基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统和方法

本发明涉及液态二氧化碳储能系统领域，尤其是涉及基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统和方法。

背景技术：

1、可再生能源发电往往具有间歇性，将其直接集成到电网系统会带来波动性和不稳定性，而储能技术可以解决削峰填谷的问题，近年来得到越来越多的应用。其中液态二氧化碳储能因其储能效率高、储能密度大、系统选址受限小等优点引起广泛的关注。

2、液态二氧化碳储能系统高压侧可用冷却水使二氧化碳冷凝，而低压侧冷凝方式通常在研究中采用节流阀和蓄冷器组合的冷凝方式，将储能时低压二氧化碳节流降压并将释放的冷量储存于蓄冷器，在释能时将储存的冷量用于透平出口的气态二氧化碳冷凝。这种方式虽然不受地理条件限制，但电循环效率不高、蓄冷器显热潜热分级储冷的设计难度大、且通过冷却器回收压缩机级后余热用于气化和加热透平入口的二氧化碳的方案需要大型储热储冷水循环，影响系统整体的应用可行性和布局紧凑性。

3、文献“conventional and advanced exergy analysis of a noveltranscritical compressed carbon dioxide energy storage system,”(z.liu,b.liu,j.guo,x.xin,and x.yang,energy conversion and management,vol.198,p.111807,oct.2019,doi:10.1016/j.enconman.2019.111807)批露了一种液态二氧化碳储能系统，在非用电高峰时段储能时，在低压罐出口节流液态二氧化碳，并将得到的冷量通过蓄冷器储存，用于高峰时段释能时透平出口的气态二氧化碳的冷凝。

4、然而，这种设计存在以下问题和缺点：

5、(1)储能时由于节流后二氧化碳处于气液两相状态，需要将其完全气化再通过多级压缩机和冷却器得到高压二氧化碳，相比于直接用液压泵加压，能耗较大。

6、(2)虽然该系统使用水或者其他储热介质将储能时压缩机级后冷却器的热量储存起来，用于释能时透平前高压二氧化碳的气化和加热，可以提高能量利用率，但这需要较为大型的储热储冷水循环，占地较大。

7、(3)低压储液罐和节流阀后的蓄冷器需要构建显热和潜热蓄冷模块，增加了设备成本和换热损失。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统和方法，提高系统电循环效率并取消储冷储热水循环和蓄冷器。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统，包括低压储液罐、储能部件、高压储液罐、吸收式制冷部件和释能部件；

4、所述储能部件包括第一开关阀、第一液压泵和第二液压泵，所述低压储液罐输出的液态二氧化碳依次经过第一开关阀、第一液压泵、第二液压泵，并储存进高压储液罐中；

5、所述释能部件包括第二开关阀、气化器、第一换热器、第二换热器、第一透平、第三换热器、第二透平、二氧化碳冷凝器、余热换热器和第三开关阀，所述高压储液罐出口的液态二氧化碳依次经过第二开关阀、气化器的第二进口、气化器的第二出口、第一换热器的第二进口、第一换热器的第二出口、第二换热器、第一透平、第三换热器的第二进口、第三换热器的第二出口、第二透平、二氧化碳冷凝器的第二进口，最终流入低压储液罐；所述气化器的第一进口连接有常温常压水、第一出口连接外部环境；

6、所述吸收式制冷部件包括第一混合器、吸收器、第三液压泵、回热器、精馏塔、冷凝器、第六开关阀、第一节流阀、第七开关阀和第二节流阀，所述二氧化碳冷凝器的第一出口连接第一混合器的第二进口，所述第一混合器的出口依次连接吸收器的第二进口、吸收器的第二出口、第三液压泵、回热器的第二通道进口、回热器的第二通道出口和精馏塔，所述精馏塔的第二气相出口依次连接冷凝器的第二进口、冷凝器的第二出口、第六开关阀、第一节流阀和二氧化碳冷凝器的第一进口；所述精馏塔的第二液相出口依次连接回热器的第一进口、回热器的第一出口、第七开关阀、第二节流阀和第一混合器的第一进口；所述吸收器的第一进口连接有常温常压水、第一出口连接外部环境；所述冷凝器的第一进口连接有常温常压水、第一出口连接外部环境；

