CN116242054A - 一种基于相变直接制冷的液态co2冷热电联产储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，属于能量储存和冷热电联产技术领域，CO2临界点接近环境温度，系统利用CO2作为储能工质，与冷冻水之间可实现直接换热，并且CO2相变过程会吸收大量的潜热。本发明利用相变直接制冷方式增加系统制冷量，解决外加制冷循环问题，降低系统的投资成本，并通过第一分流器实现系统大范围的制冷量和发电量的调节功能；同时系统采用液‑液的储存方式，降低储罐体积，减少低温储存材料的限制。
Description
技术领域
本发明属于能量储存和冷热电联产技术领域，涉及一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统。
背景技术
随着风力发电和光伏发电的增加，与之配套的储能技术迅速发展。目前适合大规模储能的技术为抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能技术需要水力资源丰富的地理位置。压缩空气储能技术是以空气作为储能工质，但由于空气的密度低，需要大规模地下岩层或洞穴储存高压空气，因此在选址上受到限制。抽水蓄能和压缩空气储能技术均存在地理条件的制约，国内外学者开展了液态空气储能技术的研究。液态空气密度高，储存时所需容器小，液态空气储能技术不受地理环境限制。但空气的临界温度低，对储存液化空气的材料有较高的要求，难以实现大范围应用。
空气储能技术提供用户的能量形式单一，无法满足用户对冷热负荷的需求。因此，开展基于储能技术的冷热电联产系统的研究具有实际应用价值。目前，以空气为储能工质的冷热电联产系统在发电方式和制热方式上无明显差异，但制冷方式分为间接制冷技术和直接制冷技术。间接制冷技术是利用储能系统中的余热驱动制冷循环，这种方式不仅增加了系统的投资成本和换热损失，并且系统的制冷量受余热限制。直接制冷技术是利用储能系统中膨胀后的低温空气直接制冷，但直接制冷不经过相变，系统的制冷量少。
综上所述，基于空气储能技术的冷热电联产系统的主要缺点有：1、空气储能技术无法同时解决地理条件和储液材料的限制；2、间接制冷技术和直接制冷技术均存在制冷量输出的限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统及方法，利用液态CO2密度高特性显著缩小储罐体积，利用CO2临界点温和的优点，采用发生相变的直接制冷方式增加系统的制冷量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，所述的液态CO2冷热电联产储能系统包括低压液态CO2储罐1、第一节流阀2、冷储存器3、第一压缩机4、第一冷却器5、第二压缩机6、第二冷却器7、第三冷却器8、第四冷却器9、膨胀机10、气液分离器11、第二节流阀12、第一混合器13、高压液态CO2储罐14、第一分流器15、CO2泵16、第一加热器17、第一涡轮机18、第二加热器19、第二涡轮机20、第二混合器21、第三节流阀22、蒸发器23、低温水储罐24、水泵25、热水储罐26、温水储罐27、第二分流器28、第三混合器29、第五冷却器30、冷却塔31。CO2临界点接近环境温度，该系统利用CO2作为储能工质，与冷冻水之间可实现直接换热，并且CO2相变过程会吸收大量的潜热，能够实现储能和释能，具体如下：
在储能过程中：
低压液态CO2储罐1中的CO2经过第一节流阀2降温降压为气液混合物后，通过冷储存器3第一入口进入冷储存器3中，在冷储存器3中释放和储存冷能后变成气态CO2，变成气态CO2从冷储存器3第一出口汇入第一压缩机4，第一压缩机4将气态CO2压缩至中间压力(2000-5000kPa)后进入第一冷却器5中进行冷却。所述冷储存器3的第二出口与低压液态CO2储罐1连通。
