CN114353380A - 一种基于再压缩循环的超高温热泵储能*** - Google Patents

一种基于再压缩循环的超高温热泵储能*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及热能动力技术领域，具体提供了一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，包括超高温主压缩机、电动机、超高温再压缩机、熔盐换热器、蒸汽发生器、高温回热器、低温回热器、膨胀机、吸热器、低温熔盐储罐、高温熔盐储罐、常温水储罐、蒸汽储罐、热水储罐、冷水储罐。***采用再压缩循环，通过分流降低了超高温压缩机总功耗，提高了***总体效率，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽，从低品质热源吸热，提高***效率，实现储能调峰和低品质能量的充分利用。

Description

一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***。
背景技术
所谓蓄能，是根据水、冰及其他物质的蓄能（冷/热）特性，尽量地利用非峰值电力，使制冷/热设备在满负荷条件下运行，将调峰所需能量以显热或潜热的形式、部分或全部蓄存于水、冰或其他物质中。峰值电力出现调峰负荷，则通过换热器、传热工质和动力泵等设备取出这些蓄能物质蓄存的冷（热）量，以满足调峰的需要。
蓄能包括蓄冷和蓄热，目前蓄能***按蓄能介质可划分成冰蓄能***、水蓄能***以及共晶盐蓄能***。同等蓄能量的水蓄能***与其他蓄冷***相比，不仅***造价相对较低，还夜间蓄能效率高。以水蓄能***为例，大多数的水蓄能***均选用蓄能设备蓄能，在蓄能设备内完成全部蓄能和放能过程。以太阳能光伏、风电为代表的新能源装机容量将迅速增加。然而太阳能光伏、风电呈现显著的间歇性特点，电能输出不稳定，且普遍存在“弃光弃风”现象。导致能源浪费的同时，将对电网运行的安全性和稳定性提出巨大挑战。急需一种能提高新能源消纳能力的技术，以减少“弃光弃风”现象，降低间歇性新能源大量建设后对电网的冲击。
当前成熟的大规模、长时间调峰技术只有抽水蓄能。但抽水蓄能受制于地理条件限制，且投资成本高、建设周期长，无法满足急速增长的新能源装机容量带来的调峰需求。随着国际国内太阳能热发电技术商业化示范的完成，高温熔盐储热发电的安全性、经济性、稳定性、可靠性得到充分验证。
超高温热泵是正在积极探索的先进储能方法，通过超高温压缩机产生高温，加热熔盐实现储能。目前提出的超高温热泵***基本是由压缩机、膨胀机、熔盐换热器构成的简单循环。受限于熔盐的较高凝固点温度，熔盐储热只能吸收280℃以上热量，导致现有热泵***存在效率偏低，低温热量无法被利用的问题。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明提出一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，采用再压缩循环，通过分流降低了超高温压缩机总功耗，提高了***总体效率，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽，从低品质热源吸热，提高***效率，实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，包括超高温主压缩机、电动机、超高温再压缩机、熔盐换热器、蒸汽发生器、高温回热器、低温回热器、膨胀机、吸热器、低温熔盐储罐、高温熔盐储罐、常温水储罐、蒸汽储罐、热水储罐、冷水储罐。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，***采用可在高温下稳定运行的气体作为循环工质，为空气、二氧化碳、氦气、氮气、氩气、氙气中的任意一种或多种。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，电动机、超高温主压缩机、超高温再压缩机、膨胀机通过联轴器连接。超高温主压缩机出口与超高温再压缩机出口通过管道汇合后与熔盐换热器的气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器的气体工质侧出口与蒸汽发生器气体工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器气体工质侧出口与高温回热器高压侧进口通过管道连接，高温回热器高压侧出口与低温回热器高压侧进口通过管道连接，低温回热器高压侧出口与膨胀机入口通过管道连接，膨胀机出口与吸热器气体工质侧进口通过管道连接，吸热器气体工质侧出口与低温回热器低压侧进口通过管道连接，低温回热器低压侧出口分为两路，一路与超高温再压缩机进口通过管道连接，另一路与高温回热器低压侧进口通过管道连接，高温回热器低压侧出口与超高温主压缩机入口通过管道连接，构成一个完整的气体侧循环。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，低温熔盐储罐出口与熔盐换热器的熔盐工质侧进口通过管道连接，熔盐换热器的熔盐工质侧出口与高温熔盐储罐进口通过管道连接；常温水储罐出口与蒸汽发生器水工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器水工质侧出口与蒸汽储罐进口连接；热水储罐出口与吸热器水工质侧进口通过管道连接，吸热器水工质侧出口与冷水储罐进口通过管道连接。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，电动机、超高温主压缩机、超高温再压缩机、膨胀机同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，超高温主压缩机和超高温再压缩机为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机，膨胀机为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，熔盐换热器为印刷电路板式换热器或者管壳式换热器；
蒸汽发生器为印刷电路板式换热器或者管壳式换热器。
