一种集成CO2热泵的压缩空气储能发电系统及其运行方法

一种集成co2热泵的压缩空气储能发电系统及其运行方法
技术领域
1.本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种集成co2热泵的压缩空气储能发电系统及其运行方法。


背景技术：

2.随着新能源总装机量的飞速提升，解决新能源发电过程中不稳定性、间歇性等问题成为新能源大规模利用的主要问题，储能是其主要解决方案之一。储能是通过一定介质储存能量，在需要时将能量释放。压缩空气储能和抽水蓄能被公认为是适合百兆瓦大功率、大容量储能的系统，抽水蓄能电站虽然效率高，但建造大型抽水蓄能电站前期投资巨大，建设周期长，且其对建造的地理位置要求十分苛刻，选址困难，甚至会淹没植被和城市；相比于抽水蓄能，压缩空气储在选址上更加灵活，投资相较抽水蓄能也低。近些年来，随着对压缩空气储能技术的认识和研究，已有数座大型的压缩空气储能电站建成。
3.压缩空气储能在技术层面上可分为非绝热、绝热和等温。传统的压缩空气储能类型是燃料燃烧的非绝热压缩空气储能系统，主要部件包括多级压缩机、储气装置、燃烧室、多级透平膨胀机，在用电低谷时，用多余的低谷电驱动电动机并通过联轴器带动多级压缩机压缩空气，并将产生的高压空气储存于储气装置；在用电高峰时，将高压空气从储气装置中释放，并在燃烧室中与燃料混合后进行燃烧，最后进入多级透平膨胀机中进行作功发电并入电网。
4.绝热压缩空气储能是指在传统燃料加热的压缩空气储能系统的基础上，取消了燃烧室与燃料加热，加入了蓄热设备与换热器，在储能阶段压缩空气时，通过在压缩机级间或级后装设换热器，用换热器中流动的冷蓄热介质吸收空气在压缩过程中产生的压缩热，并将热量储存于蓄热设备中；释能过程中，在气体进入膨胀机作功前，通过在级前或级间装设换热器，用换热器中流动的热蓄热介质对高压空气进行加热，以利用压缩热。
5.等温压缩空气储能相对于绝热压缩空气储能，不仅压缩效率高，而且不需要蓄热设备，节省了大量购置设备成本，并避免了换热器的传热损失和蓄热设备蓄热过程中的的热耗散，但其气体在膨胀时温度近似为环境温度，相同储气条件下，近等温压缩空气储能发电系统的储能密度低，难以形成较大的规模，因此，提升近等温压缩空气的储能密度，成为压缩空气储能领域中的关键性问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中近等温压缩空气储能发电系统储能密度低的问题，本发明的目的在于提供一种高效近等温压缩空气储能发电系统及其运行方法，通过近等温压缩空气储能发电系统与co2热泵单元的集成，不仅有效地提升了近等温压缩空气储能发电系统压缩空气的作功能力与系统效率，更解决了近等温压缩空气系统储能密度低这一关键性问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集成co2热泵的压缩空气储能
发电系统，包括双罐式近等温压缩空气储能单元、co2热泵单元以及膨胀发电机组；膨胀发电机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，高压膨胀机和低压膨胀机连接发电机；co2热泵单元包括压气机、蒸发器以及并联的第一冷凝器和第二冷凝器；压气机的出口分别连通第一冷凝器和第二冷凝器的热侧入口，第一冷凝器和第二冷凝器的热侧出口依次连通蒸发器和压气机的入口；第一冷凝器的冷侧入口连通双罐式近等温压缩空气储能单元出口，第一冷凝器的冷侧出口依次连通高压膨胀机和第二冷凝器的冷侧入口，第二冷凝器的冷侧出口连通低压膨胀机的入口，低压膨胀机的出口连通一换热器用于回收剩余热量。
