一种基于LNG冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统及方法与流程

本发明属于储能和能量利用技术领域，具体涉及一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统及方法。

背景技术：

随着传统化石能源的日益枯竭和环境问题的日益显著，可再生能源的利用受到了越来越多的重视。风能、太阳能等可再生能源所固有的随机性和波动性给可再生能源的开发带来了巨大的挑战，因此我们需要发展储能技术来有效解决这些问题。

目前世界上能够成熟应用的大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能两种，抽水蓄能受到地理位置的限制，需要特定的地质条件和长期的足够水源，而压缩空气储能依赖汽轮机技术、化石燃料的补充燃烧以及合适储存的洞穴。近年来提出了一个跨临界二氧化碳储能系统，该系统具有压缩空气储能的特点且无需燃烧室，我们基于此展开研究。

现有技术中，跨临界二氧化碳储能技术还存在着如下一些问题，其发电效率和储能密度还不高，跨临界二氧化碳储能技术中液态二氧化碳储罐中存在液化不充分的问题，大量富余的lng作为优质冷源无法得到合理利用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统及方法，节能环保，设计合理，对能量充分利用，能够降低存储系统的规模，增加系统的灵活性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统，包括二氧化碳循环回路；

所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储气罐、第一换热器、第二换热器、压缩机组、超临界二氧化碳储罐和膨胀机组；

所述液态二氧化碳储罐的出口经第一换热器蒸发侧和压缩机组连接超临界二氧化碳储罐入口；

所述超临界二氧化碳储罐的出口依次经膨胀机组、第一换热器冷凝侧和第二换热器的冷凝侧连接液态二氧化碳储气罐的入口；

所述第二换热器的蒸发侧入口连接lng储罐，出口连接用户端形成lng利用回路；通过lng作为冷源进一步对第一换热器冷凝侧流出的液态二氧化碳进行冷凝；

所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；

所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能。

优选的，压缩机组采用多级压缩方式进行低谷电储能，膨胀机组采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电。

优选的，还包括热源与冷源循环回路；所述的热源与冷源循环回路包括热源储罐、换热器组和冷源储罐；所述的换热器组包括设置在压缩机之间的压缩侧换热器和设置在膨胀机之间的膨胀侧换热器；

压缩侧换热器设置在对应压缩机的工质出口，初级压缩机的工质入口连接第一换热器蒸发侧出口，压缩机级间的压缩侧换热器蒸发侧连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口，末级压缩机出口连接至超临界二氧化碳储罐入口进行能量存储；每一压缩侧换热器的冷凝侧出口均与热源储罐进口相连接，冷凝侧入口均与冷源储罐出口相连接；

膨胀侧换热器设置在对应膨胀机的工质入口，超临界二氧化碳储罐出口连接初级膨胀机的蒸发侧入口，膨胀机级间的膨胀侧换热器蒸发侧连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，末级膨胀机的工质出口连接第一换热器的冷凝侧工质入口；每一膨胀侧换热器的冷凝侧入口均与热源储罐出口相连接，冷凝侧出口均与冷源储罐进口相连接。

进一步，热源储罐温度保持在135～150摄氏度，冷源储罐温度保持在-5～5摄氏度。

优选的，液态二氧化碳储罐与第一换热器之间设置第一节流阀；超临界二氧化碳储罐与膨胀机组之间设置第二节流阀。

优选的，液态二氧化碳储罐上端连接循环压缩机入口，循环压缩机的出口连接第二换热器的冷凝侧的第二回路形成气态二氧化碳液化回路；利用lng储罐中的lng作为冷源对液态二氧化碳进行冷凝；冷凝侧的第一回路连接第一换热器冷凝侧流出的液态二氧化碳。

一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能方法，包括，

低谷储能；在第一换热器中气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，经过压缩后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐中；

释能供电；超临界二氧化碳储罐释放工质，工质在膨胀机内膨胀做功，带动发电机为用户供电；经过膨胀后的二氧化碳处于气体状态，经换热器液化后储存于液态二氧化碳储罐中；释能供电时，利用lng储罐中的lng作为冷源进一步对第一换热器冷凝侧流出的液态二氧化碳进行冷凝。

优选的，低谷储能时；气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由压缩侧换热器吸收压缩热，同时压缩侧换热器还连接冷源储罐出口和热源储罐，利用压缩热加热来自冷源储罐的介质并输送至热源储罐中，气化的二氧化碳经过多级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐中；