吸热器的吸热来源为低品位热源，具体包括但不限于空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热。
根据本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，运行模式如下：用电低谷时段，电动机从电网取电，带动超高温主压缩机和超高温再压缩机旋转，将二元混合气体工质压缩至高温状态。超高温主压缩机和超高温再压缩机出口流出的高温工质汇合后流入熔盐换热器加热熔盐，将部分热量存储在熔盐介质后，然后流经蒸汽发生器，将热量进一步传递给水工质，产生中温蒸汽，之后气体工质依次流经高温回热器和低温回热器的高压侧后进入膨胀机回收膨胀功并进一步降温后，进入吸热器从低温废热中吸收热量并产生低温冷水，后进入低温回热器低压侧，后分为两路，一路直接进入超高温再压缩机进口，另一路流经高温回热器低压侧后进入超高温主压缩机入口，往复循环制取高温熔盐、中温蒸汽和低温冷水。
本发明的有益技术效果：
本发明的目的提供一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，采用再压缩循环，通过分流降低了超高温压缩机总功耗，提高了***总体效率，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽，从低品质热源吸热，提高***效率，实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
附图说明
图1是本发明的基于再压缩循环的超高温热泵储能***流程图。
在图中，1超高温主压缩机、2电动机、3超高温再压缩机、4熔盐换热器、5蒸汽发生器、6高温回热器、7低温回热器、8膨胀机、9吸热器、10低温熔盐储罐、11高温熔盐储罐、12常温水储罐、13蒸汽储罐、14热水储罐、15冷水储罐。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，包括超高温主压缩机1、电动机2、超高温再压缩机3、熔盐换热器4、蒸汽发生器5、高温回热器6、低温回热器7、膨胀机8、吸热器9、低温熔盐储罐10、高温熔盐储罐11、常温水储罐12、蒸汽储罐13、热水储罐14、冷水储罐15。
***采用可在高温下稳定运行的气体作为循环工质，为空气、二氧化碳、氦气、氮气、氩气、氙气中的任意一种或多种。
作为优选，热泵***可产生290-900℃，进一步优选500-900℃高温热。
作为优选，电动机选用10-500MW大功率电动机。
根据本发明的综合能源***，所述气体侧循环***中还设有气体储罐A、气体储罐B；
气体储罐A、气体储罐B设置在压缩机1与高温回热器6之间的气体管路上，其中气体储罐A和气体储罐B分别装载气体成分A和气体成分B；
气体成分A为氖气、氩气、氙气中的任意一种；
气体成分B为空气、二氧化碳、氮气、氦气中的任意一种；
气体成分A具有易升温易压缩，传热较弱的特性，气体成分B具有不易升温不易压缩，传热较强的特性。以超高温压缩机进口温度300℃，进口压力2MPa，超高温压缩机目标出口温度600℃为例，气体成分A选择氩气，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为157.6kJ/kg，定压比热为0.52kJ/kg/K，气体成分B选择二氧化碳，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为329.3kJ/kg，定压比热为1.16kJ/kg/K。
根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分A的易压缩易升温性能和气体成分B的高传热性能，综合改善了超高温热泵***气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积。在高温模式下，即超高温压缩机出口温度T是500-800℃范围内，通过气体储罐A向气体侧循环***内注入更多气体成分A，使气体循环内气体成分A的体积百分数X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=（T-320）/6。在中温模式下，即超高温压缩机出口温度T是300-500℃范围内，通过气体储罐B向气体侧循环***内注入更多气体成分B，使得气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=T/10-20。
作为优选，当温度低于300摄氏度时候，全部是气体B。
作为优选，当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体A。
通过上述设置，综合改善了超高温热泵***气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
超高温热泵储能***中，电动机2、超高温主压缩机1、超高温再压缩机3、膨胀机8通过联轴器连接。超高温主压缩机1出口与超高温再压缩机3出口通过管道汇合后与熔盐换热器4的气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器4的气体工质侧出口与蒸汽发生器5气体工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器5气体工质侧出口与高温回热器6高压侧进口通过管道连接，高温回热器6高压侧出口与低温回热器7高压侧进口通过管道连接，低温回热器7高压侧出口与膨胀机8入口通过管道连接，膨胀机8出口与吸热器9气体工质侧进口通过管道连接，吸热器9气体工质侧出口与低温回热器7低压侧进口通过管道连接，低温回热器7低压侧出口分为两路，一路与超高温再压缩机3进口通过管道连接，另一路与高温回热器6低压侧进口通过管道连接，高温回热器6低压侧出口与超高温主压缩机1入口通过管道连接，构成一个完整的气体侧循环。
低温熔盐储罐10出口与熔盐换热器4的熔盐工质侧进口通过管道连接，熔盐换热器4的熔盐工质侧出口与高温熔盐储罐11进口通过管道连接；常温水储罐12出口与蒸汽发生器5水工质侧进口通过管道连接，蒸汽发生器5水工质侧出口与蒸汽储罐13进口连接；热水储罐14出口与吸热器9水工质侧进口通过管道连接，吸热器9水工质侧出口与冷水储罐15进口通过管道连接。
