CN214741517U

CN214741517U - 一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统

Info

Publication number: CN214741517U
Application number: CN202120554031.7U
Authority: CN
Inventors: 吕凯; 马汀山; 万小艳; 温婷; 程东涛; 王妍; 石慧; 邓佳; 薛朝囡
Original assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Xian Xire Energy Saving Technology Co Ltd
Current assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Xian Xire Energy Saving Technology Co Ltd
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2031-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，包括煤电机组和二氧化碳储能发电装置；煤电机组包括锅炉，以及同轴连接的高压缸、中压缸以及低压缸，驱动第一发电机发电；二氧化碳储能发电装置包括液态二氧化碳储罐，液态二氧化碳储罐出口的液态二氧化碳通过升压泵、前置换热器进入高压储罐。本实用新型液态空气经泵升压后，通过预热气化，由以煤电机组6段抽汽和热再蒸汽为热源进行加热，以高压高温的超临界状态在二次再热透平机组膨胀做功发电，在二氧化碳‑水换热器中将透平排气余热将传递给煤电机组低温凝结水，经过预冷、节流后全部液化存储，完成循环。

Description

一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统

技术领域

本实用新型属于领域，涉及一种系统，尤其是一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统。

背景技术

基于能源结构优化调整、工业污染物严控等诸多因素，风、光等新能源电力预计以每年新增0.8-1亿kW装机的增速发展。当前装机和发电量占主体的煤电机组需要具备高效灵活特征以实现高比例消纳快速增加的强间歇性新能源，从而适应电网深度调峰和快速调频的要求。

当前以蒸汽朗肯循环为主的煤电机组，其发电效率和机组灵活性的提升均面临较为明显的技术瓶颈，不能满足能源结构优化升级的要求，亟待通过实质性变革以突破当前面临的困境。

在灵活性调峰方面，现有技术如锅炉低负荷稳燃及脱硝、热电解耦、控制系统优化等可实现纯凝机组和热电联产机组最小电出力分别降低至30％和40％额定出力。在风、光等新能源电力快速发展并高比例上网的大前提下，未来煤电机组最小电出力仍需进一步下降。从现有技术局限性及未来极深度调峰需求的矛盾来讲，在电源侧设置储能是一种可行的技术路线。

电能存储技术是一种将电能通过特定介质特性形式储存起来，在需要使用时进行放电的技术。主要技术有抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、飞轮储能等。从容量、寿命、环境等角度综合考虑，适用于电源侧调峰需求的储能技术仅有抽水蓄能和压缩空气储能两种。抽水蓄能需要水坝和水库，受地理地址条件限制，不具备普遍推广的条件。压缩空气储能无选址要求，对环境污染小，与其他储能系统相比压缩气体储能具有储能容量大，使用寿命长，经济性好等优势，高压和液化是提升能量密度的研究方向。

超临界二氧化碳(Su-percritical carbon dioxide，S-CO₂)是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，可压缩性小。以超临界二氧化碳为工质的热力循环，具有设备紧凑、发电效率高、系统简单和热源适用性广等优势，具备良好的深度调峰和快速调峰潜力，可作为性能优良的储能介质，与煤电机组高效耦合。

二氧化碳三相图如下，在7.38MP、32℃的临界点以上，称之为超临界状态。压缩至20MPa，密度为700-900kg/m³。通过预冷节流获取液态二氧化碳，密度为1050kg/m³。当前工程常用范围内压缩空气在13MPa时，密度为100-140kg/m³。对比可知，采用液态二氧化碳作为储能介质，可最大化提升能量密度，降低储罐体积和投资。更进一步的，通过设置离心泵，将液态二氧化碳加压，在气化升温，进入透平做功发电，相比于目前的超临界气态技术中的压缩、升温、做功发电环节，可大幅降低升压环节的耗功，拓宽膨胀发电环节的做功区间，有效提升储能系统能量转换效率。

关于以液态二氧化碳为储能介质，尤其是在电源侧的应用的研究，目前尚未有公开报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，包括：

