一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统

本发明涉及一种与电网连接的储能及能源生产系统，尤其涉及一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统。

背景技术：

由于国际社会对能源、气候与环境的重视,中国政府已承诺,到2030年单位gdp的二氧化碳排放量比2005年下降60％～65％。在此背景下，风电、光电等可再生能源在未来将更大规模地发展。然而，风电、光电等可再生能源发电具有波动性，新能源发电规模大幅度发展会导致弃风、弃光现象愈加严重，造成了能源浪费，给电网调峰带来了困难，需要储电技术来存储新能源过饱和发电，实现电网削峰填谷，减少弃风、弃光造成的能源浪费。工业园区作为拥有大量燃煤供汽发电机组的电热消耗大户，需要承担起提高新能源供能占比，降低碳排放的责任。工业园区在新能源发电过饱和时大规模蓄电蓄电，在用能负荷高的时候采用储存下来的新能源电力供能是减少碳排放的有效手段。然而常用的蓄电方式如抽水蓄能工程建设受地理条件严格限制、站点资源较偏僻。蓄电池充放电功率有限、充电时间长、维护成本高。高温熔融盐蓄电在发电过程中存在很大的损失和低温热源浪费。为了同时满足工业园区的用电用热和减少碳排放的需求，为工业园区开发一种高效率的储能发电系统，取代传统燃煤发电供热机组具有重要的意义。

此外，风电、光电等可再生能源大规模发展，在未来会造成大量传统火电机组的关停，造成设备投资浪费。如果能提供一种方法将这些设备利用起来，在未来以新能源为主导的能源体系中将发电厂改造成蓄电厂，将极大地减少浪费，推动新能源发电大规模发展。

技术实现要素：

为了使工业园区以蓄电的方式更多消纳光伏、风电等新能源发电，解决弃光、弃风问题，实现减碳目标，同时参与电网调峰，实现削峰填谷。本发明提供了一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统。该系统克服了传统储能方式的弊端，效率高布置灵活，可分布式地布置在需要电能和热能的地方，为工业园区灵活提供电能和蒸汽。

为实现上述目的，本发明的一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统，包括低温蓄热装置、高温蓄热装置，在低温蓄热装置、高温蓄热装置之间设有压气机系统，该系统还包括热发电装置和热用户；所述的低温蓄热装置由低温蓄热介质储罐和低温池通过工质管道连接形成，所述高温蓄热装置由高温蓄热介质储罐和高温池通过工质管道连接形成，压气机系统用于将低温池输出的低温饱和蒸汽进行压缩并输入高温池中；所述压气机系统、热发电装置均与电网连通，向电网中取电或送电；低温池通过管道与低温热源连通，由低温热源向低温池补充工质和热量；

低温池和压气机系统、压气机系统和高温池、高温池和热发电装置、高温池和热用户、热发电装置和低温池、低温池和低温热源之间依次设有阀门v1、v2、v3、v4、v5、v6，通过控制各阀门的开关实现不同的工作过程。

低温蓄热介质储罐中有低温蓄热介质，如六水氯化镁、石蜡、脂肪酸等。低温池内有汽液共存的饱和工质，工质通常是水，也可以是溴化锂溶液等其他工质。低温池和低温蓄热介质储罐通过工质管道连通，低温蓄热介质储罐内设置有换热器，工质可在低温池通过工质管道流向低温蓄热介质储罐，在低温蓄热介质储罐内通过换热器完成与低温蓄热介质放热或吸热过程后返回低温池。

压气机系统与低温池通过工质管道相连，压气机系统从电网取电，消耗电能从低温池抽取工质蒸汽，将其压缩为高温高压的高参数蒸汽，通过介质管道将高参数蒸汽输送向高温池。

高温池和高温蓄热介质储罐通过工质管道连通。高温蓄热介质储罐中有高温蓄热介质，如lino3、高分子树脂材料等。高温池内有汽液共存的饱和工质。高温池和高温蓄热介质储罐通过工质管道连通，高温蓄热介质储罐内设置有换热器，工质可在高温池通过管道流向高温蓄热介质储罐，在高温蓄热介质储罐内通过换热器完成与高温蓄热介质放热或吸热过程后返回高温池。

