基于二氧化碳耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统及方法，包含集中供热单元、集中供冷单元、工业供汽单元、熔盐储热单元、释能单元和储能单元；储能单元通过第五换热器与供热单元相连；释能单元通过第二换热器和第三换热器与集中供冷单元相连；储能单元通过液体二氧化碳储罐与释能单元相连接；释能单元通过第四换热器与熔盐储热单元相连接；集中供热单元通过第六换热器与熔盐储热单元相连接；工业供汽单元通过第一换热器与熔盐储热单元相连接。本系统不仅能够有效的节约煤炭资源，减少环境污染，保护环境，同时能够满足居民采暖、集中供冷、工业供汽等需求。

说明书

技术领域

本发明属于冷热联供及储能领域，涉及一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统及方法。

背景技术

随着电力装机构成及能源结构的优化调整及转型，风、光、水等可再生能源的快速发展，并逐渐成为电量的主体，煤电机组将发挥电网稳压、调频、托底保供等功能。此外，随着工业的不断发展，集中用热用冷、生产用汽等需求也大幅增加。兼顾供热能力及运行灵活性的热电联产改造以及低能耗长输供热技术的快速发展，高参数、大容量的煤电机组以集中供热的方式，大规模替代大中型城镇地区污染重、能耗高、分散布置的燃煤燃油供热锅炉房，在提升供热可靠性的同时，大幅降低热能消耗，有利于降低污染物排放和环境的保护。

然而，在人口规模相对不大的中小型城镇地区、入驻企业规模及数量不多的工业园区，由外围大容量热电联产机组长距离输送以满足生活集中用热、生产集中用汽等需求，存在长输管网建设投资大、用热成本大幅增加等缺点。然而在三北地区，风能、光能等可再生资源丰富却无法实现就地消纳，弃风、弃光现象严重；与此同时，受地理、农工业产业结构等因素影响，城镇居民用热多以散煤为主。亟需开发一套可消纳当地新能源电力用于居民采暖、集中供冷、工业供汽等多种形式能源供应的技术。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统及方法。具体来讲，提出一种以二氧化碳为压缩膨胀循环介质，并耦合熔盐储热系统，利用风能、太阳能等新能源电力，向城镇地区及工业园区集中供热、供冷，并具备储能功能，在零碳排放的情况下提升了新能源电力的高比例消纳。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统，包括：集中供热单元、集中供冷单元、工业供汽单元、熔盐储热单元、释能单元和储能单元；

储能单元通过第五换热器与供热单元相连；释能单元通过第二换热器和第三换热器与集中供冷单元相连；储能单元通过液体二氧化碳储罐与释能单元相连接；释能单元通过第四换热器与熔盐储热单元相连接；集中供热单元通过第六换热器与熔盐储热单元相连接；工业供汽单元通过第一换热器与熔盐储热单元相连接。

本发明的进一步改进在于：

储能单元包括二氧化碳储罐、电驱压缩机、第五换热器、制冷膨胀机和液体二氧化碳储罐；二氧化碳储罐中二氧化碳依次流经电驱压缩机、第五换热器、制冷膨胀机和液体二氧化碳储罐。

释能单元包括第二低温升压泵、第一低温升压泵、第二换热器、第三换热器、第四换热器和二氧化碳透平发电机。

储能单元通过液体二氧化碳储罐与释能单元相连接；液体二氧化碳储罐的二氧化碳一路依次流经第二低温升压泵、第三换热器、第四换热器、二氧化碳透平发电机和二氧化碳储罐；另一路依次流经第一低温升压泵、第二换热器和二氧化碳储罐。

集中供热单元包括供热站、热网循环水泵和第六换热器；供热站的供热循环水通过热网循环水泵后分为两路，一路依次流经第六换热器和供热站；另一路依次流经第五换热器和供热站。