煤电机组，所述煤电机组包括锅炉，以及同轴连接的高压缸、中压缸以及低压缸，驱动第一发电机发电；

二氧化碳储能发电装置，所述二氧化碳储能发电装置包括液态二氧化碳储罐，液态二氧化碳储罐出口的液态二氧化碳通过升压泵、前置换热器进入高压储罐，高压储罐出口的二氧化碳通过加热器组进入高压透平做功，做功后的二氧化碳经过再热器后进入低压透平做功，做功后的二氧化碳依次经排气冷却器和预冷器后进入液态二氧化碳储罐；高压透平和低压透平同轴连接驱动第二发电机发电。

本实用新型进一步的改进在于：

所述锅炉的过热蒸汽进入高压缸做功，高压缸的排汽进入锅炉再热器，锅炉的再热蒸汽进入中压缸做功，中压缸的排汽进入低压缸做功，低压缸的排汽依次进入凝汽器、凝结水泵、低压加热器组、给水泵组以及高压加热器组后进入锅炉。

所述凝汽器和前置换热器的冷源均来自冷却水塔，所述冷却水塔的冷却水经循环水泵后分别进入凝汽器和前置换热器，经前置换热器换热后的冷却水输送至凝汽器的冷却水入口处，经凝汽器换热后的冷却水后输送至冷却水塔的入口。

所述排气冷却器的冷源来自凝结水泵出口的凝结水，换热后输送至给水泵组的入口处。

所述加热器组包括第一级加热器和第二级加热器，第一级加热器的热源来自低压缸的6段抽汽，第二级加热器和再热器的热源都来自锅炉再热器的部分排汽；锅炉再热器的部分排汽一路进入第二级加热器，另一路进入再热器；经过第二级加热器换热的蒸汽疏水经疏水管道进入第一级加热器，经再热器换热的蒸汽疏水也输送至第一级加热器。

所述第一级加热器的疏水经疏水泵输送至凝汽器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型从提升煤电机组调峰能力、提高整体能效的角度出发，提出一种与煤电机组热源耦合的液态二氧化碳储能发电系统。液态空气经泵升压后，通过预热气化，由以煤电机组6段抽汽和热再蒸汽为热源进行加热，以高压高温的超临界状态在二次再热透平机组膨胀做功发电，在二氧化碳-水换热器中将透平排气余热将传递给煤电机组低温凝结水，经过预冷、节流后全部液化存储，完成循环。

查取二氧化碳物性可知，2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa的液化温度分别为-19℃、-5℃、6℃、15℃、22℃和29℃。相比于空气、氢气等介质，二氧化碳极易实现液化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统实施例的示意图。

其中：1-锅炉，2-高压缸，3-中压缸，4-低压缸，5-第一发电机，6-凝汽器，7-循环水泵，8-冷却水塔，9-凝结水泵，10-低压加热器组，11-给水泵组，12-高压加热器组，13-高压透平，14-低压透平，15-第二发电机，16-排气冷却器，17-预冷器，18-节流阀，19-液态二氧化碳储罐，20-升压泵，21-前置换热器，22-高压储罐，23-第一级加热器，24-第二级加热器，25-再热器，26-疏水泵，27～36-阀门组。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，本实用新型公开了一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，包括煤电机组和二氧化碳储能发电装置；煤电机组包括锅炉1，以及同轴连接的高压缸2、中压缸3以及低压缸4，驱动第一发电机5发电；锅炉1的过热蒸汽进入高压缸2做功，高压缸2的排汽进入锅炉1再热器，锅炉1的再热蒸汽进入中压缸3做功，中压缸3的排汽进入低压缸4做功，低压缸4的排汽依次进入凝汽器6、凝结水泵9、低压加热器组10、给水泵组11以及高压加热器组12后进入锅炉1。凝汽器6和前置换热器21的冷源均来自冷却水塔8，冷却水塔8的冷却水经循环水泵7后分别进入凝汽器6和前置换热器21，经前置换热器21换热后的冷却水输送至凝汽器6的冷却水入口处，经凝汽器6换热后的冷却水后输送至冷却水塔8的入口。

