CN117780456A - 一种恒压式压缩二氧化碳储能***及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二氧化碳储能技术领域，尤其是涉及一种恒压式压缩二氧化碳储能***及运行方法。通过管道依次连接的低压储气室、预冷器、压缩机组、高压储气室、透平机组，透平机组通过管道与低压储气室连接，透平机组还与发电机组连接；高压储气室通过管道还与二氧化碳加热***并联；热泵***通过管道分别与储能冷却器和释能加热器连接。本发明的技术方案通过设置与高压储气室连接的二氧化碳加热***加热高压二氧化碳，使加热后的二氧化碳温度和压力进一步提高，用于补偿第二阀门流出二氧化碳减少的压力，实现高压储气室中二氧化碳的压力恒定，可以大幅减少透平机组变工况运行的时间，提高机组运行的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳储能技术领域，尤其是涉及一种恒压式压缩二氧化碳储能***及运行方法。
背景技术
全球化石能源的消耗和由此产生的环境污染与废弃物排放等问题，极大地制约了经济的快速健康发展。储能技术的应用能够在很大程度上解决新能源发电的波动性与间歇性等弊端，起到削峰填谷的作用。二氧化碳以其自身的安全性、热稳定性和临界点热力参数低的优点，近年来被广泛用于余热回收、可再生能源、储能等领域。跨临界压缩二氧化碳储能技术由于储能效率高、储能密度大、***结构紧凑等优点逐渐引起了广泛的关注。
目前，常规跨临界二氧化碳储能的低压储罐和高压储罐均为恒容容器，当工质流入/流出时容器内的压力会随之增大/减小，而处于跨临界或超临界状态的二氧化碳热物性变化剧烈，从而导致储能和释能过程中机组尤其是透平机组长时间变工况运行，不利于***稳定运行。因此，提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种恒压式压缩二氧化碳储能***，该***能够解决工质流入/流出时恒容容器内的压力变化导致透平机组长时间变工况运行的问题，提高机组运行的稳定性和安全性。本发明的第二目的在于提供该***的运行方法。
本发明提供一种恒压式压缩二氧化碳储能***，包括通过管道依次连接的低压储气室、预冷器、压缩机组、高压储气室、透平机组，所述透平机组的二氧化碳出口通过管道与所述低压储气室连接，所述透平机组还与发电机组连接；
所述低压储气室与所述预冷器连接的管道上设有第一阀门；所述高压储气室与所述透平机组连接的管道上设有第二阀门；所述高压储气室通过管道还与二氧化碳加热***并联，所述二氧化碳加热***的二氧化碳出口与所述高压储气室连接的管道上设有第三阀门；
所述压缩机组包括若干台储能压缩机，相邻的两台所述储能压缩机之间设有储能冷却器；所述透平机组包括若干台释能透平，相邻的两台所述释能透平之间设有释能加热器；
还包括热泵***，所述热泵***通过管道分别与所述储能冷却器和所述释能加热器连接。
优选地，所述二氧化碳加热***包括变频泵，所述变频泵的二氧化碳入口通过管道与所述高压储气室连接，所述变频泵的二氧化碳出口通过管道与换热器连接，所述换热器的二氧化碳出口通过管道与所述第三阀门连接。
优选地，所述热泵***包括储冷罐和储热罐，所述储冷罐的工质出口通过管道与冷却泵连接，所述冷却泵的工质出口通过管道与所述储能冷却器连接，所述储冷罐的工质入口通过管道与所述释能加热器的工质出口连接；
所述储热罐的工质出口通过管道与所述释能加热器的工质入口连接，所述储热罐的工质入口通过管道与所述预热器、所述储能冷却器的工质出口连接；所述储热罐还设有与所述换热器连接的工质出口和工质入口。
本发明提供一种上述恒压式压缩二氧化碳储能***的运行方法，该***可用于发电或储能。
优选地，当***用于发电时，包括以下步骤：
(1)打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门；
(2)高压储气室中的高压二氧化碳通过第二阀门进入透平机组膨胀做功；高压二氧化碳每进入一台释能透平膨胀做功后会再进入该释能透平后面的释能加热器被加热，直至最后一台释能透平，最后回到低压储气室，发电机组将透平机组产生的能量转化为电能，这个过程中热泵***中的高温工质进入释能加热器中对二氧化碳进行加热。
优选地，所述步骤(2)热泵***中储热罐中的高温工质由加热泵运输至释能加热器与二氧化碳换热，冷却后的工质再回到储冷罐中。
优选地，当***用于发电时可以采用二氧化碳加热***对高压储气室中的二氧化碳加热，过程如下：启动变频泵，将高压储气室中的高压二氧化碳引入换热器中，与储热罐中的工质换热，换热后二氧化碳的温度和压力进一步提高，然后经第三阀门回到高压储气室中。
优选地，当***用于储能时，包括以下步骤：
(1)首先打开第一阀门，关闭第二阀门和第三阀门；
(2)驱动压缩机组，低压二氧化碳由低压储气室经过第一阀门进入预冷器预冷后进入压缩机组中；冷却的二氧化碳每进入一台压缩机压缩后会再进入该压缩机后面的储能冷却器进行冷却，直至最后一台压缩机，压缩后进入高压储气室中储存，这过程中储能冷却器中温度升高的工质进入热泵***中。
