CN115306500B - 跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法，涉及能量储存技术领域，沿二氧化碳流动方向包括依次连接的高压储气罐、膨胀机组和低压储气罐，所述低压储气罐内设有吸附剂填充区，所述吸附剂填充区设有吸附剂；所述膨胀机组包括再热器和膨胀机，所述高压储气罐的出气口连接所述再热器的低温侧入口，所述再热器的低温侧出口连接所述膨胀机的进气口，所述膨胀机的出气口连接所述低压储气罐的进气口，且所述再热器的高温侧入口和高温侧出口均分别通过管道连通所述吸附剂填充区。本发明以高品位吸附热作为热源，通过再热器换热并即时供应为膨胀前再热，使二氧化碳膨胀做功能力更强，可有效提升膨胀机发电效率，提高净电输出能力。

Description

跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及能量储存技术领域，具体而言，涉及一种跨临界压缩二氧化碳储能系统及其运行方法。

背景技术

压缩气体储能是最具发展前景的储能技术。目前，其多以空气为工作介质，在储能阶段对空气进行压缩并存储，在释能阶段利用化石燃料提高空气温度，利用膨胀机对外做功发电。虽然该技术可以达到较高的能量转化效率，但对化石燃料的利用使得存在环境污染性问题，同时由于空气密度较低，导致能量密度较低。二氧化碳无毒、无污染，物理性质稳定，密度高于空气，且拥有较低的临界温度Tc＝31.1℃和适中的临界压力Pc＝7.38MPa，临界参数低，这使得在储能系统正常的存储压力和温度下，二氧化碳容易实现超临界态，此时二氧化碳的密度约为同样参数条件下空气密度的5-8倍，因此，以压缩二氧化碳为工作介质的储能系统可以有效解决储能能量密度较低的问题。

压缩二氧化碳储能技术压缩储能过程会产生压缩热，膨胀释能过程二氧化碳需吸收膨胀前再热，现有技术中常通过将压缩热收集之后用于膨胀前再热，以实现热能重复利用，然而，压缩热的品位较低，如当将常压二氧化碳压缩至10MPa时，压缩热温度只有100-120℃，供应膨胀前再热的效率较低，将降低二氧化碳膨胀做功能力，降低发电效率。如需提高发电效率，则需另行设置热源如以化石燃料燃烧产生高温补足膨胀前再热所需高温，而这又将引起能耗增加和环境污染的问题。因此，如何实现压缩二氧化碳储能技术中内部热量高效提供和高效利用成为亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中压缩热作为膨胀前再热导致的发电效率低的问题，本发明提供了一种跨临界压缩二氧化碳储能系统，并提供了该储能系统的运行方法。

具体而言，本发明目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种跨临界压缩二氧化碳储能系统，沿二氧化碳流动方向包括依次连接的高压储气罐、膨胀机组和低压储气罐，所述低压储气罐内设有吸附剂填充区，所述吸附剂填充区设有吸附剂；所述膨胀机组包括再热器和膨胀机，所述高压储气罐的出气口连接所述再热器的低温侧入口，所述再热器的低温侧出口连接所述膨胀机的进气口，所述膨胀机的出气口连接所述低压储气罐的进气口，且所述再热器的高温侧入口和高温侧出口均分别通过管道连通所述低压储气罐的所述吸附剂填充区。

进一步地，所述再热器的高温侧入口通过管道与所述低压储气罐的侧壁连接，所述再热器的高温侧出口通过管道与所述低压储气罐的底壁连接。

进一步地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括引风机，所述引风机设于所述再热器的高温侧入口和所述吸附剂填充区连接的管道上。

进一步地，所述膨胀机组包括多组，多组所述膨胀机组依次连接。

进一步地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括压缩机组，所述压缩机组包括压缩机和间冷器，所述低压储气罐的出气口连接所述压缩机的进气口，所述压缩机的出气口连接所述间冷器的高温侧入口，所述间冷器的高温侧出口连接所述高压储气罐的进气口。

进一步地，所述压缩机组包括多组，多组所述压缩机组依次连接。

进一步地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括热网回水端口和热网给水端口，所述间冷器的低温侧入口连接所述热网回水端口，所述间冷器的低温侧出口连接所述热网给水端口。