8.双罐式近等温压缩空气储能单元包括储气罐、第一高压水气罐、第二高压水气罐以及水泵；第一高压水气罐和第二高压水气罐并联，第一高压水气罐和第二高压水气罐顶部通过排气管路连通储气罐，第一高压水气罐和第二高压水气罐顶部均通过进气管道连接气源，第一高压水气罐底部进水口连通第二高压水气罐底部出水口；第二高压水气罐底部进水口连通第一高压水气罐底部出水口，第一高压水气罐和第二高压水气罐底部进水口均设置气液分离器，第一高压水气罐和第二高压水气罐底部进水口均通过补水管道连通水源。
9.第一高压水气罐、第二高压水气罐布置于地下，水源采用地下水箱或地下水，地下水箱或地下水还连接有冷却水管路通向地面以上提供冷却水。
10.双罐式近等温压缩空气储能单元的高压水气罐中设置导热蓄热一体式换热器，导热蓄热一体式换热器竖直布置，导热蓄热一体式换热器包括多根成规格相同的导热管和多块圆型换热薄板，多块圆型换热薄板的型式相同直径从上往下依次减小，圆型换热薄板安装于导热管的上部；圆型换热薄板上开设用于安装导热管的安装孔和出水孔，安装孔呈s形分布，出水孔在圆型换热薄板上均匀布置，顶部的圆型换热薄板外沿与高压水气罐内壁焊接。
11.出水孔周围均匀分布有多个圆台型突起，导热管位于顶部圆型换热薄板以上的部分占整个管长度的1/9-1/10；顶部的圆型换热薄板焊接于高压水气罐高度的3/4处；导热管的下端都设置有圆型翅片。
12.导热管为中空管，导热管长度为4000-5000mm，直径为150-200mm，其导热系数不低于 200w/(m
·
k)，圆型翅片的直径为250-300mm；出水孔的直径为500-550mm。
13.双罐式近等温压缩空气储能单元出口至第一冷凝器的冷侧入口设置回热器，双罐式近等温压缩空气储能单元出口经稳压阀接通回热器冷侧入口；回热器冷侧出口接通第一冷凝器的冷侧入口，回热器热侧入口连通高压膨胀机的出口，回热器热侧的出口接通大气；压气机的电能输入端连接膨胀发电机组的电能输出端。
14.蒸发器的入口设置用于膨胀降压的节流降压阀，第一冷凝器和第二冷凝器的热侧入口分别对应设置第一流量调节阀和第二流量调节阀。
15.基于本发明所述集成co2热泵的压缩空气储能发电系统的运行方法，在预置阶段，双罐式近等温压缩空气储能单元中补水至设定水位；
16.空气经双罐式近等温压缩空气储能单元近等温压缩后并存储；在系统释能时，co2热泵单元和膨胀发电机组同时工作，压缩空气进入第一冷凝器并与其热侧的高温co2工质换热升温，高压空气进入高压膨胀机中膨胀作功，作功后的低压空气进入第二冷凝器中与其热侧co2工质进行换热，升温后进入低压膨胀机膨胀作功，经co2热泵单元加热后的压缩空
气进入膨胀发电机组做工发电，完成释能；其中压气机将压缩co2输送至第一冷凝器和第二冷凝器的热侧，经放热的co2经蒸发器再次回到压气机。
17.压缩空气经节流阀节流至设定压力后，进入回热器中预热，完成预热后进入第一冷凝器，完成作功的乏气进入回热器中预热节流后的压缩空气后排入大气。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明所述系统在释能过程中，在储气罐中的压缩气体在膨胀发电机组作功释能前，与 co2热泵单元的第一冷凝器和第二冷凝器进行换热，利用热泵单元集热能力强，效率高的优点，解决相同储气条件下，等温压缩空气储能发电系统储能密度不足的劣势；在压缩空气进入膨胀发电机组膨胀发电前，用热泵工质co2从大气环境中吸收的热量加热，一个单位的电能可以产生与热泵循环效率相等倍数的热量，解决了同等储气条件下，等温压缩空气储能密度不足的问题；并且，热泵单元只在释能时间段工作，与绝热压缩空气储能发电系统的蓄热设备相比，避免了热量储藏过程中所产生的热耗散；热泵单元以co2作为工质，其优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑；co2具有良好的性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体。