优选地，所述步骤(2)热泵***中储冷罐中的低温热泵工质由冷却泵运输至储能冷却器中与二氧化碳换热，换热后进入储热罐中储存。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明的技术方案通过设置的低压储气室、压缩机组、储能冷却器、高压储气室、热泵***实现储能功能，通过设置的高压储气室、透平机组、发电机组、释能加热器、低压储气室、热泵***实现发电功能，通过设置与高压储气室连接的二氧化碳加热***加热高压二氧化碳，使加热后的二氧化碳温度和压力进一步提高，用于补偿第二阀门流出二氧化碳减少的压力，实现高压储气室中二氧化碳的压力恒定，可以大幅减少透平机组变工况运行的时间，提高机组运行的稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例中储能***的流程示意图；
图2为本发明实施例中***用于储能时的示意图；
图3为本发明实施例中***用于发电时的示意图；
图4为本发明实施例中二氧化碳加热***的示意图；
图5为本发明实施例中的储能***与非恒压式压缩二氧化碳储能***的压力对比图。
附图标记说明：1-低压储气室、2-第一阀门、3-预冷器、4-第一储能压缩机、5-第一储能冷却器、6-第二储能压缩机、7-第二储能冷却器、8-第三储能压缩机、9-高压储气室、10-第二阀门、11-第一释能透平、12-第一释能加热器、13-第二释能透平、14-第二释能加热器、15-第三释能透平、16-发电机组、17-电动机、1801-储冷罐、1802-冷却泵、1803-储热罐、1804-加热泵、1901-变频泵、1902-换热器、1903-第三阀门。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种恒压式压缩二氧化碳储能***，如图1所示，包括通过管道依次连接的低压储气室1、压缩机组、高压储气室9、透平机组，透平机组的二氧化碳出口通过管道与低压储气室1的二氧化碳入口连接。低压储气室1用于储存第三释能透平15出口的完成膨胀做功的低压二氧化碳，二氧化碳处于亚临界状态。预冷器3用于冷却低压储气室1经过第一阀门2的低压二氧化碳。
高压储气室9用于储存第三储能压缩机8出口的被成压缩的高压二氧化碳，二氧化碳处于超临界状态。
透平机组还与发电机组16连接，发电机组16将第一释能透平11、第二释能透平13和第三释能透平15旋转产生的能量转化为电能。
低压储气室1与预冷器3连接的管道上设有第一阀门2；高压储气室9与透平机组连接的管道上设有第二阀门10；高压储气室9通过管道还与二氧化碳加热***并联，二氧化碳加热***的二氧化碳出口与高压储气室9连接的管道上设有第三阀门1903。
二氧化碳加热***包括变频泵1901、换热器1902，变频泵1901的二氧化碳入口通过管道与高压储气室9连接，变频泵1901的二氧化碳出口通过管道与换热器1902连接，换热器1902的二氧化碳出口与第三阀门1903连接。变频泵1901将高压储气室9中的二氧化碳引入换热器1902，换热器1902利用储热罐1803中的热泵工质对二氧化碳进一步加热，第三阀门1903用于控制二氧化碳的流量。被换热器1902加热后的二氧化碳温度和压力提高，用于补偿因为第二阀门10流出二氧化碳而减少的压力，实现高压储气室9中二氧化碳的压力恒定。储热罐1803中热泵工质的温度需要高于高压储气室9中二氧化碳的温度。换热器1902可以安装在储热罐1803的外部，也可以集成在储热罐1803内部。
本实施例中压缩机组包括三台通过管道依次连接的储能压缩机，分别为第一储能压缩机4、第二储能压缩机6、第三储能压缩机8，第一储能压缩机4的二氧化碳入口通过管道与预冷器3的二氧化碳出口连接，第三储能压缩机8的二氧化碳出口通过管道与高压储气室9连接。第一储能压缩机4与第二储能压缩机6连接的管道上安装有第一储能冷却器5，第二储能压缩机6与第三储能压缩机8连接的管道上安装有第二储能冷却器7；第一储能冷却器5、第二储能冷却器7分别对第一储能压缩机4、第二储能压缩机6的出口的二氧化碳进行冷却。
本实施例中透平机组包括三台通过管道依次连接的释能透平，分别为第一释能透平11、第二释能透平13、第三释能透平15，第一释能透平11的二氧化碳入口通过管道与高压储气室9的二氧化碳出口连接，第三释能透平15的二氧化碳出口通过管道与低压储气室1的二氧化碳入口连接。第一释能透平11与第二释能透平13连接的管道上安装有第一释能加热器12，第二释能透平13与第三释能透平15连接的管道上安装有第二释能加热器14；第一释能加热器12、第二释能加热器14分别对第一释能透平11、第二释能透平13的出口的二氧化碳进行加热，提高二氧化碳的焓值。