7、所述余热换热器依次连接第三开关阀、第二换热器的第一进口、第二换热器的第一出口、精馏塔的第一进口、精馏塔的第一出口、第一换热器的第一进口、第一换热器的第一出口和第三换热器的第一进口，所述第三换热器的第一出口连接外部环境。

8、进一步地，所述二氧化碳储能系统还包括储热器、第一分流器、第二混合器、第二分流器、第四开关阀和第五开关阀，所述余热换热器的出口连接第一分流器的进口，所述第一分流器的第一出口通过第三开关阀连接第二换热器的第一进口，所述第二换热器的第一出口连接第二混合器的第一进口；

9、所述第一分流器的第二出口通过第四开关阀连接储热器的进口，所述储热器的出口通过第五开关阀连接第二混合器的第二进口，所述第二混合器的出口连接精馏塔的第一进口，所述精馏塔的第一出口连接第二分流器的进口，所述第二分流器的第二出口连接外部环境，所述第二分流器的第一出口连接第一换热器的第一进口。

10、本发明还提供一种如上所述的一种基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统的控制方法，包括以下步骤：

11、判断用户端是否处于用电高峰；

12、在非用电高峰时，关闭第二开关阀、第三开关阀、第六开关阀和第七开关阀，打开第一开关阀，进行储能过程；

13、在用电高峰时，关闭第一开关阀，打开第二开关阀、第三开关阀、第六开关阀和第七开关阀，进行释能过程。

14、进一步地，所述储能过程中，液态二氧化碳由低压储液罐进入第一液压泵加压后再进入第二液压泵进行加压，然后储存进高压储液罐，完成储能过程。

15、进一步地，所述释能过程中，液态二氧化碳由高压储液罐进入气化器，释放冷量并气化升温，随后进入第一换热器初步吸热升温，再进入第二换热器再次吸热升温后进入第一透平膨胀发电，随后进入第三换热器升温，再进入第二透平膨胀发电，接着第二透平出口的气态二氧化碳进入二氧化碳冷凝器冷凝为液态，储存进低压储液罐，完成二氧化碳膨胀发电；

16、较高浓度氨水溶液通过精馏塔分离为氨蒸气和较低浓度氨水溶液，所述氨蒸气通过冷凝器冷凝为液氨，通过第一节流阀节流降压，随后在二氧化碳冷凝器与第二透平出口的气态二氧化碳换热，吸热蒸发为氨气并将冷量传递给二氧化碳使其成为液态；所述较低浓度氨水溶液先通过回热器释放热量，再通过第二节流阀节流降压，随后与二氧化碳冷凝器出口的氨蒸气通过第一混合器混合，再通过吸收器释放吸收热，增加氨水溶液的浓度，随后通过第三液压泵加压并通过回热器升温，再重新进入精馏塔，完成吸收式制冷循环；

17、余热换热器得到的热量先通过第二换热器释放热量，再为精馏塔提供热量，随后依次通过第一换热器和第三换热器释放热量，完成释能过程。

18、本发明还提供一种如上所述的一种基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统的控制方法，包括以下步骤：

19、判断用户端是否处于用电高峰；

20、在非用电高峰时，关闭第二开关阀、第三开关阀、第五开关阀、第六开关阀和第七开关阀，打开第一开关阀和第四开关阀，进行储能过程；

21、在用电高峰时，关闭第一开关阀和第四开关阀，打开第二开关阀、第三开关阀、第五开关阀、第六开关阀和第七开关阀，进行释能过程。

22、进一步地，所述储能过程中，液态二氧化碳由低压储液罐进入第一液压泵加压后再进入第二液压泵进行加压，然后储存进高压储液罐，完成储能过程。

23、进一步地，所述释能过程中，液态二氧化碳由高压储液罐进入气化器，释放冷量并气化升温，随后进入第一换热器初步吸热升温，再进入第二换热器再次吸热升温后进入第一透平膨胀发电，随后进入第三换热器升温，再进入第二透平膨胀发电，接着第二透平出口的气态二氧化碳进入二氧化碳冷凝器冷凝为液态，储存进低压储液罐，完成二氧化碳膨胀发电；