高温池通过工质管道与热发电装置(通常为汽轮机)和热用户相连，高温池的高参数蒸汽进入汽轮机做功或者输送给热用户。

汽轮机和低温池通过工质管道相连，汽轮机排汽进入低温池后向低温蓄热介质储罐放热，再次凝结为液态工质，乏汽凝结放出的热量储存在低温蓄热介质储罐中。

低温池外设有低温热源与低温池通过工质管道连接，从低温热源向低温池补充工质和热量。低温热源可以是地热、工业废汽等。

本发明方案中低温、高温二者为相对而言的，并非对具体温度的限定。低温蓄热介质与高温蓄热介质均为相变材料，高温蓄热介质的熔点高于低温蓄热介质，根据实际应用选取材料熔点；

本发明所述的一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统，其工作可以包括两个过程。第一是耗电储热过程，在需要储能时，打开阀门v1、v2，启动压气机系统，利用电力驱动压气机系统工作，压气机系统从低温池抽取工质蒸汽降低了低温池的压力，致使低温池内工质的饱和温度降低，低温池内参数为t0(温度)、p0(压力)、h0(焓)的饱和液态工质在吸收低温蓄热介质储罐所储热量以及低温热源的共同作用下蒸发，产生的参数为t1、p1、h1的工质蒸汽，蒸汽经电力驱动的压气机系统压缩至高温池，转变成参数为t2、p2、h2的高温高压工质蒸汽，在高温池中，高参数工质蒸汽的温度由于高于高温蓄热介质储罐内相变蓄热介质的相变温度，能量被高温蓄热介质储罐中的高温蓄热介质吸收，储存在高温蓄热介质储罐中，高参数蒸汽凝结为液态饱和工质，储存在高温池中，耗电储热过程结束后关闭阀门v1、v2；第二是发电供热过程，在外界需要热能及电力时，打开阀门v3、v4、v5，高温池的压力下降致使高温池内的工质饱和温度降低，工质吸收高温蓄热介质储罐内储存的热量蒸发为参数t3、p3、h3的高温高压饱和工质蒸汽，工质蒸汽驱动汽轮机发电或对外供应高参数蒸汽，汽轮机发电产生参数为t4、p4、h4的乏汽排入低温池，低温池压力上升，当乏汽温度高于低温蓄热介质储罐内蓄热介质的蓄热温度时，乏汽通过低温蓄热介质储罐内的换热器向蓄热介质放热，将能量储存在低温蓄热介质储罐中，乏汽则再次变成饱和液态工质储于低温池，发电供热过程结束后关闭阀门v3、v4、v5。由于对外供热时工质无法回收及低温池内乏汽能量回收不足等原因，低温池和低温蓄热介质储罐中工质和能量会在运行中减少，为了维持低温池和低温蓄热介质储罐内物质和能量的平衡，需要从低温热源向低温池补充工质和热量。上述两个过程，根据实际情况，既可分开进行，又可同时进行。对外输出的能源产品，既可以是热电联供，也可纯供热。

本系统按耗电储热过程和纯发电过程运行时，在发电工质质量为m1吨，发电机及传动系统总效率为η3的情况下，供电效率由下式计算：

其中，w1(单位：kw·h)为发电量，w2(单位：kw·h)为压气机系统机组耗功。

w1的计算方式如下：

w1＝(h3-h4)*m1*η3/3.6

w2的计算方式如下：

w2＝(h2-h1)*m1/3.6

本系统在按耗电储热过程和纯供热过程运行，在供热工质质量为m2吨的情况下，热泵系数由下式计算：

其中，q为供热量，w2为压气机系统机组耗功。

q的计算方式如下：

q＝(h3-h0)*m2/3.6

w2的计算方式如下：

w2＝(h2-h1)*m2/3.6

本发明的有益效果如下所述：第一，本基于高低温蓄热介质的热电联产系统是一种高效率的储能系统，工质循环过程中不存在大温差换热，不可逆损失较小。第二，本系统纯供热运行时，使用低价的电能产生热泵效应，充分发挥了电的高品质性能。第三，对外供电供热之间的灵活转换，可以灵活适应工业园区的实际需求，为工业园区实现更大的新能源发电消纳，减少碳排放。第四，本系统寿命长，关键技术成熟，所利用的热力装置及技术有成熟的应用经验。第五，本系统设备规模宜大宜小，可在不同的场合得到应用。第六，本发明的关键组成设备与传统火电厂存在大量重叠，可利用火电厂原有的场地和设备，将火电厂按照本系统改造成蓄电厂，为火电厂在未来以新能源为主导的能源体系中提供了一条出路。

