与火电厂耦合的热泵级联式储能系统

技术领域

本发明涉及新能源消纳与火电调峰技术领域，尤其涉及一种与火电厂耦合的热泵级联式储能系统。

背景技术

随着清洁低碳、安全可靠的新型电力系统构建，煤电由主体型电源向基础保障性和系统调节型电源转型。目前有不少火电厂纷纷尝试通过热储能系统发挥火电机组的应急调峰能力，提升火电机组灵活性，例如通过抽汽储热、富余电-热转换储存等方式。然而，目前的热储能调峰系统与火电厂耦合的热电转换效率仍然较低，不能通过热储能进行独立调峰，仍需以燃煤为主，热储能只能起到辅助调峰的作用。

相关技术中，Vinnemeier等人(Vinnemeier et al.,Integration of heat pumpsinto thermal plants for creation of large-scale electricity storagecapacities,2016)提出了将热泵集成到火电厂的系统，以创建大规模的电力存储能力。在合理的热泵工质和工艺配置下，基于不同类型火电厂的集成系统的往返效率可达到的最大效率约在50～60％之间。薛等人(Xue et al.,Multi-criteria thermodynamic analysisof pumped-thermal electricity storage with thermal integration andapplication in electric peak shaving of coal-fired power plant,2022)提出了一种结合燃煤电厂(300MW)余热的有机朗肯循环热泵系统。热泵机组在非高峰时段将电站的电能和余热吸收到蓄热系统中，在高峰时段由热泵发电。该系统在辅助电厂深度调峰方面具有优势，但其局限性在于当电厂余热不足时，需要额外从厂外获得低品位工业余热，消耗多余的风电/光伏电的能力有限。德国航空航天中心(DLR)(Jorge et al.，2019)与一家大型德国公用事业公司研究将现有的燃煤电厂转化为存储电厂，发现相比于亚临界蒸汽(16～19MPa)循环，采用超临界蒸汽(24～26MPa)循环提高主蒸汽压力能够提高效率。当热泵储能系统与主蒸汽压力(25MPa)和温度(600～620℃)均较高的超临界火电厂耦合时，效率较高，但需要将热储能耦合温度提高到620℃以上。620℃以上使用熔盐还存在腐蚀问题，会增加系统成本，且高温压缩机也面临挑战。

西安热工研究院有限公司的公开号为CN111964035A的专利申请提出一种火电厂耦合高效压缩式热泵储能调峰系统及方法，其采用热泵提取烟气热量进行存储，释热时加热冷凝器循环水及热网回水，该模式的热泵储能系统容量无法做到较大规模。西门子的公开号为CN103842744A的专利申请提出一种储能设备以及用于存储能量的方法，将热泵机组压缩空气转换为高品位热能存储在热储能装置中；用电高峰期时，将存储的热能释热给气体进行膨胀机做功发电。西门子的公开号为CN103987925A的专利申请提出一种有开放式蓄能回路的存储季节性过剩电能的能量存储设备，将热泵机组压缩空气转换为高品位热能存储在热储能装置中；用电高峰期时，一部分热能释热给蒸汽进行朗肯循环做功发电，另一部分热能释热给热泵机组完成布雷顿循环做功发电，冷空气直接排向大气中。西门子的公开号为CN103930653A的专利申请提出一种带有回收器的高温能量存储器，将空气多级压缩存储热能，在需求时将热能释放给蒸汽进行朗肯循环做功。西门子的专利思想是通过消纳过剩电能进行大规模热存储，并在用电高峰期通过电厂汽机设备进行释热发电，但其系统设计较为粗略，对于系统的核心环节，即满足电厂高温蒸汽温度，如566℃需求的储热材料的应用很关键。西门子专利应用沙砾、岩石、混凝土、水或盐，但在实际应用中通常沙砾、岩石、混凝土与蒸汽进行热量传输时，传热系数较小，这将带来较大的传热面积，其经济性较差，压损也较大；水储热需要容器的压力较高；盐储热，无论是硝酸盐、氯盐还是碳酸盐，相较固体储热材料其优势是可流动性使得换热系数较高，热响应快速，但面临的问题是在大于580℃的熔盐对不锈钢腐蚀加剧，镍基合金具有耐腐蚀优势，但其成本昂贵。若不对储热及换热系统进行特殊设计，很难指导实际应用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种与火电厂耦合的热泵级联式储能系统，提出对储热和换热部分进行了级联式设计，并在超高温熔盐罐采用密闭通入保护气氛的方法用以提高熔盐分解温度及稳定性，该设计拓宽了熔盐使用温域，平衡了由于高温高腐蚀驱动钢材升级带来的经济性下降，并提升了系统运行的安全可靠性。

