一种梯级蓄热的水蒸气储能系统及控制方法

本发明属于储能，具体涉及一种梯级蓄热的水蒸气储能系统及控制方法。

背景技术：

1、储能技术具有削峰填谷的作用，能减轻可再生能源发电对电网的冲击，提高电网的稳定性，可广泛应用于电力工业生产。

2、目前，传统的储能技术包括抽水蓄能、压缩气体储能以及电化学储能等。抽水蓄能受制于特殊的地形条件，而压缩气体储能则通常需要大容量高压储罐存储工质，使用环境受限；电化学储能则存在安全性较低、易污染环境等弊端。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种梯级蓄热的水蒸气储能系统及控制方法，以解决上述存在的技术问题。本发明设计的储能系统通过将储能和释能过程设计为闭式回路，避免了传统系统中需要单独设置储罐来储存储能与释能过程工质的问题，能够灵活适应不同的应用场景，不受地形限制，实现能源的广域供给。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种梯级蓄热的水蒸气储能系统，包括第一蒸发器、第一压缩机、间冷器、第二压缩机、预冷器、第二冷凝器、后冷器、余热换热器、节流阀、泵、预热器、第二蒸发器、过热器、第一透平、再热器、第二透平、第一冷凝器、第一储冷罐、第一储热罐、第二储冷罐、第二储热罐、第三储冷罐、第三储热罐、第四储冷罐和第四储热罐；

4、第一蒸发器第一出口连接第一压缩机进口，第一压缩机出口连接间冷器第一进口，间冷器第一出口连接第二压缩机进口，第二压缩机出口连接预冷器第一进口，预冷器第一出口连接第二冷凝器第一进口，第二冷凝器第一出口连接后冷器第一进口，后冷器第一出口经过节流阀后分为两路，一路连接第一蒸发器第一进口，另一路连接余热换热器进口，余热换热器出口与间冷器第一出口汇合连接第二压缩机进口；

5、第一冷凝器第一出口连接泵进口，泵出口连接预热器第一进口，预热器第一出口连接第二蒸发器第一进口，第二蒸发器第一出口连接过热器第一进口，过热器第一出口连接第一透平进口，第一透平出口分为两路，一路连接再热器第一进口，再热器第一出口连接第二透平进口，第二透平出口连接第一冷凝器第一进口，另一路连接第一冷凝器第一进口；

6、第一储冷罐连接后冷器第二进口，后冷器第二出口连接第一储热罐进口，第一储热罐出口连接预热器第二进口，预热器第二出口连接第一储冷罐进口；

7、第二储冷罐连接第二冷凝器第二进口，第二冷凝器第二出口分为两路，一路连接第二储热罐进口，第二储热罐出口连接第二蒸发器第二进口，第二蒸发器第二出口连接第二储冷罐进口，另一路连接预冷器第二进口，预冷器第二出口连接第三储热罐进口；第三储热罐出口连接过热器第二进口，过热器第二出口分为两路，一路连接第二蒸发器第二进口，另一路连接第三储冷罐进口，第三储冷罐出口连接预冷器第二进口；

8、第四储冷罐出口连接间冷器第二进口，间冷器第二出口连接第四储热罐进口，第四储热罐出口连接再热器第二进口，再热器第二出口连接第四储冷罐进口；

9、第一蒸发器第二进口为热源，为工质在第一蒸发器1中的蒸发提供热量；

10、第一冷凝器第二进口为冷源，为工质在第一冷凝器中的冷凝提供冷量。

11、本发明进一步的改进在于，还包括第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀、第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀、第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀、第十四控制阀、第十五控制阀、第十六控制阀、第十七控制阀、第十八控制阀、第十九控制阀、第二十控制阀和第二十一控制阀；

12、第一蒸发器第一出口通过第一控制阀连接第一压缩机进口，间冷器第一出口通过第五控制阀连接第二压缩机进口，后冷器第一出口经过节流阀后分为两路，一路通过第三控制阀连接第一蒸发器第一进口，另一路通过第二控制阀连接余热换热器进口，余热换热器出口经第二十一控制阀与间冷器第一出口汇合连接第二压缩机进口；