附图说明

图1为本发明的一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统构成原理图。

图2为本发明的一种基于高低温蓄热介质的热电联产系统运行时工质的压力-熵图。图中水平直线l1、l2分别为低温相变蓄热材料的相变温度线和高温相变蓄热材料的相变温度线。

具体实施方式

实施例1：

耗电储热-纯发电模式，选择工质为水，质量m＝1000t，低温蓄热材料相变温度为110℃，高温蓄热材料相变温度为210℃。耗电储热运行时，如图1所示。打开阀门v1、v2，打开压气机系统3，低温池2压力降低致使低温池2内工质饱和温度降低，低温池2中的工质吸收低温蓄热介质储罐1中相变材料的热量蒸发为饱和汽，即在图2压力-熵图中从12点到2点。低温池2内的饱和汽被压气机系统3压缩后成为高温高压的高参数蒸汽，即在图2压力-熵图中从2点到3点。高参数蒸汽进入高温池5，然后其热量被高温蓄热介质储罐4内的相变材料吸收，蒸汽放热后在高温池5内凝结成饱和水，即在图2压力-熵图中从3点到41点。此过程通过压气机系统3向电网8取电，将电网8中的电储存在储热罐4中，完成蓄电过程。

放热供电时，打开阀门v3、v5启动汽轮机6，高温池5压力降低，其内部工质的饱和温度下降，工质吸收高温蓄热介质储罐4中的热量蒸发变为饱和汽，即在图2压力-熵图中从42点到5点。饱和蒸汽进入汽轮机6做功发电，在汽轮机6出口变为湿蒸汽，即在图2压力-熵图中从5点到6点。汽轮机6排汽进入低温池，对低温蓄热介质储罐1内相变材料放热后凝结成为低温饱和液体，这个过程中湿蒸汽放出的热量被低温蓄热材料吸收，储存在低温相变材料中，即在图2压力-熵图中从6点到11点。完成一个循环。

在循环过程中，低温池2在膨胀放热供电中从乏汽回收的热量和在压缩蓄热运行时加热工质放出的热量可能不平衡。如果低温池在膨胀放热供电中从乏汽回收的热量少于在压缩蓄热运行时加热工质放出的热量，需要打开阀门v6从低温热源9补充低温池中的热量，以使循环可以维持下去。

取压气机系统系统综合效率η1＝0.86，汽轮机相对内效率η2＝0.86，发电机及传动装置综合效率η3＝0.98的工况下，压缩蓄热运行时，低温池中水的参数为t0＝105℃，p0＝0.1209mp，h0＝440.2111kj/kg，低温池出口蒸汽参数为t1＝106℃，p1＝0.1209mp，h1＝2683.4kj/kg。压气机系统出口绝热参数为t21＝461.262℃，p21＝2.1068mp，h21＝3381.451kj/kg，每千克蒸汽压气机系统绝热做功w21＝h21-h1＝698.058kj/kg,每千克蒸汽压气机系统实际做功w2＝w21/η1＝811.696kj/kg；压气机系统出口实际参数为t2＝512.724，p2＝2.106mp，h2＝h1+w2＝3495.088kj/kg。膨胀放热供电运行时，高温池出口蒸汽参数为t3＝206℃，p3＝1.7243mp，h3＝2794.8kj/kg。汽轮机排汽绝热参数t41＝115.000℃，p41＝0.169mp，干度x41＝0.862，h41＝2392.036kj/kg。汽轮机等熵做功w41＝h3-h41＝402.7987kj/kg，汽轮机实际做功为w4＝w41*η2＝342.943kj/kg。汽轮机排汽实际参数为t4＝115.000℃，p4＝0.169mp，h4＝h3-w4＝2451.959kj/kg,干度x4＝0.889。

该系统的供电效率为

其中，w1为发电量，w2为压气机系统机组耗功。

w1的计算方式如下：

w1＝(h3-h41)*η2*η3*m/3.6

经计算w1＝95261.89974kw·h

w2的计算方式如下：

w2＝(h21-h1)/η1*m/3.6

经计算w2＝225471.012kw·h

经计算，本基于高低温蓄热介质循环的蓄电蓄热装置在按照压缩蓄热-膨胀放热发电模式运行时的供电效率为42.25％。

实施例2：

耗电储热-纯供热模式，选择工质为水，质量m＝1000t，低温蓄热材料相变温度为110℃，高温蓄热材料相变温度为210℃。耗电储热运行时，如图1所示。打开阀门v1、v2，打开压气机系统3，低温池2压力降低致使低温池2内工质饱和温度降低，低温池2中的工质吸收低温蓄热介质储罐1中相变材料的热量蒸发为饱和汽，即在图2压力-熵图中从12点到2点。低温池2内的饱和汽被压气机系统3压缩后成为高温高压的高参数蒸汽，即在图2压力-熵图中从2点到3点。高参数蒸汽进入高温池5，然后其热量被高温蓄热介质储罐4内的相变材料吸收，蒸汽放热后在高温池5内凝结成饱和水，即在图2压力-熵图中从3点到41点。此过程通过压气机系统3向电网8取电，将电网8中的电储存在储热罐4中，完成蓄电过程。此过程的压力-熵图如图2所示。

