CN117514403A - 一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，采用包括压缩蒸汽储能回路、储热回路和有机朗肯回路的循环系统；压缩蒸汽储能回路储能时，其低压储水罐中的低压液态水通过余热蒸发成蒸汽，蒸汽经过压缩冷凝过程后进入高压储水罐中存储，同时通过储热回路存储压缩热；压缩蒸汽储能回路释能时，其高压储水罐中的高压液态水先后被余热及压缩热蒸发成高温蒸汽，再经过膨胀再热过程回到低压储水罐中存储，同时压缩热驱动有机朗肯回路做功发电。本发明将工业余热有效输入至压缩蒸汽储能回路，有效耦合了压缩蒸汽储能循环和有机朗肯循环，使得系统效率更高，结构更加紧凑，运行更加灵活。还可采用多级压缩或多级膨胀的方式获得最优的热力性能。

Description

一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法
技术领域
本发明涉及压缩储能技术领域，具体涉及一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法。
背景技术
以风电、光伏为代表的新能源发展迅猛，但其固有的间歇性和不稳定性导致并网消纳困难。因此，需要大规模储能来实现可再生能源电力输出的平稳可控。
目前，大规模储能技术主要有抽水蓄能和压缩储能。然而，抽水蓄能的发展潜力受限于地理位置以及难以消除的生态环境负面影响。压缩储能常用介质有空气及CO2，由于空气难以液化，需要较大体积的储气罐存储空气，从而导致压缩空气储能能量密度较低且造价成本较高。为此，现有压缩空气储能工程示范均采用地下盐穴或人工硐室储存高压空气。对于压缩CO2储能，CO2临界温度与环境温度接近，但临界压力较高，对耐压储罐要求极高。同时，CO2储能所需的透平及压缩机尚未实现商业化，成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，可大大提高能源利用效率。
本发明提供的这种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，采用包括压缩蒸汽储能回路、储热回路和有机朗肯回路的循环系统；压缩蒸汽储能回路储能时，其低压储水罐中的低压液态水通过余热蒸发成蒸汽，蒸汽经过压缩冷凝过程后进入高压储水罐中存储，同时通过储热回路存储压缩热；压缩蒸汽储能回路释能时，其高压储水罐中的高压液态水先后被余热及压缩热蒸发成高温蒸汽，再经过膨胀再热过程回到低压储水罐中存储，同时压缩热驱动有机朗肯回路做功发电。
上述方法实施时，所述压缩蒸汽储能回路包括依次通过管道连接的低压储水罐(1)、泵(3)、预热器(5)、压缩机(7)、冷却器(9)、高压储水罐(11)、泵(13)、加热器(15)、再热器(17)、膨胀机(19)、散热器(21)，散热器(21)散热后的介质出口通过管道连接至低压储水罐(1)的进水口；各管道上分别连接阀门。
上述方法实施时，所述储热回路包括依次通过管道连接的高温储热罐(33)、泵(35)、再热器(17)、换热器(24)、低温储热罐(26)、泵(28)、换热器(30)和冷却器(9)，在冷却器(9)中放热后的介质出口经管道连接至高温储热罐33的进口；各管道上分别连接阀门。
上述方法实施时，所述有机朗肯回路包括通过管道依次连接的换热器(24)、膨胀机(40)、冷凝器(41)和泵(42)，泵(42)的出口管道连接至换热器(24)；各管道上分别连接阀门。
上述方法实施时，散热器(21)与风扇(39)相配合，风扇(39)通过鼓风引入自然冷源降低流经散热器(21)的介质温度。
上述方法实施时，所述压缩蒸汽储能回路还包括设置于压缩机(7)和冷却器(9)之间的多级压缩冷却单元(54)。
上述方法实施时，所述压缩蒸汽储能回路还包括设置于再热器(17)和散热器(21)之间的多级膨胀再热单元(55)。
上述方法实施时，所述压缩蒸汽储能回路还配置有可提高压缩热利用率的中温储热罐(50)。
