CN112554984B - 一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***及运行方法，***包括跨临界二氧化碳热机发电单元，中低温热源供应单元、用于储气和储热的双罐结构、用于连接发电机释能的膨胀单元，跨临界二氧化碳热机发电单元，用于吸收双罐结构提供的热量进行发电；双罐结构用于存储从中低温热源吸收的热量和换热器提供的热量以及被压缩的空气势能；自然冷量利用装置用于存储夜间自然冷量来冷却水轮机出口水流；中低温热源供应单元用于向跨临界二氧化碳热机发电单元提供热源；实现了采用水蒸气补压的恒压型抽水压缩空气储能***的连续工作；在原有储存压力势能的基础上增加了对中低温热能的存储利用，提高储能密度；提高了***的循环效率。

Description

一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***及运行方法
技术领域
本发明涉及物理储能技术领域，具体为一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***及运行方法。
背景技术
随着能源紧缺和环境问题的日益突出，大力发展可再生能源引起广泛的关注。然而风能、太阳能等可再生能源具有随机性和波动性，利用这些能源发电并入电网会给电网带来巨大的冲击，这也导致近年来弃风、弃光现象严重。储能技术被认为有效解决这一问题的重要途径。当前应用比较成熟的大规模储能技术有抽水蓄能技术(PHS)和压缩空气储能技术(CAES)，而抽水蓄能技术受地理条件限制较大，传统压缩空气储能技术需要较大的体积的储气洞穴，这就限制了两种技术的应用。王焕然团队提出一种新型无水坝抽水蓄能技术，将传统压缩空气储能 CAES与PHS相结合，试图从原理上解决了已有CAES所存在的缺陷，突破制约大规模物理储能技术推广应用的技术瓶颈。
通常，对于储能***来说，储存的高压气体随着膨胀过程压力不断降低，导致水轮机一直处于变工况运行，这也导致了电能输出存在波动性。在恒定压力下的膨胀可以部分地解决该问题。之前有学者提出在释能过程中，通过补入水蒸汽来维持恒压的方法。但该方法在释能过程结束后罐内会存在较高温度和压力的空气和水蒸气混合物，若不进行冷凝利用会导致下一次压缩储能过程难以进行。
另一方面，昼夜温差大的地区丰富的夜间自然冷量却很少被利用。根据热力学第二定律，降低低温热源温度，可以有效提高***循环效率。如果把夜间冷量收集起来大规模应用于热力循环***的低温热源端，会有较好的能源利用效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***运行方法，实现了采用水蒸气补压的恒压型抽水压缩空气储能***的连续工作。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，包括第一高压罐、第二高压罐、双罐换热器以及跨临界二氧化碳热机发电单元，第一高压罐和第二高压罐的入水口和出水口分别连通储水装置，第一高压罐和第二高压罐进出气口相互连通，双罐换热器设置在第一高压罐和第二高压罐进出气口连通的路径上，储水装置至第一高压罐和第二高压罐入水口的路径经过双罐换热器；跨临界二氧化碳热机发电单元设置在第一高压罐和第二高压罐出水口至储水装置的路径上，用于吸收第一高压罐和第二高压罐的热量进行发电；第一高压罐和第二高压罐出水口分别连通各自的进气口，并且第一高压罐和第二高压罐出水口至各自进气口的管路上沿介质流向设置循环泵和加热器；双罐换热器至第一高压罐和第二高压罐的进水口管路上设置蓄热器，第一高压罐顶部与双罐换热器热端进口连通，双罐换热器热端出口与第二高压罐顶部连通，第一高压罐与蓄热器的冷端出口连通；第二高压罐与蓄热器的冷端出口连通；蓄热器热端与中低温热源输出端连通。
中低温热源为工业余热/废热、地热或太阳能热***。
双罐换热器采用热管换热器；第一高压罐和第二高压罐规格相同且采用耐高温耐腐蚀材料制成，第一高压罐和第二高压罐外部由绝热材料包裹。
跨临界二氧化碳热机发电单元包括二氧化碳泵、二氧化碳换热器、二氧化碳冷凝器以及二氧化碳透平；
二氧化碳泵出口通过管路与二氧化碳换热器冷端进口连通，二氧化碳换热器的冷端出口与二氧化碳透平的进口连通，二氧化碳透平的出口通过管路与二氧化碳冷凝器热端进口连通，二氧化碳冷凝器热端出口通过管路与二氧化碳泵的进口连通，二氧化碳冷凝器热端出口与二氧化碳泵的进口之间设置二氧化碳循环开关阀，二氧化碳透平连接有发电机。
第一高压罐和第二高压罐的出水口分别连通二氧化碳换热器热端进口，二氧化碳换热器的热端出口沿介质流向设置发电释能膨胀单元和自然冷量利用装置；发电释能膨胀单元的出水口连通自然冷量利用装置的进水口，自然冷量利用装置包括冷量吸收段、热量回收段、中间储能段；冷量吸收段用于吸收外界冷量，热量回收段用于吸收热水的热量，中间储能段用于存储冷量吸收段的冷量或热量回收段的热量，中间储能段设置在冷量吸收段和热量回收段之间；发电释能膨胀单元包括水轮机和发电机，水轮机连接发电机，水轮机的出水口连通自然冷量利用装置的进水口。