二氧化碳储能发电装置包括液态二氧化碳储罐19，液态二氧化碳储罐19出口的液态二氧化碳通过升压泵20、前置换热器21进入高压储罐22，高压储罐22出口的二氧化碳通过加热器组进入高压透平13做功，做功后的二氧化碳经过再热器25后进入低压透平14做功，做功后的二氧化碳依次经排气冷却器16和预冷器17后进入液态二氧化碳储罐19；高压透平13和低压透平14同轴连接驱动第二发电机15发电。排气冷却器16的冷源来自凝结水泵9出口的凝结水，换热后输送至给水泵组11的入口处。

加热器组包括第一级加热器23和第二级加热器24，第一级加热器23的热源来自低压缸4的6段抽汽，第二级加热器24和再热器25的热源均来自锅炉再热器的部分排汽；锅炉再热器的部分排汽一路进入第二级加热器24，另一路进入再热器25；经过第二级加热器24换热的蒸汽疏水经疏水管道进入第一级加热器23，经再热器25换热的蒸汽疏水也输送至第一级加热器23；第一级加热器23的疏水经疏水泵26输送至凝汽器6。

本实用新型的工作过程：

煤电机组热力循环过程：

锅炉1出口新蒸汽进入高压缸2做功，排汽进入锅炉1再热器升温后进入中压缸3做功，排汽进入低压缸4做功后经凝汽器6冷凝，由凝结水泵9升压后依次进入低压加热器组10、给水泵组11和高压加热器组12升温升压后进入锅炉1，完成热力循环。高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接，共同驱动第一发电机5发电。凝汽器6的冷源为冷却水塔8出口经循环水泵7加压的循环冷却水，其在凝汽器6升温吸热后回至冷却水塔8降温，完成一个循环。

储能过程：

电网要求煤电机组降出力运行，参与深度调峰。煤电锅炉1维持最小稳定燃烧负荷运行，同时液态二氧化碳储能发电系统的压缩储能环节开启：

阀门组27、28、29、30、31、36关闭，阀门组32、33、34、35开启。

1)液态二氧化碳储罐19出口的低温二氧化碳，经升压泵20加压，出口为高压低温液态。

2)升压泵20出口的高压低温液态二氧化碳在前置换热器21升温气化，转换为超临界状态。

3)升压泵20出口的液态二氧化碳，在前置换热器21释放的冷能，传递给煤电机组循环水泵7出口的冷却水，降温后的冷却水回至煤电机组凝汽器6，降低煤电机组运行背压，提升蒸汽经济性。

4)高压储罐22内的二氧化碳为高压低温的超临界状态。

释能过程：

阀门组27、28、29、30、31、36开启，阀门组32、33、34、35关闭。

1)高压储罐22出口的高压低温二氧化碳依次经第一级加热器23、第二级加热器24实现梯级升温后，进入高压透平13做功。

2)高压透平13排气进入再热器25实现二次提温，再进入低压透平14做功。高压透平13和低压透平14同轴连接，拖动第二发电机15发电。

3)低压透平14排气经排气冷却器16将热量传递给凝结水泵9出口的部分流经阀门组30的低温凝结水降温，进入预冷器17。排气冷却器16出口的高温水通过阀门组29进入低压加热器组10出口管道。通过调整进入排气冷却器16的低温凝结水流量，以使得排气冷却器16出口的高温水温度和低压加热器组10凝结水温度的偏差在5℃以内。

4)第一级加热器23的热源为煤电机组6段抽汽，第二级加热器24的热源为煤电机组中压缸3进汽。第二级加热器24的疏水进入第一级加热器23，第一级加热器24的疏水经疏水泵26加压后进入煤电机组凝汽器6。再热器25的热源为煤电机组中压缸3进汽，再热器25的疏水进入第一级加热器22。

5)排气冷却器16出口的透平排气，在预冷器17被外界冷源降温，再经过节流阀18实现全部液化。预冷过程的冷源根据透平排气压力不同，有不同选择：4MPa以上，以0℃的冰水为冷源。1-4MPa范围内，采用溴化锂制冷机组为冷源。不允许排气压力低于1MPa。