集中供冷单元包括供冷站、循环泵、第二换热器和第三换热器；供冷站的供冷介质通过循环泵后分为两路，一路流经第二换热器，另一路流经第三换热器，两路共同连接供冷站。

工业供汽单元包括除盐水箱、升压水泵和第一换热器；除盐水箱的除盐水依次流经升压水泵和第一换热器，第一换热器将除盐水箱中的除盐水升温汽化。

熔盐储热单元包括低温熔盐泵、低温熔盐储罐、第七换热器和高温熔盐储罐；低温熔盐储罐的低温熔盐通过低温熔盐泵依次流经第七换热器和高温熔盐储罐。

新能源电力消纳单元通过电驱压缩机与储能单元相连接；新能源电力消纳单元通过第七换热器与熔盐储热单元向连接；新能源电力消纳单元包含风电厂、光伏电站、变压器、第七换热器和电驱压缩机；风电厂和光伏电站的电通过变压器分别供给第七换热器和电驱压缩机。

释能单元通过第四换热器与熔盐储热单元的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐相连接；集中供热单元通过第六换热器与熔盐储热单元的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐相连接；工业供汽单元通过第一换热器与熔盐储热单元的高温熔盐储罐和低温熔盐储罐相连接。

一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能方法，包括以下步骤：

新能源电力消纳过程：风电厂和光伏电站的电通过变压器分别供给第七换热器和电驱压缩机；

熔盐储热过程：低温熔盐储罐出口的低温熔盐由低温熔盐泵驱动，进入第七换热器经电能加热，升温后进入高温熔盐储罐存储；

储能过程：二氧化碳储罐中的二氧化碳进入电驱压缩机实现升压升温，以高压高温状态进入第五换热器，将热能传递给供热站出口经热网循环水泵加压的低温热网循环水，以高压常温状态进入制冷膨胀机降压液化，进入液体二氧化碳储罐；

释能过程：液体二氧化碳储罐的二氧化碳一路经第二低温升压泵升压后进入第三换热器冷能传递给供冷站；然后在第四换热器吸收高温熔盐储罐出口的高温熔盐热量，升温后以高压高温状态进入二氧化碳透平发电机做功发电；另一路经第二低温升压泵升压后进入第三换热器冷能传递给供冷站；第二换热器出口和二氧化碳透平发电机出口混合，共同进入二氧化碳储罐；此阶段高温熔盐储罐出口的高温熔盐由高温熔盐泵加压后进入第四换热器放热，然后回至低温熔盐储罐存储；

集中供热过程：供热站的出口供热循环水经热网循环水泵加压后分为两路，一路进入第六换热器吸热后回至供热站，热源为高温熔盐储罐出口的高温熔盐；另一路进入第五换热器吸热后回至供热站，热源为电驱压缩机出口的高压高温二氧化碳；此阶段高温熔盐储罐出口的高温熔盐由高温熔盐泵加压后进入第六换热器放热后回至低温熔盐储罐存储；

集中供冷过程：供冷站出口供冷介质经循环泵升压后分为两路，一路进入第二换热器吸收冷能降温后回至供冷站；另一路进入第三换热器吸收冷能降温后回至供冷站；此阶段第一低温升压泵的出口二氧化碳在第二换热器释放冷能，以超临界气态进入二氧化碳储罐存储；第二低温升压泵出口的二氧化碳，经高温熔盐加热后以高温高压状态进入二氧化碳透平发电机发电；

工业供汽过程：除盐水箱出口的除盐水进入升压水泵加压进入第一换热器升温汽化；此阶段高温熔盐储罐出口的高温熔盐由高温熔盐泵加压后进入第六换热器，放热后回至低温熔盐储罐存储。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统及方法，构建了以二氧化碳为介质、以风能、太阳能电力为驱动源的压缩制热、膨胀制冷系统，并与以风光电力为驱动源的熔盐储热系统耦合，向城镇地区及工业园区集中供热、供汽、供冷，并具备储能发电功能。本系统不仅能够有效的节约煤炭资源，减少环境污染，保护环境，同时能够满足居民采暖、集中供冷、工业供汽等需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统实施例的示意图。