本发明提供一种与火电厂耦合的热泵级联式储能系统，包括热泵电加热器联合系统、级联式换热系统和气氛保护系统，所述热泵电加热器联合系统包括电动机、压缩机、膨胀机、回热器、级联式储热系统和储冷系统；所述级联式储热系统包括第一换热器、热盐罐、冷盐罐、超高温熔盐加热槽、电加热器、超高温盐罐和高温盐罐，所述电加热器设于所述超高温熔盐加热槽内且适于与新能源发电系统连接；所述储冷系统包括第二换热器、低温冷却液罐和常温冷却液罐；所述级联式换热系统包括多级换热器，所述多级换热器包括一级换热器和二级换热器；

其中，电动机、压缩机、膨胀机和回热器相连形成封闭的热泵回路；所述热泵回路的热气管道内的工作气体能够在所述回热器内与所述热泵回路的反馈管道内的所述工作气体换热；所述第一换热器、所述冷盐罐、所述一级换热器和所述热盐罐依次连接形成第一储热回路；所述第一换热器设置于热泵回路上，使所述第一储热回路内的熔盐能够吸收所述热泵回路内的工作气体的热能；所述高温盐罐、所述超高温熔盐加热槽、所述超高温盐罐和所述二级换热器依次连接形成第二储热回路；所述一级换热器和二级换热器通过蒸汽管道串联并与火电厂耦合连接，形成释热回路；所述第一储热回路和所述第二储热回路内的熔盐一一对应通过所述一级换热器和所述二级换热器向所述释热回路内的水和/或蒸汽释放热能，以形成供向汽轮机的蒸汽；

所述气氛保护系统用于向所述超高温盐罐、所述超高温熔盐加热槽和所述高温盐罐通入保护气体，使超高温盐罐、超高温熔盐加热槽和高温盐罐在气氛保护下运行；其中，在采用Hitec盐的情况下，所述保护气体包括氮气和氧气的混合气体。当超高温盐罐和超高温熔盐加热槽内熔盐温度达到设定温度时，通过气氛保护系统向超高温盐罐和超高温熔盐加热槽内通入保护气体。气氛保护系统还可用于控制通入保护气体的速度、压力以及气体成分的比例等。

所述第二换热器设置于热泵回路上且连接于所述低温冷却液罐的入口和所述常温冷却液罐的出口之间，并且，所述低温冷却液罐的出口和所述常温冷却液罐的入口适于与所述火电厂中冷凝器连接以形成第一释冷回路，所述第二换热器用于所述第一释冷回路内流通的冷却液吸收所述热泵回路内的所述工作气体的冷能以供所述冷凝器冷凝所述汽轮机输出的乏汽；

本发明在常用的“布雷顿循环”热泵及传统两罐式熔盐储热基础上，提出利用热泵机组“逆布雷顿循环”制热，其中通过回热器对低温工作气体进入压缩机入口前的预热，实现了低压比及可使工作气体达到预期高温的目的。通过级联式储热系统对热泵机组产生的热能进行梯级存储，并对应通过级联式换热系统将梯级存储的热能传递到火电厂；在超高温盐罐之前利用电加热器进行提温，拓宽了熔盐使用温域，平衡了由于高温高腐蚀驱动钢材升级带来的经济性下降，并提升了电-热-电往返效率及系统运行的安全可靠性。通过对超高温盐罐和高温盐罐进行气氛保护，使第二储热回路内的熔盐能够达到足以获得超临界蒸汽的温度，实现火电厂清洁低碳、灵活可调的电能输出。热泵回路产生的冷能用于冷却电厂输出的乏汽，提高了热泵调峰系统的循环效率和火电厂的朗肯循环效率。该热泵储能调峰系统不仅满足了火电厂灵活深度调峰要求，还提升了火电厂的发电效率，有利于大规模高比例高效的消纳随机的新能源。

进一步地，所述超高温盐罐的罐体为镍基合金罐体，所述高温盐罐、所述热盐罐和所述冷盐罐为不锈钢罐体。如此，可以减小超高温盐罐的体积，从而降低镍基合金罐体的成本，超高温盐罐所需要的保护气体相应减少，控制也相对容易。此种四罐级联存储设计中，使用镍基合金的超高温盐罐的体积仅是盛装二元硝酸太阳盐高温盐罐体积的40％。由于镍基合金用量最少，四罐级联存储设计具有成本优势。此外，当储罐较小时，其内部的保护气体的控制也更容易。

进一步地，所述多级换热器包括第一多级换热器和第二多级换热器，第一多级换热器连接在锅炉的给水管道和高压缸主蒸汽输入管道之间，形成第一释热回路，第二多级换热器连接在所述汽轮机的高压缸蒸汽输出管道和中压缸再热蒸汽输入管道之间，形成第二释热回路；其中，所述第一多级换热器和所述第二多级换热器均包括串联连接的一级换热器和二级换热器，所述第一多级换热器的一级换热器和所述第二多级换热器的一级换热器并联于所述第一储热回路上，所述第一多级换热器的二级换热器和所述第二多级换热器的二级换热器并联于所述第二储热回路上；

