集成多温区的冷热电三联供卡诺电池储能系统及运行方法

本发明涉及综合能源利用和储能，具体涉及一种集成多温区的冷热电三联供卡诺电池储能系统及运行方法。

背景技术：

1、节能减排是当今时代能源发展利用的主题，可再生能源和新型绿色能源则是未来的必然趋势。然而，可再生能源强烈的时变特性也给电力系统的安全稳定带来了巨大挑战。储能技术凭借其削峰填谷的特性，成为新能源技术大规模发展的关键支撑，卡诺电池分别采用热泵循环、热机循环实现电能增值制热和热电转化，是极具潜力的高效大规模热储能技术。利用卡诺电池储能技术可搭建新型冷热电三联供综合能源系统，可实现对能源的梯级利用，大大提高能源的利用效率。然而，目前缺乏对卡诺电池冷热电三联供系统的系统构型的设计和运行方法，需要解决的问题包括：

2、1)目前卡诺电池用于冷热电三联供系统的研究较少，如何设计系统构型、循环工质以及相匹配的储能介质，使得系统的整体效率较高且满足实际用能需求；

3、2)冷热电三联供系统在运行时，采用何种运行调控策略，使得既可以满足实际生产、生活用能需求的变化，又能使系统维持较高的效率，具有较好的热经济性。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成多温区的冷热电三联供卡诺电池储能系统及运行方法，本发明的卡诺电池储能系统可将单一电能存储起来并转化为冷热电三种能源形式产出，满足多种实际场景下的用能需求，且可用来平抑电网和用户负荷波动、促进新能源消纳。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种集成多温区的冷热电三联供卡诺电池储能系统，所述的冷热电三联供卡诺电池储能系统包括六个子系统：热泵循环储能系统、热机循环发电系统、多温区储热系统、多温区储冷系统、多温区供热系统和多温区供冷系统；其中，

4、所述热泵循环储能系统包括依次连接的热泵电动压缩机1、第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3、热泵膨胀发电机3、第一级低温换热器4-1和第二级低温换热器4-2；工质先流经第一级低温换热器4-1和第二级低温换热器4-2进行吸热升温，然后工质进入热泵电动压缩机1中被压缩升温，接着依次进入第一级高温换热器2-1，第二级高温换热器2-2和第三级高温换热器2-3中依次释放热量，再流经热泵膨胀发电机3膨胀做功并发电，最后再次进入第一级低温换热器4-1和第二级低温换热器4-2，重复此过程；

5、所述热机循环发电系统包括依次连接的热机膨胀发电机10、第二级低温换热器4-2、第一级低温换热器4-1、热机压缩机11、流量调节阀12、第三级高温换热器2-3、第二级高温换热器2-2和第一级高温换热器2-1；工质先进入热机压缩机11中被压缩，接着通过流量调节阀12依次流经第三级高温换热器2-3，第二级高温换热器2-2和第一级高温换热器2-1进行吸热升温，然后进入热机膨胀发电机10中膨胀做功并发电，接着进入第二级低温换热器4-2和第一级低温换热器4-1中释放热量，最后再次进入热机压缩机11，重复此过程；

6、所述多温区储热系统包括依次连接的第一级高温换热器2-1、热侧高温储热罐5a、2#高温储热介质泵5d、冷侧高温储热罐5b和1#高温储热介质泵5c，依次连接的第二级高温换热器2-2、热侧中温储热罐6a、2#中温储热介质泵6d、冷侧中温储热罐6b和1#中温储热介质泵6c，依次连接的第三级高温换热器2-3、热侧低温储热罐7a、2#低温储热介质泵7d、冷侧低温储热罐7b和1#低温储热介质泵7c；在热泵循环时，工质依次流经第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3释放热量，储热罐回路中设置的1#高温储热介质泵5c将储热介质从冷侧高温储热罐5b抽送到热侧高温储热罐5a，储热罐回路中设置的1#中温储热介质泵6c将储热介质从冷侧中温储热罐6b抽送到热侧中温储热罐6a，储热罐回路中设置的1#低温储热介质泵7c将储热介质从冷侧低温储热罐7b抽送到热侧低温储热罐7a，实现不同温区的热量存储；在热机循环时，工质依次流经第三级高温换热器2-3、第二级高温换热器2-2、第一级高温换热器2-1吸收热量，储热罐回路中设置的2#高温储热介质泵5d将储热介质从热侧高温储热罐5a抽送至冷侧高温储热罐5b，储热罐回路中设置的2#中温储热介质泵(6d)将储热介质从热侧中温储热罐6a抽送至冷侧中温储热罐6b，储热罐回路中设置的2#低温储热介质泵7d将储热介质从热侧低温储热罐7a抽送至冷侧低温储热罐7b，实现热量释放与利用；