中间储能段包括换热器壳体和相变储能材料，换热器壳体形成容纳相变储能材料的封闭空间，相变储能材料设置在换热器壳体中，换热器壳体外部由绝热材料包裹，冷量吸收段包括冷凝器热管，热量回收段包括蒸发器热管和蒸发器壳体，蒸发器壳体形成循环水流通通道，蒸发器热管的蒸发段设置在蒸发器壳体中，蒸发器热管的冷凝段设置在换热器壳体中，蒸发器壳体上开设热水进口和冷水出口，热水进口连通水轮机的出口；冷水出口连通跨临界二氧化碳热机发电单元中的二氧化碳冷凝器的冷端进口，二氧化碳冷凝器的冷端出口连通储水装置的进水口。
蒸发器热管和冷凝器热管均为重力式热管，竖直布置；热管上布置有翅片。
相变储能材料采用相变温度为-15～20℃的固-液相变材料。
本发明还提供一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***的运行方法，
初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一次储/释能过程如下：
(1)储能阶段，从储水装置出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器吸收从第二高压罐流入第一高压罐的气体热量，经过蓄热器吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，使得罐中气体被压缩，当第一高压罐中水位充至目标位置时，停止充水，继续向第二高压罐中充水，直至第二高压罐充满水，此时高压罐中的气体已全部进入第一高压罐中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第一高压罐底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，另一部分水经循环泵泵入加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐补充压力；同时进入跨临界二氧化碳热机发电单元中的水加热超临界二氧化碳进行发电；当第一高压罐中的水全部流出后，从第一高压罐顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐中，推动第二高压罐的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置，直至第二高压罐中的水完全流出后，完成释能过程；
下一个储/释能过程如下，
(1)储能阶段，从储水装置出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器吸收从第一高压罐流入第二高压罐的气体的热量，经过蓄热器吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，压缩罐中气体，当第二高压罐中水位充至目标位置时，停止充水；继续向第一高压罐中充水，直至第一高压罐充满水，在此过程中，从第一高压罐顶部出来的高温的水蒸气和空气混合物经过双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐中，直至第一高压罐中的气体全部进入第二高压罐中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第二高压罐底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，加热跨临界二氧化碳热机发电单元中的超临界二氧化碳，使得超临界二氧化碳做功发电，降温后进入储水装置，另一部分水通过循环泵和加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐补充压力，当第二高压罐中的水全部流出后，从第二高压罐顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第一高压罐中，推动第一高压罐的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置，直至第一高压罐中的水完全流出后，完成释能过程；
以上两个过程交替进行，实现反复循环。
初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，初始释能阶段：从第一高压罐底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器降温，然后经过水轮机输出功驱动发电装置G进行发电，另一部分水通过循环泵加压，再经过加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐补充压力，同时第一高压罐流出的水加热二氧化碳换热器中的超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平膨胀做功驱动发电装置G发电；从水轮机出口流出的水从自然冷量利用装置热量回收段热水进口进入，热量回收段冷水出口流出的冷水经二氧化碳冷凝器吸收经二氧化碳透平膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置；第一高压罐中的水全部流出后，从第一高压罐顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第二高压罐中，推动第二高压罐的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器降温，然后经过水轮机输出功驱动发电装置G进行发电，从水轮机出口流出的水进入自然冷量利用装置热量回收段降温，从热量回收段冷水出口流出的冷水经二氧化碳冷凝器吸收经二氧化碳透平膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置，第二高压罐中的水完全流出后，完成释能过程；
