换热所需的热量，并将吸收的液态二氧化碳换热产生的冷量送入冷库13储存；在释能阶段，冷库13的初始温度范围是-55～-20℃，冷库13用以向第二换热器32提供冷源冷却做功后的气态二氧化碳。

通过上述方式，冷库的设置简化了系统的复杂程度，提高了冷量储存以及释放的灵活性，同时节约能源，提高能量的利用率，且降低了系统对外部低温冷源的依赖，节约了成本。

本发明的优选实施方式中，冷库13包括第一冷库131和第二冷库132，第一冷库131与第一换热器31和第三换热器33共用第一冷库131，第二换热器与第二冷库132连通。第一冷库131、第二冷库132的设置提高了系统的便捷性，可以根据需要随时进行储能或释能。

进一步地，如图2所示，以第一换热器31为例说明其换热介质的流动，第一换热器31包括主路入口、主路出口、辅路入口与辅路出口，主路入口与第一节流阀2的出口连通，主路出口与压缩机41的入口连通，辅路入口、辅路出口均与第一冷库131连通，第一冷库131的初始温度为常温，第一冷库131中的常温换热介质311由辅路入口进入第一换热器31并与主路中的气液混合态二氧化碳换热，主路中的二氧化碳吸热蒸发为气态二氧化碳，辅路中的常温换热介质311吸收液态二氧化碳放出的冷量变为低温换热介质312经辅路出口进入第一冷库131，随着储能过程的不断进行，第一冷库131的温度逐渐降低至-55～-20℃。与之相反，第二冷库132的初始温度为-55～-20℃，第二冷库132中的低温换热介质312冷却膨胀机91出口的气态二氧化碳并吸收二氧化碳的热量逐渐升温后进入第二冷库132。当第一冷库131的温度达到-55～-20℃可以作为低温冷源(第二冷库132)冷却膨胀机91出口的气态二氧化碳，第二冷库132的温度升温至常温时也可以作为高温热源(第一冷库131)蒸发第一节流阀2出口的液态二氧化碳；第一冷库131与第二冷库132循环交替作用，提高了系统的便捷性，同时实现了冷能的循环利用，节约能源。本发明的优选实施方式中，换热介质为有机物，在一些实施例中，换热介质也可以为LNG。

本发明的优选实施方式中，压缩机组4包括两级压缩机41，冷却器5包括两级级间冷却器51，每级级间冷却器51分别设于每级压缩机41的出口形成级间冷却。

通过上述方式，本专利低压储罐1可以使得二氧化碳在常温下储存，且其压力为3.5～7.2MPa，较低的压缩级数及冷却级数即可达到超临界状态，降低了系统的复杂程度及设备成本，提高系统效率。进一步地，压缩机组4进口处二氧化碳的压力高于其三相点压力，压缩后的温度就跟压缩机41的效率以及压缩比有关。

本发明的优选实施方式中，压缩机组4利用电网富余电力或可再生能源压缩气态二氧化碳至超临界态。通过上述方式，电网富余电力及可再生能源能够降低系统的运行成本，提高能源的利用率，且提升了系统的环保性。

本发明的优选实施方式中，膨胀机组9包括两级膨胀机91，再热器8为两级级间再热器81，每级级间再热器81分别设于每级膨胀机91的入口形成级间再加热。通过上述方式，级间再热器81在释能过程中通过储热介质加热二氧化碳提高其做功能力，高压储罐6的压力为7.4-25MPa，较低的膨胀级数及加热级数即可使二氧化碳具备做功能力，降低了系统的复杂程度以及设备成本，提高系统效率。进一步地，在膨胀结束后，末级膨胀机91的出口压力高于二氧化碳三相点压力，范围为0.52～2MPa，膨胀后的温度是由膨胀机91进口温度和膨胀比决定。

本发明的优选实施方式中，还包括储热罐11和储冷罐12，储热罐11的入口与级间冷却器51的出口连通，储热罐11的出口与级间再热器81的入口连通，储冷罐12的入口与级间再热器81的出口连通，储冷罐12的出口与级间冷却器51的入口连通。

通过上述方式，储热罐11能够收集压缩热，并将压缩热传递给再加热装置8，再加热装置8产生的低温冷源进入储冷罐12储存，储冷罐中的低温冷源用于冷却压缩机41出口的二氧化碳，实现了能量的循环利用，提高了能量的利用率，有利于节约能源。

本发明的优选实施方式中，低压储罐1的进出口、高压储罐6的进出口、级间冷却器51的进出口、级间再热器81的进出口设置有阀门(图中未示出)，从而可以根据需要调节二氧化碳的流量。

如图3所示，本发明另提供一种上述的压缩二氧化碳储能系统的运行方法，包括以下步骤：

储能步骤：打开第一节流阀2，关闭第二节流阀7，低压储罐1出口的液态二氧化碳经第一节流阀2降压后的压力不低于其三相点压力，第一节流阀2出口的气液混合态二氧化碳与第一换热器31的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，第一换热器31的换热介质吸收并储存液态二氧化碳蒸发放出的冷量；气态二氧化碳随后进入压缩机组4被压缩至超临界态；压缩机组4出口的超临界态二氧化碳经冷却器5冷却后以液态或超临界态存储于高压储罐1，关闭第一节流阀2，储能步骤结束。