电动机2、超高温主压缩机1、超高温再压缩机3、膨胀机8同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。
超高温主压缩机1和超高温再压缩机3为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机，膨胀机8为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。
熔盐换热器4为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。蒸汽发生器5为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。吸热器9的吸热来源为低品位热源，具体包括但不限于空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热。
运行模式如下：用电低谷时段，电动机2从电网取电，带动超高温主压缩机1和超高温再压缩机3旋转，将二元混合气体工质压缩至高温状态。超高温主压缩机1和超高温再压缩机3出口流出的高温工质汇合后流入熔盐换热器4加热熔盐，将部分热量存储在熔盐介质后，然后流经蒸汽发生器5，将热量进一步传递给水工质，产生中温蒸汽，之后气体工质依次流经高温回热器6和低温回热器7的高压侧后进入膨胀机8回收膨胀功并进一步降温后，进入吸热器9从低温废热中吸收热量并产生低温冷水，后进入低温回热器7低压侧，后分为两路，一路直接进入超高温再压缩机3进口，另一路流经高温回热器6低压侧后进入超高温主压缩机1入口，往复循环制取高温熔盐、中温蒸汽和低温冷水。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，包括超高温主压缩机（1）、电动机（2）、超高温再压缩机（3）、熔盐换热器（4）、蒸汽发生器（5）、高温回热器（6）、低温回热器（7）、膨胀机（8）、吸热器（9）、低温熔盐储罐（10）、高温熔盐储罐（11）、常温水储罐（12）、蒸汽储罐（13）、热水储罐（14）、冷水储罐（15）。
2.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述***采用可在高温下稳定运行的气体作为循环工质，为空气、二氧化碳、氦气、氮气、氩气、氙气中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述电动机（2）、超高温主压缩机（1）、超高温再压缩机（3）、膨胀机（8）通过联轴器连接，所述超高温主压缩机（1）出口与所述超高温再压缩机（3）出口通过管道汇合后与所述熔盐换热器（4）的气体工质侧入口通过管道连接，所述熔盐换热器（4）的气体工质侧出口与所述蒸汽发生器（5）气体工质侧进口通过管道连接，所述蒸汽发生器（5）气体工质侧出口与所述高温回热器（6）高压侧进口通过管道连接，所述高温回热器（6）高压侧出口与所述低温回热器（7）高压侧进口通过管道连接，所述低温回热器（7）高压侧出口与所述膨胀机（8）入口通过管道连接，所述膨胀机（8）出口与所述吸热器（9）气体工质侧进口通过管道连接，所述吸热器（9）气体工质侧出口与所述低温回热器（7）低压侧进口通过管道连接，所述低温回热器（7）低压侧出口分为两路，一路与所述超高温再压缩机（3）进口通过管道连接，另一路与所述高温回热器（6）低压侧进口通过管道连接，所述高温回热器（6）低压侧出口与所述超高温主压缩机（1）入口通过管道连接，构成一个完整的气体侧循环。
4.根据权利要求3所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述低温熔盐储罐（10）出口与所述熔盐换热器（4）的熔盐工质侧进口通过管道连接，所述熔盐换热器（4）的熔盐工质侧出口与所述高温熔盐储罐（11）进口通过管道连接；所述常温水储罐（12）出口与所述蒸汽发生器（5）水工质侧进口通过管道连接，所述蒸汽发生器（5）水工质侧出口与所述蒸汽储罐（13）进口连接；所述热水储罐（14）出口与所述吸热器（9）水工质侧进口通过管道连接，所述吸热器（9）水工质侧出口与所述冷水储罐（15）进口通过管道连接。
5.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述电动机（2）、所述超高温主压缩机（1）、所述超高温再压缩机（3）、所述膨胀机（8）同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。
6.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述超高温主压缩机（1）和超高温再压缩机（3）为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机，所述膨胀机（8）为多级轴流式膨胀机或者径流式膨胀机。
7.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述熔盐换热器（4）为印刷电路板式换热器或者管壳式换热器；所述蒸汽发生器（5）为印刷电路板式换热器或者管壳式换热器。
8.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，所述吸热器（9）的吸热来源为低品位热源，具体包括但不限于空气、地下水、河水、湖水、地热、工业废热。
9.根据权利要求1所述的基于再压缩循环的超高温热泵储能***，其特征在于，运行模式如下：用电低谷时段，电动机（2）从电网取电，带动超高温主压缩机（1）和超高温再压缩机（3）旋转，将二元混合气体工质压缩至高温状态；超高温主压缩机（1）和超高温再压缩机（3）出口流出的高温工质汇合后流入熔盐换热器（4）加热熔盐，将部分热量存储在熔盐介质后，然后流经蒸汽发生器（5），将热量进一步传递给水工质，产生中温蒸汽，之后气体工质依次流经高温回热器（6）和低温回热器（7）的高压侧后进入膨胀机（8）回收膨胀功并进一步降温后，进入吸热器（9）从低温废热中吸收热量并产生低温冷水，后进入低温回热器（7）低压侧，后分为两路，一路直接进入超高温再压缩机（3）进口，另一路流经高温回热器（6）低压侧后进入超高温主压缩机（1）入口，往复循环制取高温熔盐、中温蒸汽和低温冷水。
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