上述方法实施时，利用的余热温度范围为120℃-500℃。
上述方法实施时，所述储热回路的储热介质为加压水、导热油或熔融盐中的任意一种。
针对压缩储能存在的问题，本发明首次提出了压缩蒸汽储能系统。相比于空气及CO2，水的沸点为100，℃水蒸汽可在低压环境温度下液化。同时，在临界压力(22MPa)下，高压水蒸汽也可以轻易的实现液态存储。此外，相比于CO2，水的成本较低，所需的动力及换热设备均十分成熟。将工业余热有效输入至压缩蒸汽储能回路，在储能时，低温低压水首先被余热蒸发，继而蒸汽被压缩机升温升压，通过冷却器将蒸汽冷凝至液态高压罐存储，而压缩热则存储于储热回路中。在释能时，高压水依次被余热及存储的压缩热蒸发，随后进入膨胀机做功发电，最后以液态存储于低压储水罐中，同时储热回路驱动有机朗肯循环做功发电，以充分利用压缩热。具体来说，本发明具有以下优势：
将工业余热有效输入至压缩蒸汽储能回路，不仅拓展了余热的消纳形式，还极大提高了储能效率；
低压侧通过散热器实现了水的液态存储，高压侧通过冷却器将高压蒸汽冷凝成液态水，极大的减少了储罐体积；
根据高压储罐的压力，储能回路可采用多级压缩或多级膨胀的方式获得最优的热力性能；
有效的耦合了压缩蒸汽储能循环和有机朗肯循环，使得系统效率更高，结构更加紧凑，运行更加灵活。
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，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一中循环系统的连接示意图。
图2为本发明实施例二中循环系统的连接示意图。
图中序号明细如下：
1、低压储水罐；2、阀门；3、泵；4、阀门；5、预热器；6、阀门；7、压缩机；8、阀门；9、冷却器；10、阀门；11、高压储水罐；12、阀门；13、泵；14、阀门；15、加热器；16、阀门；17、再热器；18、阀门；19、膨胀机；20、阀门；21、散热器；22、阀门；23、阀门；24、换热器；25、阀门；26、低温储热罐；27、阀门；28、泵；29、阀门；30、换热器；31、阀门；32、阀门；33、高温储热罐；34、阀门；35、泵；36、阀门；37、阀门；38、阀门；39、风扇；40、膨胀机；41、冷凝器；42、泵；
43、冷却器；44、压缩机；45、冷却器；46、再热器；47、膨胀机；48、再热器；49、阀门；50、中温储热罐；51、阀门；52、泵；53、阀门；54、压缩冷却单元；55、膨胀再热单元；56、压缩机；57、膨胀机。
具体实施方式
下面将结合附图中所列的两种联供系统，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
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。
实施例一：
本实例的循环系统连接示意图，如图1所示。
本实施例将工业余热与压缩蒸汽储能回路深度耦合，压缩蒸汽储能回路包括低压储水罐1，低压储水罐1出口接有一个阀门2，阀门2出口与水泵3进口相连，水泵3出口通过阀门4与预热器5进口相连，预热器5出口通过阀门6连接压缩机7，压缩机7出口通过阀门8与冷却器9相连，冷却器9出口经过阀门10连接高压储水罐11。高压储水罐11经过阀门12与泵13相连，泵13出口经过阀门14与加热器15相连，加热器15出口通过阀门16连接再热器17。再热器17出口与阀门18相连，阀门18出口与膨胀机19进口相连，最后膨胀机19出口通过阀门20接入散热器21进口，散热器21出口通过阀门22接入低压储水罐1。散热器21与风扇39相配合。
储热回路包括高温储热罐33，高温储热罐33出口通过阀门34与泵35进口相连，泵35出口通过阀门36连接再热器17进口。再热器17出口通过阀门23与换热器24进口相连，换热器24出口通过阀门25接入低温储热罐26。低温储热罐26出口通过阀门27与泵28进口连接，泵28出口通过阀门29连接换热器30进口，换热器30出口经阀门31与冷却器9进口相连。冷却器9出口经过阀门32接入高温储热罐33。