还包括有热泵***，热泵***的工质可以使用水或者有机工质，热泵***包括储冷罐1801、冷却泵1802、储热罐1803、加热泵1804。储冷罐1801的工质出口通过管道与冷却泵1802连接，冷却泵1802的工质出口通过管道分别与第一储能冷却器5和第二储能冷却器7连接，储冷罐1801的工质入口通过管道分别与第一释能加热器12和第二释能加热器14的工质出口连接。储热罐1803的工质出口通过管道与加热泵1804连接，加热泵1804通过管道分别与第一释能加热器12和第二释能加热器14的工质入口连接，储热罐1803的工质入口通过管道分别与预热器3、第一储能冷却器5和第二储能冷却器7的工质出口连接。储热罐1803设有与换热器1902连接的工质出口和工质入口。
储冷罐1801存储低温热泵工质，打开冷却泵1802，间接对预冷器3、第一储能冷却器5和第二储能冷却器7中的二氧化碳冷却，温度升高的热泵工质进入储热罐1803；
电动机17与压缩机组连接，用于驱动第一储能压缩机4、第二储能压缩机6和第三储能压缩机8压缩二氧化碳。
本实施例中的恒压式压缩二氧化碳储能***的运行方法具体如下：
当***用于储能时，打开第一阀门2关闭第二阀门10和第三阀门1903，***如图2所示。电动机17采用低价谷电驱动第一储能压缩机4、第二储能压缩机6和第三储能压缩机8，低压二氧化碳由低压储气室1经过第一阀门2进入预冷器3被冷却，然后经第一储能压缩机4压缩后进入第一储能冷却器5被冷却，传递能量至热泵工质后，二氧化碳经第二储能压缩机6压缩后进入第二储能冷却器7被冷却并传递能量至热泵工质，然后经第三储能压缩机8压缩后进入高压储气室9被储存。储冷罐1801中的低温热泵工质由冷却泵1802的驱动依次经过第一储能冷却器5和第二储能冷却器7被二氧化碳加热，最后进入储热罐1803被储存。
当***用于发电时，打开第二阀门10和第三阀门1903，关闭第一阀门2，***如图3所示。高压储气室9中的高压二氧化碳通过第二阀门10，经过第一释能透平11膨胀做功后进入第一释能加热器12被加热，吸收热泵工质的能量后，进入第二释能透平13膨胀做功后再进入第二释能加热器14被加热并吸收能量，最后进入第三释能透平15膨胀做功后回到低压储气室1。第一释能透平11、第二释能透平13、第三释能透平15带动发电机组16，进行发电。储热罐1803中高温热泵工质由加热泵1804的驱动依次经过第一释能加热器12和第二释能加热器14被二氧化碳冷却，最后回到储冷罐1801。
如图4所示，采用二氧化碳加热***对高压储气室9中的超临界二氧化碳加热，提高温度和压力，用于维持高压储气室9内压力恒定。当***用于发电，同时打开启动变频泵1901，将高压储气室9中的高压二氧化碳引入换热器1902被储热罐1803中的热泵工质加热，由于高压二氧化碳处于超临界状态，加热后温度和压力进一步提高，然后经第三阀门1903回到高压储气室9。高压储气室9中因为第二阀门10流出二氧化碳而压力减少，但减少的压力被换热器1902加热后的高压二氧化碳补偿，实现高压储气室9中压力的恒定。当恒压式压缩二氧化碳储能***用于发电，由于高压储气室9中压力相对恒定，可以大幅减少透平变工况运行的时间，解决压力变化引起机组的核心部件长时间变工况运行的问题，提高机组运行的稳定性和安全性。
如图5所示，本发明实施例中的***用于发电运行4.3小时，开启二氧化碳加热***1小时后，高压储气室9内部的压力维持在12MPa附近，并且下降缓慢。而非恒压式压缩二氧化碳储能***因为未采用二氧化碳加热***，高压储气室9内的压力持续降低，压力的持续变化使得透平长时间变工况运行，不利于提机组稳定安全运行。
本发明提供的恒压式压缩二氧化碳储能***中透平入口工质热物性变化较小，大幅减少透平变工况运行的时间，提高了机组运行的稳定性和安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种恒压式压缩二氧化碳储能***，其特征在于，包括通过管道依次连接的低压储气室(1)、预冷器(3)、压缩机组、高压储气室(9)、透平机组，所述透平机组的二氧化碳出口通过管道与所述低压储气室(1)连接，所述透平机组(1)还与发电机组(16)连接；
所述低压储气室(1)与所述预冷器(3)连接的管道上设有第一阀门(2)；所述高压储气室(9)与所述透平机组连接的管道上设有第二阀门(10)；所述高压储气室(9)通过管道还与二氧化碳加热***并联，所述二氧化碳加热***的二氧化碳出口与所述高压储气室(9)连接的管道上设有第三阀门(1903)；
所述压缩机组包括若干台储能压缩机，相邻的两台所述储能压缩机之间设有储能冷却器；所述透平机组包括若干台释能透平，相邻的两台所述释能透平之间设有释能加热器；
还包括热泵***，所述热泵***通过管道分别与所述储能冷却器和所述释能加热器连接。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述二氧化碳加热***包括变频泵(1901)，所述变频泵(1901)的二氧化碳入口通过管道与所述高压储气室(9)连接，所述变频泵(1901)的二氧化碳出口通过管道与换热器(1902)连接，所述换热器(1902)的二氧化碳出口通过管道与所述第三阀门(1903)连接。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述热泵***包括储冷罐(1801)和储热罐(1803)，所述储冷罐(1801)的工质出口通过管道与冷却泵(1802)连接，所述冷却泵(1802)的工质出口通过管道与所述储能冷却器连接，所述储冷罐(1801)的工质入口通过管道与所述释能加热器的工质出口连接；