7、所述多温区储冷系统包括依次连接的第一级低温换热器4-1、热侧超低温储冷罐8a、1#储冷介质泵8c、冷侧超低温储冷罐8b和2#储冷介质泵8d，依次连接的第二级低温换热器4-2、热侧低温储冷罐9a、3#储冷介质泵9c、冷侧低温储冷罐9b和4#储冷介质泵9d；在热泵循环时，工质依次流经第一级低温换热器4-1、第二级低温换热器4-2吸收热量，储冷罐回路中设置的1#储冷介质泵8c将储冷介质从热侧超低温储冷罐8a抽送至冷侧超低温储冷罐8b，储冷罐回路中设置的3#储冷介质泵9c将储冷介质从热侧低温储冷罐9a抽送至冷侧低温储冷罐9b，实现不同温区的冷量存储；在热机循环时，工质依次流经第二级低温换热器4-2、第一级低温换热器4-1释放热量，储冷罐回路中设置的2#储冷介质泵8d将储冷介质从冷侧超低温储冷罐8b抽送至热侧超低温储冷罐8a，储冷罐回路中设置的4#储冷介质泵9d将储冷介质从冷侧低温储冷罐9b抽送至热侧低温储冷罐9a，实现冷量的释放与利用。

8、所述多温区供热系统包括两级供热，即工业供热回路和采暖供热回路，其中：工业供热回路中，来自低温蒸汽管路28的低温供热蒸汽依次与蒸汽泵15、低温供热蒸汽支路阀16与中温蒸汽换热器17相连接，之后经热侧蒸汽三通阀18分两路，一路直接回到中温蒸汽供热回路29，另一路经过高温蒸汽换热器14后与高温蒸汽供热回路30相连接；热侧高温储热罐5a的热量通过2#高温储热介质泵5d和高温储热介质三通阀13，传递给高温蒸汽换热器14，高温蒸汽换热器14出口储热介质回到冷侧高温储热罐5b，重复此过程；热侧中温储热罐6a的热量通过2#中温储热介质泵6d和中温储热介质三通阀19，传递给中温蒸汽换热器17，中温蒸汽换热器17出口储热介质回到冷侧中温储热罐6b，重复此过程；采暖供热回路中，来自供热回水管路31的低温回水依次通过供热回水支路上的水泵22、热水阀23、低温回水流经热水换热器21，最终回到热水供水管路32；热侧低温储热罐7a的热量通过2#低温储热介质泵7d和低温储热介质三通阀20，传递热量给低温回水流经热水换热器21，热水换热器21出口储热介质回到冷侧低温储热罐7b，重复此过程；

9、所述多温区供冷系统包括两级供冷，即低温供冷回路和超低温供冷回路，低温供冷回路中，来自冷侧低温储冷罐9b的储冷介质依次流过4#储冷介质泵9d和低温储冷介质三通阀27，部分储冷介质进入低温储冷介质换热器26对外供冷，最终回到热侧低温储冷罐9a，重复此过程；超低温供冷回路中，来自冷侧超低温储冷罐8b的超低温储冷介质依次流过2#储冷介质泵8d和超低温储冷介质三通阀25，部分超低温储冷介质进入超低温储冷介质换热器24对外供冷，最终回到热侧超低温储冷罐8a，重复此过程。

10、进一步地，所述多温区储热系统采用三级布置，热侧高温储热罐5a和冷侧高温储热罐5b采用二元太阳能盐作为高温储热介质，工作温区300～500℃；热侧中温储热罐6a和冷侧中温储热罐6b采用导热油作为中温储热介质，工作温区100～350℃；热侧低温储热罐7a和冷侧低温储热罐7b采用常压水作为低温储热介质，工作温区20～105℃。

