CN214741518U - 一种与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，包括火电机组和储能及释能装置；储能及释能装置包括低压储罐和高压储罐，低压储罐中二氧化碳经压缩机和压缩热冷却器后进入高压储罐，高压储罐中的二氧化碳经二氧化碳加热器组后进入二氧化碳透平做功，二氧化碳透平驱动发电机发电；做功后的二氧化碳经排气冷却器后进入低压储罐中；压缩热冷却器和排气冷却器的冷源均来自煤电机组凝结水泵出口的凝结水。本实用新型的目的在于进一步降低煤电机组最小电出力，设置一套超临界二氧化碳储能发电系统，通过与煤电机组热源及动力源的高效耦合，简化现有二氧化碳发电技术的系统，降低投资，并提升煤电机组和储能系统的整体能效。

Description

一种与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统

技术领域

本实用新型属于超临界二氧化碳储能发电系统技术领域，涉及一种与煤电机组耦合的超临界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。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，超临界二氧化碳作为储能介质，可进一步提升能量密度，降低储罐体积和投资。

关于以二氧化碳为储能，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超临界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超临界二氧化碳储能发电系统，包括：

火电机组，所述火电机组包括锅炉、高压缸、中压缸和低压缸，所述高压缸、中压缸和低压缸同轴连接驱动发电机发电；低压缸的排汽经凝汽器、凝结水泵、低压加热器组、给水泵以及高压加热器组后进入锅炉；

储能及释能装置，所述储能及释能装置包括低压储罐和高压储罐，低压储罐中二氧化碳经压缩机和压缩热冷却器后进入高压储罐，高压储罐中的二氧化碳经二氧化碳加热器组后进入二氧化碳透平做功，二氧化碳透平驱动透平发电机发电；做功后的二氧化碳经排气冷却器后进入低压储罐中；

所述压缩热冷却器和排气冷却器的冷源均来自凝结水泵出口的凝结水。

本实用新型进一步的改进在于：

所述锅炉再热器的部分排汽和中压缸的部分排汽进入蒸汽透平做功，蒸汽透平通过齿轮联轴器驱动压缩机；蒸汽透平的排汽经过小凝汽器冷却后进入凝汽器。

所述凝汽器和小凝汽器的冷源均来自冷却水塔，冷却水塔中的循环冷却水经循环水泵分别进入凝汽器和小凝汽器，换热后回流至冷却水塔。

所述凝汽器出口的凝结水依次经凝结水泵、7&8号低压加热器、6号低压加热器、5号低压加热器、给水泵组和高压加热器组后进入锅炉。

所述凝结水泵出口的凝结水分别进入压缩冷却器和排气冷却器；经压缩冷却器换热后的凝结水分别进入7&8号低压加热器、6号低压加热器和5号低压加热器的出口处；经排气冷却器换热后的凝结水进入5号低压加热器的出口处。

所述二氧化碳加热器组包括第一级加热器和第二级加热器，高压储罐的出口与第一级加热器，第一级加热器的出口与第二级加热器相连，第二级加热器的出口与二氧化碳透平的进汽端相连。

所述第一级加热器的热源来自低压缸的6段抽汽，第二级加热器的热源来自锅炉再热器出口的部分再热蒸汽，做功后经疏水管道进入第一级加热器，在第一级加热器中换热后的疏水经疏水泵返回凝汽器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的目的在于进一步降低煤电机组最小电出力，设置一套超临界二氧化碳储能发电系统，通过与煤电机组热源及动力源的高效耦合，简化现有二氧化碳发电技术路线的系统，降低投资，并提升煤电机组和储能系统的整体能效。

本实用新型从深度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和动力源耦合的超临界二氧化碳储能发电系统：储能阶段，用煤电机组中压缸排汽为驱动汽源，在凝汽式蒸汽透平膨胀做功，拖动超临界二氧化碳压缩机做功，将低压储罐出口超临界二氧化碳压缩升压，在进入高压储罐前，将压缩热传递给煤电机组低温凝结水。释能阶段，高压储罐出口的高压常温二氧化碳，由煤电机组热再和6段抽汽加热升温，再进入二氧化碳透平做功发电，将排气余热传递给煤电机组低温凝结水，以略高于临界点的状态进入低压储罐存储。

与当前的二氧化碳发电技术相比，本实用新型取消了回热器等设备，取代以二氧化碳-水换热器，大幅降低投资，简化投资，并取得整体能效进一步提升。

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超临界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-发电机，6-凝汽器，7-循环水泵，8-冷却水塔，9-凝结水泵，10-7&8号低压加热器，11-6号低压加热器，12-5号低压加热器，13-给水泵组，14-高压加热器组，15-蒸汽透平，16齿轮联轴器，17-压缩机，18-压缩热冷却器，19-高压储罐，20-第一级加热器，21-第二级加热器，22-疏水泵，23-二氧化碳透平，24-透平发电机，25-排气冷却器，26-低压储罐，27-小凝汽器，28-水环真空泵，29～43-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，本实用新型实施例公开了一种与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，包括火电机组以及储能装置。

