与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法及其系统

本发明涉及二氧化碳储能以及能量再利用，具体涉及一种耦合碳捕集技术的与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法及其系统。

背景技术：

1、虽然可再生能源发电技术处于快速发展阶段，但是全球范围内化石燃料发电量尤其是燃煤发电量占比依然较大，特别是对中国而言煤炭发电仍是供电主力。因此，需要对燃煤电厂排放的二氧化碳进行捕集、封存和利用等措施，减少排入大气的二氧化碳。

2、在现有技术中，传统煤电机组通过改造从而增加调峰响应能力与调峰深度，上述方法的工程量大、技术要求高，而通过储能技术的应用则可以使上述过程更易实现。压缩二氧化碳储能技术具有规模大、寿命长、储能密度高和排放低等优势，且易与碳捕集、利用和埋存系统耦合，是一种有发展前景的大规模物理储能技术之一。

3、现有技术中针对于压缩二氧化碳储能系统的研究大多偏向储能系统本身的热力学分析以及优化等方面。现有技术中缺乏对压缩二氧化碳储能系统与应用场景耦合后的运行规律和运行方式的相关方案。所以，本领域技术人员需要一种与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法及其系统，从而通过压缩二氧化碳储能系统的储释能过程配合燃煤机组调峰过程，达到优化燃煤机组调峰能力并增加调峰深度的目标。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法及其系统，实现燃煤机组、碳捕集系统和压缩二氧化碳储能系统的深度耦合，从而优化燃煤机组调峰能力并增加系统调峰深度，从而提高系统能源利用效率。为此，本发明提供一种与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法，包括以下步骤：

2、通过锅炉系统燃烧煤，从而为汽轮机组提供热负荷，同时产生烟气；所述汽轮机组为发电设备，所述汽轮机组产生的高温蒸汽为碳捕集系统提供所需的热负荷，进而在谷电时段将多余电能输入压缩二氧化碳储能系统进行储能；

3、所述烟气经过脱硫脱硝处理后，进入碳捕集系统进行脱碳处理；所述碳捕集系统捕集烟气中的二氧化碳，并将该二氧化碳作为所述压缩二氧化碳储能系统中二氧化碳工质的来源；在谷电时段，通过压缩机组压缩所述二氧化碳以得到高压二氧化碳，以储存所述汽轮机组的多余电能；在峰电时段，通过膨胀机组透平所述高压二氧化碳输出电能，所述膨胀机组和所述汽轮机组共同做功发电；

4、且，具有所述汽轮机组、所述锅炉系统、所述碳捕集系统和所述压缩二氧化碳储能系统的耦合系统，根据二氧化碳的不同工况分为：跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组，以及超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组。

5、可选的，所述跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括以下工作步骤：

6、在谷电时段、储能步骤为：所述二氧化碳储能系统进入储能阶段，所述二氧化碳储能系统抽取所述碳捕集系统捕集的常压二氧化碳，并将所述常压二氧化碳通入第一压缩机组；所述第一压缩机组末级出口位置的二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳由压力泵加压后存入高压储罐；上述第一压缩机组为三级压缩机；

7、在峰电时段、释能步骤为：所述高压储罐中输出的高压液态二氧化碳被所述碳捕集系统的再沸器排出的循环水加热汽化，高压气态二氧化碳进入第一膨胀机组膨胀做功；所述第一膨胀机组的每一级膨胀机入口位置的二氧化碳被加热升温，以增加峰电时段的系统总功率；释能结束的低压二氧化碳经缓存后，回到所述碳捕集系统的压缩封存环节；换热完成的所述热蒸汽回到所述汽轮机组的给水回路。上述第一膨胀机组为四级膨胀机。

8、可选的，在所述谷电时段，所述第一压缩机组的每一级压缩机出口二氧化碳均被冷却水冷却；且，所述第一压缩机组的压缩热通过换热器传递给所述冷却水，所述冷却水被压缩热加热后进入所述碳捕集系统的再沸器为解析过程提供热量，换热结束的所述冷却水进一步冷却后回到压缩机循环水路；