进一步地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括余热入口、余热出口和换热器，所述换热器设于所述低压储气罐内，所述换热器的高温侧入口连接所述余热入口，高温侧出口连接所述余热出口，低温侧入口和低温侧出口均连通所述吸附剂填充区。

进一步地，所述余热入口处的余热来源于钢铁厂余热或者热电厂排烟余热。

本发明另一实施例提供了如上所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统的运行方法，包括以下步骤：

当电网负荷处于高峰时，打开高压储气罐的出气口，高压储气罐释放的高压二氧化碳依次经再热器加热和膨胀机膨胀做功后成为二氧化碳乏气，所述二氧化碳乏气进入低压储气罐被吸附储存并产生吸附热，未被吸附的所述二氧化碳乏气进入再热器内用于将吸附热供给待膨胀的高压二氧化碳。

进一步地，当电网负荷处于低谷时，打开低压储气罐的出气口，对所述低压储气罐加热，使所述二氧化碳解吸附，解吸附的所述二氧化碳依次经压缩机加压和间冷器冷却后成为超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳进入高压储气罐内，将电能转换为高压气体内能储存。

本发明的有益效果是：

1、本发明以释能阶段二氧化碳乏气被低压储气罐的吸附剂填充区吸附时产生的大量高品位吸附热作为热源，通过再热器换热为高压储气罐流出的待膨胀高压二氧化碳提供热量，以将吸附热即时供应给膨胀前再热，预热待膨胀高压二氧化碳，使二氧化碳膨胀做功能力更强，可有效提升膨胀机发电效率，提高净电输出能力。

2、本发明可实现吸附热的即时内循环，显著降低外界热量的供应，大大降低系统整体能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例的跨临界压缩二氧化碳储能系统的结构示意图；

附图标记说明：

1、高压储气罐；2、再热器；3、膨胀机；4、低压储气罐；401、吸附剂填充区；5、第一节流阀；6、第二节流阀；7、引风机；8、第一散热器；9、压缩机；10、间冷器；11、热网回水端口；12、热网给水端口；13、余热入口；14、余热出口；15、换热器；16、第二散热器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中使用的技术术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的部件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的部件或者物件及其等同部件，并不排除其他部件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。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。

本发明实施例提供了一种跨临界压缩二氧化碳储能系统，参见图1，沿二氧化碳流动方向包括依次连接的高压储气罐1、膨胀机组和低压储气罐4。所述低压储气罐4内设有吸附剂填充区401，所述吸附剂填充区401设有吸附剂以用于吸附二氧化碳(CO₂)。所述膨胀机组包括再热器2和膨胀机3，所述再热器2的低温侧入口和低温侧出口分别连接所述高压储气罐1的出气口和所述膨胀机3的进气口；具体地，所述高压储气罐1的出气口连接所述再热器2的低温侧入口，所述再热器2的低温侧出口连接所述膨胀机3的进气口，所述膨胀机3的出气口连接所述低压储气罐4的进气口，且所述再热器2的高温侧入口和高温侧出口均分别通过管道连通所述低压储气罐4的所述吸附剂填充区401，由此，储能工质在系统内从高压储气罐1向低压储气罐4流动，再从低压储气罐4的吸附剂填充区401流向再热器2，在再热器2内换热后流回吸附剂填充区401。

在本实施例中，高压储气罐1用于储存超临界二氧化碳，低压储气罐4用于吸附储存低压二氧化碳，形成跨临界储能系统。在释能阶段(即发电阶段)，由于高压储气罐1内的超临界二氧化碳具有较高压力，当打开高压储气罐1的出气口后，超临界二氧化碳在压差和自重作用下流出，进入再热器2中升温至膨胀做功所需温度，然后进入膨胀机3内膨胀做功，膨胀机3的传动轴适于与发电机固定连接，超临界二氧化碳在膨胀机3内膨胀做功将带动发电机发电，进而可将超临界二氧化碳的高压气体内能转化为电能。做完工的超临界二氧化碳压力升高、温度降低，成为二氧化碳乏气，进入到低压储气罐4内，被吸附剂吸附存储。在前述二氧化碳吸附储存过程中，二氧化碳乏气与吸附剂填充区401接触时，会释放大量高品位吸附热，产生200℃左右的高温。为了高效利用该部分吸附热，本发明将再热器2的高温侧入口和高温侧出口均通过不同管道与吸附剂填充区401连通，由此，高温二氧化碳乏气在自身受热膨胀的压力下即时流至再热器2内，作为热源，为膨胀做功的超临界二氧化碳提供热量，以实现吸附热的即时内循环和膨胀前再热的高效提供，显著降低外界热量的供应，并大大降低系统能耗。而且，由于吸附热温度高于现有技术中以压缩热作为再热热源的温度，利用吸附预热待膨胀的超临界二氧化碳气体，二氧化碳膨胀做功能力更强，可有效提升膨胀机3发电效率，提高净电输出，系统运行更高效。