对外供热时，打开高温池出口阀门v4，高温池压力降低，其内部工质的饱和温度下降，工质吸收高温蓄热介质储罐中的热量蒸发变为饱和汽即在图2压力-熵图中从42点到5点。饱和汽通过工质管道输送给热用户7，被热用户利用。为了保证低温池的正常工作，此种工作模式对外输出热水时必须向低温池2补充同样参数的工质，以弥补输出工质中质量与能量损失，即打开阀门v6，从低温热源9向低温池2补充能量和工质。与一般电加热不同的是输出的蒸汽增加了压力，即热泵效应。

供给热用户7的蒸汽由于无法回收到低温池2，需要打开阀门v6从低温热源9向低温池2补充工质和热量。

取压气机系统系统综合效率η1＝0.86，压缩蓄热运行时，低温池中水的参数为t0＝105℃，p0＝0.1209mp，h0＝440.2111kj/kg，低温池出口蒸汽参数为t1＝106℃，p1＝0.1209mp，h1＝2683.4kj/kg。压气机系统出口绝热参数为t21＝461.262℃，p21＝2.1068mp，h21＝3381.451kj/kg，每千克蒸汽压气机系统绝热做功w21＝h21-h1＝698.058kj/kg,每千克蒸汽压气机系统实际做功w2＝w21/η1＝811.696kj/kg；压气机系统出口实际参数为t2＝512.724，p2＝2.106mp，h2＝h1+w2＝3495.088kj/kg。膨胀放热供电运行时，高温池出口对外供汽参数为：t3＝206℃，p3＝1.7243mp，h3＝2794.8kj/kg。

热泵系数为：

计算得热泵系数为e＝2.901

实施例3：

耗电储热-热电联产模式，选择工质为水，质量m＝1000t，低温蓄热材料相变温度为110℃，高温蓄热材料相变温度为210℃。耗电储热运行时，如图1所示。打开阀门v1、v2，打开压气机系统3，低温池2压力降低致使低温池2内工质饱和温度降低，低温池2中的工质吸收低温蓄热介质储罐1中相变材料的热量蒸发为饱和汽，即在图2压力-熵图中从12点到2点。低温池2内的饱和汽被压气机系统3压缩后成为高温高压的高参数蒸汽，即在图2压力-熵图中从2点到3点。高参数蒸汽进入高温池5，然后其热量被高温蓄热介质储罐4内的相变材料吸收，蒸汽放热后在高温池5内凝结成饱和水，即在图2压力-熵图中从3点到41点。此过程通过压气机系统3向电网8取电，将电网8中的电储存在储热罐4中，完成蓄电过程。

热电联产时，打开阀门v5，并将高温池出口阀门v4、v3根据供电和供热的需求分别设置合理的开度，高温池5压力降低，其内部工质的饱和温度下降，工质吸收高温蓄热介质储罐4中的热量蒸发变为饱和汽，即在图2压力-熵图中从42点到5点。从高温池出来的蒸汽流分为两股，分别至汽轮机发电和至热用户供热，实现热电联产。

经过阀门v3的饱和蒸汽进入汽轮机6做功发电，在汽轮机6出口变为湿蒸汽，即在图2压力-熵图中从5点到6点。汽轮机6排汽进入低温池，对低温蓄热介质储罐1内相变材料放热后凝结成为低温饱和液体，这个过程中湿蒸汽放出的热量被低温蓄热材料吸收，储存在低温相变材料中，即在图2压力-熵图中从6点到11点。

经过阀门v4的饱和汽通过工质管道输送给热用户7，被热用户利用。

由于对外供热时工质无法回收及低温池2内乏汽能量回收不足等原因，低温池2和低温蓄热介质储罐1中工质和能量会在运行中减少，为了维持低温池2和低温蓄热介质储罐1内物质和能量的平衡，需要从低温热源9向低温池2补充工质和热量。