其中，给水管道输出的水依次吸收级联式储热系统两级存储的热能，并最终输入到火电厂的高压缸；高压缸出口蒸汽依次吸收级联式储热系统两级存储的热能，并最终输入到火电厂的中压缸。并且先利用第一储热回路及其一级换热器对水/蒸汽进行一次换热，再利用第二储热回路及其二级换热器对水/蒸汽进行二次换热。如此，该热泵级联式储能系统实现了对水/蒸汽的分级换热，在拓宽熔盐使用温域的基础上，提高了能源利用率。

进一步地，所述第一换热器和/或回热器为微型管壳式换热器，可实现较高的传热面积与体积比。

进一步地，所述第二多级换热器的换热管材为Haynes 230。当该级联式储能系统应用于超临界电厂时，第二多级换热器作为熔盐-超临界水/蒸汽换热器，其换热管采用Haynes230，有利于减小换热管壁厚。

进一步地，所述换热系统还包括：第三换热器；低温冷却液罐的出口和所述常温冷却液罐的入口通过第二冷却液管道连接在所述第三换热器的两端，形成第二释冷回路；其中，所述第三换热器适于与制冷设备连接，所述第二释冷回路内流通的冷却液能够通过所述第三换热器吸收所述制冷设备内的热量，实现冷能利用。该制冷设备可以为冰箱、制冰机、冷藏柜等。制冷设备也可以作为换热系统的一部分。第二释冷回路上设有第三调节阀，可通过启动第三调节阀来启动第二释冷回路的释冷工作。

本发明还提供一种与火电厂耦合的热泵级联式储能系统的运行方法，包括：

确定所述新能源发电系统中存在富余电能，则启动所述热泵电加热器联合系统，将所述富余电能转换为热能和冷能，并将所述热能储存于所述级联式储热系统，将冷能储存于所述储冷系统；

确定火电厂的发电需求小于设定阈值，则关闭锅炉以及锅炉的蒸汽出口与汽轮机的蒸汽输入管道之间的调节阀组，启动所述释热回路和所述第一释冷回路，使所述级联式储热系统储存的热能释放给所述释热回路中的水和/或蒸汽，使所述储冷系统储存的冷能释放给所述释冷回路中的冷却液；

确定火电厂的发电需求大于或等于所述设定阈值，则启动所述锅炉并开启所述调节阀组；

在所述启动所述锅炉并开启所述调节阀组后，确定所述锅炉的负荷达到稳定值，则关闭所述释热回路。

其中，当火电厂的发电需求小于设定阈值时，表明火电厂处于低负荷状态。此时使锅炉处于自保护自循环状态，并启动释热回路，使锅炉输出的水或汽轮机的高压缸输出的蒸汽吸收级联式储热系统储存的热能后进入汽轮机。启动第一释冷回路，使储冷系统内的冷却液通过第一释冷回路流经冷凝器，对冷凝器内蒸汽进行冷凝。

当火电厂的发电需求大于或等于设定阈值时，表明火电厂处于高负荷状态，级联式储热系统储存的热能不足。此时进行锅炉热启动，使第一释热回路内的主蒸汽与锅炉直接输出的主蒸汽混合后进入高压缸。第二释热回路内的再热蒸汽与锅炉直接输出的再热蒸汽混合后从进入中压缸。

在热启动锅炉后，锅炉的负荷逐渐上升，当负荷达到设定值，且在设定时间段内处于设定波动幅度范围内时，认为锅炉的负荷达到稳定状态。此时关闭第一释热回路和第二释热回路，采用锅炉单独运行发电。

进一步地，还包括：确定冷凝器内的蒸汽热能不足以将所述储冷系统内的冷却液加热到设定温度，则启动第二释冷回路，使储冷系统内的冷却液一部分通过第一释冷回路流经冷凝器，另一部分通过第二释冷回路流经第三换热器，以利用多余的冷能，提高系统的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明提供的与火电厂耦合的热泵级联式储能系统与火电厂耦合结构示意图；

图2是有无回热器的逆布雷顿循环的T-s图；

图3是在变输入负载下压缩机和透平膨胀机的效率变化曲线；

图4是本发明中的热泵电加热器联合系统与纯电加热器在变输入负载下的电热转换效率的对比图；

图5是原电厂系统耦合热泵电加热器联合系统形成的集成系统与原电厂系统在不同输出负荷下的往返效率的对比图；

图6是本发明提供的与火电厂耦合的热泵级联式储能系统的运行方法的流程示意图；

附图标记：

1、电动机；2、压缩机；3、膨胀机；6、回热器；

101、热气管道；102、反馈管道；200、蒸汽管道；201、第一蒸汽管道；202、第二蒸汽管道；301、第一冷却液管道；302、第二冷却液管道；401、第一熔盐管道；402、第二熔盐管道；

4、级联式储热系统；41、第一换热器；42、热盐罐；43、冷盐罐；44、超高温盐罐；45、电加热器；46、高温盐罐；47、超高温熔盐加热槽；

5、储冷系统；51、第二换热器；52、低温冷却液罐；53、常温冷却液罐；

71、多级换热器；711、第一多级换热器；712、第二多级换热器；721、第一调节阀；722、第二调节阀；73、第三换热器；74、制冷设备；75、第三调节阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”～“第五”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。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实施例中的具体含义。