下一个释能阶段，从第二高压罐底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器降温，然后经过水轮机输出功驱动发电装置进行发电，另一部分水通过循环泵加压后，在经过加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐补充压力，同时第二高压罐底部流出的水通过二氧化碳换热器加热超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平膨胀做功驱动发电装置发电；从水轮机出口流出的水进入自然冷量利用装置的热量回收段降温后，从热量回收段冷水出口流出的冷水经二氧化碳冷凝器吸收经二氧化碳透平膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置，第二高压罐中的水全部流出后，从第二高压罐顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第一高压罐中，推动第一高压罐的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器降温，然后经过水轮机输出功驱动发电装置进行发电，从水轮机出口流出的水进入自然冷量利用装置热量回收段降温，从热量回收段冷水出口流出的冷水经二氧化碳冷凝器吸收经二氧化碳透平膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置，第一高压罐中的水完全流出后，完成释能过程。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明采用双罐结构并且针对双罐结构设置循环泵和加热装置有效解决了采用水蒸气补压后罐中存在高温空气和水蒸气导致下次储能过程难以压缩的问题，实现采用水蒸气补压的恒压型抽水压缩储能***的反复循环工作；
在原有储存压力势能的基础上增加了对中低温热能的存储利用，提高了储能密度；
本发明无需补燃，无污染，同时双罐结构中加热器还能采用太阳能加热取代电加热方式将水加热成过热蒸汽进行补压时，可大大提高此***的效率；
本发明储存的热水温度可以根据存储的空气的压力变化，当存储的压力较高时，可储存的热水温度也可以提高；可储存的热水温度也可以提高，相应的跨临界二氧化碳循环***效率也会有所提高。
进一步的，双罐结构中换热器采用热管换热器，大大减少换热器体积，提高换热效率，同时可减少冷热流体换热温差，避免因换热器中冷热流体顺/逆流布置方式变化引起的换热温差变化；
进一步的，将具有波动性的工业余热/废热、地热、太阳能等中低温热源进行储存，实现热能的稳定输出；
进一步的，本发明将夜间自然冷量存储用来冷凝做完功的二氧化碳，相比用常规冷却水冷凝，可以降低冷凝温度，提高跨临界二氧化碳循环的***效率。
进一步的，本发明中自然冷量利用装置的采用重力式热管换热器，热管上均布置有翅片同时进一步增加换热能。
进一步的，经高压罐流入二氧化碳换热器的高温水流方向与二氧化碳换热器冷端进口流入的二氧化碳方向相反，经自然冷量利用单元冷水出口流入二氧化碳冷凝器的水流方向与二氧化碳冷凝器热端进口流入的二氧化碳方向相反。
附图说明
图1为本发明实例中所述的基于带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***的示意图
图2为本发明实例中所述的自然冷量利用装置的装置示意图
图中：1第一高压罐，2第二高压罐，3第二循环泵，4第二加热器，5第一循环泵，6第二加热器，7第一循环开关阀，8第一开关阀，9第二连通阀，10第二开关阀，11第二进水阀，12第一进水阀，13第二循环开关阀，14蓄热器，15双罐换热器，16出水阀，17二氧化碳换热器，18二氧化碳泵，19二氧化碳冷凝器，20二氧化碳透平，21水轮机，22-自然冷量利用装置，23储水装置，24第一连通阀，25二氧化碳循环开关阀，26供水泵，27-换热器壳体27， 28-相变储能材料，29-蒸发器壳体，30-冷凝器热管，31-蒸发器热管，32-热水进口33-冷水出口。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考图1，基于一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，包括跨临界二氧化碳热机发电单元，自然冷量利用单元、中低温热源供应单元、用于储气和储热的双罐结构、用于连接发电机释能的膨胀单元。所述的用于储气和储热的双罐结构，用于存储从中低温热源吸收的热量和换热器提供的热量以及被压缩的空气势能；所述的跨临界二氧化碳热机发电单元，用于吸收双罐结构提供的热量进行发电；所述的自然冷量利用单元，用于存储夜间自然冷量来冷却水轮机出口水流；所述的中低温热源供应单元，用于向跨临界二氧化碳热机发电单元提供热源；所述的用于连接发电机释能的膨胀单元，用于将双罐结构存储的压力势能进行发电。