需要注意的是，本发明上下文所述的低压储气罐4中的低压是相比高压储气罐1的超临界二氧化碳而言，其实质为常压。高压储气罐1的超临界二氧化碳的压力大于或等于7.38MPa。

可选地，为了稳定高压储气罐1进出气口的压力，所述高压储气罐1的进气口处设有第一节流阀5，超临界二氧化碳经第一节流阀5稳压后进入高压储气罐1存储，且所述高压储气罐1的出气口处设有第二节流阀6，高压储气罐1释放的高压二氧化碳(即超临界二氧化碳)经第二节流阀6稳压后进入膨胀机组。

可选地，所述再热器2的高温侧入口通过管道与所述低压储气罐4的侧壁连接，所述再热器2的高温侧出口通过管道与所述低压储气罐4的底壁连接。如此设置，有利于二氧化碳乏气与吸附剂表面充分接触和释放吸附热，进而提高气体温度，并有利于高温的二氧化碳乏气在自身受热膨胀的压力下流入到再热器2内。

可选地，所述吸附剂填充区401和所述再热器2连接的管道上设有引风机7，所述引风机7优选设于所述再热器2的高温侧入口和所述吸附剂填充区401连接的管道上，随着二氧化碳乏气逐渐被吸附剂吸附，进入再热器2的高温二氧化碳乏气将随之减小，引风机7用于增强二氧化碳乏气进入再热器2的循环动力。

一般而言，高温二氧化碳乏气作为热源经再热器2换热降温后，通常仍具有一定温度，可在所述再热器2与所述低压储气罐4之间设置第一散热器8，即，所述第一散热器8的一端连接所述再热器2的高温侧出口、另一端通过管道连通所述吸附剂填充区401，以将换热后的二氧化碳乏气冷却至环境温度后，再进入低压储气罐4内，此时可增强二氧化碳的吸附效率。

可选地，所述膨胀机组包括多组，多组所述膨胀机组依次连接，形成多个再热器2和多个膨胀机3依次交替连接的结构，沿二氧化碳流动方向，位于最前的所述膨胀机组的所述再热器2的低温侧入口与所述高压储气罐1的出气口连接，位于最后的所述膨胀机组的所述膨胀机3的出气口与所述低压储气罐4的进气口连接。通过多组膨胀机3和再热器2配合，使高压超临界二氧化碳膨胀做功、输出电能。而且，设置多组膨胀机组，有利于吸附热的更高效回收利用。吸附热在释能阶段二氧化碳吸附过程中产生，分流至多个再热器2内作为热源，有利于分别加热超临界二氧化碳，提高其做功能力，而且，符合“即产即用”原则，无需存储热量，可省却大量蓄热介质及大型储热罐，简化系统结构、降低造价。

可以理解的是，多组所述膨胀机组可以为2组、3组或者4组，甚至更多组。图1中以4组为例，4组膨胀机组依次连接，由此，4个所述再热器2和4个所述膨胀机3交替设置。通过4个膨胀机3逐级膨胀，将超临界二氧化碳膨胀为低压二氧化碳乏气。

可选地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括压缩机组，所述压缩机组包括压缩机9和间冷器10，所述低压储气罐4的出气口连接所述压缩机9的进气口，所述压缩机9的出气口连接所述间冷器10的高温侧入口，所述间冷器10的高温侧出口连接所述高压储气罐1的进气口。在低压储气罐4、压缩机组、高压储气罐1和膨胀机组中，储能工质二氧化碳形成闭式循环。