本发明实施例提供的与火电厂耦合的热泵级联式储能系统设有以下五个系统：

热泵电加热器联合系统：包括电动机1、压缩机2、膨胀机3、回热器6、级联式储热系统4和储冷系统5。

级联式储热系统4：包括第一换热器41、热盐罐42、冷盐罐43、超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47、电加热器45和高温盐罐46。

储冷系统5：包括第二换热器51、低温冷却液罐52和常温冷却液罐53。

级联式换热系统：包括多级换热器71和第三换热器73。其中，多级换热器71包括第一多级换热器711和第二多级换热器712，第一多级换热器711和第二多级换热器712均包括一级换热器71a和二级换热器71b。

气氛保护系统：用于向超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47和高温盐罐46内通入保护气体。

本发明实施例提供的用于火电厂的热泵储能调峰系统与火电厂耦合连接形成有如下四个回路：

第一释热回路：由第一多级换热器711的两端分别通过第一蒸汽管道201与火电厂中锅炉的给水管道和汽轮机的高压缸主蒸汽输入管道相连而形成；

第二释热回路：由第二多级换热器712的两端分别通过第二蒸汽管道202与火电厂中汽轮机的高压缸蒸汽输出管道和中压缸再热蒸汽输入管道相连而形成；

第一释冷回路：由第二换热器51、低温冷却液罐52、火电厂的冷凝器和常温冷却液罐53依次通过第一冷却液管道301相连而形成；

第二释冷回路：由第二换热器51、低温冷却液罐52、第三换热器73和常温冷却液罐53依次通过第二冷却液管道302相连而形成。

下面结合图1图6描述本发明的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统。

本发明实施例提供的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统能够与火电厂耦合连接，用于对火电厂进行储能调峰。如图1所示，该级联式储能系统包括热泵电加热器联合系统、级联式换热系统和气氛保护系统。

其中，热泵电加热器联合系统包括电动机1、压缩机2、膨胀机3、回热器6、级联式储热系统4和储冷系统5。电动机1、压缩机2和膨胀机3依次通过传动轴连接，电动机1适于与新能源发电系统电连接。压缩机2的出气口和膨胀机3的进气口通过热气管道101连接，膨胀机3的进气口和压缩机2的进气口通过反馈管道102连接，从而形成封闭的热泵回路。

级联式储热系统4包括第一换热器41、热盐罐42、冷盐罐43、超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47、电加热器45和高温盐罐46，电加热器45设于超高温熔盐加热槽47内且适于与新能源发电系统连接。电加热器45可以为电加热棒式电阻加热器或正负电极的电极式加热器。级联式换热系统包括多级换热器71，多级换热器71包括一级换热器71a和二级换热器71b。储冷系统5包括第二换热器51、低温冷却液罐52和常温冷却液罐53。

第一换热器41、冷盐罐43、一级换热器71a和热盐罐42依次通过第一熔盐管道401连接，形成第一储热回路。第一换热器41设置于热气管道101上，使第一储热回路内的熔盐能够通过第一换热器41吸收热泵回路内的工作气体的热能。高温盐罐46、超高温熔盐加热槽47、超高温盐罐44和二级换热器71b依次通过第二熔盐管道402连接，形成第二储热回路。超高温盐罐44和超高温熔盐加热槽47均密闭设置。

一级换热器71a和二级换热器71b通过蒸汽管道200串联并适于通过蒸汽管道200与火电厂耦合连接，形成释热回路。第一储热回路和第二储热回路内的熔盐一一对应通过一级换热器71a和二级换热器71b向释热回路内的水和/或蒸汽释放热能，以形成供向火电厂内汽轮机的蒸汽。其中，蒸汽管道200用于流通由锅炉的给水管道输送过来的水和/或由汽轮机的高压缸输出的蒸汽。

其中，热泵回路中的工作气体为空气、氮气、氦气或氩气中的一种。热盐罐42和冷盐罐43内存放二元硝酸太阳盐，二元硝酸太阳盐由60％的NaNO3和40％的KNO3组成。超高温盐罐44和高温盐罐46内存放Hitec盐、氯盐和碳酸盐中的一种，Hitec盐由7％的NaNO

气氛保护系统分别与超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47和高温盐罐46连接，用于向超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47和高温盐罐46通入保护气体，使超高温盐罐44、超高温熔盐加热槽47和高温盐罐46在气氛保护下运行。其中，在采用Hitec盐的情况下，保护气体包括氮气和氧气的混合气体。当超高温盐罐44和超高温熔盐加热槽47内熔盐温度达到设定温度时，通过气氛保护系统向超高温盐罐44和超高温熔盐加热槽47内通入保护气体。气氛保护系统还可用于控制通入保护气体的速度、压力以及气体成分的比例等。