释能供电时；超临界二氧化碳储罐释放工质，在膨胀机内膨胀做功，级间由膨胀侧换热器储存膨胀冷量，同时膨胀侧换热器还连接冷源储罐出口和热源储罐，利用热源储罐中的高温介质对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐进行储存。

进一步，热源与冷源循环回路采用水或导热油为介质，对二氧化碳工质进行级间加热和冷却处理。

优选的，通过循环压缩机对液态二氧化碳储罐中未完全冷凝的气态二氧化碳通过压缩成为液态二氧化碳重新进入液态二氧化碳储罐，其中通过第二换热器利用lng储罐中的lng作为冷源对液态二氧化碳进行冷凝。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用了跨临界二氧化碳储能技术，利用丰富的lng作冷源，为从第一换热器冷凝过的液态二氧化碳进一步冷凝，降低了液态二氧化碳温度有效减少液态二氧化碳储罐中的液态二氧化碳气化，提高了发电效率，同时lng吸热气化之后可以直接供给用户使用。

进一步的，本发明采用多级压缩方式，压缩过程中的电力由低谷电进行供给，解决了用电成本高昂的问题；本发明采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电，利用低谷电储能，需要用电时发电，可赚取峰谷电差价，不但可以解决小区完全依赖电网的缺陷，峰谷电之间的差价也极为可观。

进一步的，本发明构建了热源与冷源循环回路，压缩机级间设有压缩侧换热器，对压缩热进行回收，减小热能的耗散。压缩侧换热器储存的热量集中于热源，用来加热进入膨胀机的工质；膨胀机机组中均设有膨胀侧换热器，有效储存膨胀过程中产生的冷量，膨胀侧换热器储存的冷量集中于冷源，用于压缩机级间冷却，提升系统储能与释能效率。

进一步的，在液态二氧化碳储罐顶端，用循环压缩机将未冷凝的气态二氧化碳压缩后通过换热器后重新进入液态二氧化碳储罐中储存。

附图说明

图1为本发明是一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统的结构示意图。

图中：1、液态二氧化碳储罐；2、第一节流阀；3、第一换热器；4、第一压缩机；5、第三换热器；6、第二压缩机；7、第四换热器；8、第三压缩机；9、超临界二氧化碳储罐；10、热源储罐；11、冷源储罐；12、第二节流阀；13、第一膨胀机；14、第五换热器；15、第二膨胀机；16、第六换热器；17、第三膨胀机；18、第二换热器；19、lng储罐；20、循环压缩机。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统，包括二氧化碳循环回路；

所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储气罐1、第一换热器3、第二换热器18、压缩机组、超临界二氧化碳储罐9和膨胀机组；

所述液态二氧化碳储罐1的出口经第一换热器3蒸发侧和压缩机组连接超临界二氧化碳储罐9入口；

所述超临界二氧化碳储罐9的出口依次经膨胀机组、第一换热器3冷凝侧和第二换热器18的冷凝侧连接液态二氧化碳储气罐1的入口；第二换热器18的蒸发侧入口连接lng储罐19，出口连接用户端，通过lng作为冷源进一步对第一换热器3冷凝侧流出的液态二氧化碳进行冷凝；

所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；

所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能。

其中，液态二氧化碳储罐1外部设绝热材料。

压缩机组采用多级压缩方式进行低谷电储能，膨胀机组采用多级膨胀方式，驱动发电机进行发电。

还包括热源与冷源循环回路；所述的热源与冷源循环回路包括热源储罐10、换热器组和冷源储罐11；所述的换热器组包括设置在压缩机之间的压缩侧换热器和设置在膨胀机之间的膨胀侧换热器；

压缩侧换热器设置在对应压缩机的工质出口，初级压缩机的工质入口连接第一换热器3蒸发侧出口，压缩机级间的压缩侧换热器蒸发侧连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口，末级压缩机出口连接至超临界二氧化碳储罐9入口进行能量存储；每一压缩侧换热器的冷凝侧出口均与热源储罐10进口相连接，冷凝侧入口均与冷源储罐11出口相连接；

膨胀侧换热器设置在对应膨胀机的工质入口，超临界二氧化碳储罐9出口连接初级膨胀机的蒸发侧入口，膨胀机级间的膨胀侧换热器蒸发侧连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，末级膨胀机的工质出口连接第一换热器3的冷凝侧工质入口；每一膨胀侧换热器的冷凝侧入口均与热源储罐10出口相连接，冷凝侧出口均与冷源储罐11进口相连接。

