CN216157727U - 一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统 - Google Patents

一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统 Download PDF

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肖俊峰
高松
胡孟起
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Abstract

本实用新型提供一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，包括一级CO2压缩机，所述一级CO2压缩机通过回热器与二级CO2压缩机相连，所述二级CO2压缩机的气体输出端通过高温高压电加热器加热后连接CO2气轮机转动做功，并带动发电机输出稳定频率的电功，所述CO2气轮机气体输出端经过冷却器、循环泵和回热器后再进入一级CO2压缩机，实现CO2气体的循环使用。本实用新型能够大规模的消纳新能源，并连续稳定高效的输出电功。

Description

一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统
技术领域
本实用新型属于储能及新能源发电行业技术领域，具体涉及一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统。
背景技术
目前，间歇性和波动性是清洁能源并网发电存在的主要问题，太阳能发电和风电作为可再生清洁能源存在输出电功率和频率的波动性，对电网的安全稳定带来影响，也影响了新能源的消纳，普遍存在一定容量的弃风弃光现象。例如，冬季光照量具有不确定性，同时风力具有时段性和波动性，会限制太阳能和风力电站发挥的调度作用。对于新能源的输出功率和频率不稳定的低品质电能，也称“垃圾电”，会对电网造成过大冲击。当前，我国风电、光伏发电富集的“三北”地区，电力系统调节能力严重不足，电源占比不足 4％。因此，为了尽可能提升新能源发电消纳水平，如何增强机组的调峰能力，促进西北地区光电风电的消纳，是亟待解决的问题之一。
如为调度输出稳定去噪的光电风电新能源发电容量，不得不将一部分风机和光伏板停机备用，当风力和光能不足时再启机补用，机组不断进行大范围调减出力和频繁启停，使得运行成本增加，使用寿命减少。电化学储能正处于从项目示范向商业化初期过渡的阶段，其成本仍很高，其次，煤电深度调节的调峰能力、性能远不及燃机。而燃气轮机是靠直接调节燃料来调节负荷，响应非常快，有快速的升降负荷能力，气电是调峰调频性能突出、可靠性高、可规模发展的调峰电源，是未来电力系统调峰的主要选择。在“双碳”战略目标下，超临界二氧化碳作为工质的气轮机从持续改善大气质量、促进可再生能源消纳、控制碳排放等方面，能充分发挥调峰优势。
发明内容
为了克服以上技术问题，本实用新型提供了一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，解决新能源不能上网时存在大容量弃光弃风问题，可连续稳定高效的输出电功，并大规模的提升新能源消纳。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，包括一级CO2压缩机1，所述一级CO2压缩机1通过回热器2与二级CO2压缩机3相连接，所述二级CO2压缩机3的气体输出端通过电热气体加热器4加热成高温高压的气体后进入CO2气轮机5推动转动做功，并带动发电机6输出稳定频率的电功，所述CO2气轮机5气体输出端经过冷却器7、循环泵8和回热器2后再进入一级CO2压缩机1，实现CO2气体的循环使用。
所述电热气体加热器4加热温度为550℃，将风电和太阳能发电多余的电能转化为超临界参数CO2的热能。
所述二级CO2压缩机3用于使压力达到超临界压力7.48MPa以上，压缩机均采用电动机驱动。
一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统的使用方法，包括以下步骤；
CO2气体经过一级CO2压缩机1压缩后，通过回热器2后经过二级CO2压缩机3达到超临界压力两倍以上，随后经电热气体加热器4 加热至550℃/20MPa，将外部能源转化为超临界参数CO2的热能，高温高压的CO2气体推动CO2气轮机5转动做功，并带动发电机6输出稳定频率的电功，实现大规模新能源消纳；
CO2气体通过CO2气轮机5后温度压力降低，经过冷却器7、循环泵8和回热器2后再进入一级CO2压缩机1，实现CO2气体的循环使用。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的核心是高温高压加热器4，该设备将原本放弃的风电和光电转化为CO2的内能。其工业应用于化工系统的合成氨合成塔，常与废热锅炉联合，而此电加热高温高压气体发生器使用的电加热器具有较小的加热技术风险，能安全可控实现更高温度和压力的气体电加热，在保证现有生产能力不变前提下，可利用现有或闲置的工艺流程和设备。因此，二氧化碳直接通过多余备用的风电和太阳能发出的电能，驱动压气机和气体电加热器加热成为高温高压且状态稳定的工质，充分发挥光伏电厂和风力电厂调峰用备用机的应有价值，避免其在同年冬季风光匮乏的时段频繁启停的现象，减少资源浪费。