第二换热器51设置于反馈管道102上，且连接于低温冷却液罐52的入口和常温冷却液罐53的出口之间。低温冷却液罐52的出口和常温冷却液罐53的入口适于通过第一冷却液管道301连接在冷凝器的冷却通道的两端，形成第一释冷回路。第一释冷回路内流通的冷却液能够通过第二换热器51吸收热泵回路内的工作气体的冷能以供冷凝器冷凝汽轮机输出的乏汽。其中，第一释冷回路内流通的冷却液为相变温度在0℃～-21.2℃之间的盐水。

回热器6设于第一换热器41和膨胀机3的进气口之间的热气管道101上，且设于第二换热器51和压缩机2的进气口之间的反馈管道102上，使热气管道101内的工作气体能够在回热器6内与反馈管道102内的工作气体换热。

本发明实施例中的新能源发电系统可以包括风电和/或光伏电站，当风电和/或光伏电站中存在随机的、无法消纳的电能，或者火电厂自身无法上网的电能时，一方面通过电动机1将一部分电能转化为压缩机2和膨胀机3的机械能，通过压缩机2将机械能转化为热能，并储存到第一储热回路的热盐罐42中；通过储冷系统5回收膨胀功，并将冷能储存到第一释冷回路的低温冷却液罐52中。另一方面通过电加热器45将另一部分电能转化为热能并存储到第二储热回路的超高温盐罐44中，以供火电厂调峰时使用。

本发明实施例提供的与火电厂耦合的热泵级联式储能系统，通过在热泵回路上设置级联式储热系统4和储冷系统5，通过级联式储热系统4的热盐罐42储存热泵回路中的热能，通过级联式储热系统4的超高温盐罐44储存电加热器45转换的热能，通过储冷系统5的冷盐罐43回收热泵回路中的冷能。级联式储热系统4能够通过级联式换热系统与火电厂耦合连接形成释热回路，储冷系统5能够与火电厂耦合连接形成第一释冷回路。需要时，通过释热回路释放热能并耦合进火电厂进行做功发电，实现火电厂的调频调峰以及对新能源的消纳；通过第一释冷回路冷却汽轮机输出的乏汽。

本发明实施例在常用的“布雷顿循环”热泵及传统两罐式熔盐储热基础上，提出利用热泵机组“逆布雷顿循环”制热，其中对储热和换热部分进行了级联式设计，通过四个熔盐灌对热能进行梯级存储，在超高温盐罐44之前利用电加热器45进行提温，对超高温盐罐44采用密闭通入保护气氛的方式提高熔盐分解温度及稳定性。该系统拓宽了熔盐使用温域，平衡了由于高温高腐蚀驱动钢材升级带来的经济性下降，并提升了电-热-电往返效率及系统运行的安全可靠性。热泵回路产生的冷能用于冷却电厂输出的乏汽，提高了热泵调峰系统的循环效率和火电厂的朗肯循环效率。当火电厂需要深度调峰时，可利用储存的热能单独运行发电。该热泵储能调峰系统不仅满足了火电厂灵活深度调峰要求，还提升了火电厂的发电效率，有利于大规模高比例高效的消纳随机的新能源。

在实际应用中，通过本发明提供的热泵电加热器联合系统，可实现电-热转换效率＞1.2；通过本发明提供的储冷系统5，可将原电厂低压缸做完功的乏汽冷凝成3℃-5℃的过冷水，而原火电厂过冷水温度约30℃，进而提高了发热电功率。综合下来，本发明提供的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统，在额定工况下可将总的往返效率提升至60％以上。

以下对本发明提供的用于火电厂的热泵储能调峰系统进行具体说明。

参见图1，当新能源发电系统中存在富余电能时，将电能供给电动机1，热泵回路启动工作。电动机1驱动压缩机2，压缩机2压缩工作气体获得高温热能，高温热能通过第一换热器41存储到热盐罐42内。接着工作气体流经回热器6后到达膨胀机3，在膨胀机3中膨胀获得低温冷能，低温冷能通过第二换热器51储存在低温冷却液罐52。接着工作气体流经回热器6被再次加热后进入压缩机2，进入下一个循环。其中，通过回热器6对低温工作气体进入压缩机2入口前的预热，实现了低压比及可使工作气体达到预期高温的目的。

在热泵回路和第一储热回路工作时，压缩机2输出的高温工作气体能够在第一换热器41内将其热能释放给第一储热回路内流通的熔盐，并将热能存储在热盐罐42内。在第二储热回路工作时，高温盐罐46内的高温熔盐在流入超高温盐罐44之前，能够被电加热器45加热到566℃以上，并将热能存储在超高温盐罐46内。

在释热回路、第一储热回路和第二储热回路工作时，火电厂中锅炉的给水管道输出的水和/或汽轮机的高压缸输出的蒸汽能够进入释热回路，并依次流经一级换热器71a和二级换热器71b在一级换热器71a内吸收第一储热回路内的熔盐的热能，在二级换热器71b内吸收第二储热回路内的熔盐的热能，然后从汽轮机的蒸汽输入管道输入汽轮机，用于朗肯循环做功。

