固态储热驱动的热电冷同源系统及运行方法与流程

本发明涉及热能储存、热力发电和吸收式制冷，尤其涉及一种固态储热驱动的热电冷同源系统及运行方法。

背景技术：

1、固态储热系统可以先将能量存入固体储热介质，再由气态传热流体取热。气态传热流体可将热量送往蒸汽发生装置或其他发电用热装置，并在放热后经增压设备返回储热单元。

2、气态传热流体完成发电用热后通常仍具有可利用的显热。若该部分显热直接随气体返回，或者通过常规冷却方式排出，则难以同时形成冷量产品。另一方面，气体在较高温度下进入回流增压设备，会增加回流增压设备的处理负担。

3、在一些热电冷联供方案中，吸收式制冷机组由主蒸汽、汽轮机抽汽、排汽或加热器疏水驱动。该类供热关系会使制冷负荷与主水汽发电回路的蒸汽分配相互影响。因而，仍有必要形成一种新的系统组合：利用发电用热后的气体显热驱动制冷，在同一尾部换热位置降低回流气体温度，并使制冷驱动回路与主水汽发电回路保持流体隔离。对于采用相变工质的辅助制冷回路，还需要协调制冷驱动温度、换热端差和压缩入口温度。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种固态储热驱动的热电冷同源系统及运行方法。该系统在闭式气体循环回路中，将尾部换热器设置在发电用热单元之后、回流气体压缩设备之前，利用完成发电用热后的单相传热气体显热驱动吸收式制冷，并在需要时通过独立辅助水汽回路和多约束控制维持稳定运行。

2、本发明的一方面提供一种固态储热驱动的热电冷同源系统。系统包括高温固态储热单元、闭式气体循环回路、发电用热单元、尾部换热器、回流气体压缩设备、辅助制冷回路和吸收式制冷机组。闭式气体循环回路内循环有单相传热气体。沿单相传热气体放热并返回高温固态储热单元的方向，发电用热单元、尾部换热器和回流气体压缩设备依次连通。尾部换热器使单相传热气体与辅助制冷回路内的工质流体隔离换热。辅助制冷回路接收完成发电用热后的气体显热，并向吸收式制冷机组提供制冷驱动热。

3、在一种实施方式中，发电用热单元包括主水汽发电回路、虚拟锅炉换热站和汽轮发电机组。虚拟锅炉换热站设置在闭式气体循环回路与主水汽发电回路之间，使单相传热气体与第一水汽工质流体隔离。第一水汽工质吸热形成蒸汽，并驱动汽轮发电机组。

4、在一种实施方式中，辅助制冷回路为辅助水汽回路。辅助水汽回路内循环有第二水汽工质。尾部换热器具有相互隔离且换热耦合的气侧通道和水侧通道。辅助水汽回路在尾部换热器与吸收式制冷机组的驱动侧之间形成闭式循环，并与主水汽发电回路流体隔离。在放热制冷运行状态下，吸收式制冷机组的驱动侧仅由辅助水汽回路供热，不接收主水汽发电回路中的主蒸汽或加热器疏水，也不接收汽轮发电机组的抽汽或排汽作为制冷驱动热源。

5、在一种实施方式中，系统设有控制器。辅助水汽回路设有压力调节装置和第二水汽工质流量调节件，闭式气体循环回路设有气侧流量调节件，吸收式制冷机组设有制冷负荷调节机构。控制器获取尾部换热器气侧入口温度和水侧出口处第二水汽工质绝对压力。当第二水汽工质以相变方式提供制冷驱动热时，控制器由所述绝对压力确定驱动饱和蒸汽温度，并将气侧入口温度与驱动饱和蒸汽温度之差确定为驱动端换热端差。控制器调节辅助水汽回路运行压力、进入尾部换热器的气体流量、第二水汽工质流量或制冷负荷中的至少一项，使驱动饱和蒸汽温度处于允许驱动温度范围内，并使驱动端换热端差不小于预设最小驱动端换热端差。

6、在一种实施方式中，控制器还获取进入回流气体压缩设备的单相传热气体温度，并将其确定为压缩入口温度。控制器在满足制冷驱动温度和驱动端换热端差约束的同时，使压缩入口温度不高于预设压缩入口温度上限。

7、在一种实施方式中，闭式气体循环回路设有尾部旁通支路。尾部旁通支路连接在尾部换热器上游分流点与尾部换热器下游、回流气体压缩设备上游的汇合点之间。用冷负荷升高时，控制器减小旁通流量并增大流经尾部换热器的气体流量；用冷负荷降低时，控制器进行反向调节。调节过程中继续维持制冷驱动温度、驱动端换热端差和压缩入口温度约束。