24、较高浓度氨水溶液通过精馏塔分离为氨蒸气和较低浓度氨水溶液，所述氨蒸气通过冷凝器冷凝为液氨，通过第一节流阀节流降压，随后在二氧化碳冷凝器与第二透平出口的气态二氧化碳换热，吸热蒸发为氨气并将冷量传递给二氧化碳使其成为液态；所述较低浓度氨水溶液先通过回热器释放热量，再通过第二节流阀节流降压，随后与二氧化碳冷凝器出口的氨蒸气通过第一混合器混合，再通过吸收器释放吸收热，增加氨水溶液的浓度，随后通过第三液压泵加压并通过回热器升温，再重新进入精馏塔，完成吸收式制冷循环；

25、所述余热换热器得到的热量先通过第二换热器释放一定热量后与储热器中储存的热量通过第二混合器混合，为精馏塔提供驱动热源，随后通过第二分离器分流出一部分工质，再依次通过第一换热器和第三换热器释放热量，完成释能过程。

26、进一步地，所述二氧化碳冷凝器两侧质量流量的比值满足如下公式：

27、

28、式中，m1和m2分别表示二氧化碳冷凝器第一进口和第二出口的氨工质和二氧化碳工质的质量流量；r1和x1分别代表二氧化碳冷凝器第一进口的氨工质的汽化潜热和汽相分率；r2、c2和t2分别表示二氧化碳冷凝器第二出口的二氧化碳工质的汽化潜热、质量热容和温度；t3表示二氧化碳冷凝器第二进口的二氧化碳工质的温度。

29、进一步地，所述气化器、冷凝器和吸收器的一侧均采用常温常压水作为冷却和加热介质，所述常温常压水的质量流量满足如下公式：

30、

31、式中，m4和m5分别代表三个换热器中常温常压水工质和其他工作工质的质量流量，h4in和h4out分别表示三个换热器中常温常压水工质的进口和出口焓值，h5in和h5out分别表示三个换热器中其他工作工质的进口和出口焓值。

32、与现有技术相比，本发明提供了一种基于余热回收和吸收式制冷的二氧化碳储能系统，根据用户端用电需求和电网峰谷电价的变化实现能量的储存与释放，有利于削峰填谷，降低用户端用电成本并减缓用电高峰时段用户端较高的用电需求对电网的冲击与波动，具体具有以下优点：

33、(1)本发明采用双侧液态二氧化碳储能，相比于双侧气态和单侧液态二氧化碳储能，储能密度较高，储存容积减小，一定程度减小储能系统占地面积。

34、(2)本发明低压侧二氧化碳的冷凝方式采用吸收式制冷直接冷凝透平出口的气态二氧化碳，相比于节流阀和蓄冷器组合的冷凝方式，减少了储能压差故减少了储能时的压缩功耗，而且避免了低温下蓄冷器显热潜热分级蓄冷和漏冷损失的问题，因此可以提高系统电循环效率并减轻储能系统设计和研究难度。

35、(3)本发明由于不使用节流阀将低压储液罐出口的液态二氧化碳节流降压，不必将其气化再使用压缩机加压而是使用液压泵加压，取消了压缩机级后冷却器所需的冷却水循环；同时由于本系统梯级回收工业余热来加热释能时透平前的二氧化碳，不用回收压缩机级后冷却器得到的热量，因此避免采用蓄冷液化法采用的大型储热储冷水循环，减小水资源的利用和水循环系统的占地。

36、(4)本发明采用第一液压泵和第二液压泵分级加压液态二氧化碳，并采用第一透平和第二透平分级膨胀发电，保证系统储能和释能时的运行稳定性和安全可靠性。

37、(5)本发明在气化器、冷凝器和吸收器这三个换热器的一侧均采用常温常压水作为冷却和加热介质，以减少系统能耗并提高效率。

38、(6)在本发明的另一个方案中增加储热器等配套设备，可以在电力非高峰时段储能时同时储存工业余热并用于高峰时段释能时驱动吸收式制冷，提高系统的热利用率。