一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统及运行方法与流程

1.本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统及运行方法。


背景技术：

2.随着能源的不断利用，新能源的规模应用及间歇性可再生能源的大规模入网，许多能源应用问题也随之出现，储能技术的应用是解决上述问题的有效途径。储能技术可以辅助传统发电系统动态运行，帮助可再生能源削峰填谷、跟踪计划出力。目前世界上能够成熟应用的大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能两种，抽水蓄能受到地理位置的限制，需要特定的地质条件和长期的足够水源，而压缩空气储能依赖汽轮机技术、化石燃料的补充燃烧以及合适储存的洞穴。液态空气储存是压缩空气储能系统的一个主要发展方向，但是空气临界温度为-140.62℃，在实现低温液态储存等方面存在一定的困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统及运行方法，以解决空气储能系统中，低温液态储存难以实现的问题。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统，包括锅炉和二氧化碳压缩机；
6.锅炉的蒸汽输出端连接至汽轮机，汽轮机的乏汽出口连接至凝汽器，凝汽器的凝结水出口连接至第一换热器的冷侧入口，第一换热器的冷侧出口连接至回热器的水侧入口，回热器的水侧出口和锅炉连接；
7.二氧化碳压缩机的出口和第一换热器的热侧入口连接，第一换热器的热侧出口连接至超临界二氧化碳储罐的进口，超临界二氧化碳储罐的出口连接至第二换热器的冷侧入口，第二换热器的冷侧出口连接至透平，透平的出口连接至蓄冷器；蓄冷器的第一输出管道连接至液态二氧化碳储罐，液态二氧化碳储罐的出口和蓄冷器的第二输入管道连接，蓄冷器的第二输出管道和二氧化碳压缩机的入口连接；
8.所述汽轮机输出的抽汽分为第一抽汽管道和第二抽汽管道，第一抽汽管道和回热器连接，第二抽汽管道和第二换热器的热侧入口连接；第二换热器的热侧出口和回热器的汽侧入口连接；
9.汽轮机的动力输出端连接有第一发电机，透平的动力输出端连接有第二发电机。
10.本发明的进一步改进在于：
11.优选的，所述凝汽器的凝结水出口和第一换热器的冷侧入口连接管道上设置有凝结水泵。
12.优选的，所述第一换热器的冷侧出口和回热器的水侧入口连接管道上设置有给水
泵。
13.优选的，所述第二抽汽管道上设置有第一电动截止阀。
14.优选的，所述二氧化碳压缩机连接有电动机。
15.优选的，所述超临界二氧化碳储罐入口与第一换热器热侧出口的连接管道上设置有第二电动截止阀.
16.优选的，所述超临界二氧化碳储罐出口与第二换热器冷侧入口的连接管道上设置有电动节流阀。
17.优选的，所述蓄冷器的第一输出管道上设置有第三电动截止阀。
18.优选的，所述蓄冷器的第二输入管道上设置有第一电动节流阀。
19.一种上述的跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统的运行方法，
20.汽轮机常规运行时，锅炉将蒸汽输入至汽轮机中，汽轮机带动第一发电机发电，汽轮机排出的乏汽经过凝结水泵被冷却成为凝结水后，凝结水进入第一换热器；汽轮机的输出抽汽部分进入回热器中，从第一换热器输出的凝结水在回热器被加热后回到锅炉中；
21.需要减少第一发电机的发电量时，汽轮机常规运行，第一发电机输出的多余电量驱动二氧化碳压缩机工作；液态二氧化碳储罐中的液态二氧化碳进入蓄冷器中吸热气化后形成气态二氧化碳，气态二氧化碳进入二氧化碳压缩机后被压缩形成高压高温二氧化碳，高压高温二氧化碳进入第一换热器被凝结水冷却后，储存于超临界二氧化碳储罐中；