用于储气和储热的双罐结构包括第一高压罐1、第二高压罐2、第一连通阀24、双罐换热器15、第一加热器6、第二加热器4、第二循环泵3、第一循环泵5、第一循环开关阀7、第二循环开关阀13、第一开关阀8、第一进水阀12、第二开关阀10以及第二进水阀11；
第一高压罐1顶部通过管路经第一连通阀24与双罐换热器15热端进口连通，双罐换热器15热端出口经管路与第二高压罐2顶部连通，第一高压罐1底部分两条支路，一条支路：第一高压罐1底部通过管路经第一循环开关阀7与第一循环泵5入口连通，第一循环泵5出口通过管路与第一加热器6入口连通，第一加热器6出口通过管路与第一高压罐1顶部连通。另一条支路：第一高压罐1通过管路经第一开关阀8和出水阀16与二氧化碳换热器17热端进口连通通或通过管路经过第一开关阀8、第一进水阀12与蓄热器14的冷端出口连通。
第二高压罐2底部分两条支路，一条支路：第二高压罐2底部通过管路经第二循环开关阀 13与第二循环泵3入口连通，第二循环泵3出口通过管路与第二加热器4入口连通，第二加热器4出口通过管路与第二高压罐2顶部连通。另一条支路：第二高压罐2通过管路经第二进水阀10，第二连通阀9、出水阀16与二氧化碳换热器17热端进口连通或通过管路经过第二开关阀10、第二进水阀11与蓄热器14的冷端出口连通。
跨临界二氧化碳热机发电单元包括二氧化碳泵18、二氧化碳换热器17、二氧化碳冷凝器 19、二氧化碳透平20、二氧化碳循环开关阀25。跨临界二氧化碳热机发电单元，二氧化碳泵 18出口经过管路与二氧化碳换热器17冷端进口连通，二氧化碳换热器冷端出口与二氧化碳透平20的进口连通，二氧化碳透平的出口经管路与二氧化碳冷凝器19热端进口连通，二氧化碳冷凝器19热端出口通过管路经二氧化碳循环开关阀25与二氧化碳泵18的进口连通。
中低温热源利用单元包括蓄热器14，蓄热器14热端与中低温热源输出端连通，蓄热器14 冷端出口通过管路与双罐结构连通，蓄热器14冷端进口通过管路与双罐换热器15冷端出口连通；低温热源为工业余热/废热、地热或太阳能热***。
参考图2，自然冷量利用装置冷源为夜间环境冷量，自然冷量利用装置包括冷量吸收段、热量回收段、中间储能段，中间储能段包括换热器壳体27和相变储能材料28，换热器壳体27 形成容纳相变储能材料28的封闭空间，相变储能材料28设置在换热器壳体27中，冷量吸收段包括冷凝器热管30，热量回收段包括蒸发器热管31和蒸发器壳体29，蒸发器壳体29形成循环水流通通道，蒸发器热管31的第一段设置在蒸发器壳体29中，发器热管31的第二段设置在换热器壳体27中，蒸发器壳体29上开设热水进口32和冷水出口33。
冷量吸收段位于中间储能段上方，所述热量回收段位于中间储能段下方；换热器壳体27 外壁设置绝热层，换热器壳体27中填充相变储能材料28，换热器壳体27与蒸发器壳体29连成一体；冷凝器热管30蒸发端位于中间储能段的相变储能材料中，冷凝器热管30冷凝端裸露于外界环境中；蒸发器壳体29开设热水进口32和冷水出口33，热水进口32通过管路与水轮机21出口连通，冷水出口33通过管路与二氧化碳冷凝器19冷端进口连通；蒸发器热管31冷凝端位于中间储能段的相变储能材料中，蒸发器热管31蒸发端位于蒸发器壳体中。
蒸发器热管31和冷凝器热管30均为重力式热管，竖直布置；所述重力式热管上均布置有翅片，翅片数量根据实际换热情况进行调节。
用于连接发电机释能的膨胀单元包括水轮机21和发电机G，水轮机21的进口通过管路与二氧化碳换热器17的热端出口连通，水轮机21出口通过管路与自然冷量利用装置蒸发器壳体 29的热水进口32连通。
白天，从水轮机21出口流出的热水从蒸发器壳体热水进口进入，蒸发器热管31的蒸发段吸收热量，并将热量传递给蒸发器热管的冷凝段，热量从蒸发器热管31的冷凝段传递给中间储能段中的相变储能材料28，相变储能材料28由固态变为液态，热水热量被回收在中间储能段中；热水变为冷水从蒸发器壳体冷水出口33流出至二氧化碳冷凝器19冷端进口；当晚上环境温度较低，冷凝器热管30蒸发段将中间储能段的相变储能材料28存储的热量传递给冷凝器热管30的冷凝段，热量从冷凝器热管30的冷凝段传递给环境中，相变储能材料28由液态变为固态，自然冷量被存储在中间储能段中。
所述水轮机入口经管路与二氧化碳换热器热端出口连通，水轮机出口与自然冷量利用装置的蒸发段壳体热水进口端连通。
作为一个可选实施例：
初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一次储/释能过程如下：