火电机组包括锅炉1、高压缸2、中压缸3和低压缸4，高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接驱动发电机5发电；低压缸4的排汽经凝汽器6、低压加热器组、给水泵13以及高压加热器组14后进入锅炉1；锅炉1再热器的部分排汽和中压缸3的部分排汽进入蒸汽透平15做功，蒸汽透平15通过齿轮联轴器16驱动压缩机17；蒸汽透平15的排汽经过小凝汽器27冷却后进入凝汽器6。凝汽器6和小凝汽器27的冷源均来自冷却水塔8，冷却水塔8中的循环冷却水经循环水泵7分别进入凝汽器6和小凝汽器27，换热后回流至冷却水塔8。凝汽器6出口的凝结水依次经凝结水泵9、7&8号低压加热器10、6号低压加热器11、5号低压加热器12、给水泵组13和高压加热器组14后进入锅炉1。

储能装置包括低压储罐26和高压储罐19，低压储罐26中二氧化碳经压缩机17和压缩热冷却器18后进入高压储罐19，高压储罐19中的二氧化碳经二氧化碳加热器组后进入二氧化碳透平23做功，二氧化碳透平23驱动透平发电机24发电；做功后的二氧化碳经排气冷却器25后进入低压储罐26中；压缩热冷却器18和排气冷却器25的冷源均来自凝结水泵9出口的凝结水。

凝结水泵9出口的凝结水分别进入压缩冷却器18和排气冷却器25；经压缩冷却器18换热后的凝结水分别进入7&8号低压加热器10、6号低压加热器11和5号低压加热器12的出口处；经排气冷却器25换热后的凝结水进入5号低压加热器12的出口处。

二氧化碳加热器组包括第一级加热器20和第二级加热器21，高压储罐19的出口与第一级加热器20，第一级加热器20的出口与第二级加热器21相连，第二级加热器21的出口与二氧化碳透平23的进口端相连。第一级加热器20的热源来自低压缸4的6段抽汽，第二级加热器21的热源来自锅炉1再热器的部分再热蒸汽，做功后经疏水管道进入第一级加热器20，在第一级加热器20中换热后的疏水经疏水泵22返回凝汽器6。

本实用新型的原理：

1)设置一套超临界二氧化碳储能发电系统，由低压储罐、高压储罐、压缩储能系统、透平发电系统、换热器等组成。在储能和释能过程中，二氧化碳始终处于超临界状态。

2)高压储罐和低压储罐为密封和保温性能良好的柱体结构。低压储罐内的二氧化碳为略高于超临界状态(P＝7.38+0.2MPa、T＝32+1℃)。高压储罐内的二氧化碳为高压低温状态(P＞20MPa，T32+1℃)。

3)低压储罐出口的二氧化碳经压缩机加压(不低于20MPa，无上限)，压缩机由蒸汽透平驱动，汽源取自煤电机组中压缸排汽。蒸汽透平排汽进入小凝汽器冷凝，凝结水回至煤电机组凝汽器。

4)压缩机出口的二氧化碳为高压高温状态，在进入高压储罐前，在压缩热冷却器内将热量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6号低压加热器入口或出口。排挤汽轮机低压缸回热抽汽，提升煤电机组热经济性。

5)高压储罐出口的二氧化碳，由煤电机组6段抽汽和热再蒸汽梯级加热升温后进入透平，做功发电。排气在进入低压储罐前，在排气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5号低压加热器入口。排挤汽轮机低压缸回热抽汽，提升火电机组热经济性。

6)压缩热冷却器和排气冷却器为管壳式结构，管内为凝结水，壳侧为二氧化碳。

7)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。

本实用新型的工作过程：

火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升压后依次经7&8号低压加热器组10、6号低压加热器11、5号低压加热器12、给水泵组13和高压加热器组14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，同时超临界二氧化碳储能发电系统的压缩储能环节开启：

1)低压储罐26出口的略高于临界点的二氧化碳，进入压缩机17升压，出口为高压高温状态。

2)蒸汽透平15通过齿轮联轴器16与压缩机17同轴连接，蒸汽透平15和空气压缩机17变转速运行，不断将二氧化碳压缩成高压状态，经压缩热冷却器18由凝结水泵9出口的部分流经阀门组41的低温凝结水冷却降温后再经阀门组42进入高压储罐19。

3)蒸汽透平15汽源有两路：中压缸3进汽和排汽。蒸汽透平15排汽进入小凝汽器27由循环水泵7加压的部分冷却水冷凝，凝结水回至煤电机组凝汽器6，小凝汽器27出口冷却水汇至冷却水塔8入口母管。水环真空泵28投运，将小凝汽器27内聚集的不凝结气体抽出，以保障小凝汽器27内的换热效果。

4)从温度对口、梯级利用的角度出发，压缩热冷却器18出口高温水到煤电机组的回水点应根据压缩热冷却器18出口水温和6号低压加热器11进、出口和5号低压加热器出口水温的大小关系确定，具体如下：