有机朗肯回路包括换热器24，换热器24出口连接膨胀机40进口，膨胀机40出口连接冷凝器41进口，冷凝器41出口连接泵42进口。泵42出口与换热器24进口相连。
上述各回路的各设备之间分别通过管道连接，各阀门连接于相应的管道上。
压缩蒸汽储能回路与储热回路通过冷却器9和再热器17进行耦合，储热回路与有机朗肯回路通过换热器24进行耦合。
上述循环系统包括以下两种运行模式，模式一，压缩蒸汽储能回路的储能流程：将余热及压缩热进行储存；模式二，压缩蒸汽储能回路的释能流程：余热及压缩热提升蒸汽温度，从而驱动膨胀机做功发电，同时利用压缩热驱动有机朗肯循环做功发电。
模式一中，低压储水罐1出口的低温低压水经过泵3升压后首先在预热器5中被余热蒸发后相变成蒸汽，继而蒸汽在压缩机7中压缩升温升压，压缩后的蒸汽在冷却器9中放热冷凝变成液态，以提高高压蒸汽的密度，放热之后的蒸汽储存在高压储水罐11中。而压缩热则在冷却器9中被低温储热罐26出口的储热介质吸收，并存储于高温储水罐33中，实现了余热和压缩热的存储与利用。
模式二中，高压储水罐11出口的低温高压的水经过泵13升压后依次进入加热器15(与加热器中的余热进行换热)和再热器17中吸热，升温后的蒸汽驱动膨胀机19膨胀做功后进入散热器21中散热冷却，最后以液态的形式储存在低压储水罐1中，完成了一次释能循环。同时，高温储热罐33出口的高温储热介质经过泵35后在再热器17中与水蒸汽换热，随后经换热器24驱动有机朗肯循环发电，以充分利用压缩热，最后经过阀门25储存在低温储热罐26中。另外，通过风扇39引入自然冷源，利用风冷进一步将水降温散热，可使低压水液化，以显著降低储罐体积。
有机朗肯回路中，有机工质在换热器24中吸收储热介质的热量升温后，驱动膨胀机40做功发电，随后在冷凝器41中冷却降温，最后经泵42升压后回流到换热器24中，构成了一个完整的循环。
在释能过程中，散热器21与用于对其进行降温的风扇39相配合，风扇39通过鼓风引入自然冷源降低流经散热器21中低压水的温度。
本实施例利用的余热不局限于燃气轮机组的余热，也可以是各种工业过程的余热，甚至是太阳能、地热能等热源，余热温度大致范围为120℃-500℃。储热回路的储热介质可以是加压水、导热油或熔融盐。
实施例二：
本实施例的循环系统连接示意图，如图2所示。
本实施例将余热与压缩蒸汽储能回路深度耦合，压缩蒸汽储能回路为了进一步提高运行效率，储能过程和释能过程分别采用分级压缩中间冷却和分级膨胀中间再热，并且能够根据压缩蒸汽储能的高低压力值，调整分级压缩和分级膨胀过程的级数。
压缩蒸汽储能系统包括低压储水罐1，低压储水罐1出口经过接阀门2与水泵3进口相连，水泵3出口通过阀门4与预热器5进口相连，预热器5出口通过阀门6连接压缩机7，压缩机7出口与冷却器43进口相连，冷却器43出口与压缩机44进口相连，压缩机44出口与冷却器45进口相连，冷却器45出口与下一级压缩冷却单元54(包括压缩机和冷却器)进口相连，下一级压缩冷却单元54出口与压缩机56进口相连，压缩机56出口经过阀门8与冷却器9相连，冷却器9出口经过阀门10连接高压储水罐11。高压储水罐11经过阀门12与泵13相连，泵13出口经过阀门14与加热器15相连，加热器15出口通过阀门16连接再热器17。再热器17出口与阀门18相连，阀门18出口与膨胀机19进口相连，膨胀机19出口与再热器46相连，再热器46出口与膨胀机47相连，膨胀机47出口与再热器48相连，再热器48出口与下一级膨胀再热单元55(包括再热器和膨胀机)相连，下一级膨胀再热单元55出口与膨胀机57进口相连，膨胀机57出口通过阀门20接入散热器21进口，散热器21出口通过阀门22接入低压储水罐1。散热器21与风扇39相配合。
若系统所需大于两级压缩机和两级膨胀机，相应的冷却器接至高温储热罐33，再热器接至中温储热罐50。
