基于压缩气体储能的联合循环发电系统

本发明涉及发电系统领域，具体为一种基于压缩气体储能的联合循环发电系统。

背景技术：

1、大力发展可再生能源是目前社会的发展趋势。而可再生能源发电具有较大的波动性，在利用可再生能源发电时，不可避免地带来电网高比例波动源的消纳问题。目前，已有的调频、调压设备不足以完全吸纳新能源产生的电能，对电网安全也提出严峻挑战。储能技术成为解决这一难题的关键技术之一，也是提高电力系统安全性和可靠性的有效途径。

2、目前，co2储能系统备受研究者青睐，也是近年来继压缩空气储能后提出的新型储能系统。在用电低谷期，该系统将清洁能源电力、富裕电力以及用户端不能够利用的废电用于压缩低温低压的co2，将其储存在高压罐中，同时将压缩过程中的压缩热传递给储能介质，简而言之，将难以直接存储的电能转化为便于储存的热能和压力势能进行储存。在用电高峰期，常规发电系统电力不足以提供足够的电能以满足用户的正常需求，将高压储罐内的二氧化碳进行加热后，对其进行膨胀做功，完成电能补给，使得电网运行平稳，极大提升了电网输配电侧的整体效率、安全性和经济性。因此，大力研究电力存储技术迫在眉睫。

3、目前由于压缩co2储能循环系统的储能效率较低，且储能容量有限，在用电高峰期，仅依靠压缩co2储能释放的电能难以及时完成电网的调峰工作，且受储能容量的影响，也无法进行深度调峰及长时调峰。随着可再生能源的利用呈现高比例增长，对电网侧而言，系统转动惯量持续下降，调频、调压能力不足，对电网安全提出严峻挑战。因此如何进一步提高系统的作业效率，增大储能容量，延长释能时间，是本领域亟需解决的难题。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供了一种基于压缩气体储能的联合循环发电系统，通过将较高温度的余热用于加热释能阶段低温高压的循环工质，将储能阶段压缩循环工质产生的压缩热用于加热布雷顿循环发电单元中处于加热阶段的低温工质，实现了能量合理利用的同时，又提升了压缩气体储能单元及布雷顿循环发电单元中工质的做功品质。另一方面，通过布雷顿循环发电单元对冷能供应单元提供的冷能合理利用后，减少了冷能浪费。

2、本发明提供一种基于压缩气体储能的联合循环发电系统，包括：

3、布雷顿循环发电单元；

4、压缩气体储能单元，与布雷顿循环发电单元的电力输出端连接；

5、冷能供应单元，用于提供低温流体燃料，低温流体燃料用于冷却布雷顿循环发电单元中处于冷却阶段的循环工质，低温流体燃料吸收处于冷却阶段的循环工质的热能后气化；

6、余热利用单元，连接冷能供应单元与压缩气体储能单元，余热利用单元用于接收并燃烧气化后的低温流体燃料，低温流体燃料燃烧后的余热用于加热压缩气体储能单元中处于释能阶段的循环工质。

7、在常规压缩气体储能单元中，由于储能阶段压缩热的温度较低，在释能阶段仅依赖压缩热不能将气体的温度提升到较优品质，使得气体做功维持在高压低温的范围，导致气体的做功能力较差，因此压缩co2系统整体效率受制约。另外，低温流体在气化时会释放大量冷能，目前已有的冷能利用主要是常用于气体(如co2)的冷凝，但过低温度的低温流体在对气体冷凝过程中可能会造成结冰现象，目前大多的技术手段是先采用空气对过低的低温流体进行加热，将其控制到可以利用的温度后，利用其冷能来液化气体，因此导致了冷能浪费较为严重。

8、根据该技术方案，低温流体燃料对布雷顿循环发电单元中冷却阶段的工质进行冷却，不仅克服了冷能浪费的问题，且冷能供应单元将第二膨胀机出口的工质冷却至更低的温度，拉低了做功能力的下限，提高了布雷顿循环发电单元的做功能力，从而有利于提高发电效率；布雷顿循环发电单元可以循环发电，补给压缩气体储能单元工作所需的电量，解决在用电高峰期间发电量不足、难以长时间高出力的问题。与布雷顿循环单元换热后的低温流体燃料吸热气化后燃烧，燃烧后的余热用于加热压缩气体储能单元在释能阶段的循环工质，提高了压缩气体储能单元中工质的温度以及工质的做功品质，且延长了释能时间，有利于满足长时调峰、深度调峰的需求，也能增加峰负荷能力，投资和运行成本较低，具有明显优势。相比于目前应用较为广泛的压缩气体储能单元，将气体循环工质在膨胀之前引入加热装置进行再次加热，使其温度达到较高的做功品质，本技术通过余热进入第一换热器换热，有利于提高余热的利用率。