其中：1-风电厂，2-光伏电站，3-变压器，4-电驱压缩机，5-第五换热器，6-供热站，7-热网循环水泵，8-制冷膨胀机，9-液体二氧化碳储罐，10-第一低温升压泵，11-第二换热器，12-循环泵，13-供冷站，14-二氧化碳储罐，15-第二低温升压泵，16-第三换热器，17-第四换热器，18-二氧化碳透平发电机，19-高温熔盐储罐，20-高温熔盐泵，21-低温熔盐储罐，22-低温熔盐泵，23-除盐水箱，24-升压水泵，25-第一换热器，26-第六换热器，27-第七换热器，28-第十九阀门组，29-第十八阀门组，30-第五阀门组，31-第八阀门组，32-第三阀门组，33-第六阀门组，34-第七阀门组，35-第四阀门组，36-第九阀门组，37-第十阀门组，38-第十一阀门组，39-第十二阀门组，40-第十三阀门组，41-第十四阀门组，42-第十五阀门组，43-第十六阀门组，44-第十七阀门组，45-第二阀门组，46-第一阀门组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明公开了一种基于二氧化碳压缩耦合熔盐储热的冷热联供及储能系统，其具体包括：

风电厂1和光伏电站2发出的电能，经变压器3分别驱动电驱二氧化碳压缩机4和第七换热器27。

自二氧化碳储罐14出口的二氧化碳，以超临界压力（7.3MPa+0.2MPa）、常温（31℃+2℃）的状态，进入电驱压缩机4实现升压升温，以高压高温状态进入第五换热器5，将热能传递给供热站6出口经热网循环水泵7加压的低温热网循环水，以高压常温状态进入制冷膨胀机8降压液化，进入液体二氧化碳储罐9。

供热站6的出口循环水经热网循环水泵7加压后分为两路，一路经第五阀门组30进入第六换热器26吸热后经第十九阀门组28回至供热站6，热源为高温熔盐储罐19出口的高温熔盐；另一路经第八阀门组31进入第五换热器5吸热后经第十八阀门组29回至供热站6，热源为电驱压缩机4出口的高压高温二氧化碳。

液体二氧化碳储罐9出口分为两路，一路经第一低温升压泵10升压后进入第二换热器11将冷能传递给供冷站13；另一路经第三阀门组32、第二低温升压泵15升压后进入第三换热器16冷能传递给供冷站13。第二换热器11出口和二氧化碳透平发电机18出口混合，共同进入二氧化碳储罐14。进入二氧化碳储罐14的二氧化碳为超临界状态，压力≥7.5MPa、温度≥33℃。

供冷站13的冷源有两路，供冷站13出口供冷介质经循环泵12升压后分为两路，一路进入第二换热器11吸收冷能降温后回至供冷站13；另一路经第七阀门组34进入第三换热器16吸收冷能降温后回至供冷站13。

工业供汽系统：除盐水箱23出口的除盐水，经第十六阀门组43进入升压水泵24加压后，进入第一换热器25升温汽化，以某种压力和温度参数下的过热蒸汽状态对外供出。

液体二氧化碳储罐9出口的液体二氧化碳，经第二低温升压泵15加压后，现在第三换热器16释放低温冷能，后在第四换热器17吸收高温熔盐储罐19出口的高温熔盐热量，升温后以高压高温状态进入二氧化碳透平发电机18做功发电，实现风光等新能源电力的存储和释放。二氧化碳透平发电机18出口的二氧化碳为超临界状态，压力≥7.5MPa、温度≥33℃。

具体工作方式如下：

熔盐储热过程：第十五阀门组42和第十七阀门组44开启，低温熔盐泵22运行，低温熔盐储罐21出口的低温熔盐由低温熔盐泵22驱动，进入第七换热器27经风电厂1和光伏电站2的电能加热，升温后经第十七阀门组44进入高温熔盐储罐19存储。低温熔盐储罐21放空，高温熔盐储罐19存满，视为熔盐储热过程结束。