本发明实施例中的第一储热回路具有储热功能和释热功能。冷盐罐43内的冷熔盐流经第一换热器41与工作气体换热后到达热盐罐42，实现热能的储存。热盐罐42内的热熔盐流经一级换热器71a与水和/或蒸汽换热后回流到冷盐罐43，实现热能的释放。

本发明实施例中的第二储热回路也具有储热功能和释热功能。高温盐罐46内的高温熔盐流经超高温熔盐加热槽47后到达超高温盐罐44，实现热能的储存。超高温盐罐44内的超高温熔盐流经二级换热器71b与水和/或蒸汽换热后回流到高温盐罐46，实现热能的释放。

本发明实施例中的第一释冷回路具有储冷功能和释冷功能。常温冷却液罐53内的冷却液流经第二换热器51与工作气体换热后到达低温冷却液罐52，实现冷能的储存。低温冷却液罐52内的低温冷却液流经冷凝器内的冷凝管时与冷凝器内的蒸汽换热后回流到常温冷却液罐53，实现冷能的释放。冷凝器内的蒸汽为火电厂中汽轮机的低压缸末级做功的乏汽，第一释冷回路能够将该蒸汽冷凝成3℃-5℃的过冷水，冷却液的温度被加热至约20℃，返回至常温冷却液罐53。

考虑到空气的可获得性，以及空压机技术(如航空燃气轮机、压缩空气储能)的广泛应用，本发明实施例选择空气作为工作气体。

在燃气轮机中，空气压缩机技术的最高温度可达几百摄氏度。在实践中，用于如此大的能量存储的压缩机很难达到500℃以上的温度。本发明实施例中，在级联式储热系统4的高温段(>500℃)使用电加热器45提升熔盐温度。优选的，热量的温度范围中较低的80％～90％由热泵实现，剩余的10％～20％由电加热器45实现。电加热器45的响应时间比热泵短，在启动过程中，电加热器45可以先启动。

在热储能方面，无机熔盐、花岗岩、陶瓷颗粒等均可以满足储热目的。花岗岩和陶瓷颗粒可以在600℃以上使用，但是其导热系数很低(1.5Wm

由于电网级储能的大功率压缩机出口温度在目前的技术水平上很难达到500℃以上。本发明实施例基于压缩机出口温度为500℃，采用四罐梯级存储，即第一储热回路中的冷盐罐43和热盐罐42存放300℃～500℃的二元硝酸太阳盐；第二储热回路中的高温盐罐46和超高温盐罐44存放500℃～660℃的Hitec盐、氯盐和碳酸盐中的一种，利用电加热器45对储热材料进行加热。

硝酸盐、氯盐还是碳酸盐，相较固体储热材料其优势是可流动性使得换热系数较高，热响应快速，但是大于580℃的熔盐对不锈钢盐罐的腐蚀加剧。镍基合金罐体耐腐蚀，但成本昂贵。对此，本发明实施例中，对于级联式储热系统4超高温段的超高温盐罐44，采用镍基合金罐体，比如铬镍铁合金、铬镍铁合金等。高温盐罐46、热盐罐42和冷盐罐43则采用传统不锈钢罐体。这样，可以减小超高温盐罐44的体积，从而降低镍基合金罐体的成本，超高温盐罐44所需要的保护气体相应减少，控制也相对容易。此种四罐级联存储设计中，使用镍基合金的超高温盐罐44的体积仅是盛装二元硝酸太阳盐高温盐罐46体积的40％。由于镍基合金用量最少，四罐级联存储设计具有成本优势。此外，当储罐较小时，其内部的保护气体的控制也更容易。

在冷储能方面，首选价格便宜、安全的冷却液。一些有机液体可以在200k以下的低蒸气压下工作(接近或低于0.1MPa)，如丁烷、庚烷等，但其具有高度易燃性和神经毒性。NaCl-水混合物的相变发生在0℃～-21.2℃之间，对应于共晶点(NaCl在水中的质量比为23.3％)。

在实际应用中，热泵系统在热泵过程中主要的不可逆能量转换是压缩机2，压缩机2和膨胀机3的等熵效率因类型和条件不同而不同。本实施例采用压缩机的效率为0.8，膨胀机的效率为0.9。根据太阳盐工作温度，将回热温度设定为280℃。如图2所示，在不考虑压缩机2和膨胀机3实际效率的理想工况下，有无回热器的逆布雷顿循环(充能过程)的T-s图。从图2中可以看出，增加回热器6时，压缩机2的进口温度升高(T

经计算，有回热器6的热泵系统的性能系数COP＝2.8，电热转化效率η

在向热泵系统充电过程中，当输入功率发生变化时，压缩机2或膨胀机3在输入负荷小于0.4时，由于局部涡流损失较大，效率下降较快。如图3所示，压缩机效率曲线在速率为0.8时有一个极值点，在速率为0.8后略有下降。在比较理想的情况下，往复式压缩机的效率最高可达0.91，涡轮式压缩机的效率最高可达0.96。在目前的技术水平上，用于大储能的压缩机(轴流或离心压缩机)的效率可能达不到这么高，但不同工况下的效率变化趋势可以作为参考。