9、在所述峰电时段，所述第一膨胀机组的每一级膨胀机入口位置的二氧化碳，被所述汽轮机组产生的热蒸汽加热升温。

10、可选的，所述超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括以下工作步骤：

11、在谷电时段、储能步骤为：从所述碳捕集系统中抽取二氧化碳封存腔的超临界二氧化碳，经与解析塔相连的换热器加热后，进入第二压缩机组；所述第二压缩机组末级出口位置的超临界二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳存入高压储罐；上述第二压缩机组为二级压缩机；

12、在峰电时段、释能步骤为：所述高压储罐中的高压液态二氧化碳被加热汽化后进入第二膨胀机组膨胀做功，以增加峰电时段的系统总功率；释能结束的低压超临界二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳存入所述二氧化碳封存腔。上述第二膨胀机组为二级膨胀机。

13、可选的，在所述谷电时段，所述第二压缩机组其每一级压缩机出口位置的超临界二氧化碳均被蓄冷水罐中的冷却水冷却；蓄热水存入蓄热水罐中；

14、在所述峰电时段，所述高压储罐中的高压液态二氧化碳被所述蓄热水罐中的蓄热水加热汽化。

15、可选的，所述超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括：纯储电模式，以及储电储热模式；

16、在所述纯储电模式，所述超临界压缩二氧化碳储能系统仅与所述碳捕集系统进行储能工质和电能的交换；所述超临界压缩二氧化碳储能系统通过独立循环水路分别对所述第二压缩机组的出口位置二氧化碳冷却，并对所述第二膨胀机组的进口位置二氧化碳加热；

17、在所述储电储热模式，所述超临界压缩二氧化碳储能系统与所述碳捕集系统在储能工质和电能交换的基础上，还与所述汽轮机组进行热量交换；所述超临界压缩二氧化碳储能系统在谷电储能阶段，通过所述汽轮机组产生的过热蒸汽从而在释能阶段加热二氧化碳。

18、可选的，与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法，在所述纯储电模式，工作步骤为：

19、在储能阶段，第一换热器的冷却水先与所述第二压缩机组中的高温高压二氧化碳换热，以吸收压缩热变成蓄热水；之后，所述汽轮机组产生的过热蒸汽通过换热器进一步加热所述蓄热水，并存储在所述蓄热水罐中；

20、在释能阶段，通过所述蓄热水罐中的蓄热水加热所述高压储罐出口位置的高压二氧化碳，以提升高压二氧化碳的温度。

21、可选的，在所述储电储热模式，工作步骤为：

22、在储能阶段，所述汽轮机组产生的过热蒸汽通过第二换热器加热新增蓄冷水罐中的冷却水，以使冷却水变成蓄热水；所述蓄热水存储在新增蓄热水罐中；

23、在释能阶段，所述新增蓄热水罐中的蓄热水通过第三换热器加热所述第二膨胀机组中的二氧化碳；所述蓄热水在膨胀机级间加热所述第二膨胀机组，以提升高压二氧化碳的温度。

24、一种与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能系统，应用于上述与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法中，包括：锅炉系统、碳捕集系统、压缩二氧化碳储能系统和汽轮机组。

25、上述耦合系统的调峰方案设计及评价指标如下：

26、耦合系统调峰方案设计从cces系统的储能阶段目标和释能阶段目标两个方面考虑。加入cces系统后耦合系统可使锅炉在调峰过程中处于较高的负荷，利用cces系统的储释能阶段消纳、补充系统负荷。基于此确定sc-cces系统的储释能阶段目标。在谷电时段cces系统进入储能阶段，通过不同锅炉负荷与不同cces系统储能容量组合达到不同的耦合系统输出功率，从而实现储能阶段的目标：优化调峰性能和增加调峰深度。在峰电时段cces系统进入释能阶段。释能阶段的目标为：峰电时段锅炉负荷固定为100％，cces系统释能阶段目标为增加耦合系统输出功率。