从第一冷却器5中流出的CO2与返回的气体通过第一混合器13混合后进入第二压缩机6中进一步压缩，其中，返回的气体指第二节流阀12节流后的CO2经第四冷却器9加热后的CO2气体；第二压缩机6压缩后的CO2依次进入第二冷却器7、第三冷却器8、第四冷却器9中进行冷却，即从第三冷却器8流出的CO2与第二节流阀12节流后的CO2在第四冷却器9中换热实现进一步的冷却；从第三冷却器8流出的CO2经第四冷却器9冷却后，进入膨胀机10中膨胀至两相，并在气液分离器11中分离成气态CO2和液态CO2：
从气液分离器11顶部分离出的气态CO2通过第二节流阀12节流进入第四冷却器9后，通过第一混合器13进入第二压缩机6。
从气液分离器11底部分离出的液态CO2流入高压液态CO2储罐14中，完成后续释放能量。
该储能过程中，低温水储罐24流出的冷水经过水泵25加压后，通过第一冷却器5、第二冷却器7和第三冷却器8回收第一压缩机4和第二压缩机6的压缩热；第一冷却器5和第二冷却器7出口与热水储罐26连通，即第一冷却器5和第二冷却器7回收的压缩热储存至热水储罐26中，第三冷却器8出口与温水储罐27连通，即第三冷却器8回收的压缩热储存至温水储罐27中。
在释能过程中：
高压液态CO2储罐14中的CO2被第一分流器15分成两股：一股液态CO2先利用CO2泵16加压，高压的液态CO2被第一加热器17加热后转化为气态CO2进入第一涡轮机18中膨胀发电，再经过第二加热器19加热后进入第二涡轮机20中膨胀发电；另一股液态CO2经过第三节流阀22降温降压后，进入蒸发器23中与冷冻水进行换热，实现制冷，转化为气态CO2。所述第二涡轮机20出口的气态CO2和蒸发器23出口的气态CO2均通过第二混合器21混合后通过冷储存器3第二入口进入冷储存器3中，吸收储能过程储存的冷能后变为液态CO2通过冷储存器3的第二出口储存至低压液态CO2储罐1中。
该释能过程中，热水储罐26中流出的热水一部分流入第一加热器17和第二加热器19中，另一部分与从温水储罐27中流出的温水和第二加热器19换热后的出口水进入第三混合器29中混合后，利用第五冷却器30向用户提供生活用水，换完热后的冷水流入冷却塔31中冷却。
进一步的，所述的温水储罐27的出水口经过第二分流器28分为两部分，一部分通过第三混合器29进入第五冷却器30，另一部分直接进入冷却塔31。即利用第二分流器28调节通过混合器29进入第五冷却器30的温水，降低第三混合器29出口水温度，减少了第三混合器29出口水与进入第五冷却器30的生活用水之间的换热温差。
进一步的，所述的冷却器和加热器(第一冷却器5、第二冷却器7、第三冷却器8、第四冷却器9、第一加热器17、第二加热器19)均为逆流换热器。
进一步的，所述的第三冷却器8有效地提高热水储罐26中的温度。
进一步的，进入蒸发器23的冷冻水温度是12℃，蒸发器2出口的冷冻水温度是7℃；进入第五冷却器30的生活用水温度是35℃，第五冷却器30的出口生活用水温度是50℃。
进一步的，通过温水储罐27回收第三冷却器8的出口水，以及对第二加热器19出口水的回收，并与从热水储罐26流出的热水进行混合后与第五冷却器30生活用水流股换热，不仅降低了热水与生活用水直接换热的换热温差，也增加了与生活用水换热的换热量，提高了系统的制热量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计了一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，以CO2为储能工质，利用CO2在环境温度附近即可冷却凝结至液相，减少了低温储存技术的限制，同时液态CO2的密度很大，进一步降低储罐体积，提高系统的储能密度。
(2)本发明利用CO2发生相变过程时会吸收大量的潜热，加之与冷冻水之间的换热温差小，不仅可以采用发生相变的直接制冷方式，增加制冷量，又解决了外加制冷循环问题，降低系统的投资成本。
(3)本发明通过第一分流器15改变释能过程两股流体流量的分配，进而实现系统大范围的制冷量和发电量的调节功能。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统的示意图。