(1)储能阶段，从储水装置23出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器15吸收从第二高压罐2流入第一高压罐1的气体热量，经过蓄热器14吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，使得罐中气体被压缩，当第一高压罐1中水位充至目标位置时，停止充水，继续向第二高压罐2中充水，直至第二高压罐2充满水，此时第二 高压罐2中的气体已全部进入第一高压罐1中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第一高压罐1底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，另一部分水经循环泵泵入加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐1补充压力；同时进入跨临界二氧化碳热机发电单元中的水加热超临界二氧化碳进行发电；当第一高压罐2中的水全部流出后，从第一高压罐1 顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器15，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐2 中，推动第二高压罐2的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置23，直至第二高压罐2 中的水完全流出后，完成释能过程；
下一个储/释能过程如下，
(1)储能阶段，从储水装置23出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器15吸收从第一高压罐1流入第二高压罐2的气体的热量，经过蓄热器14吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，压缩罐中气体，当第二高压罐2中水位充至目标位置时，停止充水；继续向第一高压罐1中充水，直至第一高压罐1充满水，在此过程中，从第一高压罐顶部出来的高温的水蒸气和空气混合物经过双罐换热器15，水蒸气完全冷凝成液态水，空气和液态水进入第二高压罐中，直至第一高压罐1中的气体全部进入第二高压罐2中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第二高压罐2底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，加热跨临界二氧化碳热机发电单元中的超临界二氧化碳，使得超临界二氧化碳做功发电，降温后进入储水装置23，另一部分水通过循环泵和加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐2 补充压力，当第二高压罐2中的水全部流出后，从第二高压罐2顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器15，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第一高压罐1中，推动第一高压罐1的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置23，直至第一高压罐1中的水完全流出后，完成释能过程；
以上两个过程交替进行，实现反复循环。
作为另一个实施例，本发明一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***的运行方法如下，包括第一储能阶段、第一释能阶段、第二储能阶段和第二释能阶段：
(1)初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一储/第一释能过程如下：
初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，初始释能阶段：从第一高压罐1底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器17降温，然后经过水轮机21输出功驱动发电装置G进行发电，另一部分水通过循环泵加压，再经过加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐1补充压力，同时第一高压罐1流出的水加热二氧化碳换热器17中的超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平20膨胀做功驱动发电装置G发电；从水轮机21出口流出的水从自然冷量利用装置22热量回收段热水进口32进入，热量回收段冷水出口33流出的冷水经二氧化碳冷凝器19吸收经二氧化碳透平20 膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置23；第一高压罐1中的水全部流出后，从第一高压罐1顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器15，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第二高压罐2中，推动第二高压罐2 的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器17降温，然后经过水轮机21输出功驱动发电装置G进行发电，从水轮机21出口流出的水进入自然冷量利用装置22热量回收段降温，从热量回收段冷水出口33流出的冷水经二氧化碳冷凝器19吸收经二氧化碳透平20膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置23，第二高压罐2中的水完全流出后，完成释能过程；