热源储罐10温度保持在135～150摄氏度，冷源储罐11温度保持在-5～5摄氏度，热源储罐10和冷源储罐11外部均设绝热材料。

液态二氧化碳储罐1与第一换热器3之间设置第一节流阀2；超临界二氧化碳储罐9与膨胀机组之间设置第二节流阀12。

一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能方法，包括，

低谷储能；在第一换热器3中气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，经过压缩后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐9中；

释能供电；超临界二氧化碳储罐9释放工质，工质在膨胀机内膨胀做功，带动发电机为用户供电；经过膨胀后的二氧化碳处于气体状态，经换热器3液化后储存于液态二氧化碳储罐1中。

低谷储能时；气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由压缩侧换热器吸收压缩热，同时压缩侧换热器还连接冷源储罐11出口和热源储罐10，利用压缩热加热来自冷源储罐11的介质并输送至热源储罐10中，气化的二氧化碳经过多级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐9中；

释能供电时；超临界二氧化碳储罐9释放工质，在膨胀机内膨胀做功，级间由膨胀侧换热器储存膨胀冷量，同时膨胀侧换热器还连接冷源储罐11出口和热源储罐10，利用热源储罐10中的高温介质对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐11进行储存。

释能供电环节中，第一换热器3与液态二氧化碳储罐1之间设置第二换热器18。利用lng储罐19中的lng作为冷源进一步对第一换热器3冷凝侧流出的液态二氧化碳进行冷凝。

液态二氧化碳储罐1上端连接循环压缩机20，用于将液态二氧化碳储罐1中未完全冷凝的气态二氧化碳通过压缩成为液态二氧化碳重新进入液态二氧化碳储罐1，循环压缩机20的出口连接第二换热器18的冷凝侧的第二回路，利用lng储罐19中的lng作为冷源对液态二氧化碳进行冷凝。冷凝侧的第一回路连接第一换热器3冷凝侧流出的液态二氧化碳。

本发明是一种基于lng冷量利用的跨临界二氧化碳储能系统，充分利用能源，降低用电成本，节能环保。具体的，如图1所示，其包括液态二氧化碳储罐1、超临界二氧化碳储罐9、换热器组、压缩机组、膨胀机组、热源储罐10、冷源储罐11、lng储罐19；lng为系统提供冷量后与用户相连；液态二氧化碳储罐顶端连一压缩机将罐中未液化气态二氧化碳重新压缩再送回罐中。

其中，液态二氧化碳储罐1通过管道与第一换热器3，进而与初级压缩机入口相连，液态二氧化碳储罐1与第一换热器3相连之前，先设置第一节流阀2。压缩机为多级且通过联轴器连接电动机，电动机使用低谷电进行驱动。压缩机的工质出口端均设有压缩侧换热器，级间的压缩侧换热器连接前一级压缩机的出口与下一级压缩机的进口。同时压缩侧换热器通过管道均连接在冷源和热源之间。末级压缩机连接超临界二氧化碳储罐9进行能量存储。超临界二氧化碳储罐9通过管道连接至初级膨胀机，超临界二氧化碳储罐9与初级膨胀侧换热器之间设置第二节流阀12。

膨胀机组同样为多级且通过联轴器在释能阶段驱动发电机发电。膨胀机的工质入口端均设有膨胀侧换热器，级间的膨胀侧换热器连接前一级的膨胀机出口与下一级膨胀机进口，膨胀侧换热器通过管道均连接在热源与冷源之间，末级膨胀机通过管道和冷却器连接至第一换热器3，对工质进行冷却，再通过第二换热器18利用lng的冷量对工质进一步冷却，进而与液态二氧化碳储罐1相连，形成二氧化碳循环回路；压缩机组、膨胀机组对应的换热器组中的换热器两端均与热源储罐18、冷源储罐19相连接，形成一循环回路；液态二氧化碳储罐1顶端连有循环压缩机20，利用循环压缩机20将未液化气态二氧化碳抽出并压缩，通过第二换热器18冷却后返回液态二氧化碳储罐1。