储能过程：第一阀门组46开启，第二阀门组45关闭。自二氧化碳储罐14出口的二氧化碳，以超临界压力（7.3MPa+0.2MPa）、常温（31℃+2℃）的状态，进入电驱压缩机4实现升压升温，以高压高温状态进入第五换热器5，将热能传递给供热站6出口经热网循环水泵7加压的低温热网循环水，以高压常温状态进入制冷膨胀机8降压液化，进入液体二氧化碳储罐9。实现将风电厂1和光伏电站2的电能，除传递压缩热能给供热站6外，其余以低温液态二氧化碳存储在液体二氧化碳储罐9内。

释能过程：第四阀门组35和第二阀门组45开启。液体二氧化碳储罐9出口经第二阀门组45和第三阀门组32进入第二低温升压泵15升压后进入第三换热器16冷能传递给供冷站13。后在第四换热器17吸收高温熔盐储罐19出口的高温熔盐热量，升温后以高压高温状态进入二氧化碳透平发电机18做功发电，实现风、光等新能源电力的存储和释放。第二低温升压泵15和第四换热器17分别调节二氧化碳透平发电机18入口的二氧化碳压力和问题。二氧化碳透平发电机18出口的二氧化碳为超临界状态，压力≥7.5MPa、温度≥33℃。此阶段第十五阀门组42、44关闭，高温熔盐储罐19出口的高温熔盐由高温熔盐泵20加压后经第十阀门组37进入第四换热器17放热后经第十二阀门组39回至低温熔盐储罐21存储。

集中供热：热源有两路，供热站6的出口供热循环水经热网循环水泵7加压后分为两路，一路经第五阀门组30进入第六换热器26吸热后经第十九阀门组28回至供热站6，热源为高温熔盐储罐19出口的高温熔盐；另一路经第八阀门组31进入第五换热器5吸热后经第十八阀门组29回至供热站6，热源为电驱压缩机4出口的高压高温二氧化碳。此阶段第十五阀门组42和第十七阀门组44关闭，高温熔盐储罐19出口的高温熔盐由高温熔盐泵20加压后经第九阀门组36进入第六换热器26放热后经第十一阀门组38回至低温熔盐储罐21存储。

集中供冷：供冷站13的冷源有两路，供冷站13出口供冷介质经循环泵12升压后分为两路，一路进入第二换热器11吸收冷能降温后回至供冷站13；另一路经第七阀门组34进入第三换热器16吸收冷能降温后回至供冷站13。此阶段第一低温升压泵10和第二低温升压泵15都运行，但作用不尽相同。第一低温升压泵10的出口二氧化碳在第二换热器11释放冷能，以超临界气态进入二氧化碳储罐14存储即可；第二低温升压泵15出口压力应高于超临界状态点较多，经高温熔盐加热后以高温高压状态进入二氧化碳透平发电机18做功发电。

工业供汽过程：除盐水箱23出口的除盐水，经第十六阀门组43进入升压水泵24加压后，进入第一换热器25升温汽化，以某种压力和温度参数下的过热蒸汽状态对外供出。此阶段第十五阀门组42和第十七阀门组44关闭，高温熔盐储罐19出口的高温熔盐由高温熔盐泵20加压后经第九阀门组36进入第六换热器26放热后经第十一阀门组38回至低温熔盐储罐21存储。升压水泵24采用电动变频配置，以调节第一换热器25出口的工业供汽压力从而满足用户企业生产需求。

本发明提出的一种以二氧化碳为压缩膨胀循环介质，并耦合熔盐储热系统，利用风、光等新能源电力，向城镇地区及工业园区集中供热、供冷，并具备储能功能，在零碳排放的情况下提升了新能源电力的高比例消纳。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。