(2)第二储能/第二释能阶段，从第二高压罐2底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器 17降温，然后经过水轮机21输出功驱动发电装置进行发电，另一部分水通过循环泵加压后，在经过加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐2补充压力，同时第二高压罐2底部流出的水通过二氧化碳换热器17加热超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平20膨胀做功驱动发电装置发电；从水轮机21出口流出的水进入自然冷量利用装置22的热量回收段降温后，从热量回收段冷水出口33流出的冷水经二氧化碳冷凝器19吸收经二氧化碳透平20 膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置23，第二高压罐2中的水全部流出后，从第二高压罐2 顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器15，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第一高压罐1中，推动第一高压罐1的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器 17降温，然后经过水轮机21输出功驱动发电装置进行发电，从水轮机21出口流出的水进入自然冷量利用装置22热量回收段降温，从热量回收段冷水出口33流出的冷水经二氧化碳冷凝器19吸收经二氧化碳透平20 膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置23，第一高压罐1中的水完全流出后，完成释能过程。
以上两个过程交替进行，实现反复循环。

Claims (10)

1.一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，包括第一高压罐(1)、第二高压罐(2)、双罐换热器(15)以及跨临界二氧化碳热机发电单元，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的入水口和出水口分别连通储水装置(23)，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)进出气口相互连通，双罐换热器(15)设置在第一高压罐(1)和第二高压罐(2)进出气口连通的路径上，储水装置至第一高压罐(1)和第二高压罐(2)入水口的路径经过双罐换热器(15)；跨临界二氧化碳热机发电单元设置在第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口至储水装置的路径上，用于吸收第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的热量进行发电；第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口分别连通各自的进气口，并且第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口至各自进气口的管路上沿介质流向设置循环泵和加热器；双罐换热器(15)至第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的进水口管路上设置蓄热器(14)，第一高压罐(1)顶部与双罐换热器(15)热端进口连通，双罐换热器(15)热端出口与第二高压罐(2)顶部连通，第一高压罐(1)与蓄热器(14)的冷端出口连通；第二高压罐(2)与蓄热器(14)的冷端出口连通；蓄热器(14)热端与中低温热源输出端连通。
2.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，中低温热源为工业余热/废热、地热或太阳能热***。
3.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，双罐换热器(15)采用热管换热器；第一高压罐(1)和第二高压罐(2)规格相同且采用耐高温耐腐蚀材料制成，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)外部由绝热材料包裹。
4.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，跨临界二氧化碳热机发电单元包括二氧化碳泵(18)、二氧化碳换热器(17)、二氧化碳冷凝器(19)以及二氧化碳透平(20)；