20.进一步地，应用导热蓄热一体式换热器，成s型的导热管将高压水气罐压缩空气过程产生的热量快速导入水中；圆形换热薄板一方面以肋的形式增加了导热管与空气的换热面积，减小了主要热阻，另一方面，随着高压水气罐中液位的反复升降，在液位升高的过程中，压缩热产生并导入热容大且温度低的圆型换热板，随着空气进一步压缩，液位进一步升高，以致于圆型换热板完全浸入水中，并将吸收的压缩热导入水中，间接实现了空气与水的换热，出水孔用于液位上升过程中的出水，应用导热蓄热一体式换热器大大增强了压缩系统的近等温压缩程度，提升了压缩效率。
21.进一步地，在冷凝器和冷凝器的热端入口前装设节流阀和节流阀，通过控制两个支路的 co2流量来控制进入高压膨胀机和低压膨胀机压缩空气的温度，以此来满足具体的工程需求或更高的工作效率。
附图说明
22.图1为本发明一种与co2热泵集成的高效近等温压缩空气储能发电系统图。
23.图2为本发明一种导热蓄热一体式换热器结构示意图。
24.图3为本发明一种导热蓄热一体式换热器剖面示意图。
25.图4为本发明一种圆型换热薄板示意图。
26.图5为本发明一种导热管外部结构示意图。
27.图6为本发明一种导热管剖面示意图。
28.其中：1-储气罐，2-稳压阀，3-回热器，4-第一冷凝器，5-高压膨胀机，6-第二冷凝器，7-低压膨胀机，8-第一流量调节阀，9-第二流量调节阀，10-压气机，11-第一高压水气罐，12-第二高压水气罐，13-第二进气阀门，14-第一进气阀门，15-第一排气阀门，16-第二排气阀门，17-第一换热网，18-第二换热网，19-第一进水阀门，20-第二进水阀门，21-第一排水阀门，22-第二排水阀门，23-水泵，24-气液分离器，25-补水阀门，26-蒸发器，27-节流降压阀，28-第二液位传感器，29-第一液位传感器，30-电网，31-第一导热蓄热一体式换热
器，32-第二导热蓄热一体式换热器，33-出水孔，34-导热管，35-圆型换热薄板，36-圆型翅片，37-安装孔。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明进一步说明：
30.请参阅图1，一种集成co2热泵的高效近等温压缩空气储能发电系统，包括用于压缩空气储能的双罐式近等温压缩空气储能单元、用于集热并加热压缩空气的co2热泵单元以及用于气体膨胀发电的膨胀发电机组；膨胀发电机组包括高压膨胀机5和低压膨胀机7，高压膨胀机 5和低压膨胀机7连接发电机；co2热泵单元包括压气机10、蒸发器26以及并联的第一冷凝器4和第二冷凝器6；压气机10的出口分别连通第一冷凝器4和第二冷凝器6的热侧入口，第一冷凝器4和第二冷凝器6的热侧出口依次连通蒸发器26和压气机10的入口；第一冷凝器4的冷侧入口连通双罐式近等温压缩空气储能单元出口，第一冷凝器4的冷侧出口依次连通高压膨胀机5和第二冷凝器6的冷侧入口，第二冷凝器6的冷侧出口连通低压膨胀机7的入口，低压膨胀机7的出口连通一换热器用于回收剩余热量。