27、评价指标：主要是对碳捕集燃煤机组和耦合系统的调峰性能展开研究，将一个谷电时段和一个峰电时段作为一个调峰周期，谷峰电时间比为τ。在燃煤机组系统热效率ηe、系统效率ηe和系统煤耗率b(g/kwh)的基础上，提出耦合系统调峰全周期系统性能评价指标包括耦合系统全周期热效率耦合系统全周期效率和耦合系统全周期煤耗率cces系统以系统往返效率ηrte和能量密度ecces(kwh/m3)作为性能评价指标，储气室体积等作为辅助评价指标。各评价指标表达式为：

28、

29、

30、

31、

32、

33、式中：

34、ηb、ηp：锅炉效率和管道效率；储能阶段耦合系统汽轮机输出功率，kw；释能阶段耦合系统汽轮机输出功率，kw；tc：谷电时段，h；tt：峰电时段，h；q0c：谷电时段锅炉输出热负荷，kj/h；q0t：峰电时段锅炉输出热负荷，kj/h；eq0c：谷电时段锅炉输出热负荷kj/h；eq0t：峰电时段锅炉输出热负荷kj/h；bc：谷电时段燃煤量，g/h；bt：峰电时段燃煤量，g/h；标准煤低位发热量，kj/kg；qnet：燃煤低位发热量，kj/kg；pin：cces系统压缩机总功率，kw；pout：cces系统膨胀机总功率，kw；pp：膨胀机出口泵功率，kw；v：高压储气室体积，m3。

35、本发明技术方案，具有如下优点：

36、1.本发明提供的与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法，包括以下步骤：

37、通过锅炉系统燃烧煤，从而为汽轮机组提供热负荷，同时产生烟气；所述汽轮机组为发电设备，所述汽轮机组产生的高温蒸汽为碳捕集系统提供所需的热负荷，进而在谷电时段将多余电能输入压缩二氧化碳储能系统进行储能；

38、所述烟气经过脱硫脱硝处理后，进入碳捕集系统进行脱碳处理；所述碳捕集系统捕集烟气中的二氧化碳，并将该二氧化碳作为所述压缩二氧化碳储能系统中二氧化碳工质的来源；在谷电时段，通过压缩机组压缩所述二氧化碳以得到高压二氧化碳，以储存所述汽轮机组的多余电能；在峰电时段，通过膨胀机组透平所述高压二氧化碳输出电能，所述膨胀机组和所述汽轮机组共同做功发电；

39、且，具有所述汽轮机组、所述锅炉系统、所述碳捕集系统和所述压缩二氧化碳储能系统的耦合系统，根据二氧化碳的不同工况分为：跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组，以及超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组。

40、在本发明中，通过上述与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法，可以有效地通过燃煤机组捕集的二氧化碳作为压缩二氧化碳储能系统的工质，该cces系统释能发电后，上述二氧化碳重新回到捕集流程，同时通过热能的综合利用实现燃煤机组、碳捕集系统和cces系统的深度耦合。通过cces系统的储释能过程配合燃煤机组调峰过程，达到优化燃煤机组调峰能力与增加调峰深度的目标。

41、2.本发明提供的跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括以下工作步骤：

42、在谷电时段、储能步骤为：所述二氧化碳储能系统进入储能阶段，所述二氧化碳储能系统抽取所述碳捕集系统捕集的常压二氧化碳，并将所述常压二氧化碳通入第一压缩机组；所述第一压缩机组末级出口位置的二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳由压力泵加压后存入高压储罐；上述第一压缩机组为三级压缩机；

43、在峰电时段、释能步骤为：所述高压储罐中输出的高压液态二氧化碳被所述碳捕集系统的再沸器排出的循环水加热汽化，高压气态二氧化碳进入第一膨胀机组膨胀做功；所述第一膨胀机组的每一级膨胀机入口位置的二氧化碳被加热升温，以增加峰电时段的系统总功率；释能结束的低压二氧化碳经缓存后，回到所述碳捕集系统的压缩封存环节；换热完成的所述热蒸汽回到所述汽轮机组的给水回路。上述第一膨胀机组为四级膨胀机。