13、第一冷凝器第一出口通过第十三控制阀连接泵进口；第一透平出口分为两路，一路通过第十四控制阀连接再热器第一进口，再热器第一出口连接第二透平进口，第二透平出口经第十二控制阀连接第一冷凝器第一进口，另一路通过第十五控制阀连接第一冷凝器第一进口；

14、第一储冷罐通过第七控制阀连接后冷器第二进口，第一储热罐出口通过第二十控制阀连接预热器第二进口；

15、第二储冷罐通过第八控制阀连接第二冷凝器第二进口，第二冷凝器第二出口分为两路，一路通过第九控制阀连接第二储热罐进口，第二储热罐出口通过第十九控制阀连接第二蒸发器第二进口，另一路通过第六控制阀连接预冷器第二进口，预冷器第二出口连接第三储热罐进口；第三储热罐出口通过第十六控制阀连接过热器第二进口，过热器第二出口分为两路，一路通过第十八控制阀连接第二蒸发器第二进口，另一路通过第十七控制阀连接第三储冷罐进口，第三储冷罐出口通过第十控制阀与第六控制阀后汇合连接预冷器第二进口；

16、第四储冷罐出口通过第四控制阀连接间冷器第二进口，第四储热罐出口通过第十一控制阀连接再热器第二进口。

17、本发明进一步的改进在于，该系统的储能过程与释能过程分别为独立闭式回路。

18、本发明进一步的改进在于，储能回路、释能回路和多个梯级蓄热回路采用的工质均为水；

19、其中储能回路由第一蒸发器、第一压缩机、间冷器、第二压缩机、预冷器、第二冷凝器、后冷器、节流阀、余热加热器、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第五控制阀、第六控制阀和第二十一控制阀组成；释能回路由第一冷凝器、泵、预热器、第二蒸发器、过热器、第一透平、再热器、第二透平、第十二控制阀、第十三控制阀、第十四控制阀、第十五控制阀、第十八控制阀组成；梯级蓄热回路由第一储冷罐、第一储热罐、第二储冷罐、第二储热罐、第三储冷罐、第三储热罐、第四储冷罐、第四储热罐、第四控制阀、第七控制阀、第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀、第十一控制阀、第十六控制阀、第十七控制阀、第十九控制阀和第二十控制阀组成。