11、进一步地，所述多温区储冷系统采用两级布置，热侧低温储冷罐9a和冷侧低温储冷罐9b采用有机物庚烷作为低温储冷介质，工作温区-20～25℃；热侧超低温储冷罐8a和冷侧超低温储冷罐8b采用有机物丙烷作为超低温储冷介质，工作温区-60～-20℃。

12、进一步地，所述热泵循环和热机循环的工质采用氩气，循环形式采用布雷顿循环，工作温度最高可达550℃，最低可达-90℃。

13、进一步地，所述热泵电动压缩机1采用离心式压缩机，热泵膨胀发电机3采用轴流式膨胀机，且热泵电动压缩机1与热泵膨胀发电机3同轴连接，工质流经热泵膨胀发电机3可以回收部分功，减少电能消耗；热机循环的热机膨胀发电机10采用轴流式膨胀机，热机压缩机11采用离心式压缩机，热机膨胀发电机10与热机压缩机11同轴连接，热机压缩机11的驱动不再需要电机单独接入。

14、进一步地，所述第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3、第一级低温换热器4-1和第二级低温换热器4-2均采用管壳式换热器；高温蒸汽换热器14、中温蒸汽换热器17、热水换热器21、超低温储冷介质换热器24和低温储冷介质换热器26均选用板翅式换热器；以上换热器进出口均设置有温度和压力传感器，对温度和压力进行检测和控制，确保各储热介质和储冷介质均工作在其对应的温区。

15、一种集成多温区的冷热电三联供卡诺电池储能系统的运行方法，

16、1)当用户处于用电低谷时，启动热泵循环储能系统，电能输入到热泵电动压缩机1对工质进行加压，从而获得高温高压工质，接着该工质进入第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3中依次释放热量，将多级热量分别储存到高温储冷罐、中温储冷罐和低温储热罐中，再流经热泵膨胀发电机3膨胀做功并发电，最后工质进入第一级低温换热器4-1和第二级低温换热器4-2吸收热量，将多级冷量分别储存到超低温储冷罐和低温储冷罐中，实现了电能到热能的转化和存储；

17、2)当用户处于用电高峰时，启动热机循环发电系统，通过流量调节阀12调节工质流量，工质首先流经热机压缩机11中被压缩，接着在第三级高温换热器2-3、第二级高温换热器2-2和第一级高温换热器2-1中吸收低温储冷罐、中温储冷罐和高温储热罐的热量，获得高温高压工质，然后高温高压工质进入热机膨胀发电机10中膨胀做功并对外发电，接着工质进入第二级低温换热器4-2和第一级低温换热器4-1中吸收低温储冷罐和超低温储冷罐的冷量，最后再次进入热机压缩机11中，可实现电能的输出，满足用户电负荷需求；

18、3)当用户需要供热时，启动多温区供热系统：当有高温蒸汽的工业供热需求时，低温供热蒸汽从低温蒸汽管路28引入，此时将低温供热蒸汽支路阀16和蒸汽泵15打开，低温供热蒸汽依次流经中温蒸汽换热器17、热侧蒸汽三通阀18和高温蒸汽换热器14被多温区储热系统中温储热介质、高温储热介质依次加热升温至约300-400℃，然后通过高温蒸汽供热回路30供给高温蒸汽；当有中温蒸汽的工业供热需求时，低温蒸汽与多温区储热系统中温储热介质在中温蒸汽换热器17中换热并升温至约150～250℃，通过热侧蒸汽三通阀18后直接返回中温蒸汽供热回路29提供中温蒸汽；当有采暖供热需求时，低温回水通过供热回水管路31引入，此时，打开供热回水支路上的水泵22和热水阀23，低温回水流经热水换热器21与多温区储热系统低温储热介质进行换热升温至约80～90℃，通过热水供水管路32返回加热后的热水；

19、4)当用户需要供冷时，启动多温区供冷系统，常用冷量需求有两种，一种是-30℃～-5℃的冷冻负荷，一种是0～20℃的制冷负荷；当有制冷负荷需求时，低温储冷罐回路中打开4#储冷介质泵9d和低温储冷介质三通阀27，储冷介质在低温储冷介质换热器26中与制冷剂进行换热，制冷剂温度降低，从而满足制冷负荷需求；当有冷冻负荷需求时，超低温储冷罐回路中打开2#储冷介质泵8d和超低温储冷介质三通阀25，制冷剂在超低温储冷介质换热器24中与超低温储冷介质交换热量，在到达用户侧时则释放冷量，从而满足冷冻负荷需求。