22.需要增加第一发电机的发电量时，汽轮机常规运行，超临界二氧化碳储罐输出气态二氧化碳，气态二氧化碳进入第二换热器中吸热，吸热后的气态二氧化碳进入透平做功，透平驱动第二发电机发电；做功后的二氧化碳经过蓄冷器冷却至液态，然后储存在二氧化碳液态储罐中。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明公开了一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统，包括汽轮机蒸汽循环发电系统以及跨临界二氧化碳储能系统，跨临界二氧化碳储能系统中储能压缩热用于加热凝结水，释能阶段采用高温高压蒸汽加热高压低温二氧化碳，避免了采用蓄热器收集压缩热来加热释能阶段的二氧化碳，提高了机组的经济性。该系统将空气替换为二氧化碳，二氧化碳的临界温度为31.1℃，可在常温下实现液态储存，大大减小液化难度，同时超临界二氧化碳的密度接近液体，粘度接近气体，具有较好的流动性和传输特性，利用超临界二氧化碳代替空气作为储能介质，极大地提高了储能密度，显著缩小存储系统的规模，降低成本。本发明采用跨临界二氧化碳储能技术，将低压二氧化碳液态储存，增大了储能密度，减小了占地面积，提高了机组的灵活性。节能环保，储能密度大，占地面积小，灵活性高。
25.本发明还公开了一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统的运行方法，该方法利用跨临界二氧化碳储能系统中储能压缩热用于加热凝结水，释能阶段采用高温高压蒸汽加热高压低温二氧化碳，避免了采用蓄热器收集压缩热来加热释能阶段的二氧化碳，提高了机组的经济性。利用跨临界二氧化碳储能系统中压缩机出口的高压高温二氧化碳进入第一换热器加热凝结水，提高了凝结水温度，减小了回热器内的换热温差，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了机组的能量效率，同时，回收了压缩二氧化碳过程中的压缩热减小了热量的浪费。利用汽轮机气缸内高压高温抽汽加热跨临界二氧化碳储能系统释能阶段的高压低温二氧化碳，提高了二氧化碳的做功能力，增加了机组的发电量。
附图说明
26.图1为本发明一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统。
27.图1中：1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-凝结水泵；5-第一换热器；6-给水泵；7-回热器；8-第一电动截止阀；9-二氧化碳压缩机；10-第二电动截止阀；11-超临界二氧化碳储罐；12-第二电动节流阀；13-第二换热器；14-透平；15-冷却器；16-蓄冷器；17-第三电动截止阀；18-第一电动节流阀；19-液态二氧化碳储罐；20-第一发电机；21-第二发电机；22-电动机；23-第一抽汽管道；24-第二抽汽管道。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，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；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。
30.本发明公开的一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统主要包括汽轮机蒸汽循环发电系统以及跨临界二氧化碳储能系统。
31.如图1所示，汽轮机蒸汽循环发电系统包括锅炉1、汽轮机2、凝汽器3、凝结水4、第一换热5、给水泵6、回热器7和第一发电机20。
32.具体的，锅炉1出口与汽轮机2入口相连通，汽轮机2的乏汽出口与凝汽器3热侧入口连通，汽轮机2的动力输出轴和第一发电机20连接，驱动第一发电机20工作。乏汽在凝汽器3中被冷却后形成凝结水，凝汽器3的凝结水出口与凝结水泵4入口连通，凝结水泵4出口与第一换热器5的冷侧入口连通，第一换热器5的冷侧出口与给水泵6入口连通，给水泵6出口与回热器7水侧连通，回热器7的水侧出口和锅炉1连接。
33.汽轮机2气缸内输出的抽汽分为两股，分别为第一抽汽管道23和第二抽汽管道24，第一抽汽管道23和回热器7的热侧入口连通，进入回热器7内加热给水；第二抽汽管道24与第二换热器13的热侧连通，第二抽汽管道24上设置有第一电动截止阀8，用于加热超临界二氧化碳储能系统释能阶段中的高压二氧化碳，随后返回回热器7内。两个抽汽汇入回热器7内，抽汽在第二换热器13内被冷却，但仍是气态，进入回热器7内后被进一步冷却冷凝成水，经回热器7内的疏水管路进入锅炉加热
34.如图1所示，跨临界二氧化碳储能系统包括二氧化碳压缩机9、超临界二氧化碳储罐11、第二换热器13、透平14、冷却器15、蓄冷器16、液态二氧化碳储罐19、第二发电机21和电动机22。