在储能阶段，对低压储气罐4加热，二氧化碳吸收热量从吸附剂上解吸附，此时，打开低压储气罐4的出气口，二氧化碳进入到压缩机9内，电网内的富余电能带动压缩机9工作，将二氧化碳压缩为高温超临界二氧化碳，然后通过间冷器10冷却至常温，再进入到高压储气罐1内储存，实现将外界富余电能转化为高压气体内能储存。当电网负荷处于高峰时，打开高压储气罐1的出气口，其内的超临界二氧化碳流出进入膨胀机组，依次经过再热器2加热和膨胀机3膨胀做功，将超临界二氧化碳的高压气体内能转换为电能释放给电网用户，完成做功的二氧化碳乏气回流到低压储气罐4并被吸附剂吸附，释放吸附热，吸附热用于膨胀前再热。

可选地，所述压缩机组包括多组，多组所述压缩机组依次连接，形成多个压缩机9和多个间冷器10依次交替连接的结构，沿二氧化碳流动方向，位于最前的所述压缩机组的所述压缩机9的进气口与所述低压储气罐4的出气口连接，位于最后的所述压缩机组的所述间冷器10的高温侧出口与所述高压储气罐1的进气口连接。通过多个压缩机9和多个间冷器10配合，将低压二氧化碳压缩为超临界二氧化碳。

可以理解的是，多组所述压缩机组可以为2组、3组或者4组，甚至更多组。图1中以4组为例，4组压缩机组依次连接，由此，4个所述压缩机9和4个所述间冷器10交替设置。通过4个压缩机9逐级压缩，将低压二氧化碳压缩为超临界二氧化碳。

可选地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括热网回水端口11和热网给水端口12，所述间冷器10的低温侧入口连接所述热网回水端口11，所述间冷器10的低温侧出口连接所述热网给水端口12，所述间冷器10用于使热网回水与压缩后的二氧化碳进行换热。图1中虚线示出了热网回水的循环回路。

二氧化碳被压缩后会产生大量热量，温度较高，将其作为热源，经间冷器10换热降温，间冷器10回收的压缩热则供应给热网回水，使低温热网回水的温度升高，升温后的热网回水经热网给水端口12输送给热用户。本实施例基于夜间电负荷低与热负荷高的用能特性，将储能阶段与城市热网供热相耦合，可实现夜间低谷电能及时存储与热负荷即时供应，即热电解耦，而日间热负荷低、电负荷高时，系统开启释能阶段，高效供电，实现经济效益最大化。此外，相比于先进绝热系统，将压缩热分配为热用户，实现压缩热即时高效利用，可节省大量蓄热介质及高容量储罐，极大提升系统经济性，而且相比于将压缩热供应为膨胀前再热的方式，作为热网回水热源，有利于更有效地实现系统内热量调配，提高系统能量循环效率。

一般而言，当低压储气罐4的吸附剂填充区401的二氧化碳吸收热量而解吸附后，解吸附出来的二氧化碳通常仍具有一定温度，为了降低压缩机9能耗，可在所述低压储气罐4和所述压缩机9之间设置第二散热器16，即，所述第二散热器16的一端连接所述低压储气罐4的出气口、另一端连接所述压缩机9的进气口，以对解吸附出来的二氧化碳进行冷却，使其温度降低至环境温度，从而适于进入压缩机9进行压缩。

可选地，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括余热入口13、余热出口14和换热器15，所述换热器15设于所述低压储气罐4内，所述换热器15的高温侧入口连接所述余热入口13，高温侧出口连接所述余热出口14，低温侧入口和低温侧出口均连通所述吸附剂填充区401。所述换热器15用于使外界余热与吸附剂填充区401的二氧化碳进行换热。

众多行业存在余热，如钢铁厂余热温度范围为200-1700℃，热电厂排烟温度范围为120-150℃，如何实现余热高效梯级利用成为能源行业面临的基础问题。本发明以能源行业余热作为热源，通过换热器15使低压储气罐4内吸附剂填充区401温度升高，进而为吸附剂填充区401提供足以使二氧化碳解吸附的脱附热，以开启系统储能阶段，有利于实现余热高效梯级利用，经济与环保效益更优。

本发明另一实施例提供了如上所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统的运行方法，包括以下步骤：

