一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统及控制方法

本发明属于储能，具体涉及一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统及控制方法。

背景技术：

1、储能技术将冗余的电能以机械能、化学能、热能等能量形式储存起来，广泛应用于电网调峰调频、绿电平稳输出等领域，是一种具有极大研究潜力的多学科交叉技术。其中，压缩二氧化碳储能技术由于能量密度和储能效率较高、部件结构紧凑、适用于大规模发电等优点受到了广泛的关注。

2、常规压缩二氧化碳储能的低压储罐和高压储罐均为恒容容器，当工质流入/流出时储罐压力会发生变化，一般考虑将低压侧和高压侧二氧化碳液化储存。对于低压侧二氧化碳，需要额外布置制冷循环或低温工质实现液化，进一步增大系统成本与复杂性。对于高压侧二氧化碳，由于临界温度较低，若考虑常温常压空气冷却需要较高的液化压力，提高了高压部件的工作压力与部件成本；若采用制冷循环或低温工质冷却，虽然降低了储液罐压力，却会造成高压压缩机出口压缩热的浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统及控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明设计的储能系统，能够提高机组运行稳定性，保证系统储能效率并提高能量利用率。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统，包括碳捕集装置、第一压缩机、第一换热器、第二换热器、第二压缩机、液化子系统、储液罐、蒸发器、第三换热器、第四换热器、透平、第一储冷罐、第一储热罐、第二储冷罐和第二储热罐；

4、化工厂工质出口连接碳捕集装置进口，碳捕集装置出口连接第一压缩机进口，第一压缩机出口连接第一换热器第一进口，第一换热器第一出口连接第二换热器第一进口，第二换热器第一出口连接第二压缩机进口，第二压缩机出口连接液化子系统进口，液化子系统出口连接储液罐进口；

5、储液罐出口连接蒸发器第二进口，蒸发器第二出口连接第三换热器第二进口，第三换热器第二出口连接第四换热器第二进口，第四换热器第二出口连接透平进口，透平出口连接化工厂工质进口；

6、第一储热罐进口连接第一换热器第二出口，第一储热罐出口连接第四换热器第一进口；第一储冷罐进口连接第四换热器第一出口，第一储冷罐出口连接第一换热器第二进口；第二储热罐进口连接第二换热器第二出口，第二储热罐出口连接第三换热器第一进口；第二储冷罐进口连接第三换热器第一出口，第二储冷罐出口连接第二换热器第二进口。

7、本发明进一步的改进在于，在储能过程中第二压缩机进口压力保持不变，出口压力能够根据不同工作模式调整。

8、本发明进一步的改进在于，利用常温常压空气/水吸收储能阶段制冷剂冷凝器的热量、提供释能阶段二氧化碳在蒸发器中所需的热量。

9、本发明进一步的改进在于，化工厂工质出口通过第一控制阀连接碳捕集装置进口，储液罐出口通过第二控制阀连接蒸发器第二进口，第一储冷罐出口通过第三控制阀连接第一换热器第二进口，第二储冷罐出口通过第四控制阀连接第二换热器第二进口，第二储热罐出口通过第五控制阀连接第三换热器第一进口，第一储热罐出口通过第六控制阀连接第四换热器第一进口。

10、本发明进一步的改进在于，液化子系统包括发生器、冷凝器、制冷剂冷凝器、制冷剂节流阀、吸收器、制冷溶液节流阀和制冷溶液泵；

11、第二压缩机出口连接发生器第一进口，发生器第一出口连接冷凝器第一进口，冷凝器第一出口连接储液罐进口；

12、发生器第三出口连接制冷溶液节流阀进口，制冷溶液节流阀出口连接吸收器第二进口；发生器第二出口连接制冷剂冷凝器第一进口，制冷剂冷凝器第一出口连接制冷剂节流阀进口，制冷剂节流阀出口连接冷凝器第二进口，冷凝器第二出口连接吸收器第一进口，吸收器第一出口连接制冷溶液泵进口，制冷溶液泵出口连接发生器第二进口。