8、在一种实施方式中，允许驱动温度范围具有温度下限和温度上限。控制器以余热气体温度减去预设最小驱动端换热端差所得温度作为允许驱动饱和蒸汽温度上限。当该上限不低于允许驱动温度范围的温度下限时，控制器在允许区间内确定目标驱动饱和蒸汽温度，并根据水的饱和温度与绝对压力对应关系确定目标驱动蒸汽压力。当目标驱动蒸汽压力位于辅助水汽回路的允许运行压力范围内时，控制器使辅助水汽回路的运行压力跟踪所述目标压力。

9、当余热品位或压力条件不足时，控制器先调节进入尾部换热器的气体流量、第二水汽工质流量和制冷负荷中的至少一项。若调节后仍不存在满足驱动饱和蒸汽温度、最小驱动端换热端差和允许运行压力条件的运行点，控制器限制制冷负荷，并输出余热品位不足状态信息或制冷能力受限状态信息。

10、在一种主回热兼容实施方式中，发电用热单元还包括主回热加热单元。主回热加热单元利用汽轮发电机组的抽汽、汽缸级间排汽或回热加热器疏水，对凝结水或给水进行除氧或预热。主回热加热单元不设置接入闭式气体循环回路的气侧换热通道。单相传热气体通过虚拟锅炉换热站至少向第一水汽工质的蒸发、过热或再热过程供热，之后进入尾部换热器。

11、在另一实施方式中，虚拟锅炉换热站包括多个气水隔离换热器。多个换热器可承担给水加热、蒸发、过热或再热中的一种或多种过程。主水汽发电回路的给水预热热量可以至少部分来自虚拟锅炉换热站。主回热加热单元与虚拟锅炉换热站可以分别承担不同给水加热阶段。

12、在具体实施方式中，单相传热气体可以为氮气。闭式气体循环回路的运行绝对压力可以为1 mpa至5 mpa，辅助水汽回路的运行绝对压力可以为0.3 mpa至0.8 mpa，吸收式制冷机组的驱动热源温度可以为130 ℃至170 ℃。吸收式制冷机组可以为双效溴化锂吸收式制冷机组，第二水汽工质向其高温发生器提供制冷驱动热。

13、吸收式制冷机组的冷侧可以与数据中心冷却回路、冷冻水回路、技术冷却水回路或液冷二次侧回路直接流体连通，也可以通过中间换热器换热连接。系统还可以包括工业蒸汽支路。工业蒸汽支路可接自主蒸汽管路、汽轮发电机组的抽汽口或汽缸级间排汽口，并与辅助水汽回路流体隔离。

14、本发明的另一方面提供一种由控制器执行的固态储热驱动的热电冷同源运行方法。控制器使单相传热气体依次完成储热取热、发电用热、尾部换热和回流压缩；使第一水汽工质形成蒸汽并驱动汽轮发电机组；使第二水汽工质在尾部换热器与气体隔离换热，并在吸收式制冷机组驱动侧放热；获取余热气体温度、压缩入口温度、驱动蒸汽压力和用冷负荷；输出压力、气体流量、第二水汽工质流量或制冷负荷调节指令，以满足允许驱动温度、最小驱动端换热端差和压缩入口温度约束。

15、本发明具有以下有益效果：

16、1. 本发明将尾部换热器设置在发电用热单元之后、回流气体压缩设备之前，使同一段气体显热既可转化为吸收式制冷所需的驱动热，又可降低气体进入回流气体压缩设备前的温度，有利于降低回流气体的压缩功耗。

17、2. 辅助水汽回路与主水汽发电回路流体隔离。在放热制冷运行状态下，吸收式制冷机组不以主蒸汽、抽汽、排汽或加热器疏水作为制冷驱动热源，有利于减少制冷负荷对主水汽发电回路蒸汽分配的占用。

18、3. 控制器将吸收式制冷机组的允许驱动温度、尾部换热器的最小驱动端换热端差和回流气体压缩设备的入口温度共同作为运行约束，有利于在余热品位和用冷负荷变化时维持可行运行点。

19、4. 尾部旁通支路、制冷负荷限制和状态输出为不同余热条件提供了退让路径。主回热兼容实施方式还可使闭式气体循环回路与主水汽回路内部回热承担不同热量分工。