9、本发明的可选技术方案中，压缩气体储能单元包括：

10、高压储罐；

11、第一换热器，高温介质入口与余热利用单元的出口连通，低温介质入口与高压储罐的出口连通，

12、第一膨胀机，与第一换热器的高温介质出口连通，

13、低压储罐，与第一膨胀机的出口连通；

14、第一压缩机，与低压储罐的出口连通；

15、第二换热器，高温介质入口与第一压缩机的出口连通，低温介质出口与高压储罐的入口连通；

16、低温储罐，出口与第二换热器的低温介质入口连通；

17、高温储罐，与第二换热器的高温介质出口连通；

18、第三换热器，高温介质入口与高温储罐的出口连通，低温介质出口与低温储罐的入口连通；压缩气体储能单元在储能阶段产生压缩热，压缩热用于加热布雷顿循环发电单元中处于加热阶段的循环工质。

19、根据该技术方案，高压储罐出口的工质进入第一换热器换热后升温、升温后的工质进入第一膨胀机做功后进入低压储罐，实现了气体的释能。低压储罐出口的工质经第一压缩机压缩后产生压缩热，并进入第二换热器换热后回到高压储罐，实现了气体的储能。低温储罐出口的工质进入第二换热器换热后升温(吸收第二换热器中工质的压缩热)进入高温储罐储存，实现了压缩热的储存；高温储罐出口的工质进入第三换热器降温后回到低温储罐进行储存，完成了压缩热的利用。本技术压缩气体储能单元能够实现气体的储能与释能、压缩热的储存与利用，灵活性较强。压缩气体储能单元在储能阶段产生的压缩热用于加热布雷顿循环发电单元的循环工质，拉高了布雷顿循环发电单元做功的上限，提高了布雷顿循环发电单元的做功能力，从而提高发电效率。

20、本发明的可选技术方案中，布雷顿循环发电单元包括：

21、第二压缩机；

22、预热器，入口与第二压缩机的出口连通，预热器的出口与第三换热器的低温介质入口连通；

23、第二膨胀机，入口与第三换热器的高温介质出口连通；

24、第四换热器，高温介质入口与第二膨胀机的出口连通，低温介质出口与第二压缩机的入口连通，第四换热器的低温介质入口与冷能利用单元连通，第四换热器的高温介质出口与余热利用单元连通。

25、根据该技术方案，第二压缩机出口的工质进入预热器，预热器可以对布雷顿循环发电单元中流动的工质进行适当的预加热，预热后的工质进入第三换热器中与第三换热器中来自高温储罐的压缩热换热升温，升温后的工质进入第二膨胀机膨胀做功，做功后的工质进入第四换热器与来自冷能利用单元的冷能换热降温。利用压缩气体储能单元的压缩热以及低温流体燃料的冷能分别对布雷顿循环中流动的工质进行加热或降温，提高了压缩热以及冷能的利用率；换热后的低温流体燃料进入余热利用单元可用于燃烧发电。

26、本发明的可选技术方案中，布雷顿循环发电单元包括布雷顿循环发电单元包括：

27、第二压缩机；

28、第五换热器，低温介质入口与第二压缩机的出口连通，高温介质出口与第三换热器的低温介质入口连通；

29、第二膨胀机，入口与第三换热器的高温介质出口连通；

30、第四换热器，高温介质入口与第二膨胀机的出口连通，低温介质出口与第二压缩机的入口连通，第四换热器的低温介质入口与冷能利用单元连通，第四换热器的高温介质出口与余热利用单元连通；

31、联合循环发电系统还包括：

32、水分离装置，水分离装置的入口与第一换热器的低温介质出口连通，水分离器的出口与第五换热器的高温介质入口连通；

33、气体分离装置，与第五换热器的低温介质出口连通。

34、根据该技术方案，在布雷顿循环发电单元中，第二压缩机出口的工质进入第五换热器与来自水分离装置出口的工质余热换热后升温、并进入第三换热器与来自高温储罐出口的工质换热升温后，进入第二膨胀机做功，从第二膨胀机出口的工质进入第四换热器与低温流体燃料的冷能换热后降温回到压缩机。第二压缩机出口的工质经第五换热器换热后温度升高并进入第三换热器进一步换热，提高了布雷顿循环发电单元的工质在加热阶段的温度，提高工质的做功能力。