31.参考图1，双罐式近等温压缩空气储能单元包括用于控制进排气的进排气管路、用于气体增压的两高压水气罐、用于连接两高压水气罐的水泵机组管路、用于高效传导压缩热的导热蓄热一体式换热器以及用于压缩空气储存的储气罐；如图1所示，所述的进排气管路包括并联连接两高压水气罐的进气管路和排气管路，进排气管路连接于第一高压水气罐11和第二高压水气罐12的顶部，第一高压水气罐11和第二高压水气罐12对应的进气管路上分别有第一进气阀门14和第二进气阀门13；第一高压水气罐11和第二高压水气罐12对应的排气管路上分别有第一排气阀门15和第二排气阀门16；排气管路连通储气罐入口；所述的两高压水气罐包括两个规格相同的第一高压水气罐11和第二高压水气罐12；水泵机组管路连接于第一高压水气罐11和第二高压水气罐12的底部，所述的水泵机组管路包括分别并联连接于第一高压水气罐 11和第二高压水气罐12底部的进水管路和出水管路以及各管路上的第一进水阀门19、第二进水阀门20、第一排水阀门21和第二排水阀门22；连接出水管路与进水管路的依次为气液分离器24和水泵机组23；所述的排气管路上的第一排气阀门15和第二排气阀门16受罐内与排气管路中的压差控制，当管内气压不小于排气管路中压力时阀门开启，压缩空气从排水管口进入储气罐1中存储，在气液分离器器前加有补水管口及补水阀门25。
32.参考图1、图2、图3和图4，本发明在高压水气罐中导热蓄热一体式换热器，其中高压水气罐包括相同的第一高压水气罐11和第二高压水气罐12，导热蓄热一体式换热器包括相同的第一导热蓄热一体式换热器31和第二导热蓄热一体式换热器32第一导热蓄热一体式换热器31和第二导热蓄热一体式换热器32分别对应位于第一高压水气罐11和第二高压水气罐12 中，导热蓄热一体式换热器包括多根成规格相同的导热管34和多块圆型换热薄板35，导热蓄热一体式换热器结构和其功能为：两组各13根成s型均匀分布的规格相同的导热管34分别用于高压水气罐中快速传导空气近等温压缩过程中所产生压缩热，三块具有高热容且半径从上往下依次减小的圆型换热薄板35，其上分布有与导热管管径一致、导热管分布方式一致的安装孔37，圆型换热薄板上均匀分布有4个出水孔33，第一块圆型换热薄板直径与高压水气罐内径相等并焊接于高压水气罐高度的3/4处附近，且其在出水孔33周围
分布有圆台型突起，用于增加换热面积以利于换热，其余换热薄板直径随安装高度依次减小，导热管34从安装孔 37中插入，安装孔37以上的导热管34占整个管长度的1/9-1/10，具体视储气压力而定，当储气压力较高时，压缩结束时的液位更高，为保障导热管与水和空气同时接触，将导热管上端长度调大，圆形换热薄板一方面以肋的形式增加了导热管与空气的换热面积，减小了主要热阻，另一方面，随着高压水气罐中液位的反复升降，在液位升高的过程中压缩热产生并导入热容大且温度低的圆型换热板，随着空气进一步压缩，液位进一步升高，以致于圆型换热板完全浸入水中，并将吸收的压缩热导入水中，间接实现了空气与水的换热，出水孔用于液位上升过程中的出水。
33.参考图3、图5和图6，出水孔33周围均匀分布有多个圆台型突起，导热管34位于顶部圆型换热薄板35以上的部分占整个管长度的1/9-1/10；顶部的圆型换热薄板35焊接于高压水气罐高度的3/4处；导热管的下端都设置有圆型翅片36。
34.导热管34为中空管，导热管34长度为4000-5000mm，直径为150-200mm，其导热系数不低于200w/(m
·
k)，圆型翅片36的直径为250-300mm；出水孔33的直径为500-550mm。
35.co2热泵单元包括用于提升热泵工质co2的压力的压气机10，用于加热压缩空气并提高其膨胀能力的两个并联冷凝器，分别为第一冷凝器4和第二冷凝器6，用于膨胀降压的节流降压阀27，用于吸收环境热量的蒸发器26以及用于调节两个并联冷凝器进口工质流量的第一流量调节阀8和第二流量调节阀9；压气机工质出口分别连通第一冷凝器4和第二冷凝器6的热侧入口，并且在其间的并联管道上装设有第一流量调节阀8和第二流量调节阀9，用于调节流入第一冷凝器4和第二冷凝器6热侧进口工质流量与膨胀发电机组进口气温；两个并联冷凝器的热侧出口连通节流降压阀27的工质入口，节流降压阀27的工质出口连通蒸发器26的冷侧入口，蒸发器26的冷侧出口连通压气机10的工质入口。利用热泵单元集热能力强，效率高的优点，解决相同储气条件下，等温压缩空气储能发电系统储能密度不足的劣势。