本发明实施例采用热泵和电加热器45联合加热的方案，并以压缩机2的出口温度为500℃，回热温度为280℃为例说明。

由图4示出的热泵+电加热器45与纯电加热器45在变输入负荷下的加热效率的对比，可以看出，当电输入负荷大于60％时，热泵电加热器联合系统才能获得较高的制热效率(1.39～1.426)，输入负荷较低时压缩机2和膨胀机3的效率急剧下降。

由图5示出的原电厂系统耦合热泵系统形成的集成系统与原电厂系统在不同输出负荷下的往返效率的对比，可以看出，集成系统的往返效率普遍高于原电厂。当输出负载大于80％时，集成系统的往返效率可达0.55～0.56；当输出负载为40％时，集成系统的往返效率为0.47，而原电厂的往返效率为0.36。当输出负载为20％时，集成系统的效率只有0.38。

参见图1，本发明一些实施例中，多级换热器71包括第一多级换热器711和第二多级换热器712，第一多级换热器7和所述第二多级换热器712均包括一级换热器71a和二级换热器71b。第一多级换热器711的一级换热器71a和第二多级换热器712的一级换热器71a并联于第一熔盐管道401上，第一多级换热器711的第二多级换热器712和第二多级换热器712的第二多级换热器712并联于第二熔盐管道402上。蒸汽管道200包括第一蒸汽管道201和第二蒸汽管道202。

释热回路包括第一释热回路和第二释热回路。其中，第一多级换热器711的一级换热器71a和二级换热器71b适于通过第一蒸汽管道201串联连接在火电厂中锅炉的给水管道和汽轮机的高压缸主蒸汽输入管道之间，从而形成第一释热回路。第二多级换热器712的一级换热器71a和二级换热器71b适于通过第二蒸汽管道202串联连接在火电厂中汽轮机的高压缸蒸汽输出管道和中压缸再热蒸汽输入管道之间，从而形成第二释热回路。

一级换热器71a和二级换热器71b均设有熔盐通道和蒸汽通道。第一多级换热器711的一级换热器71a的熔盐通道分配给第一储热回路，用于流通太阳盐；第一多级换热器711的二级换热器71b的熔盐通道分配给第二储热回路，用于流通Hitec盐。第二多级换热器712的一级换热器71a的熔盐通道分配给第一储热回路，用于流通太阳盐；第二多级换热器712的二级换热器71b的熔盐通道分配给第二储热回路，用于流通Hitec盐。

在第一储热回路和第二储热回路启动释热功能，且释热回路工作时，锅炉的给水管道输出的水通过第一蒸汽管道201依次流经第一多级换热器711的一级换热器71a和二级换热器71b，吸收熔盐的热能后，送入汽轮机的高压缸。汽轮机的高压缸蒸汽输出管道输出的蒸汽通过第二蒸汽管道202依次流经第二多级换热器712的一级换热器71a和二级换热器71b，吸收熔盐的热能后，输送到汽轮机的中压缸。

其中，第一释热回路上设有第一调节阀721，第二释热回路上设有第二调节阀722。通过开启或关闭第一调节阀721来启动或关闭第一释热回路。通过开启或关闭第二调节阀722来启动或关闭第二释热回路。

锅炉的蒸汽出口与汽轮机的蒸汽输入管道之间设有调节阀组。具体地，该调节阀组包括第四调节阀和第五调节阀。第四调节阀设于锅炉的蒸汽出口与高压缸主蒸汽输入管道之间的管道上。第五调节阀设于锅炉的蒸汽出口与中压缸再热蒸汽输入管道之间的管道上。

本发明实施例提出的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统需要输出变负荷，将导致换热器在变工况下工作，换热器的金属材料面临蠕变和疲劳挑战。对此，本发明实施例中，第一换热器41和/或回热器6采用紧凑型热交换器，如微型管壳换热器，使其具有较高的传热面积与体积比。第一多级换热器711的换热管采用直通结构。第二多级换热器712的换热管采用Haynes230。当该级联式储能系统应用于超临界电厂时，第二多级换热器712作为熔盐-超临界水/蒸汽换热器，其换热管采用Haynes230，有利于减小换热管壁厚。

本发明实施例提供的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统，可应用于超临界燃煤电厂，形成超临界燃煤电厂与热泵系统的耦合系统。根据对该系统的热力分析结果表明，在中等回热率(2.6)的情况下，与原燃煤电厂相比，该耦合系统在热效率和灵活性方面具有优势。在输出负荷大于60％时，往返效率为0.53～0.56。由于利用了燃煤电厂现有的基础设施，在放电时间小于9小时的情况下，该耦合系统比泵式水力蓄能、压缩空气蓄能和钒氧化还原流电池的均衡电力成本更低。与纯电蓄热系统相比，热泵系统可以提供额外的冷能。如果销售冷能，热泵系统将比电蓄热系统取得更大的经济效益。用热能储能代替锅炉，也将大大减少二氧化碳的排放和煤炭燃烧产生的各种污染物。