6)液化二氧化碳储罐19内的二氧化碳为低温液体状态。

本实用新型的原理：

本实用新型设置一套液态二氧化碳储能发电系统，由液态储罐、高压储罐、升压泵、透平发电机组、换热器、节流阀等组成。液态二氧化碳储罐和高压储罐为密封和保温性能良好的柱体结构。液态二氧化碳储罐内的存储温度T＝存储压力对应液化温度-5℃。储能过程采取升压→气化→升温的技术路线。二氧化碳流经升压泵前后均为液体状态。抽取煤电机组冷却水塔出口循环水，吸取升压泵出口的低温二氧化碳冷能，降温后的循环水回至凝汽器入口，以降低煤电机组运行背压。升压气化的高压低温气态二氧化碳，进入高压储罐存储。释能阶段，高压储罐出口的高压气态超临界二氧化碳，依次流经以六段抽汽和热再抽汽为热源的加热器实现升温，再进入高压透平做功。二氧化碳透平采用二次再热结构，高压透平排气经以热再抽汽为热源的加热器实现二次提温，再进入低压透平做功。高压透平和低压透平同轴连接，拖动发电机发电。低压透平的排气，在冷却器内将余热传递给煤电机组凝结水泵出口凝结水。吸热后的高温凝结水回流至低压加热器组出口，排挤汽轮机低压缸回热抽汽，提升煤电机组热经济性。冷却器出口的透平排气，经过预冷、节流后实现液化。预冷过程的冷源根据透平排气压力不同，有不同选择：4MPa以上，以0℃的冰水为冷源。1-4MPa范围内，采用溴化锂制冷机组为冷源。不允许排气压力低于1MPa。二氧化碳加热器为管壳式结构，管内为二氧化碳，壳侧为蒸汽。汽源分别为煤电机组热再和6段抽汽，加热器内设置疏水冷却段。为实现热源的梯级利用，第二级加热器的疏水进入第一级加热器，第一级加热器疏水回至煤电机组凝汽器。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，包括：

煤电机组，所述煤电机组包括锅炉(1)，以及同轴连接的高压缸(2)、中压缸(3)以及低压缸(4)，驱动第一发电机(5)发电；

二氧化碳储能发电装置，所述二氧化碳储能发电装置包括液态二氧化碳储罐(19)，液态二氧化碳储罐(19)出口的液态二氧化碳通过升压泵(20)、前置换热器(21)进入高压储罐(22)，高压储罐(22)出口的二氧化碳通过加热器组进入高压透平(13)做功，做功后的二氧化碳经过再热器(25)后进入低压透平(14)做功，做功后的二氧化碳依次经排气冷却器(16)和预冷器(17)后进入液态二氧化碳储罐(19)；高压透平(13)和低压透平(14)同轴连接驱动第二发电机(15)发电。

2.根据权利要求1所述的与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述锅炉(1)的过热蒸汽进入高压缸(2)做功，高压缸(2)的排汽进入锅炉(1)再热器，锅炉(1)的再热蒸汽进入中压缸(3)做功，中压缸(3)的排汽进入低压缸(4)做功，低压缸(4)的排汽依次进入凝汽器(6)、凝结水泵(9)、低压加热器组(10)、给水泵组(11)以及高压加热器组(12)后进入锅炉(1)。

3.根据权利要求2所述的与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述凝汽器(6)和前置换热器(21)的冷源均来自冷却水塔(8)，所述冷却水塔(8)的冷却水经循环水泵(7)后分别进入凝汽器(6)和前置换热器(21)，经前置换热器(21)换热后的冷却水输送至凝汽器(6)的冷却水入口处，经凝汽器(6)换热后的冷却水后输送至冷却水塔(8)的入口。

4.根据权利要求1所述的与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述排气冷却器(16)的冷源来自凝结水泵(9)出口的凝结水，换热后输送至给水泵组(11)的入口处。

5.根据权利要求1所述的与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述加热器组包括第一级加热器(23)和第二级加热器(24)，第一级加热器(23)的热源来自低压缸(4)的6段抽汽，第二级加热器(24)和再热器(25)的热源都来自锅炉(1)再热器的部分排汽；锅炉(1)再热器的部分排汽一路进入第二级加热器(24)，另一路进入再热器(25)；经过第二级加热器(24)换热的蒸汽疏水经疏水管道进入第一级加热器(23)，经再热器(25)换热的蒸汽疏水也输送至第一级加热器(23)。

6.根据权利要求5所述的与煤电机组耦合的液态二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述第一级加热器(23)的疏水经疏水泵(26)输送至凝汽器(6)。