本發(fā)明屬于新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別涉及一種補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、可再生能源特別是風(fēng)電和光伏發(fā)電具有明顯的波動(dòng)性、周期性和不確定性等不利因素，其大規(guī)模并網(wǎng)不僅給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)挑戰(zhàn)，也造成了巨大的能量浪費(fèi)。因此，開(kāi)發(fā)規(guī)?；咝?chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重大任務(wù)。為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率與能量密度，相關(guān)學(xué)者提出了以co2為工質(zhì)的二氧化碳儲(chǔ)能(carbon?dioxideenergy?storage，ces)系統(tǒng)，由于co2臨界點(diǎn)(7.39mpa和31.4℃)相對(duì)空氣(3.77mpa和-140.5℃)容易達(dá)到，無(wú)毒、不易燃、安全等級(jí)為a1，相同狀態(tài)和壓力下co2儲(chǔ)存密度均大于空氣，其中液態(tài)儲(chǔ)存時(shí)最高，從而使得ces系統(tǒng)具有較高的儲(chǔ)能潛力。

2、現(xiàn)有技術(shù)中ces系統(tǒng)工作原理可分為儲(chǔ)能階段和釋能階段兩個(gè)過(guò)程。儲(chǔ)能時(shí)，低壓儲(chǔ)罐中的低壓co2經(jīng)過(guò)(多級(jí))壓縮機(jī)壓縮至超臨界狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)再冷器吸收壓縮熱并通過(guò)蓄熱工質(zhì)將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱罐中，最后將超臨界狀態(tài)co2或液態(tài)高壓二氧化碳儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐中，即將電能以熱能和勢(shì)能形式儲(chǔ)存；釋能時(shí)，高壓儲(chǔ)罐中的超臨界co2或高壓液態(tài)二氧化碳經(jīng)過(guò)再熱器升溫，再進(jìn)入透平中推動(dòng)透平發(fā)電，同時(shí)再將再熱器出口的低溫蓄熱工質(zhì)冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷罐中，末級(jí)透平出口的co2再經(jīng)過(guò)冷卻器等設(shè)備冷卻至低溫低壓狀態(tài)，最后儲(chǔ)存在低壓儲(chǔ)罐，即將熱能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

3、現(xiàn)有技術(shù)中ces系統(tǒng)一般采用壓縮熱回收利用代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的燃料補(bǔ)燃，其壓縮熱能量品位較低，往往需要通過(guò)輸入熱源加熱高壓二氧化碳提高工質(zhì)做功能力，若采用絕熱壓縮形式的ces系統(tǒng)，其儲(chǔ)能過(guò)程與釋能過(guò)程在儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)熱之間耦合綁定，釋能過(guò)程功率上限有限，進(jìn)而難以滿足電網(wǎng)靈活調(diào)峰快速補(bǔ)充電力的需求；另一方面，提高工質(zhì)工作溫度區(qū)間，往往伴隨低溫余熱浪費(fèi)與溫區(qū)匹配難題。

4、因此亟需一種補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法，將儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)熱解耦，使燃料補(bǔ)燃參與釋能過(guò)程，利用純氧燃燒特性改變補(bǔ)燃帶來(lái)的碳排放不利影響，提高系統(tǒng)峰值發(fā)電能力，進(jìn)一步提高ces系統(tǒng)工作靈活性，彌補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰缺口；采用吸收式制冷技術(shù)，將低溫余熱轉(zhuǎn)化為可用冷能，符合能量梯級(jí)利用溫區(qū)匹配原則，提高能源利用率與系統(tǒng)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于，包括：儲(chǔ)能裝置、補(bǔ)燃發(fā)電裝置以及吸收式制冷機(jī)；在儲(chǔ)能裝置與補(bǔ)燃發(fā)電裝置之間設(shè)有預(yù)熱循環(huán)單元、壓縮熱回收單元、低壓液態(tài)儲(chǔ)罐、高壓液態(tài)儲(chǔ)罐以及相變蓄冷器；

2、所述儲(chǔ)能裝置包括：氣體壓縮機(jī)、氣體壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)、冷凝器、增壓泵；

