一种绝热超临界压缩二氧化碳储能系统
一种绝热超临界压缩二氧化碳储能系统
本发明涉及超临界压缩二氧化碳储能，具体涉及一种绝热超临界压缩二氧化碳储能系统。
背景技术
超临界压缩二氧化碳储能系统是一种高效的能量储存和转换技术。其工作原理为：利用电量低谷时刻的电力驱动压缩机将低温低压的超临界二氧化碳压缩为高温高压的超临界二氧化碳并储存；在用电高峰时刻，将高温高压的超临界二氧化碳送入膨胀机，利用膨胀机做功发电。
压缩机作为超临界压缩二氧化碳储能系统的核心部件，不仅需要消纳电能，压缩二氧化碳，同时需要将二氧化碳的压缩热通过换热器和蓄热水储存起来，用于释能阶段膨胀机入口的二氧化碳加热。在现有技术中，为确保压缩机高效率、低功耗，需要在每级压缩机出口对工质进行级间冷却，保证进入下一级的工质温度较低，以此保证效率。但是，针对于超临界压缩二氧化碳储能系统，中低压二氧化碳处于超临界压力(即7.38mpa)以上，受设备加工制造、二氧化碳物性等因素限制，超临界二氧化碳离心式压缩机具有级数少、单级压比低的特点。这一特点导致二氧化碳通过级间冷却后得到的压缩热温度较低，会降低膨胀机的做功能力。
另外，考虑到二氧化碳的物性，较低温时可能出现二氧化碳液化问题，影响二氧化碳透平正常做功，进而影响膨胀机的正常运行，对独立的超临界压缩二氧化碳储能系统的工作效率影响较大。因此，本领域技术人员需要一种新的超临界压缩二氧化碳储能系统，从而保证进入膨胀机的二氧化碳温度较高，避免膨胀机内出现大面积的冷凝现象，保证膨胀机的正常运行保证超临界压缩二氧化碳储能系统的运行效率、储能效率。
技术实现思路
本发明提供一种绝热超临界压缩二氧化碳储能系统，包括：
压缩机组，在电量低谷时刻，利用电力将低温低压的超临界二氧化碳压缩为高温高压的超临界二氧化碳；
膨胀机组，在用电高峰时刻，所述膨胀机组利用高温高压的超临界二氧化碳做功发电；
高压储气室，分别与所述压缩机组的出口以及所述膨胀机组的进口相连通，用于储存所述压缩机组压缩的超临界二氧化碳；
低压储气室，分别与所述膨胀机组的出口以及所述压缩机组的进口相连通，用于储存所述膨胀机组做功发电中产生的超临界二氧化碳；
储热罐，所述储热罐通过第一换热器分别与所述压缩机组的出口以及所述高压储气室的进口间接连接；所述储热罐通过第二换热器分别与所述高压储气室出口以及所述膨胀机组的进口间接连接；在储能时，所述储热罐储存所述高温高压状态的超临界二氧化碳的压缩热，将高温高压状态的超临界二氧化碳冷却至与所述高压储气室相同的温度；在释能时，所述储热罐加热所述高压储气室排出的低温高压超临界二氧化碳；
储冷罐，通过所述第一换热器与所述储热罐的介质进口相连通，并通过第二换热器与所述储热罐的介质出口相连通；
温度控制系统，调节第二换热器中冷却介质流量，以控制压缩机入口温度，进而调节每一级膨胀机入口温度，保证每一级膨胀机的入口位置其二氧化碳温度不低于液化临界温度、不出现大面积液化现象。
可选实施方式
- 所述压缩机组包括：第一级压缩机和第二级压缩机；
- 所述膨胀机组包括：第一级膨胀机和第二级膨胀机；
- 所述第一换热器包括：第一级间冷却器和第二级间冷却器；所述第一级压缩机的出口与所述第一级间冷却器的进口相连通，所述第一级间冷却器与所述储冷罐相连，以通过所述储冷罐中的冷却介质吸收所述第一级压缩机的压缩热；所述第一级间冷却器的出口与所述第二级压缩机进口相连通，所述第二级压缩机的出口与所述第二级间冷却器的进口相连通，所述第二级间冷却器与所述储冷罐相连，以通过所述储冷罐中的冷却介质吸收所述第二级压缩机的压缩热；
- 所述第二换热器包括：第一级再热器和第二级再热器；所述第一级再热器通过所述储热罐加热所述高压储气室排出的超临界二氧化碳；所述第二级再热器通过所述储热罐加热所述第二级压缩机出口的超临界二氧化碳。
温度控制系统
- 所述温度控制系统包括：用于检测所述第一级压缩机的出口二氧化碳温度的第一温度检测器，以及用于调整所述储冷罐的冷却介质流量的调节阀；
- 在系统储能过程，所述温度控制系统的调节阀控制所述第一级间冷却器内冷却介质流量，以控制所述第二级压缩机的入口二氧化碳温度。
- 所述温度控制系统还包括：用于检测所述储热罐内介质温度的第二温度检测器，以及用于分别检测所述第一级膨胀机和所述第二级膨胀机出口二氧化碳温度的第三温度检测器；
- 在系统释能过程，所述储热罐分别加热所述第一级膨胀机和所述第二级膨胀机入口的超临界二氧化碳；所述第三温度温度检测器检测膨胀机出口二氧化碳温度是否低于超临界温度、出现大面积液化现象；
- 如果存在大面积液化现象，所述温度控制系统的控制器调整所述调节阀开度，减少所述第一换热器内冷却介质流量，以提高蓄热水温度，保证膨胀机末级二氧化碳温度不低于临界温度。
热力学模型
压缩机组中压缩机热力学模型：
假设第i级压缩机的内部温度为压缩过程是多变过程，我们把这个过程视为绝热过程，考虑到等烦效率则出口温度为：
βc，i是第i级压缩机的压缩比，k是比热比，ηcs是压缩机绝热效率；
当单位质量的空气进入压缩机，压缩机做功为：
cp是二氧化碳定压比热，上角标in是进入压缩机的组分，out是从压缩机出来的组分，下脚标c是压缩充电过程，因此根据每级压缩机消耗的功，总的压缩机的耗功为：
膨胀机组中膨胀机热力学模型：
释能阶段中，经过i级的换热器后，温度为的高压二氧化碳进入膨胀机；当单位质量的二氧化碳进入第i级透平机，则输出功为：
第i级透平机空气出口温度是：
βe，i是第i级膨胀机的膨胀比，ηts是膨胀机的等熵效率，那么释能阶段中总的输出功为：
储能效率
所述绝热超临界压缩二氧化碳储能系统的储能效率为：
tc为储能阶段时长，te为释能阶段时长。
优点
本发明提供的绝热超临界压缩二氧化碳储能系统，通过设置温度控制系统并配合绝热超临界压缩二氧化碳储能系统蓄热温度调控策略，可以有效地在牺牲部分压缩机组的性能基础上，保证膨胀机组的正常运行，保证系统整体效率，确保绝热超临界压缩二氧化碳储能系统完成储释能任务。
通过两级压缩机、两级膨胀机，以及高低压储罐和蓄冷蓄热储罐，可以有效地在电能富余时段和峰电时段实现储能和释能，保证系统整体效率。
温度控制系统通过检测压缩机出口二氧化碳温度和膨胀机出口二氧化碳温度，可以及时调整冷却介质流量，保证系统在不同工况下的稳定运行。
通过优化压缩机入口和膨胀机入口的二氧化碳温度，可以在保证系统效率的同时，避免压缩机和膨胀机出现冷凝现象，提高系统的可靠性和安全性。