二氧化碳泵(18)出口通过管路与二氧化碳换热器(17)冷端进口连通，二氧化碳换热器(17)的冷端出口与二氧化碳透平(20)的进口连通，二氧化碳透平(20)的出口通过管路与二氧化碳冷凝器(19)热端进口连通，二氧化碳冷凝器(19)热端出口通过管路与二氧化碳泵(18)的进口连通，二氧化碳冷凝器(19)热端出口与二氧化碳泵(18)的进口之间设置二氧化碳循环开关阀(25)，二氧化碳透平(20)连接有发电机。
5.根据权利要求4所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的出水口分别连通二氧化碳换热器(17)热端进口，二氧化碳换热器(17)的热端出口沿介质流向设置发电释能膨胀单元和自然冷量利用装置(22)；发电释能膨胀单元的出水口连通自然冷量利用装置(22)的进水口，自然冷量利用装置(22)包括冷量吸收段、热量回收段、中间储能段；冷量吸收段用于吸收外界冷量，热量回收段用于吸收热水的热量，中间储能段用于存储冷量吸收段的冷量或热量回收段的热量，中间储能段设置在冷量吸收段和热量回收段之间；发电释能膨胀单元包括水轮机(21)和发电机，水轮机连接发电机，水轮机(21)的出水口连通自然冷量利用装置(22)的进水口。
6.根据权利要求5所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，中间储能段包括换热器壳体(27)和相变储能材料(28)，换热器壳体(27)形成容纳相变储能材料(28)的封闭空间，相变储能材料(28)设置在换热器壳体(27)中，换热器壳体(27)外部由绝热材料包裹，冷量吸收段包括冷凝器热管(30)，热量回收段包括蒸发器热管(31)和蒸发器壳体(29)，蒸发器壳体(29)形成循环水流通通道，蒸发器热管(31)的蒸发段设置在蒸发器壳体(29)中，蒸发器热管(31)的冷凝段设置在换热器壳体(27)中，蒸发器壳体(29)上开设热水进口(32)和冷水出口(33)，热水进口(32)连通水轮机(21)的出口；冷水出口(33)连通跨临界二氧化碳热机发电单元中的二氧化碳冷凝器(19)的冷端进口，二氧化碳冷凝器(19)的冷端出口连通储水装置(23)的进水口。
7.根据权利要求6所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，蒸发器热管和冷凝器热管均为重力式热管，竖直布置；热管上布置有翅片。
8.根据权利要求6所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***，其特征在于，相变储能材料(28)采用相变温度为-15～20℃的固-液相变材料。
9.一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***的运行方法，其特征在于，
初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一次储/释能过程如下：
(1)储能阶段，从储水装置(23)出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器(15)吸收从第二高压罐(2)流入第一高压罐(1)的气体热量，经过蓄热器(14)吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，使得罐中气体被压缩，当第一高压罐(1)中水位充至目标位置时，停止充水，继续向第二高压罐(2)中充水，直至第二高压罐(2)充满水，此时第二 高压罐(2)中的气体已全部进入第一高压罐(1)中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第一高压罐(1)底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，另一部分水经循环泵泵入加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐(1)补充压力；同时进入跨临界二氧化碳热机发电单元中的水加热超临界二氧化碳进行发电；当第一高压罐(1 )中的水全部流出后，从第一高压罐(1 )顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器(15)，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐(2 )中，推动第二高压罐(2 )的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置(23)，直至第二高压罐(2 )中的水完全流出后，完成释能过程；
下一个储/释能过程如下，
(1)储能阶段，从储水装置(23)出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器(15)吸收从第一高压罐(1)流入第二高压罐(2)的气体的热量，经过蓄热器(14)吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，压缩罐中气体，当第二高压罐(2)中水位充至目标位置时，停止充水；继续向第一高压罐(1)中充水，直至第一高压罐(1)充满水，在此过程中，从第一高压罐顶部出来的高温的水蒸气和空气混合物经过双罐换热器(15)，水蒸气完全冷凝成液态水，空气和液态水进入第二高压罐中，直至第一高压罐(1)中的气体全部进入第二高压罐(2)中，完成储能过程；