对于蒸汽和空气等其他工质，很难在运行工况内处于临界状态附近，本实用新型利用二氧化碳临界温度为30.98℃，接近于环境温度，在运行工况内容易达到超临界状态，更方便利用工质临界区域附近热力学参数来提高布雷顿循环性能。根据目前50MW等级风力或太阳能电站实际运行参数，选取超临界二氧化碳透平进口参数为20 MPa/550℃。目前普遍使用的合成塔式气体电加热器一般是在压力 15.2～30.4MPa、温度430～550℃下进行的，其生成的高温高压二氧化碳满足进入气轮机做工的要求。
本实用新型通过高温高压加热器同风光互补系统耦合发电，可大规模的将电网无法消纳的风、光能源转化为CO2的热能，再通过CO2气轮机发电输出连续稳定的上网电功。二氧化碳高温电锅炉装置配合配置于风电和光伏电输入侧，以消耗多余的电能来补充供电不稳定的时段，可配合电网深度调峰、快速调频，其中电加热炉具有热效率高、安全、清洁、环保和安装简单等优势。同时考虑了风电光电机组与二氧化碳压缩加压系统以及二氧化碳高温电锅炉联合运行，以此促进系统弃风弃光的清洁能源消纳。
对本实用新型所采用高温高压加热器的效率可达95％以上，超临界 CO2发电效率可达45％，则可实现42％以上的高品质能量回收。更为重要的是，本实用新型可通过长周期的稳定运行以达到清洁能源的大容量消纳。风光互补与超临界二氧化碳发电系统会有不同的配置，通过分析系统运行过程中各环节能量消耗得出能量分布及占比，从而对系统进一步优化，减小系统运行过程中的能量损失以提高系统效率。
附图说明
图1为本实用新型的系统结构示意图。
图2所示为常规化工用塔式气体电加热器。
附图2为附图1中部件4即高温高压气体加热器。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示：当风电和光伏新能源上网功率和频率不稳定存在弃风和弃光时，CO2气体经过一级CO2压缩机1压缩后，通过回热器2 后经过二级CO2压缩机3达到超临界压力7.4MPa以上，随后经电热气体加热器4加热至550℃，加热的电源来自不能上网的风和光电，即将弃风和弃光的电能转化为超临界参数CO2的热能，高温高压的 CO2气体推动CO2气轮机5转动做功，并带动发电机6输出稳定频率的电功，实现大规模的新能源消纳。CO2气体通过CO2气轮机5后温度压力降低，经过冷却器7、循环泵8和回热器2后再进入一级CO2压缩机1，实现CO2气体的循环使用。
本实用新型可以实现大规模的能量转换和回收，并可以大功率的稳定连续输出可上电网的高品质电能。
图2所示为常规化工用塔式气体电加热器，高温高压电加热器由耐高压的封头、外筒和装在筒体内耐高温的内件组成，进入高温高压电加热器的二氧化碳先经过内件与外筒之间的环隙，再因此，外筒主要承受高压而不承受高温，外筒可用低合金钢制成，充分发挥低合金钢的强度优势。内件虽然在500℃以上的高温下操作，但只承受环隙气流与内件气流的压差，因此可以放宽强度要求。
本实用新型中超临界二氧化碳发电系统的体积小、重量轻、热损小、转换效率高，系统仅需要较低的热量即可启动发电机、应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，同时还可以节约大量水资源，是风力光能集中的西北地区的理想选择。气轮机的布雷顿循环采用二氧化碳作为工质，二氧化碳具有合适的临界参数，化学性质不活泼，储量丰富，高压且温度接近拟临界温度点的二氧化碳比热容较高，吸热能力强。超临界二氧化碳推动气轮机发电系统易于规模化，效率高，降低成本潜力大。而且，因二氧化碳的压力和流量可精准控制，使得气轮机操作灵活，可快速调节出力大小，不需要停机备用。
本实用新型据以上背景技术提出新的节能调度方法能够实现大规模高效率的消纳回收新能源，并平稳输出电功率和频率，获得满足可上电网的高品质电能。

Claims (3)

1.一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，其特征在于，包括一级CO2压缩机(1)，所述一级CO2压缩机(1)通过回热器(2)与二级CO2压缩机(3)相连接，所述二级CO2压缩机(3)的气体输出端通过电热气体加热器(4)加热成高温高压的气体后进入CO2气轮机(5)推动转动做功，并带动发电机(6)输出稳定频率的电功，所述CO2气轮机(5)气体输出端经过冷却器(7)、循环泵(8)和回热器(2)后再进入一级CO2压缩机(1)，实现CO2气体的循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，其特征在于，所述电热气体加热器(4)加热温度为550℃，将风电和太阳能发电多余的电能转化为超临界参数CO2的热能。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳热电解耦回收新能源的发电系统，其特征在于，所述二级CO2压缩机(3)用于使压力达到超临界压力7.48MPa以上，压缩机均采用电动机驱动。
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