3、所述補(bǔ)燃發(fā)電裝置包括：穩(wěn)壓泵、回?zé)崤蛎洐C(jī)、第一發(fā)電機(jī)、補(bǔ)燃回?zé)崞?、燃燒室分流閥、補(bǔ)燃燃燒室、補(bǔ)燃膨脹機(jī)、第二發(fā)電機(jī)、冷卻器、氣液分離器、工質(zhì)分流閥；

4、所述吸收式制冷機(jī)包括：發(fā)生器換熱器、發(fā)生器、制冷機(jī)冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器換熱器、溶液節(jié)流閥、吸收器冷卻器、吸收器驅(qū)動(dòng)泵、冷媒泵、冷媒分流閥；

5、所述壓縮熱回收單元用于壓縮過(guò)程熱量回收及發(fā)電過(guò)程回收的熱量再利用；氣體壓縮機(jī)、壓縮熱換熱器以及冷凝器依次串聯(lián)；穩(wěn)壓泵、壓縮熱回?zé)崞饕约盎責(zé)崤蛎洐C(jī)依次串聯(lián)；

6、所述預(yù)熱循環(huán)單元用于壓縮過(guò)程吸收顯冷及發(fā)電過(guò)程顯冷再利用的功能；相變蓄冷器、冷端換熱器以及氣體壓縮機(jī)依次串聯(lián)；氣液分離器、熱端換熱器以及工質(zhì)分流閥依次串聯(lián)；

7、低壓液態(tài)儲(chǔ)罐分別與相變蓄冷器、蒸發(fā)器換熱器和冷媒分流閥相連；

8、所述預(yù)熱循環(huán)單元包括：冷端換熱器，冷工質(zhì)罐，冷工質(zhì)泵，熱工質(zhì)泵，熱工質(zhì)罐，散熱器，熱端換熱器；其中，冷端換熱器的一側(cè)與冷工質(zhì)罐入口和熱工質(zhì)泵出口連接，冷端換熱器的另一側(cè)與儲(chǔ)能裝置連接，冷工質(zhì)罐出口與冷工質(zhì)泵入口連接，熱端換熱器的一側(cè)分別與冷工質(zhì)泵和散熱器連接，熱端換熱器另一側(cè)與補(bǔ)燃發(fā)電裝置連接，散熱器出口與熱工質(zhì)罐入口連接，熱工質(zhì)罐出口與熱工質(zhì)泵連接；預(yù)熱循環(huán)單元所有組件在儲(chǔ)能裝置和補(bǔ)燃發(fā)電裝置之間連接構(gòu)成預(yù)熱循環(huán)。

9、所述壓縮熱回收單元包括：壓縮熱換熱器，熱油罐，熱油循環(huán)泵，壓縮熱回?zé)崞鳎屠淦?，冷油罐，冷油循環(huán)泵；其中壓縮熱換熱器的一側(cè)與熱油罐入口和冷油循環(huán)泵出口連接，另一側(cè)與儲(chǔ)能裝置連接，熱油罐出口與熱油循環(huán)泵入口連接，壓縮熱回?zé)崞鞯囊粋?cè)與油冷器入口和熱油循環(huán)泵出口連接，另一側(cè)與補(bǔ)燃發(fā)電裝置連接，油冷器出口與冷油罐入口連接，冷油罐出口與冷油循環(huán)泵出口連接；壓縮熱回收單元所有組件在儲(chǔ)能裝置和補(bǔ)燃發(fā)電裝置之間連接構(gòu)成壓縮熱回收循環(huán)。

10、所述低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的出口與相變蓄冷器的冷端入口連接，相變蓄冷器的冷端出口與預(yù)熱循環(huán)單元的冷端換熱器的入口連接，預(yù)熱循環(huán)單元的冷端換熱器的出口與氣體壓縮機(jī)的入口連接，氣體壓縮機(jī)與氣體壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)同軸連接，氣體壓縮機(jī)的出口與壓縮熱換熱器的入口連接，壓縮熱換熱器的出口與冷凝器入口連接，冷凝器出口與增壓泵入口連接，增壓泵出口與高壓液態(tài)儲(chǔ)罐入口連接；