20、本发明进一步的改进在于，该系统采用了多个储罐梯级布置，实现能量梯级利用，提高能量利用率。

21、本发明进一步的改进在于，在梯级蓄热中使用了第二冷凝器和第二蒸发器，利用工质水在相变过程中释放的大量潜热，提高系统蓄热能力。

22、本发明进一步的改进在于，当存在余热时，将余热换热器投入使用，用于回收余热，提高第三储热罐储热温度，从而提高第一透平进口工质做功能力。

23、本发明进一步的改进在于，当系统应用于有稳定余热提供的场所时，取消第一级压缩机、第一蒸发器、间冷器、第四储冷罐、第四储热罐、再热器和第二透平。

24、一种梯级蓄热的水蒸气储能系统的控制方法，包括：

25、初始状态下，关闭所有二十一个控制阀，系统处于停机状态；

26、当用户处于用电低谷时，关闭第二控制阀、第十控制阀、第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀、第十四控制阀、第十五控制阀、第十六控制阀、第十七控制阀、第十八控制阀、第十九控制阀、第二十控制阀和第二十一控制阀，打开第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀、第八控制阀和第九控制阀，梯级蓄热的水蒸气储能系统的储能部分进行工作；第一蒸发器产生的水蒸气从第一蒸发器第一出口流出，经过第一控制阀进入第一压缩机升压，之后流入间冷器将热量传递给第四储冷罐流出的低温储热介质，随后流入第二压缩机再次升压至高温高压状态，工质流入预冷器中将热量传递给第二冷凝器第二出口流出的储热介质，再进入第二冷凝器将热量传递给第二储冷罐流出的储热介质，工质释放大量潜热冷凝至饱和水状态，之后经过后冷器将热量传递给第一储冷罐流出的低温储热介质，工质冷却达到过冷水状态，最后经节流阀节流膨胀后回到第一蒸发器，与热源换热蒸发为气态后继续循环；第一储冷罐出口的低温储热介质经过第七控制阀在后冷器吸收热量后进入第一储热罐中储存；第二储冷罐内的储热介质经过第八控制阀在第二冷凝器吸收热量，随后分为两路，一路通过第九控制阀进入第二储热罐储存，另一路通过第六控制阀进入预冷器吸收热量，之后进入第三储热罐储存；第四储冷罐中的低温储热介质经过第四控制阀在间冷器中吸热，之后进入第四储热罐储存；

27、当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀、第八控制阀、第九控制阀、第十控制阀、第十五控制阀、第十七控制阀和第二十一控制阀，打开第十一控制阀、第十二控制阀、第十三控制阀、第十四控制阀、第十六控制阀、第十八控制阀、第十九控制阀和第二十控制阀，梯级蓄热的水蒸气储能系统的释能部分进行工作；低温低压液态水从第一冷凝器流出，经过第十三控制阀进入泵，工质加压后进入预热器吸收自第一储热罐流出的高温储热介质的热量，再进入第二蒸发器与高温储热介质换热变为饱和蒸气，工质随后进入过热器吸收自第三储热罐流出的高温储热介质的热量，随后进入第一透平膨胀做功，膨胀后的中压水蒸气进入再热器与来自第四储热罐的储热介质换热升温，之后进入第二透平膨胀做功，最后低压蒸气进入第一冷凝器与冷源换热，冷凝为液态继续循环；第一储热罐流出的高温储热介质在预热器放出热量后进入第一储冷罐储存；第三储热罐流出的高温储热介质在过热器放出热量，之后与第二储热罐流出的储热介质混合，进入第二蒸发器放出热量后共同进入第二储冷罐储存；第四储热罐流出的高温储热介质进入再热器放出热量后在第四储冷罐储存。

28、本发明进一步的改进在于，当系统有余热输入时，系统在储能过程关闭第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀，打开第二控制阀、第二十一控制阀，使得节流膨胀后的工质进入余热换热器中吸热蒸发为饱和气态，吸热后的工质进入第二级压缩机升压；释能过程时，关闭第十一控制阀、第十二控制阀和第十四控制阀，打开第十五控制阀，使得经第一透平膨胀做功后的工质进入第一冷凝器与冷源换热冷凝为液态。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

30、本发明提供的梯级蓄热的水蒸气储能系统中，储能过程和释能过程分别由两闭式回路完成，无需单独设置储罐储存工质，减少系统建设成本。

31、进一步的，本发明中所有装置均保持稳定工作状态，不存在交变工况，提高了系统整体运行稳定性，降低制造成本。

32、进一步的，本发明将储能回路、释能回路和梯级蓄热回路中工质统一为水，水是热力系统中使用最广泛的工质，相关技术成熟、安全可靠。工质的统一使得系统便于实际维护、检修和后续升级改造。

33、进一步的，本发明采用梯级布置，可实现能量梯级利用，提高能量利用率，并可根据梯级顺序调整各储罐压力，减少高压储罐的数量。

34、进一步的，本发明在梯级蓄热中使用了第二冷凝器和第二蒸发器，可利用工质水在相变过程中释放的大量潜热，提高系统蓄热能力。

35、进一步的，本发明引入余热，余热来源可以为工业或生活余热，本发明对余热温度要求低，具有良好的低品位能量适应性，便于系统推广使用。引入余热后可取消部分装置，降低系统建设成本。

36、进一步的，本发明系统中布置多个控制阀，可灵活调节系统运行工况，按需调整输出功率大小。