36.储气罐1出口连通稳压阀2工质入口，稳压阀2工质出口连通回热器3冷侧入口，回热器 3冷侧出口连通co2热泵单元中第一冷凝器4的冷侧入口，第一冷凝器4冷侧出口连通高压膨胀机5的工质入口，高压膨胀机5的工质出口连通第二冷凝器6的冷侧入口，第二冷凝器6的冷侧出口联通低压膨胀机7的工质入口，低压膨胀机7的工质出口连通回热器3的热侧入口，回热器3热侧的出口接通大气。
37.基于上述的系统，本发明一种与co2热泵集成的高效近等温压缩空气储能发电系统，包括以下步骤：
38.在预置阶段，通过补水管口将第一高压水气罐11和第二高压水气罐12中的水补充到预置液位，然后关闭补水阀门25，无液体损失的情况下不再开启补水阀门25进行补水。
39.在储能阶段，进气管口与进气管路连通，排气管口与排气管路连通。开启第一进气阀门14 的同时关闭第二进气阀门13以及第一排气阀门15和第二排气阀门16，在进气管路中气体进入第一高压水气罐11的同时，开启第一排水阀门21和第二进水阀门20，同时关闭第二排水阀门22和第一进水阀门19，使第一高压水气罐11中的水依次经过气液分离器24、水泵机组 23压入第二高压水气罐12中，随着第二高压水气罐12中液位的升高，使得内部气体压力升高，所产生压缩热迅速通过高效导热蓄热一体式换热器32导入水中，保障压缩过程的近等温程度，提升压缩效率，当第二高压水气罐12中气压不小于排气管路中气压时，第
二排气阀门 16打开，继续压缩，直至液位到达第二液位传感器28预设的感应液位后，关闭第二排气阀门 16，同时开启第二排水阀门22、开启第一进水阀门19、开启第二进气阀门13，关闭第二进水阀门20、第一排水阀门21、第一进气阀门14，此时，进气管路中气体进入第二高压水气罐12，第二高压水气罐12中的水依次经过气液分离器24、水泵机组23进入第一高压水气罐11，第一高压水气罐中液位升高，气体被压缩，当第一高压水气罐11中气体压力不小于排气管路中气压时第一排气阀门15打开，继续压缩，直至液位到达第一液位传感器29预设的感应液位后，关闭第一排气阀门15。如此往复调节阀门，进行循环增压，并将压缩空气由排气管路充入储气罐中储存。在高压水气罐进气与排水同时进行的过程中，由于体积流量相同，可保证该罐中气体压力稳定。
40.在释能阶段，压缩气体从储气罐1出口流出并经过稳压阀节流至设定压力后，经过回热器 3的预热，压缩空气温度小幅提高，并进入第一冷凝器4并与热侧的高温co2工质换热升温，压缩空气的作功能力显著提高，高温高压的空气进入高压膨胀机5中膨胀作功；作功后的低压空气进入冷凝器6中与热侧co2工质进行换热，升温后进入低压膨胀机7作功，经co2热泵单元加热后的压缩空气进入膨胀发电机组作功发电，完成释能；完成作功的乏气进入回热器3 中预热稳压阀2节流后的压缩空气，以利用废热，后排入大气；释能过程中，利用热泵效率高，集热能力强的优点，在压缩空气进入膨胀发电机组膨胀发电前，用热泵工质co2从大气环境中吸收的热量加热，一个单位的电能可以产生与热泵循环效率相等倍数的热量，解决了同等储气条件下，等温压缩空气储能密度不足的问题；并且，热泵单元只在释能时间段工作，与绝热压缩空气储能发电系统的蓄热设备相比，避免了热量储藏过程中所产生的热耗散，也减少了有温差传热过程，降低了损失。
41.本发明利用系统本身发电驱动co2热泵单元对膨胀作功前压缩气体进行加热解决了等温压缩空气储能发电系统储能密度低的关键性问题，并利用高压储气罐内的高效导热蓄热一体化换热器更大程度地实现了近等温压缩，提高了压缩效率，为更好地应用等温压缩空气储能发电系统提供了技术性方向。