本发明实施例提供的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统还包括第三换热器73。低温冷却液罐52的出口和常温冷却液罐53的入口通过第二冷却液管道302连接在第三换热器73的两端，从而形成第二释冷回路。

其中，第三换热器73适于与制冷设备74连接，第二释冷回路内流通的冷却液能够通过第三换热器73吸收制冷设备74内的热量，实现冷能利用。该制冷设备74可以为冰箱、制冰机、冷藏柜等。制冷设备74也可以作为换热系统的一部分。第二释冷回路上设有第三调节阀75，可通过启动第三调节阀75来启动第二释冷回路的释冷工作。

本发明实施例还提供一种应用于如上述任一实施例所述的用于新能源消纳的与火电厂耦合热泵制热级联式储能系统的运行方法。如图6所示，该运行方法包括：

步骤S100：确定新能源发电系统中存在富余电能，则启动热泵电加热器联合系统，将富余电能转换为热能和冷能，并将热能储存于级联式储热系统4，将冷能储存于储冷系统5。

步骤S200：确定火电厂的发电需求小于设定阈值，则关闭锅炉以及锅炉的蒸汽出口与汽轮机的蒸汽输入管道之间的调节阀组，启动释热回路和第一释冷回路，使级联式储热系统4储存的热能释放给释热回路中的水和/或蒸汽，使级联式储冷系统5储存的冷能释放给第一释冷回路中的冷却液。

步骤S300：确定火电厂的发电需求大于或等于所述设定阈值，则启动所述调节阀组。

步骤S400：在所述启动锅炉并开启所述调节阀组后，确定锅炉的负荷达到稳定值，则关闭释热回路。

进一步地，在上述步骤S200～步骤S400中，还包括：确定冷凝器内的蒸汽热能不足以将储冷系统5内的冷却液加热到设定温度，则启动第二释冷回路。

具体地，当确定存在富余电能时，启动电动机1、压缩机2和膨胀机3、级联式储热系统4和储冷系统5。一方面通过压缩机2和膨胀机3将一部分电能转化为热能和冷能，通过热气管道101将热能传递给第一储热回路的热盐罐42进行储存；通过反馈管道102将冷能传递给第一释热回路，并将冷能储存在低温冷却液罐52内。另一方面通过电加热器45将另一部分电能转化为热能储存于超高温盐罐44内。

当火电厂的发电需求小于设定阈值时，表明火电厂处于低负荷状态。例如，在火电厂需要深度调峰时，此时关闭锅炉，使锅炉处于自保护自循环状态。同时启动释热回路和第一释冷回路，锅炉输出的水或汽轮机的高压缸蒸汽输出管道输出的蒸汽吸收级联式储热系统4储存的热能后，进入汽轮机的蒸汽输入管道。储冷系统5内的冷却液通过第一释冷回路流经冷凝器，对冷凝器内蒸汽进行冷凝。

例如，启动级联式储热系统4的第一储热回路和/或第二储热回路，使热盐罐42内的高温热盐和超高温盐罐44内的超高温热盐流经第一多级换热器711和第二多级换热器712，锅炉的给水管道输出的水流经第一多级换热器711，汽轮机的高压缸蒸汽输出管道输出的蒸汽流经第二多级换热器712，吸收热盐的热能后，分别进入高压缸主蒸汽输入管道和中压缸再热蒸汽输入管道；同时，还启动储冷系统5，使低温冷却液罐52内的低温冷却液流经冷凝器，对冷凝器内的蒸汽进行冷凝。

当火电厂的发电需求大于或等于设定阈值时，表明火电厂处于高负荷状态，级联式储热系统4储存的热能不足，此时进行锅炉热启动，并开启调节阀组，使第一释热回路内的主蒸汽与锅炉直接输出的主蒸汽混合后从高压缸主蒸汽输入管道进入高压缸。第二释热回路内的再热蒸汽与锅炉直接输出的再热蒸汽混合后从中压缸再热蒸汽输入管道进入中压缸。

在热启动锅炉后，锅炉的负荷逐渐上升，当负荷达到设定值，且在设定时间段内处于设定波动幅度范围内时，认为锅炉的负荷达到稳定状态，所述设定值即为锅炉负荷的稳定值。此时关闭第一调节阀721和第二调节阀722，从而关闭第一释热回路和第二释热回路，采用锅炉单独运行发电。

当冷凝器内的蒸汽热能不足以将储冷系统5内的冷却液加热到设定温度时，则开启第三调节阀以启动第二释冷回路，使得储冷系统5内的冷却液一部分通过第一释冷回路流经冷凝器，另一部分通过第二释冷回路流经第三换热器73。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。