所述储热罐(1803)的工质出口通过管道与所述释能加热器的工质入口连接，所述储热罐(1803)的工质入口通过管道与所述预热器、所述储能冷却器的工质出口连接；所述储热罐(1803)还设有与所述换热器(1902)连接的工质出口和工质入口。
4.根据权利要求1-3任一所述的恒压式压缩二氧化碳储能***的运行方法，其特征在于，所述***可用于发电或储能。
5.根据权利要求4所述的运行方法，其特征在于，当***用于发电时，包括以下步骤：
(1)打开第二阀门(10)和第三阀门(1903)，关闭第一阀门(2)；
(2)高压储气室(9)中的高压二氧化碳通过第二阀门(10)进入透平机组膨胀做功；高压二氧化碳每进入一台释能透平膨胀做功后会再进入该释能透平后面的释能加热器被加热，直至最后一台释能透平，最后回到低压储气室(1)，发电机组(16)将透平机组产生的能量转化为电能，这个过程中热泵***中的高温工质进入释能加热器中对二氧化碳进行加热。
6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述步骤(2)热泵***中储热罐(1803)中的高温工质由加热泵(1804)运输至释能加热器与二氧化碳换热，冷却后的工质再回到储冷罐(1801)中。
7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，当***用于发电时可以采用二氧化碳加热***对高压储气室(9)中的二氧化碳加热，过程如下：启动变频泵(1901)，将高压储气室(9)中的高压二氧化碳引入换热器(1902)中，与储热罐(1803)中的工质换热，换热后二氧化碳的温度和压力进一步提高，然后经第三阀门(1903)回到高压储气室(9)中。
8.根据权利要求4所述的运行方法，其特征在于，当***用于储能时，包括以下步骤：
(1)首先打开第一阀门(2)，关闭第二阀门(10)和第三阀门(1903)；
(2)驱动压缩机组，低压二氧化碳由低压储气室(1)经过第一阀门(2)进入预冷器(3)预冷后进入压缩机组中；冷却的二氧化碳每进入一台压缩机压缩后会再进入该压缩机后面的储能冷却器进行冷却，直至最后一台压缩机，压缩后进入高压储气室(9)中储存，这过程中储能冷却器中温度升高的工质进入热泵***中。
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于，所述步骤(2)热泵***中储冷罐(1801)中的低温热泵工质由冷却泵(1802)运输至储能冷却器中与二氧化碳换热，换热后进入储热罐中(1803)储存。
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| CN202311772311.5A Pending CN117780456A (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 一种恒压式压缩二氧化碳储能***及运行方法 |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111237144A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-06-05 | 中国华能集团有限公司 | 一种重力压缩空气储能***及其工作方法 |
| CN112554984A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-26 | 西安交通大学 | 一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能***及运行方法 |
| CN216240843U (zh) * | 2021-11-25 | 2022-04-08 | 青岛科技大学 | 一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能*** |
| CN114352370A (zh) * | 2022-01-14 | 2022-04-15 | 中国长江三峡集团有限公司 | 一种恒压膨胀的压缩空气储能***及方法 |
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-
2023
- 2023-12-21 CN CN202311772311.5A patent/CN117780456A/zh active Pending
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