储热回路包括高温储热罐33，高温储热罐33出口通过阀门34与泵35进口相连，泵35出口经过阀门36后分多路连接：分别连接再热器17进口、再热器46进口和再热器48进口。再热器46出口和再热器48出口都经过阀门49接入中温储热罐50；再热器17出口经过阀门23与换热器24连接，换热器24出口经过阀门25后接入低温储热罐26中，低温储热罐26出口经过阀门27与泵28连接，泵28出口经过阀门29连接冷却器9进口，最后经过阀门32接入高温储热罐33中。同时，中温储热罐50出口经过阀门51与泵52进口连接，泵52出口经过阀门53后分多路连接：分别与冷却器43进口和冷却器45进口连接，冷却器43出口和冷却器45出口都经过阀门32接入高温储热罐33中。
若系统所需大于两级压缩机和两级膨胀机，相应的冷却器接至高温储热罐33，再热器接至中温储热罐50。
有机朗肯回路包括换热器24，换热器24出口连接膨胀机40进口，膨胀机40出口连接冷凝器41进口，冷凝器41出口连接泵42进口。泵42出口与换热器24进口相连。
上述循环系统包括以下两种运行模式，模式一，压缩蒸汽储能回路的储能流程：通过储能回路将余热及压缩热进行储存；模式二，压缩蒸汽储能回路的释能流程：通过余热及压缩热提升蒸汽温度，从而驱动膨胀机做功发电，同时利用压缩热驱动有机朗肯循环做功发电。
模式一中，压缩蒸汽储能回路的储能流程具体过程为：低压储水罐1出口的低压低温水经过水泵3升压后进入预热器5中吸收余热蒸发相变成蒸汽。预热器出口的蒸汽依次被压缩机7、压缩机44和下一级压缩冷却单元54和压缩机56压缩成高温高压的蒸汽，中间在冷却器43和冷却器45中冷凝放热后成为液态水，以提高水蒸汽的密度，最后经冷却器9进一步冷凝放热后经过阀门10储存在高压储水罐11中，完成了一次储能循环。与此同时，低温储热罐26出口的低温储热介质经过泵28升压后流进冷却器9中吸收水蒸汽的压缩热并储存在高温储热罐33中。中温储热罐50出口的中温储热介质经过泵52升压后分别进入冷却器43和冷却器45中吸收水蒸汽的压缩热，升温后通过阀门32同样储存在高温储热罐33中，实现了压缩热的存储利用。
若系统所需大于两级压缩机，相应的冷却器中储热介质来自中温储热罐50，与蒸汽换热后储存至高温储热罐33中。
模式二中，压缩蒸汽储能回路的释能流程具体过程为：高压储水罐11中出口的低温高压水经过泵13升压后依次进入加热器15和再热器17中吸热，升温后的蒸汽驱动膨胀机19、膨胀机47和下一级膨胀再热单元55做功发电，中间在再热器46和再热器48中吸收高温储热介质的热量升温，尽可能的提高水蒸汽的温度，增加发电量。随后在膨胀机57中进一步做功发电后经过阀门20进入散热器21中散热冷却，最后以液态的形式储存在低压储水罐1中，完成一次释能循环。同时，高温储热罐33的高温储热介质经过泵35升压后分为多路流动，其中两路在再热器46和再热器48中与水蒸汽换热，最后回流到中温储热罐50中。另一路则进入再热器17中向水蒸汽放热，随后经换热器24驱动有机朗肯循环发电，以充分利用压缩热，最后经过阀门25储存在低温储热罐26中。
若系统所需大于两级膨胀机，相应的再热器中换热介质来自高温储热罐33，与水蒸汽换热后储存至中温储热罐50中。
在有机朗肯回路中，有机工质在换热器24中吸收储热介质的热量升温后，驱动膨胀机40做功发电，随后在冷凝器41中冷却降温，最后经泵42升压后回流到换热器24中，构成了一个完整的循环。
在释能过程中，散热器21与用于对其进行降温的风扇39相配合，风扇39通过鼓风引入自然冷源降低流经散热器21的低压水的温度。
根据压缩蒸汽储能的高低压力值，可采用多级压缩中间冷却及多级膨胀中间再热的形式完成储能及释能过程，同时根据水蒸汽中间冷却及再热温度，配置中温储热罐50。
可利用的余热不局限于燃气轮机组的余热，也可以是各种工业过程的余热，甚至是太阳能、地热能等热源，余热温度大致范围为120℃-500℃。储热回路的储热介质可以是加压水、导热油或熔融盐。