13、本发明进一步的改进在于，液化子系统包括发生器、冷凝器、制冷剂冷凝器、制冷剂节流阀、吸收器、制冷溶液节流阀、制冷溶液泵、冷却器和制冷剂蒸发器；

14、第二压缩机出口分为两路，一路连接冷却器第一进口，另一路连接发生器第一进口，发生器第一出口与冷却器第一出口共同连接至冷凝器第一进口，冷凝器第一出口连接储液罐进口；

15、发生器第三出口连接制冷溶液节流阀进口，制冷溶液节流阀出口连接吸收器第二进口；发生器第二出口连接制冷剂冷凝器第一进口，制冷剂冷凝器第一出口连接制冷剂节流阀进口，制冷剂节流阀出口连接制冷剂蒸发器第二进口，制冷剂蒸发器第二出口连接吸收器第一进口，吸收器第一出口连接制冷溶液泵进口，制冷溶液泵出口连接发生器第二进口。

16、本发明进一步的改进在于，液化子系统还包括第七控制阀，第二压缩机出口通过第七控制阀连接冷却器第一进口。

17、本发明进一步的改进在于，储液罐与高压部件储能工质侧最高压力选取范围为6.9mpa-7.2mpa。

18、一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统的控制方法，包括：

19、初始状态下，关闭所有六个控制阀；

20、当用户处于用电低谷时，关闭第二控制阀、第五控制阀和第六控制阀，打开第一控制阀、第三控制阀和第四控制阀，耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统的储能部分进行工作；化工厂出口处的工业废气通过碳捕集装置获得纯净的低压二氧化碳，二氧化碳进入第一压缩机中升温升压后进入第一换热器中，将高品质压缩热传递给自第一储冷罐流出的中温熔融盐，之后进入第二换热器中将剩余低品质压缩热传递给自第二储冷罐流出的低温水，低温高压的二氧化碳进入第二压缩机中提升至设定压力后进入发生器中将部分压缩热传递给制冷剂浓溶液，之后进入冷凝器中继续放热液化，最后进入储液罐中；发生器中的制冷剂浓溶液吸热后，低沸点的制冷剂以蒸汽态析出，先后进入制冷剂冷凝器、制冷剂节流阀和冷凝器中实现冷凝、降压至蒸发压力、吸收二氧化碳热量蒸发，之后进入吸收器；发生器中剩余的制冷剂稀溶液进入制冷溶液节流阀中降压至制冷剂蒸发压力，之后进入吸收器中与制冷剂蒸汽混合为制冷剂浓溶液，制冷剂浓溶液通过制冷溶液泵中升压至制冷剂冷凝压力后再次进入发生器中，进入下一个循环；吸收高品质压缩热后的高温熔融盐进入第一储热罐中将热量储存起来，吸收剩余低品质压缩热的中温水进入第二储热罐中将热量储存起来；至此完成储能工质的压缩、液化储存以及压缩热的储存；

21、当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀、第三控制阀和第四控制阀，打开第二控制阀、第五控制阀和第六控制阀，耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统的释能部分进行工作；高压液态的二氧化碳从储液罐中流出进入蒸发器中吸热升温，之后进入第三换热器中与来自第二储热罐中的中温水换热升温，中温高压的二氧化碳进入第四换热器中与来自第一储热罐中的高温熔融盐换热升温，高温高压的二氧化碳进入透平中膨胀做功，最后进入化工厂中加以利用；在第三换热器中放热降温的中温水进入第二储冷罐存储，在第四换热器中放热降温的高温熔融盐进入第一储冷罐存储；至此完成释能循环以及压缩热的释放。