(2)释能阶段，从第二高压罐(2)底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，加热跨临界二氧化碳热机发电单元中的超临界二氧化碳，使得超临界二氧化碳做功发电，降温后进入储水装置(23)，另一部分水通过循环泵和加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐(2)补充压力，当第二高压罐(2)中的水全部流出后，从第二高压罐(2)顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器(15)，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第一高压罐(1)中，推动第一高压罐(1)的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置(23)，直至第一高压罐(1)中的水完全流出后，完成释能过程；
以上两个过程交替进行，实现反复循环。
10.根据权利要求9所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***的运行方法，其特征在于，初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，初始释能阶段：从第一高压罐(1)底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器(17)降温，然后经过水轮机(21)输出功驱动发电装置G进行发电，另一部分水通过循环泵加压，再经过加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐(1)补充压力，同时第一高压罐(1)流出的水加热二氧化碳换热器(17)中的超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(20)膨胀做功驱动发电装置G发电；从水轮机(21)出口流出的水从自然冷量利用装置(22)热量回收段热水进口(32)进入，热量回收段冷水出口(33)流出的冷水经二氧化碳冷凝器(19)吸收经二氧化碳透平(20 )膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置(23)；第一高压罐(1)中的水全部流出后，从第一高压罐(1)顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器(15)，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第二高压罐(2)中，推动第二高压罐(2)的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器(17)降温，然后经过水轮机(21)输出功驱动发电装置G进行发电，从水轮机(21)出口流出的水进入自然冷量利用装置(22)热量回收段降温，从热量回收段冷水出口(33)流出的冷水经二氧化碳冷凝器(19)吸收经二氧化碳透平(20 )膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置(23)，第二高压罐(2)中的水完全流出后，完成释能过程；
下一个释能阶段，从第二高压罐(2)底部流出的水一部分通过二氧化碳换热器(17)降温，然后经过水轮机(21)输出功驱动发电装置进行发电，另一部分水通过循环泵加压后，在经过加热器加热成过热蒸汽进入第二高压罐(2)补充压力，同时第二高压罐(2)底部流出的水通过二氧化碳换热器(17)加热超临界二氧化碳，加热后的超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(20)膨胀做功驱动发电装置发电；从水轮机(21)出口流出的水进入自然冷量利用装置(22)的热量回收段降温后，从热量回收段冷水出口(33)流出的冷水经二氧化碳冷凝器(19)吸收经二氧化碳透平(20 )膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置(23)，第二高压罐(2)中的水全部流出后，从第二高压罐(2)顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器(15)，水蒸气完全冷凝成液态水，液态水和低温空气进入第一高压罐(1)中，推动第一高压罐(1)的水从罐体底部流出，通过二氧化碳换热器(17)降温，然后经过水轮机(21)输出功驱动发电装置进行发电，从水轮机(21)出口流出的水进入自然冷量利用装置(22)热量回收段降温，从热量回收段冷水出口(33)流出的冷水经二氧化碳冷凝器(19)吸收经二氧化碳透平(20 )膨胀后的二氧化碳热量，进入储水装置(23)，第一高压罐(1)中的水完全流出后，完成释能过程。
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