从本发明上述实施例的配置及工作原理可知，本发明具有以下优势：
将工业余热有效输入至压缩蒸汽储能回路，不仅拓展了余热的消纳形式，还极大提高了储能效率；
低压侧通过散热器实现了水的液态存储，高压侧通过冷却器将高压蒸汽冷凝成液态水，极大的减少了储罐体积；
根据高压储罐的压力，储能回路可采用多级压缩或多级膨胀的方式获得最优的热力性能；
有效的耦合了压缩蒸汽储能循环和有机朗肯循环，使得系统效率更高，结构更加紧凑，运行更加灵活。

Claims (10)

1.一种余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：
该方法采用包括压缩蒸汽储能回路、储热回路和有机朗肯回路的循环系统；
压缩蒸汽储能回路储能时，其低压储水罐中的低压液态水通过余热蒸发成蒸汽，蒸汽经过压缩冷凝过程后进入高压储水罐中存储，同时通过储热回路存储压缩热；
压缩蒸汽储能回路释能时，其高压储水罐中的高压液态水先后被余热及压缩热蒸发成高温蒸汽，再经过膨胀再热过程回到低压储水罐中存储，同时压缩热驱动有机朗肯回路做功发电。
2.根据权利要求1所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述压缩蒸汽储能回路包括依次通过管道连接的低压储水罐(1)、泵(3)、预热器(5)、压缩机(7)、冷却器(9)、高压储水罐(11)、泵(13)、加热器(15)、再热器(17)、膨胀机(19)、散热器(21)，散热器(21)散热后的介质出口通过管道连接至低压储水罐(1)的进水口；各管道上分别连接阀门。
3.根据权利要求2所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述储热回路包括依次通过管道连接的高温储热罐(33)、泵(35)、再热器(17)、换热器(24)、低温储热罐(26)、泵(28)、换热器(30)和冷却器(9)，在冷却器(9)中放热后的介质出口经管道连接至高温储热罐33的进口；各管道上分别连接阀门。
4.根据权利要求3所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述有机朗肯回路包括通过管道依次连接的换热器(24)、膨胀机(40)、冷凝器(41)和泵(42)，泵(42)的出口管道连接至换热器(24)；各管道上分别连接阀门。
5.根据权利要求2所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：散热器(21)与风扇(39)相配合，风扇(39)通过鼓风引入自然冷源降低流经散热器(21)的介质温度。
6.根据权利要求2所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述压缩蒸汽储能回路还包括设置于压缩机(7)和冷却器(9)之间的多级压缩冷却单元(54)。
7.根据权利要求3所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述压缩蒸汽储能回路还包括设置于再热器(17)和散热器(21)之间的多级膨胀再热单元(55)。
8.根据权利要求6或7所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述压缩蒸汽储能回路配置有可提高压缩热利用率的中温储热罐(50)。
9.根据权利要求1所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：利用的余热温度范围为120℃-500℃。
10.根据权利要求1或3所述的余热驱动的压缩蒸汽储能循环利用方法，其特征在于：所述储热回路的储热介质为加压水、导热油或熔融盐中的任意一种。
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