11、所述高壓液態(tài)儲(chǔ)罐的出口與穩(wěn)壓泵入口連接，穩(wěn)壓泵出口與壓縮熱回收單元的壓縮熱回?zé)崞鞯娜肟谶B接，壓縮熱回?zé)崞鞯某隹谂c回?zé)崤蛎洐C(jī)入口連接，回?zé)崤蛎洐C(jī)與第一發(fā)電機(jī)同軸連接，回?zé)崤蛎洐C(jī)出口與補(bǔ)燃回?zé)崞骼涠巳肟谶B接，補(bǔ)燃回?zé)崞骼涠顺隹谂c燃燒室分流閥相連，燃燒室分流閥一端與補(bǔ)燃燃燒室連接，另一端與補(bǔ)燃燃燒室出口相連，補(bǔ)燃燃燒室出口與補(bǔ)燃膨脹機(jī)入口連接，補(bǔ)燃膨脹機(jī)與第二發(fā)電機(jī)同軸連接，補(bǔ)燃膨脹機(jī)出口與補(bǔ)燃回?zé)崞鳠岫巳肟谶B接；

12、補(bǔ)燃回?zé)崞鳠岫顺隹谂c吸收式制冷機(jī)發(fā)生器換熱器入口連接，吸收式制冷機(jī)發(fā)生器換熱器出口與冷卻器入口連接，冷卻器出口與氣液分離器入口連接，氣液分離器出口與熱端換熱器的入口連接，熱端換熱器的出口與分流閥相連，分流閥其中一條支路與相變蓄冷器的熱端入口相連，另一條支路通向系統(tǒng)外，相變蓄冷器的熱端出口與低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的入口相連。

13、本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括以下步驟：

14、當(dāng)所述補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)收到執(zhí)行儲(chǔ)能信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行儲(chǔ)能過(guò)程；

15、當(dāng)所述補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)收到執(zhí)行發(fā)電信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程，并伴隨執(zhí)行制冷過(guò)程。

16、所述系統(tǒng)執(zhí)行儲(chǔ)能過(guò)程包括：

17、儲(chǔ)能過(guò)程進(jìn)行時(shí)：低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的出口打開(kāi)釋放二氧化碳，二氧化碳依次通過(guò)相變蓄冷器、預(yù)熱循環(huán)單元的冷端換熱器、氣體壓縮機(jī)、壓縮熱回收單元的壓縮熱換熱器、冷凝器和增壓泵，氣體壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)和增壓泵啟動(dòng)，將低壓二氧化碳?jí)嚎s成高壓二氧化碳，并在壓縮過(guò)程產(chǎn)生熱能，電能轉(zhuǎn)化為二氧化碳的壓力釋能和熱能，增壓泵出口的高壓液態(tài)二氧化碳存入高壓液態(tài)儲(chǔ)罐，完成儲(chǔ)能過(guò)程；儲(chǔ)能過(guò)程進(jìn)行時(shí)，預(yù)熱循環(huán)單元的熱工質(zhì)罐的出口打開(kāi)，熱工質(zhì)泵啟動(dòng)，進(jìn)入預(yù)熱循環(huán)單元的冷端換熱器，與低溫低壓氣態(tài)二氧化碳換熱，熱工質(zhì)冷卻為冷工質(zhì)，存入冷工質(zhì)罐；壓縮熱回收單元的冷油出口打開(kāi)，冷油泵啟動(dòng)，冷油進(jìn)入壓縮熱換熱器，與高溫中壓氣態(tài)二氧化碳換熱，冷油加熱為熱油，存入熱油罐。