图中：1低压液态CO2储罐、2第一节流阀、3冷储存器、4第一压缩机、5第一冷却器、6第二压缩机、7第二冷却器、8第三冷却器、9第四冷却器、10膨胀机、11气液分离器、12第二节流阀、13第一混合器、14高压液态CO2储罐、15第一分流器、16CO2泵、17第一加热器、18第一涡轮机、19第二加热器、20第二涡轮机、21第二混合器、22第三节流阀、23蒸发器、24低温水储罐、25水泵、26热水储罐、27温水储罐、28第二分流器、29第三混合器、30第五冷却器、31冷却塔。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图和实施例对本发明进行更全面的描述。
如图1所示，本实施例提供了一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，包括低压液态CO2储罐1、第一节流阀2、冷储存器3、第一压缩机4、第一冷却器5、第二压缩机6、第二冷却器7、第三冷却器8、第四冷却器9、膨胀机10、气液分离器11、第二节流阀12、第一混合器13、高压液态CO2储罐14、第一分流器15、CO2泵16、第一加热器17、第一涡轮机18、第二加热器19、第二涡轮机20、第二混合器21、第三节流阀22、蒸发器23、低温水储罐24、水泵25、热水储罐26、温水储罐27、第二分流器28、第三混合器29、第五冷却器30、冷却塔31。
本实施例中低压液态CO2储罐1中的CO2质量流量为1kg/s，储存压力为1300kPa，储存温度为-35℃；高压液态CO2储罐14中的储存压力为6000kPa；第一分流器15中依次流经CO2泵16、第一加热器17、第一涡轮机18、第二加热器19、第二涡轮机20用于发电的CO2质量流量与流入第一分流器15的CO2总质量流量比值设定为0.7。
本发明实施例的基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，能够实现储能和释能，具体如下：
在储能过程中：
低压液态CO2储罐1中的出口CO21kg/s，-35℃，3500kPa经过第一节流阀2降压至1048kPa成为气液混合物后，通过冷储存器3第一入口进入冷储存器3中，在冷储存器3中释放和储存冷能后变成气态CO2，气态CO2压力保持1048kPa，温度升高至15.18℃。气态CO2从冷储存器3第一出口汇入第一压缩机4，第一压缩机4将气态CO2压缩至中间压力3500kPa后进入第一冷却器5中冷却，第一压缩机耗功85.81kW。所述第一冷却器5的进口CO2温度为120.9℃，出口CO2温度为35℃。
从第一冷却器5中流出的CO21kg/s，35℃，3500kPa与第二节流阀12节流后的CO2经过第四冷却器9加热后的气体CO2 0.0211kg/s，30.1℃，3500kPa通过第一混合器13混合。混合后的CO21.0211kg/s，34.9℃，3500kPa进入第二压缩机6中进一步压缩至12300kPa后，依次进入第二冷却器7、第三冷却器8、第四冷却器9中实现无压降冷却，第二压缩机耗功86.41kW。所述第二冷却器7的进口CO2温度为153.1℃，出口CO2温度设置为45℃。第二冷却器7的出口CO2是第三冷却器8的进口CO2,从第三冷却器8流出的CO21.0211g/s，33.04℃，12300kPa与第二节流阀12节流后的CO2 0.0211kg/s，0.161℃，3500kPa在第四冷却器9中换热实现进一步的冷却。从第三冷却器8流出的CO2经第四冷却器9冷却后的CO21.0211kg/s，32.53℃，12300kPa进入膨胀机10中膨胀至两相，并在气液分离器11中分离成气态和液态CO2，膨胀机输出功6.243kW。
从气液分离器11顶部分离出的气态CO20.0211kg/s，21.98℃，6000kPa通过第二节流阀12节流进入第四冷却器9后，通过第一混合器13进入第二压缩机6。从气液分离器11底部分离出的液态CO21kg/s，21.98℃，6000kPa流入高压液态CO2储罐14中。