44、在本发明中，在电厂运行时段，碳捕集燃煤机组连续工作，电厂根据电网需求改变锅炉负荷，进而改变燃煤机组输出功率达到调峰需求。而且，上述跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统中，超临界压缩二氧化碳储能系统的二氧化碳来源于碳捕集系统，当cces系统处于储能阶段时，碳捕集系统分离出来的二氧化碳全部用于cces系统，因此cces系统与碳捕集系统共用一套压缩机可以有效地减小设备投资。

45、3.本发明提供的跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组，在所述谷电时段，所述第一压缩机组的每一级压缩机出口二氧化碳均被冷却水冷却；且，所述第一压缩机组的压缩热通过换热器传递给所述冷却水，所述冷却水被压缩热加热后进入所述碳捕集系统的再沸器为解析过程提供热量，换热结束的所述冷却水进一步冷却后回到压缩机循环水路；在所述峰电时段，所述第一膨胀机组的每一级膨胀机入口位置的二氧化碳，被所述汽轮机组产生的热蒸汽加热升温。

46、通过上述能量回收方法，可以有效地使第一膨胀机组的每一级膨胀机入口位置的二氧化碳，被汽轮机组产生的热蒸汽加热升温，增加系统总功率。进而实现通过上述cces系统的储能阶段储存燃煤机组部分谷电，增加了系统调峰下调深度，通过cces系统的释能阶段增加峰电时段耦合系统输出功率，增加了系统调峰上调高度。

47、4.本发明提供的超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括以下工作步骤：

48、在谷电时段、储能步骤为：从所述碳捕集系统中抽取二氧化碳封存腔的超临界二氧化碳，经与解析塔相连的换热器加热后，进入第二压缩机组；所述第二压缩机组末级出口位置的超临界二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳存入高压储罐；上述第二压缩机组为二级压缩机；

49、在峰电时段、释能步骤为：所述高压储罐中的高压液态二氧化碳被加热汽化后进入第二膨胀机组膨胀做功，以增加峰电时段的系统总功率；释能结束的低压超临界二氧化碳经冷却后被液化为液态二氧化碳，所述液态二氧化碳存入所述二氧化碳封存腔。上述第二膨胀机组为二级膨胀机。

50、在本发明中，在电厂运行期间，碳捕集燃煤机组连续工作，电厂根据电网需求改变锅炉负荷，进而改变燃煤机组输出功率达到调峰需求。上述超临界压缩二氧化碳储能系统的二氧化碳工质来源于二氧化碳储存装置，在进入sc-cces系统的压缩机前需要加热至超临界态，这部分热来源于碳捕集系统中解析塔输出的温度为105℃左右的常压co2和水蒸气混合物。sc-cces系统为二级压缩二级膨胀，无级间冷却、无级间再热。

51、5.本发明提供的超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组，在所述谷电时段，所述第二压缩机组其每一级压缩机出口位置的超临界二氧化碳均被蓄冷水罐中的冷却水冷却；蓄热水存入蓄热水罐中；在所述峰电时段，所述高压储罐中的高压液态二氧化碳被所述蓄热水罐中的蓄热水加热汽化。

52、通过上述能量回收方法，可以在峰电时段使sc-cces系统进入释能阶段，高压储罐中的高压液态二氧化碳被蓄热水加热汽化后进入二级膨胀机膨胀做功，增加峰电时段耦合系统总发电功率。并且，上述释能结束的超临界二氧化碳经冷却液化后回到碳捕集系统的封存处。

53、6.本发明提供的超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组包括：纯储电模式，以及储电储热模式；