18、所述系統(tǒng)執(zhí)行補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程包括：

19、補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程進(jìn)行時(shí)：高壓液態(tài)儲(chǔ)罐出口打開(kāi)釋放二氧化碳，二氧化碳依次通過(guò)穩(wěn)壓泵、壓縮熱回收單元的壓縮熱回?zé)崞骱突責(zé)崤蛎洐C(jī)，燃料管道入口打開(kāi)，氧氣管道入口打開(kāi)，甲烷、氧氣和經(jīng)過(guò)第一次膨脹后的二氧化碳一起通過(guò)補(bǔ)燃回?zé)崞鳌⑷紵曳至鏖y、補(bǔ)燃燃燒室，甲烷、氧氣和二氧化碳在補(bǔ)燃燃燒室內(nèi)燃燒形成混合工質(zhì)，混合工質(zhì)通過(guò)補(bǔ)燃膨脹機(jī)、吸收式制冷機(jī)發(fā)生器換熱器、冷卻器和氣液分離器，氣液分離器液相出口打開(kāi)，分離水；經(jīng)過(guò)分離的純凈二氧化碳通過(guò)預(yù)熱循環(huán)單元的熱端換熱器、混合工質(zhì)分流閥和相變蓄冷器，混合工質(zhì)分流閥分流部分二氧化碳至系統(tǒng)外，低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的入口打開(kāi)，剩余二氧化碳存入低壓液態(tài)儲(chǔ)罐；

20、補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程進(jìn)行時(shí)，穩(wěn)壓泵啟動(dòng)，預(yù)熱循環(huán)單元內(nèi)冷工質(zhì)罐的出口打開(kāi)，冷工質(zhì)泵啟動(dòng)，冷工質(zhì)進(jìn)入預(yù)熱循環(huán)單元的熱端換熱器，與純凈的氣態(tài)二氧化碳換熱，冷工質(zhì)加熱為熱工質(zhì)，熱工質(zhì)罐的入口打開(kāi)；壓縮熱回收單元的熱油罐的出口打開(kāi)，熱油泵啟動(dòng)，熱油進(jìn)入壓縮熱回?zé)崞?，與高壓液態(tài)二氧化碳換熱，熱油冷卻為冷油，冷油罐入口打開(kāi)；

21、監(jiān)控燃燒室內(nèi)溫度，燃燒室分流閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，當(dāng)燃燒室溫度升高時(shí)，控制進(jìn)入燃燒室內(nèi)二氧化碳的物質(zhì)的量增加，當(dāng)燃燒室溫度降低時(shí)，控制控制進(jìn)入燃燒室內(nèi)二氧化碳的物質(zhì)的量減少，維持燃燒室內(nèi)溫度穩(wěn)定。

22、當(dāng)?shù)竭_(dá)所述儲(chǔ)能過(guò)程和所述補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程的限制條件時(shí)，執(zhí)行超限狀態(tài)控制方法，所述超限狀態(tài)控制方法包括：

23、當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行儲(chǔ)能過(guò)程時(shí)，監(jiān)控低壓液態(tài)儲(chǔ)罐和高壓液態(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力，當(dāng)?shù)蛪阂簯B(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力低于最低限制或高壓液態(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力高于最高限制時(shí)，關(guān)閉氣體壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)和增壓泵，關(guān)閉低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的出口；

24、當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程時(shí)，監(jiān)控低壓液態(tài)儲(chǔ)罐和高壓液態(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力，當(dāng)?shù)蛪阂簯B(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力高于最高限制或高壓液態(tài)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力低于最低限制時(shí)，關(guān)閉穩(wěn)壓泵，關(guān)閉燃料管道和氧氣管道入口，關(guān)閉高壓液態(tài)儲(chǔ)罐出口。

25、所述執(zhí)行制冷過(guò)程包括：

26、制冷過(guò)程進(jìn)行時(shí)，吸收器驅(qū)動(dòng)泵啟動(dòng)，氨和水混合濃溶液由吸收器驅(qū)動(dòng)泵送至發(fā)生器換熱器，在發(fā)生器換熱器與補(bǔ)燃發(fā)電過(guò)程的混合工質(zhì)產(chǎn)生熱交換，氨和水混合溶液中部分氨氣蒸發(fā)，蒸汽與溶液混合工質(zhì)在發(fā)生器分離，氨氣分離至制冷機(jī)冷凝器，在制冷機(jī)冷凝器內(nèi)冷卻液化形成氨溶液，溶液節(jié)流閥打開(kāi)，分離氨氣的氨和水稀溶液經(jīng)過(guò)溶液節(jié)流閥回流至吸收器；膨脹閥打開(kāi)，氨溶液流經(jīng)膨脹閥釋壓后進(jìn)入蒸發(fā)器換熱器，在蒸發(fā)器換熱器內(nèi)與冷媒換熱全部汽化，吸收熱量，產(chǎn)生低溫冷源；最終氨氣、氨和水稀溶液在吸收器冷卻器前混合，氨氣被稀溶液吸收，重新循環(huán)進(jìn)入吸收器驅(qū)動(dòng)泵；冷媒泵啟動(dòng)，冷媒經(jīng)過(guò)冷媒分流閥通向低壓液態(tài)儲(chǔ)罐和系統(tǒng)外界；