该储能过程中，低温水罐24流出的冷水1.6829kg/s，30℃，100kPa经过水泵25加压至500kPa，通过第一冷却器5、第二冷却器7和第三冷却器8回收第一压缩机4和第二压缩机6的压缩热。第一冷却器5和第二冷却器7出口与热水储罐26连通，即第一冷却器5和第二冷却器7回收的压缩热储存至热水储罐26中，第一冷却器5的出口水流量为0.2475kg/s，温度为116.6℃，第二冷却器7的出口水流量为0.6645kg/s，温度为119℃，第一冷却器5和第二冷却器7出口水进入热水储罐26中的热水0.912kg/s，118.3℃，500kPa。第三冷却器8出口与温水储罐27连通，即第三冷却器8回收的压缩热储存至温水储罐27中，第三冷却器8的出口水流量为0.7709kg/s，温度为42℃，第三冷却器8的出口水流入温水储罐27中的温水0.771kg/s，42℃，500kPa。
在释能过程中：
高压液态CO2储罐14中流出的CO2被第一分流器15分成两股：一股液态CO20.7kg/s，21.98℃，6000kPa先利用CO2泵16加压至13300kPa，34.87℃，高压的液态CO2被第一加热器17无压降加热至114.3℃转化为气态CO2进入第一涡轮机18中膨胀发电，再经过第二加热器19无压降加热至114.3℃后进入第二涡轮机20中膨胀发电，第一涡轮机18的出口气态CO2温度为37.17℃，压力为5000kPa，第一涡轮机输出功为27.22kW，第二涡轮机20的出口气态CO2温度为22.97℃，压力为1300kPa，第二涡轮机输出功为45.81kW。另一股液态CO20.3kg/s，21.98℃，6000kPa经过第三节流阀22降温降压至-32.76℃，1300kPa，进入蒸发器23中与冷冻水进行换热，转化为气态CO2，实现制冷，制冷量为64.21kW。第二涡轮机20的出口气态CO20.7kg/s，22.97℃，1300kPa和蒸发器23的出口CO2气体0.3kg/s，7℃，1300kPa均通过第二混合器21混合后通过冷储存器3第二入口进入冷储存器3中，第二混合器21混合后的CO21kg/s，18.16℃，1300kPa进入冷储存器3中，吸收储能过程储存的冷能后变为液态CO21kg/s，-35℃，1300kPa通过冷储存器3的第二出口储存至低压液态CO2储罐1中。
该释能过程中，热水储罐26中流出的热水一部分0.645kg/s，118.3℃，500kPa流入第一加热器17和第二加热器19中，另一部分热水0.267kg/s，118.3℃，500kPa与从温水储罐27中流出的温水0.771kg/s，42℃，500kPa和第二加热器19换热后的出口水0.194kg/s，40.17℃，500kPa进入第三混合器29中混合，混合后水的质量流量为1.232kg/s，温度为58.42℃，利用第五冷却器30向用户提供生活用水，换完热后的冷水流入冷却塔31中冷却，制热量为98.06kW。
实施例的作用与效果：
本实施例中，第一分流器15中依次流经CO2泵16、第一加热器17、第一涡轮机18、第二加热器19、第二涡轮机20用于发电的CO2质量流量与流入第一分流器15的CO2总质量流量比值设定为0.7，第二分流器28中进入混合器29的温水质量流量与流入第二分流器28的水总质量流量比值调节至1，即通过混合器29进入第五冷却器30的水1.232kg/s，58.42℃，500kPa与进入第五冷却器30的生活用水35℃换热温差小，换热量大。系统储能过程的总耗功为166.9kW，释能过程的总输出功为63.96kW，制冷量为64.21kW，制热量为98.06kW。当比值改变时，系统的总输出功和制冷量随之改变，这提高了系统对用户供能的灵活性。对比空气储能系统，系统利用CO2作为储能工质，并采用液-液的储存方式，降低了储罐体积，从而减小地理条件的限制；又因CO2的储存温度接近环境温度，降低了低温储存材料的限制。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，其特征在于，所述的液态CO2冷热电联产储能系统能够实现储能和释能，其包括低压液态CO2储罐(1)、第一节流阀(2)、冷储存器(3)、第一压缩机(4)、第一冷却器(5)、第二压缩机(6)、第二冷却器(7)、第三冷却器(8)、第四冷却器(9)、膨胀机(10)、气液分离器(11)、第二节流阀(12)、第一混合器(13)、高压液态CO2储罐(14)、第一分流器(15)、CO2泵(16)、第一加热器(17)、第一涡轮机(18)、第二加热器(19)、第二涡轮机(20)、第二混合器(21)、第三节流阀(22)、蒸发器(23)、低温水储罐(24)、水泵(25)、热水储罐(26)、温水储罐(27)、第二分流器(28)、第三混合器(29)、第五冷却器(30)、冷却塔(31)；