54、在所述纯储电模式，所述超临界压缩二氧化碳储能系统仅与所述碳捕集系统进行储能工质和电能的交换；所述超临界压缩二氧化碳储能系统通过独立循环水路分别对所述第二压缩机组的出口位置二氧化碳冷却，并对所述第二膨胀机组的进口位置二氧化碳加热；

55、在所述储电储热模式，所述超临界压缩二氧化碳储能系统与所述碳捕集系统在储能工质和电能交换的基础上，还与所述汽轮机组进行热量交换；所述超临界压缩二氧化碳储能系统在谷电储能阶段，通过所述汽轮机组产生的过热蒸汽从而在释能阶段加热二氧化碳。

56、在本发明中超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统的储存热量的方式有两种，即在sc-cces系统储能阶段抽取汽轮机蒸汽，用于加热吸收完sc-cces系统压缩热的蓄热水，蓄热水被加热后存入储热罐中，在sc-cces系统释能阶段加热汽化高压储罐输出的液态co2，达到进一步提高进入膨胀机二氧化碳温度的目标。以及，在sc-cces系统储能阶段抽取汽轮机蒸汽，用于将蓄热水加热，蓄热水被加热后存入储热罐中，在sc-cces系统释能阶段加热第一级膨胀机出口二氧化碳。

57、7.本发明提供的超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统中，在所述纯储电模式，工作步骤为：

58、在储能阶段，第一换热器的冷却水先与所述第二压缩机组中的高温高压二氧化碳换热，以吸收压缩热变成蓄热水；之后，所述汽轮机组产生的过热蒸汽通过换热器进一步加热所述蓄热水，并存储在所述蓄热水罐中；

59、在释能阶段，通过所述蓄热水罐中的蓄热水加热所述高压储罐出口位置的高压二氧化碳，以提升高压二氧化碳的温度。

60、在本发明中，通过上述方法可以有效地实现：在释能阶段，让蓄热水加热高压储罐出口的高压二氧化碳，提升高压二氧化碳的温度，增强在膨胀机中的做工能力。

61、8.本发明提供的超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统中，在所述储电储热模式，工作步骤为：

62、在储能阶段，所述汽轮机组产生的过热蒸汽通过第二换热器加热新增蓄冷水罐中的冷却水，以使冷却水变成蓄热水；所述蓄热水存储在新增蓄热水罐中；

63、在释能阶段，所述新增蓄热水罐中的蓄热水通过第三换热器加热所述第二膨胀机组中的二氧化碳；所述蓄热水在膨胀机级间加热所述第二膨胀机组，以提升高压二氧化碳的温度。

64、在本发明中，上述sc-cces系统蓄热水循环增加两个换热器与一个蓄热水罐和一个蓄冷水罐。储能阶段利用过热蒸汽加热新增蓄冷水罐的冷却水，换热后的蓄热水存储在新增蓄热水罐中。在释能阶段，该蓄热水用于膨胀机级间加热二氧化碳，目的同样是提升二氧化碳的温度，增强在膨胀机中的做工能力。

65、9.本发明提供的与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能系统，应用于上述与碳捕集燃煤机组耦合的压缩二氧化碳储能方法中。所以，具有压缩二氧化碳储能方法的所有优点。

66、在本发明公开的方案中，具有以下优点：

67、考虑了多种二氧化碳工况和多种能量储存形式下，cces系统与碳捕集燃煤机组的耦合方案设计。

68、在跨临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统设计中，cces系统与碳捕集系统共用一套压缩机组，以减小设备投资。

69、在超临界压缩二氧化碳储能系统耦合碳捕集燃煤机组系统设计中，储能系统以燃煤机组捕集的二氧化碳作为cces系统的工质，cces系统释能发电后二氧化碳重新回到捕集流程，取消了cces系统的低压储气库，使其成为开式循环。

70、通过对耦合系统设计与优化，对于能量尤其是热能利用更加合理，提高了能量利用效率，减少了不必要的能量损耗。如压缩机入口二氧化碳的汽化热源选择为碳捕集系统解析塔出口二氧化碳余热。