20、进一步地，1)当用户同时需要多种形式的供热且不需要电负荷和冷负荷需求时，此时需要同时关闭高温储热介质三通阀13、中温储热介质三通阀19和低温储热介质三通阀20分别流入第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3的通路，且多温区供冷系统不启动；主要考虑工业热负荷和采暖热负荷两种需求，其中工业热负荷属于常年性热负荷，在一年中变化的幅度不大，采暖热负荷则属于季节热负荷，仅在采暖季有实际需求且变化幅度较大；若处于采暖季，低温蒸汽回路和供热回水支路上的低温供热蒸汽支路阀16、热水阀23和蒸汽泵15、水泵22均打开，供热回水与低温储热介质进行换热，供热蒸汽则分别与中温储热介质和高温储热介质进行换热，供热蒸汽通过热侧蒸汽三通阀18引出一条回路用于返回中温供热蒸汽，可同时实现采暖热水、中温蒸汽和高温蒸汽的产出及流量调节；当处于非采暖季时，低温蒸汽支路上的低温供热蒸汽支路阀16和蒸汽泵15打开，供热回水支路上的热水阀23和水泵22则关闭，2#低温储热介质泵7d关闭，通过供热蒸汽回路中热侧蒸汽三通阀18的调节，可实现高温蒸汽和中温蒸汽的产出及流量分配；

21、2)当用户同时需要多种形式的供冷且不需要电负荷和热负荷需求时，此时需要同时关闭低温储冷介质三通阀27和超低温储冷介质三通阀25分别流入第二级低温换热器4-2和第一级低温换热器4-1的通路，且多温区供热系统不启动；当处于高温季时，制冷和冷冻负荷均需要，低温储冷介质三通阀27和超低温储冷介质三通阀25分别流入低温储冷介质换热器26和超低温储冷介质换热器24的通路均打开，低温储冷介质与制冷剂回路进行换热，制冷剂温度降低，可用于制冷工况，超低温储冷介质与制冷剂回路进行换热，可用于冷冻工况；当处于非高温季时，只有冷冻工况需求，此时低温储冷介质三通阀27流过低温储冷介质换热器26的通路关闭，超低温储冷介质三通阀25流过超低温储冷介质换热器24的通路打开，超低温储冷介质与制冷剂回路进行换热，制冷剂温度降低，并通过对超低温储冷介质三通阀25的调节，还可实现对冷冻温度的控制；

22、3)当用户同时需要多种形式的供热及供冷，但无电负荷需求时，需要关闭高温储热介质三通阀13、中温储热介质三通阀19和低温储热介质三通阀20分别流入第一级高温换热器2-1、第二级高温换热器2-2、第三级高温换热器2-3的通路，同时关闭低温储冷介质三通阀27和超低温储冷介质三通阀25分别流入第二级低温换热器4-2和第一级低温换热器4-1的通路，其余按照1)和2)的方案组合运行即可；

23、4)当用户同时有冷热电负荷需求时；系统首先满足电负荷需求，通过流量调节阀12调节工质的流量来调节发电量，同时，调节多级储热系统中、多级储冷系统中的高温储热介质三通阀13、中温储热介质三通阀19、低温储热介质三通阀20、超低温储冷介质三通阀25、低温储冷介质三通阀27用于供热和发电、供冷和发电的储热、储冷介质的流量分配，使得热机循环的工质处于正常的工作温区内；其次满足热负荷需求，最后再考虑冷负荷的需求。

24、和现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、(1)由于本权利要求中集成多温区储热，可以实现多种热量的存储及产出，以满足实际供热需求的多样性；

26、(2)集成多温区储冷，可以实现多种冷量的存储及产出，以满足实际供冷需求的多样性；

27、(3)将卡诺电池储能系统设计为冷热电三联供系统，利用多级换热器，实现了对能源的梯级利用，大大提高了能源的利用效率；

28、(4)考虑实际用能负荷的多样性，指出适应不同用能需求和场景下的系统运行方法，在满足实际用能需求同时，维持了较好的热经济性。