在储能过程中：
低压液态CO2储罐(1)中的CO2经过第一节流阀(2)降温降压为气液混合物后，通过冷储存器(3)第一入口进入冷储存器(3)中，在冷储存器(3)中释放和储存冷能后变成气态CO2从冷储存器(3)第一出口汇入第一压缩机(4)，第一压缩机(4)将其压缩至中间压力后进入第一冷却器(5)中冷却；所述冷储存器(3)的第二出口与低压液态CO2储罐(1)连通；
从第一冷却器(5)中流出的CO2与返回的气体通过第一混合器(13)混合后进入第二压缩机(6)中进一步压缩，其中，返回的气体指依次经过第二节流阀(12)节流、第四冷却器(9)加热后的CO2气体；压缩后的CO2依次进入第二冷却器(7)、第三冷却器(8)、第四冷却器(9)中进行冷却；从第三冷却器(8)流出的CO2经第四冷却器(9)冷却后，进入膨胀机(10)中膨胀至两相，并在气液分离器(11)中分离成气态CO2和液态CO2：气态CO2通过第二节流阀(12)节流进入第四冷却器(9)后，通过第一混合器(13)进入第二压缩机(6)；液态CO2流入高压液态CO2储罐(14)中；
该储能过程中，低温水储罐(24)流出的冷水经过水泵(25)加压后，通过第一冷却器(5)、第二冷却器(7)、第三冷却器(8)回收第一压缩机(4)、第二压缩机(6)的压缩热；第一冷却器(5)和第二冷却器(7)回收的压缩热储存至热水储罐(26)中，第三冷却器(8)回收的压缩热储存至温水储罐(27)中；
在释能过程中：
高压液态CO2储罐(14)中的CO2被第一分流器(15)分成两股：一股液态CO2通过CO2泵(16)加压后，被第一加热器(17)加热转化为气态CO2进入第一涡轮机(18)中膨胀发电，再经过第二加热器(19)加热后进入第二涡轮机(20)中膨胀发电；另一股液态CO2经第三节流阀(22)降温降压后，进入蒸发器(23)中与冷冻水换热，实现制冷，转化为气态CO2；所述第二涡轮机(20)出口的气态CO2和蒸发器(23)出口的气态CO2均通过第二混合器(21)混合后通过冷储存器(3)第二入口进入冷储存器(3)中，吸收储能过程储存的冷能后变为液态CO2通过冷储存器(3)的第二出口储存至低压液态CO2储罐(1)中；
该释能过程中，热水储罐(26)中流出的热水一部分流入第一加热器(17)和第二加热器(19)中，另一部分与从温水储罐(27)中流出的温水和第二加热器(19)换热后的出口水进入第三混合器(29)中混合后，利用第五冷却器(30)向用户提供生活用水，换完热后的冷水流入冷却塔(31)中冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，其特征在于，所述的温水储罐(27)的出水口经过第二分流器(28)分为两部分，一部分通过第三混合器(29)进入第五冷却器(30)，另一部分直接进入冷却塔(31)。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，其特征在于，所述的冷却器和加热器均为逆流换热器。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变直接制冷的液态CO2冷热电联产储能系统，其特征在于，进入蒸发器(23)的冷冻水温度是(12)℃，蒸发器2出口的冷冻水温度是7℃；进入第五冷却器(30)的生活用水温度是35℃，第五冷却器(30)的出口生活用水温度是50℃。
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