释能步骤：关闭第一节流阀2，打开第二节流阀7，高压储罐6出口的液态或超临界态二氧化碳经过第二节流阀7节流至不低于其三相点压力、再热器8加热后进入膨胀机组9做功发电，做功后的气态二氧化碳进入第二换热器32被第二换热器32冷却至液态，第二换热器32的冷源来自第一换热器31储存的液态二氧化碳蒸发放出的冷量和/或第三换热器33储存的液态二氧化碳换热放出的冷量；第二换热器32出口的液态二氧化碳经增压装置10增压至额定压力后，进入第三换热器33与第三换热器33换热升温至额定温度，第三换热器33储存增压后的液态的二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入低压储罐1，关闭第二节流阀7，释能步骤结束。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：依次连通形成闭式循环的低压储罐、第一节流阀、第一换热器、压缩机组、冷却器、高压储罐、第二节流阀、再热器、膨胀机组、第二换热器、增压装置及第三换热器，其中，

所述低压储罐用于常温下储存液态二氧化碳，所述低压储罐的内部压力为3.5～7.2MPa，所述低压储罐出口的液态二氧化碳经所述第一节流阀降压后的压力不低于其三相点压力，所述第一节流阀出口的气液混合态二氧化碳与所述第一换热器的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，所述第一换热器的所述换热介质吸收并储存所述液态二氧化碳放出的冷量；所述气态二氧化碳随后进入所述压缩机组被压缩至超临界态；所述压缩机组出口的超临界态二氧化碳经所述冷却器冷却后以液态和/或超临界态存储于所述高压储罐；

所述高压储罐的压力为7.4-25MPa，所述高压储罐出口的超临界态二氧化碳经过所述第二节流阀节流至不低于其三相点压力、所述再热器加热后进入所述膨胀机组做功发电，做功后的气态二氧化碳进入所述第二换热器被所述第二换热器冷却至液态，所述第二换热器的冷源来自所述第一换热器和/或所述第三换热器储存的所述二氧化碳放出的冷量；所述第二换热器出口的液态二氧化碳经所述增压装置增压至额定压力后，进入所述第三换热器与所述第三换热器换热升温至额定温度，所述第三换热器储存增压后的液态二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入所述低压储罐。

2.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，还包括冷库，在储能阶段，所述冷库的初始温度为常温，所述冷库向所述第一换热器提供热量蒸发所述第一节流阀出口的气液混合态二氧化碳，并将吸收的所述二氧化碳放出的冷量送入所述冷库储存；和/或所述第三换热器向所述增压装置出口的液态二氧化碳提供换热所需的热量，并将吸收的所述二氧化碳换热产生的冷量送入所述冷库储存；在释能阶段，所述冷库的初始温度范围是-55～-20℃，所述冷库用以向所述第二换热器提供冷源冷却所述做功后的气态二氧化碳。

3.根据权利要求1所述的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩机组包括两级压缩机，所述冷却器包括两级级间冷却器，每级所述级间冷却器分别设于每级所述压缩机的出口形成级间冷却。

4.根据权利要求3所述的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩机组利用电网富余电力或可再生能源压缩气态二氧化碳至超临界态。

5.根据权利要求3所述的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括两级膨胀机，所述再热器为两级级间再热器，每级所述级间再热器分别设于每级所述膨胀机的入口形成级间再加热。

6.根据权利要求5所述的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，还包括储热罐和储冷罐，所述储热罐的入口与所述级间冷却器的出口连通，所述储热罐的出口与所述级间再热器的入口连通，所述储冷罐的入口与所述级间再热器的出口连通，所述储冷罐的出口与所述级间冷却器的入口连通。

7.一种如权利要求1至6中任一权利要求所述的压缩二氧化碳储能系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

储能步骤：打开所述第一节流阀，关闭所述第二节流阀，所述低压储罐出口的液态二氧化碳经所述第一节流阀降压后的压力不低于其三相点压力，所述第一节流阀出口的二氧化碳与所述第一换热器的换热介质换热并蒸发为气态二氧化碳，所述第一换热器的所述换热介质吸收并储存所述二氧化碳放出的冷量；所述气态二氧化碳随后进入所述压缩机组被压缩至超临界态；所述压缩机组出口的超临界态二氧化碳经所述冷却器冷却后以液态或超临界态存储于所述高压储罐，关闭所述第一节流阀，所述储能步骤结束；

释能步骤：关闭所述第一节流阀，打开所述第二节流阀，所述高压储罐出口的超临界态二氧化碳经过所述第二节流阀节流至不低于其三相点压力、所述再热器加热后进入所述膨胀机组做功发电，做功后的气态二氧化碳进入所述第二换热器被所述第二换热器冷却至液态，所述第二换热器的冷源来自所述第一换热器和/或所述第三换热器储存的所述液态二氧化碳放出的冷量；所述第二换热器出口的液态二氧化碳经所述增压装置增压至额定压力后，进入所述第三换热器与所述第三换热器换热升温至额定温度，所述第三换热器并储存增压后的液态二氧化碳换热产生的冷量，换热升温并增压至额定温度、压力后的液态二氧化碳进入所述低压储罐，关闭所述第二节流阀，所述释能步骤结束。

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