设6号低压加热器11进口和出口水温分别为t_in和t_6out，5号低压加热器出口水温为t_5out，压缩热冷却器18出口水温为t；

若t＜t_in，或t＜(t_in+t_6out)/2，回水至6号低压加热器11入口；

若t＞(t_in+t_6out)/2且t＜(t_6out+t_5out)/2，回水至6号低压加热器11出口；

若t＞(t_6out+t_5out)/2，回水至5号低压加热器12出口；

根据回水位置确定阀门组32～34的开启或关闭状态。

若中排抽汽作为蒸汽透平15的运行方式下煤电机组电出力仍不满足电网调峰要求，逐步开启阀门组44，部分热再蒸汽和中压缸3排汽混合后进入蒸汽透平15做功。阀门组44和29的开度，根据煤电机组电出力和电网要求的差值进行动态调整。

阀门组30、31、35、36、37、43关闭，由第一级加热器20、第二级加热器21、二氧化碳透平23、透平发电机24、排气冷却器25等组成的膨胀释能发电过程不运行。

释能过程：

阀门组29、32、33、34、38、39、40、41、42、44关闭。

阀门组30、31、35、36、37、43开启。

高压储罐19出口的高压低温二氧化碳依次经第一级加热器20、第二级加热器21实现梯级升温后，进入二氧化碳透平23做功，拖动透平发电机24发电。

二氧化碳透平23排气经排气冷却器25将热量传递给凝结水泵9出口的部分流经阀门组36的低温凝结水降温后，进入低压储罐26。排气冷却器25出口的高温水通过阀门组35进入5号低压加热器12出口管道。通过调整进入排气冷却器25的低温凝结水流量，以使得排气冷却器25出口的高温水温度和5号低压加热器12出口凝结水温度的偏差在5℃以内。

第一级加热器20的热源为煤电机组6段抽汽，第二级加热器21的热源为煤电机组中压缸3进汽。第二级加热器21的疏水经疏水管道进入第一级加热器20，第一级加热器20的疏水经疏水泵22加压后进入煤电机组凝汽器6。

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 (7)

1.一种与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，包括：

火电机组，所述火电机组包括锅炉(1)、高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)，所述高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)同轴连接驱动发电机(5)发电；低压缸(4)的排汽经凝汽器(6)、凝结水泵(9)、低压加热器组、给水泵组(13)以及高压加热器组(14)后进入锅炉(1)；

储能及释能装置，所述储能及释能装置包括低压储罐(26)和高压储罐(19)，低压储罐(26)中二氧化碳经压缩机(17)和压缩热冷却器(18)后进入高压储罐(19)，高压储罐(19)中的二氧化碳经二氧化碳加热器组后进入二氧化碳透平(23)做功，二氧化碳透平(23)驱动透平发电机(24)发电；做功后的二氧化碳经排气冷却器(25)后进入低压储罐(26)中；

所述压缩热冷却器(18)和排气冷却器(25)的冷源均来自凝结水泵(9)出口的凝结水。

2.根据权利要求1所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述锅炉(1)再热器的部分排汽和中压缸(3)的部分排汽进入蒸汽透平(15)做功，蒸汽透平(15)通过齿轮联轴器(16)驱动压缩机(17)；蒸汽透平(15)的排汽经过小凝汽器(27)冷却后进入凝汽器(6)。

3.根据权利要求2所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述凝汽器(6)和小凝汽器(27)的冷源均来自冷却水塔(8)，冷却水塔(8)中的循环冷却水经循环水泵(7)分别进入凝汽器(6)和小凝汽器(27)，换热后回流至冷却水塔(8)。

4.根据权利要求1或2或3所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述凝汽器(6)出口的凝结水依次经凝结水泵(9)、7&8号低压加热器(10)、6号低压加热器(11)、5号低压加热器(12)、给水泵组(13)和高压加热器组(14)后进入锅炉(1)。

5.根据权利要求4所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述凝结水泵(9)出口的凝结水分别进入压缩冷却器(18)和排气冷却器(25)；经压缩冷却器(18)换热后的凝结水分别进入7&8号低压加热器(10)、6号低压加热器(11)和5号低压加热器(12)的出口处；经排气冷却器(25)换热后的凝结水进入5号低压加热器(12)的出口处。

6.根据权利要求1所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述二氧化碳加热器组包括第一级加热器(20)和第二级加热器(21)，高压储罐(19)的出口与第一级加热器(20)，第一级加热器(20)的出口与第二级加热器(21)相连，第二级加热器(21)的出口与二氧化碳透平(23)的进汽端相连。

7.根据权利要求6所述的与煤电机组耦合的超临界二氧化碳储能发电系统，其特征在于，所述第一级加热器(20)的热源来自低压缸(4)的6段抽汽，第二级加热器(21)的热源来自锅炉(1)再热器出口的部分再热蒸汽，做功后经疏水管道进入第一级加热器(20)，在第一级加热器(20)中换热后的疏水经疏水泵(22)返回凝汽器(6)。

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