35、在余热利用单元中，经过第四换热器换热后的低温流体燃料气化并进入燃烧室燃烧，燃烧产生的余热进入热能储罐中储存，热能储罐中储存的热能进入第一换热器与高压储罐出口的工质换热，提高了高压储罐出口的工质的温度，从而提高了压缩气体储能单元在释能阶段的工质的做功品质。从第一换热器的低温介质出口的具有一定热能的工质在进入水分离装置分离出一部分水以后，分离出来的循环工质进入第五换热器与第二压缩机出口的工质换热后温度降低冷凝为液体，便于实现工质的捕集。

36、本发明的可选技术方案中，冷能供应单元包括连通设置的冷能储罐以及第一增压泵，第一增压泵的出口与第四换热器的低温介质入口连通。

37、根据该技术方案，通过将冷能供应单元提供的冷能提供给布雷顿循环发电单元，实现了冷能的利用，且降低了布雷顿循环发电单元中工质的温度，拉低了做功的下限，有利于提高布雷顿循环发电单元的发电效率。

38、本发明的可选技术方案中，还包括分流器，入口与第四换热器的高温介质出口连通，分流器的出口之一与余热利用单元连通。

39、根据该技术方案，低温流体燃料进入第四换热器换热后气化，气化后的低温流体燃料从第四换热器的高温介质出口排出后进入分流器进行分流，可实现低温流体燃料的多样化利用，如一部分低温流体燃料用于燃烧发电，一部分低温流体燃料供应给用户。技术人员可以根据实际需要改变低温流体燃料的用途。

40、本发明的可选技术方案中，余热利用单元包括：

41、空气压缩机；燃烧室，入口与冷能供应单元的出口以及空气压缩机的出口连通；

42、第三膨胀机，入口与燃烧室的出口连通，第三膨胀机通过膨胀做功发电；

43、热能储罐，用于储存低温流体燃料燃烧后的余热，热能储罐的入口与第三膨胀机的出口连通，热能储罐的出口与第一换热器的高温介质入口连通。

44、根据该技术方案，低温流体燃料在第四换热器中与布雷顿循环发电单元的工质换热后升温气化进入燃烧室燃烧，燃烧产生的热量可用于第三膨胀机膨胀发电，发电后的工质余热进入热能储罐储存并用于加热压缩气体储能单元中处于释能阶段的工质，提高了处于释能阶段的工质的温度，延长了释能时间。

45、本发明的可选技术方案中，还包括有机朗肯循环回路，有机朗肯循环回路包括：

46、第二增压泵；

47、第六换热器，第六换热器的高温介质入口与第一膨胀机的出口连通，第六换热器的低温介质出口与低压储罐的入口连通，第六换热器的低温介质入口与第二增压泵的出口连通；

48、第四膨胀机，入口与第六换热器的高温介质出口连通；

49、第七换热器，第七换热器的高温介质入口与第四膨胀机的出口连通，第七换热器的低温介质出口与第二增压泵的入口连通，第七换热器的低温介质入口与气体分离装置的出口连通。

50、根据该技术方案，有机朗肯循环回路中第二增压泵出口的工质，与压缩气体储能单元中第一膨胀机出口的尾气余热，在第六换热器处换热，提升了有机朗肯循环回路中工质的温度，增大有机朗肯循环回路中工质做功能力的上限，提高了系统的效率，且充分利用了压缩气体储能单元膨胀做功后的余热，提高了余热的利用率，另外，该余热的利用降低了释能阶段经过第一膨胀机做功后工质的温度，便于液态工质的储存。第四膨胀机出口的工质进入第七换热器与气体分离装置出口的低温工质换热，提高了冷能的利用率，同时降低了有机朗肯循环回路中工质做功能力的下限，提高了有机朗肯循环回路的做功品质以及做功效率。

51、本发明的可选技术方案中，有机朗肯循环回路中的循环工质为丙烷、丁烷或乙烯。

52、根据该技术方案，上述循环工质均为有机朗肯循环中常见的工质，材料来源易得，有利于降低发电成本。

53、本发明的可选技术方案中，低温流体燃料为低于零下150℃的低温流体燃料。

54、根据该技术方案，零下150℃以下的低温流体燃料具有较佳的冷却效果，且换热后气化的流体燃料进行燃烧时无需预热，实现了冷能的合理利用。