22、一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统的控制方法，包括：

23、第二压缩机出口处的高温高压二氧化碳分为两路，一路通过第七控制阀进入冷却器中放热，用于生活生产供热，另一路在发生器中与制冷工质换热，放热后的二氧化碳与冷却器出口处的二氧化碳共同进入二氧化碳冷凝器中与常温常压空气/水换热冷凝进入储液罐；发生器中的制冷剂浓溶液吸热后，低沸点的制冷剂以蒸汽态析出，先后进入制冷剂冷凝器、制冷剂节流阀、制冷剂蒸发器中实现冷凝、降压至蒸发压力、吸热蒸发，之后进入吸收器；发生器中剩余的制冷剂稀溶液进入制冷溶液节流阀中降压至制冷剂蒸发压力，之后进入吸收器中与制冷剂蒸汽混合为制冷剂浓溶液，制冷剂浓溶液通过制冷溶液泵中升压至制冷剂冷凝压力后再次进入发生器中，进入下一个循环；制冷剂蒸发器中产生的冷量用于生活生产供冷，实现储能系统冷热电三联产。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

25、本发明提供的耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统中，在储能阶段采用两级压缩，利用第一压缩机实现电能到压力能的转换，利用第二压缩机产生的压缩热驱动液化子系统实现二氧化碳自冷凝第二压缩机出口压力根据不同运行模式进行调整。

26、进一步的，本发明根据用户不同工作需求对第二压缩机出口二氧化碳设置两种液化子系统方案，通过调整液化子系统部件连接方式与第二压缩机出口压力，可分别达到降低储液罐压力与实现冷热电三联产的工作需求。

27、进一步的，本发明利用释能后的低压二氧化碳进入化工厂进行工业生产，在储能阶段进入碳捕集装置以恒定压力进入压缩机中，避免储能系统做功部件变工况运行，同时有效利用做功后的二氧化碳，实现储能系统与工业生产有机耦合。

28、进一步的，本发明串联布置两个储热单元吸收二氧化碳压缩热，先后采用熔融盐和水作为储热介质，有效结合熔融盐高温稳定性与低工作压力、水低成本的优势，实现压缩热的高效吸收与利用，提高系统能量利用率。

29、进一步的，本发明利用常温常压空气/水作为工作介质吸收储能阶段制冷剂冷凝器放热量，并在释能阶段向二氧化碳提供蒸发热量，进一步降低系统成本。

30、综上，针对现有压缩二氧化碳储能技术的不足，本发明提供的一种耦合化工生产的压缩二氧化碳储能系统及控制方法，在储能阶段采用两级压缩，利用第一压缩机实现电能到压力能与热能的转换，利用第二压缩机产生的压缩热驱动液化子系统实现高压侧二氧化碳冷凝，第二压缩机进口压力保持不变，出口压力可根据不同工作模式调整；对第二压缩机出口二氧化碳设置两种液化子系统方案，一种方案利用全部高压压缩热驱动吸收式制冷循环实现二氧化碳自冷凝，可降低储液罐以及高压部件工作压力，另一种方案利用高压压缩热分别实现生活生产供热与驱动吸收式制冷循环供冷，再利用常温常压空气/水实现放热后高压二氧化碳的冷凝，可实现系统冷热电三联产，该子系统可根据用户不同工作需求调整工作模式，具有可使用范围广等优势；在释能阶段膨胀做功后的低压二氧化碳进入化工厂中加以利用，在储能阶段通过碳捕集装置进入第一压缩机中工作，保证低压侧二氧化碳以恒定压力流入流出，避免部件变工况运行，不需额外布置制冷循环或低温工质实现低压侧二氧化碳液化，同时实现二氧化碳储能系统与化工厂的高效耦合；串联布置两个储热单元吸收二氧化碳压缩热，先后采用熔融盐和水作为储热介质，有效结合二者高温稳定性与低工作压力、低成本的优势，实现压缩热的高效吸收与利用，提高系统能量利用率。系统具有储能效率高、结构简单紧凑、占地面积小、适用范围广、可适应分布式布置等优点。