27、制冷過(guò)程進(jìn)行時(shí)，監(jiān)控外界冷用戶需求，當(dāng)冷需求增加時(shí)，控制冷媒分流閥開(kāi)度，供給外界冷媒流量增加，供給低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的冷媒流量減??；當(dāng)外界冷用戶需求減小時(shí)，控制冷媒分流閥開(kāi)度，供給外界冷媒流量減小，供給低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的冷媒流量增加；當(dāng)外界冷用戶需求減小和低壓液態(tài)儲(chǔ)罐的溫度低于設(shè)定工作溫度時(shí)，降低吸收器驅(qū)動(dòng)泵和冷媒泵的轉(zhuǎn)速，減少制冷量。

28、本發(fā)明的有益效果在于：

29、基于本發(fā)明公開(kāi)的一種補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法，應(yīng)用于壓縮氣體儲(chǔ)能、零碳發(fā)電、余熱制冷領(lǐng)域，所述補(bǔ)燃型液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能與冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括：儲(chǔ)能裝置、補(bǔ)燃發(fā)電裝置和吸收式制冷機(jī)；所述儲(chǔ)能裝置，利用電能，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)氣體壓縮機(jī)和增壓泵，將低壓二氧化碳?jí)嚎s成高壓二氧化碳，并在壓縮過(guò)程產(chǎn)生熱能，電能轉(zhuǎn)化為二氧化碳的壓力釋能和熱能進(jìn)行存儲(chǔ)；所述補(bǔ)燃發(fā)電裝置，首先利用儲(chǔ)能過(guò)程的二氧化碳的部分壓力釋能和部分熱能，由回?zé)崤蛎洐C(jī)做功帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)發(fā)電，再次利用燃料的化學(xué)能、壓縮過(guò)程的二氧化碳的部分壓力釋能和部分熱能，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能加熱混合工質(zhì)，由補(bǔ)燃膨脹機(jī)做功帶動(dòng)第二發(fā)電機(jī)發(fā)電；所述吸收式制冷機(jī)，利用混合工質(zhì)熱能，加熱氨-水混合溶液，利用兩種工質(zhì)沸點(diǎn)不同的原理，分離氨-水混合溶液，讓氨氣在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生低溫冷源。

30、通過(guò)對(duì)二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行壓縮液態(tài)存儲(chǔ)，以較高的儲(chǔ)能密度將電網(wǎng)盈余電力進(jìn)行消納存儲(chǔ)，并能在用電高峰期通過(guò)補(bǔ)燃高功率零碳排放發(fā)電，大幅提升二氧化碳做功能力，彌補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰缺口，同時(shí)考慮能量梯級(jí)利用與溫區(qū)匹配原則，合理利用余熱制冷，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效冷電聯(lián)產(chǎn)。將儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)熱解耦，使燃料補(bǔ)燃參與釋能過(guò)程，利用純氧燃燒特性改變補(bǔ)燃帶來(lái)的碳排放不利影響，提高系統(tǒng)峰值發(fā)電能力，進(jìn)一步提高ces系統(tǒng)工作靈活性，彌補(bǔ)電網(wǎng)調(diào)峰缺口；采用吸收式制冷技術(shù)，將低溫余熱轉(zhuǎn)化為可用冷能，符合能量梯級(jí)利用溫區(qū)匹配原則，提高能源利用率與系統(tǒng)效率。