35.二氧化碳压缩机9的出口与第一换热器5的热侧入口连通，超临界二氧化碳储罐11入口与第一换热器5热侧出口通过管道连通，连接管道上设置有第二电动截止阀10；超临界二氧化碳储罐11出口与第二换热器13冷侧入口间通过管道连通，连接管道上设置有第二电
动节流阀12；第二换热器13热侧入口与第二抽汽管道24连通，第二换热器13热侧出口与第一换热器7汽侧连通，第二换热器13冷侧出口与透平14入口连通，透平12的出口与冷却器15热侧入口连通，透平14的动力输出轴和第二发电机21连接，驱动第二发电机21发电。冷却器15的出口和蓄冷器16的第一输入管道连接，蓄冷器16的第一输出管道和液态二氧化碳储罐19入口与连接，第一输出管道上设置有第三电动截止阀17；液态二氧化碳储罐19出口与蓄冷器16的第二输入管道连接，第二输入管道上布置有第一电动节流阀18，蓄冷器16的第二输出管道和二氧化碳压缩机9的二氧化碳入口连通。
36.本发明的工作原理：
37.汽轮机蒸汽循环发电系统中锅炉1出口的过热蒸汽进入汽轮机2内膨胀做功，带动第一发电机20发电，汽轮机2排汽进入凝汽器3冷凝，随后经过凝结水泵4进入第一换热器5冷侧，与跨临界二氧化碳储能系统中高压高温的二氧化碳换热，被加热后的凝结水经给水泵6加压后进入回热器7与来自汽轮,2缸内的高压高温抽汽进行换热，然后返回锅炉1，完成汽轮机蒸汽发电循环。
38.凝结水泵4的出口管道与第一换热器5的冷侧入口相连通，跨临界二氧化碳储能系统中二氧化碳压缩机9的出口与第一换热器5热侧入口相连通。
39.跨临界二氧化碳储能系统储能阶段，液态二氧化碳经第一电动节流阀18降压后，进入蓄冷器16吸热气化，同时将冷能储存在蓄冷器16中，气化后的二氧化碳进入二氧化碳压缩机9内被压缩，随后进入第一换热器5热侧冷却，之后经过第二电动截止阀10后储存在超临界二氧化碳储罐11中；释能阶段，从超临界二氧化碳储罐11出来的二氧化碳经第二电动节流阀节12流后进入第二换热器13的冷侧，被高压高温抽汽加热后进入透平14膨胀做功，带动第二发电机21进行发电，释能后的超临界二氧化碳经过先经过冷却器15冷却至室温，后经蓄冷器16冷却至液态，储存在二氧化碳液态储罐19中。
40.本发明基于上述的一种跨临界二氧化碳储能耦合汽轮机发电调峰系统的运行方法包括以下步骤：
41.正常情况下，关闭第一电动截止阀8、第二电动截止阀10、第三电动截止阀17、第一电动节流阀18以及第二电动节流阀12。从锅炉1出来的过热蒸汽进入汽轮机2膨胀做功，带动第一发电机20进行发电，从汽轮机2气缸内抽取部分蒸汽进入回热器7汽测加热给水，汽轮机2排汽进入凝汽器3冷凝为凝结水，凝结水依次经过凝结水泵4、第一换热器5、给水泵6后进入回热器7水侧，由于此时超临界二氧化碳储能系统处于关闭状态，凝结水在第一换热器5内没有热交换；回热器7出口的给水返回锅炉1，完成汽轮机蒸汽循环发电。该状态使跨临界二氧化碳储能系统处于关闭状态，只维持汽轮机蒸汽循环发电系统正常运行。
42.当需要减少第一发电机20的发电量时，则开启第二电动截止阀10以及第一电动节流阀18，其余阀门维持关闭状态。汽轮机蒸汽循环发电系统正常运行，汽轮机蒸汽循环发电系统的发电出满足电网要求的负荷外，多余电能通过电动机22驱动二氧化碳压缩机9进行工作，液态二氧化碳经第一电动节流阀18降压后，进入蓄冷器16吸热气化，同时将冷能储存在蓄冷器16中，气化后的二氧化碳进入二氧化碳压缩机9内被压缩至预设压力，高压高温二氧化碳进入第一换热器5热侧加热凝结水，冷却后二氧化碳经过第二电动截止阀10储存于超临界二氧化碳储罐11中，储能结束后，先关闭第一电动节流阀18再关闭第二电动截止阀10。
43.当需要增加第一发电机20的发电量时，开启第一电动截止阀8、第二电动节流阀12以及第三电动截止阀17，其余阀门维持关闭状态。汽轮机蒸汽循环发电系统正常运行。从超临界二氧化碳储罐11出来的二氧化碳经第一电动节流阀12节流后进入第二换热器13冷侧，与来自汽轮机气缸内的高压高温蒸汽换热，之后进入透平14膨胀做功从而带动第二发电机21发电增加发电量，从透平14出来的二氧化碳经冷却器15冷却至室温后，后经蓄冷器16冷却至液态，储存在二氧化碳液态储罐19中，释能结束后，先关闭第一电动截止阀18、第二电动节流阀12再关闭第三电动截止阀17。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。