当电网负荷处于高峰时，打开高压储气罐1的出气口，高压储气罐1释放的高压二氧化碳依次经再热器2加热和膨胀机3膨胀做功后成为二氧化碳乏气，所述二氧化碳乏气进入低压储气罐4被吸附储存并产生吸附热，未被吸附的所述二氧化碳乏气进入再热器2内用于将吸附热供给待膨胀的高压二氧化碳。

进一步地，当电网负荷处于低谷时，打开低压储气罐4的出气口，对所述低压储气罐4加热，具体地，可利用余热入口13流入的能源行业余热作为热源对其进行加热，使吸附剂填充区401的二氧化碳解吸附，解吸附的二氧化碳依次经压缩机9加压和间冷器10冷却后成为超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳进入高压储气罐1内，将电能转换为高压气体内能储存。

所述跨临界压缩二氧化碳储能系统的运行方法相对于现有技术所具有的优势同所述跨临界压缩二氧化碳储能系统，在此不再赘述。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，沿二氧化碳流动方向包括依次连接的高压储气罐(1)、膨胀机组和低压储气罐(4)，所述低压储气罐(4)内设有吸附剂填充区(401)，所述吸附剂填充区(401)设有吸附剂；

所述膨胀机组包括再热器(2)和膨胀机(3)，所述高压储气罐(1)的出气口连接所述再热器(2)的低温侧入口，所述再热器(2)的低温侧出口连接所述膨胀机(3)的进气口，所述膨胀机(3)的出气口连接所述低压储气罐(4)的进气口，且所述再热器(2)的高温侧入口和高温侧出口均分别通过管道连通所述吸附剂填充区(401)；

所述再热器(2)与所述低压储气罐(4)之间设置第一散热器(8)，所述第一散热器(8)的一端连接所述再热器(2)的高温侧出口、另一端通过管道连通所述吸附剂填充区(401)。

2.根据权利要求1所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述再热器(2)的高温侧入口通过管道与所述低压储气罐(4)的侧壁连接，所述再热器(2)的高温侧出口通过管道与所述低压储气罐(4)的底壁连接。

3.根据权利要求1所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括引风机(7)，所述引风机(7)设于所述再热器(2)的高温侧入口和所述吸附剂填充区(401)连接的管道上。

4.根据权利要求1所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括多组，多组所述膨胀机组依次连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括压缩机组，所述压缩机组包括压缩机(9)和间冷器(10)，所述低压储气罐(4)的出气口连接所述压缩机(9)的进气口，所述压缩机(9)的出气口连接所述间冷器(10)的高温侧入口，所述间冷器(10)的高温侧出口连接所述高压储气罐(1)的进气口。

6.根据权利要求5所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩机组包括多组，多组所述压缩机组依次连接。

7.根据权利要求5所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括热网回水端口(11)和热网给水端口(12)；

所述间冷器(10)的低温侧入口连接所述热网回水端口(11)、低温侧出口连接所述热网给水端口(12)。

8.根据权利要求1-4任一项所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统还包括余热入口(13)、余热出口(14)和换热器(15)；

所述换热器(15)设于所述低压储气罐(4)内，所述换热器(15)的高温侧入口连接所述余热入口(13)、高温侧出口连接所述余热出口(14)、低温侧入口和低温侧出口均连通所述吸附剂填充区(401)。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

当电网负荷处于高峰时，打开高压储气罐(1)的出气口，所述高压储气罐(1)释放的高压二氧化碳依次经再热器(2)加热和膨胀机(3)膨胀做功后成为二氧化碳乏气，所述二氧化碳乏气进入低压储气罐(4)被吸附储存并产生吸附热，未被吸附的所述二氧化碳乏气进入所述再热器(2)内用于将所述吸附热供给所述高压储气罐(1)释放的待膨胀高压二氧化碳。

10.根据权利要求9所述的跨临界压缩二氧化碳储能系统的运行方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当电网负荷处于低谷时，打开所述低压储气罐(4)的出气口，对所述低压储气罐(4)加热，使所述二氧化碳解吸附，解吸附的所述二氧化碳依次经压缩机(9)加压和间冷器(10)冷却后成为超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳进入高压储气罐(1)内，将电能转换为高压气体内能储存。