通过上述连接，压缩机组与膨胀机组之间形成循环回路，工质为二氧化碳。同时，每一压缩侧换热器均与热源储罐10进口相连接，与冷源储罐11出口相连接；每一膨胀侧换热器与热源储罐10出口相连接，与冷源储罐11进口相连接。也就是，压缩机组中压缩侧换热器出口通过管道连接至热源，进而连接至膨胀机组中的膨胀侧换热器进口；膨胀机组中的膨胀侧换热器出口通过管道连接至冷源，进而连接至压缩机组中的压缩侧换热器进口。热源、换热器组、冷源之间形成一循环回路，循环回路采用水或导热油为介质。其中，热源储罐10温度保持在135～150摄氏度为宜，冷源储罐11温度保持在-5～5摄氏度为宜，热源储罐10和冷源储罐11外部均设绝热材料以保证其温度。

同时，为了保证液态二氧化碳储罐内恒温，尽量避免液态二氧化碳气化，液态二氧化碳储罐1外也设有绝热材料，保证温度恒定。

为提高工质压力，减少压缩机组耗功，压缩部分采用多级压缩蓄热式级间冷却方式，本发明压缩机组以3级为例；为增加工质做功能力，提高系统效率，膨胀部分采用多级膨胀级间再热方式，本发明膨胀机组以3级为例。

其中，压缩机组包括第一压缩机4、第二压缩机6以及第三压缩机8；膨胀机组包括第一膨胀机13、第二膨胀机15以及第三膨胀机17；换热器组包括作为压缩侧换热器的第三换热器5、第四换热器7和作为膨胀侧换热器的第五换热器14和第六换热器16。

液态二氧化碳储罐1通过第一节流阀2连接至第一换热器3，经第一节流阀2降压，在第一换热器10内吸热气化，同时将冷量储存在第一换热器3中。第一换热器3通过管道连接至第一压缩机4进口，第三换热器5连接第一压缩机4出口与第二压缩机6进口，第四换热器7连接第二压缩机6出口与第三压缩机8进口。压缩机组由联轴器连接，第一压缩机4与电动机相连，电动机由低谷电驱动供能。

本发明中的储能释能方法：气化后的二氧化碳经压缩机组压缩，级间由第三、四换热器5、7吸收压缩热，同时第三、四换热器5、7还连接冷源储罐11出口和热源储罐10，利用压缩热加热来自冷源储罐11的介质并输送至热源储罐10中。气化的二氧化碳经过三级压缩及级间冷却后处于超临界状态，被储存于超临界二氧化碳储罐9中。

当需要供电时，超临界二氧化碳储罐9释放工质并经过第二节流阀12降压至释能压力，通过管道与第一膨胀机13入口相连，第五换热器14连接第一膨胀机13出口及第二膨胀机15进口，第六换热器16连接第二膨胀机15出口及第三膨胀机17进口。膨胀机组通过联轴器与发电机相连，释能阶段通过发电机为用户供电。其中，第五、六换热器14、16同时连接热源储罐10出口和冷源储罐11进口。热源储罐10中的高温介质通过第五、六换热器14、16对流经换热器的二氧化碳工质进行加热，冷却后的介质进入冷源储罐11进行储存。通过上述方式，热源储罐10、换热器组以及冷源储罐11构成一循环回路，循环回路采用水或导热油为介质，对二氧化碳工质进行级间加热和冷却处理。

本发明中对lng冷量的利用：末级膨胀机通过管道与第一换热器3冷凝侧相连，对工质二氧化碳进行冷却。从第一换热器3流出后再用管道连接进入第二换热器18，第二换热器18利用富裕的lng资源作为冷源进一步充分冷却工质二氧化碳。

本发明所述系统包括二氧化碳循环回路、lng利用回路和气态二氧化碳液化回路；所述的二氧化碳循环回路包括液态二氧化碳储罐1、第一换热器3、压缩机组、超临界二氧化碳储罐9和膨胀机组；所述液态二氧化碳储罐1的出口经第一换热器3蒸发侧依次连接压缩机组和超临界二氧化碳储罐9入口；所述超临界二氧化碳储罐9的出口经依次连接的膨胀机组和第一换热器3冷凝侧以及第二换热器18冷凝侧最后连接液态二氧化碳储罐1入口；所述的压缩机组连接低谷电驱动的电动机进行储能；所述的膨胀机组经发电机与用户连接进行释能；所述lng利用回路包括第二换热器18和lng储罐19，通过第二换热器18利用lng储罐19的冷量对二氧化碳冷凝；所述气态二氧化碳液化回路包括第二换热器18和循环压缩机20，把液态二氧化碳储罐1顶端的未冷却气态二氧化碳抽出，在循环压缩机20中压缩为液态并且通过第二换热器18冷却后流入液态二氧化碳储罐1。