超临界二氧化碳蓄热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及物理储能技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳蓄热系统及控制方法。

背景技术

目前，常规的二氧化碳储能系统在蓄冷蓄热时常采用冷热流体分罐储存，且由于二氧化碳在各种状态下的密度相对较小，在采用蓄冷罐、蓄热罐分别储存时所需要的罐体空间更大，同时罐体需要耐高压，导致系统的结构较为复杂，使得在设备材料和占地面积上的投资成本较高。

发明内容

本发明提供一种超临界二氧化碳蓄热系统及控制方法，用以解决相关技术中传统储能系统结构复杂、成本高、蓄热效率低等缺陷，本发明可以提高蓄热性能、增强导热效率、简化系统结构、降低生产成本、减少热量损失；同时有效利用二氧化碳，达到节能减排的目的。

本发明提供一种超临界二氧化碳蓄热系统，包括：

第一蓄热罐，用于存储蓄热介质；

第一换热器，所述第一换热器的介质入口经蓄热主路与所述第一蓄热罐的第一出口相连，所述第一换热器的介质出口经第一蓄热支路与所述第一蓄热罐的第一入口相连，且所述第一换热器流入的蓄热介质适于吸热；

第二蓄热罐，所述第二蓄热罐的入口经第二蓄热支路与所述第一换热器的介质出口相连；

第二换热器，所述第二换热器的介质入口分别经第一释热流路与所述第一蓄热罐的第二出口和所述第二蓄热罐的出口相连，所述第二换热器的介质出口经第二释热流路与所述第一蓄热罐的第二入口相连，且所述第二换热器流入的蓄热介质适于放热。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述第一蓄热罐内的蓄热介质为液态二氧化碳，且吸热后的蓄热介质为超临界二氧化碳。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述蓄热主路和/或所述第一释热流路设有增压输送装置。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述增压输送装置为压缩机或循环泵。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述蓄热主路、所述第一蓄热支路、所述第二蓄热支路、所述第一释热流路以及所述第二释热流路分别设有调节阀。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述第一蓄热罐和所述第二蓄热罐的壳体外设有保温隔热层。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述第一换热器连接压缩机级间换热器。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述第二换热器连接膨胀机。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳蓄热系统，所述第一换热器和所述第二换热器为板式换热器或管壳式换热器。

本发明还提供一种上述超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法，包括：

获取蓄热指令；

响应于所述蓄热指令，控制所述第一蓄热罐中的蓄热介质经所述蓄热主路流入所述第一换热器进行吸热，吸热后的蓄热介质一部分经所述第一蓄热支路回流至所述第一蓄热罐内，另一部分经所述第二蓄热支路流入所述第二蓄热罐内，直至所述第一蓄热罐和所述第二蓄热罐内均为吸热后的蓄热介质；

获取释热指令；

响应于所述释热指令，控制所述第一蓄热罐和所述第二蓄热罐内吸热后的蓄热介质经所述第一释热流路流入所述第二换热器放热，放热后的蓄热介质经所述第二释热流路回流至所述第一蓄热罐内。

本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统及控制方法，通过第一蓄热罐可以存储蓄热介质；通过第一换热器的介质入口经蓄热主路与第一蓄热罐的第一出口相连，第一换热器的介质出口经第一蓄热支路与第一蓄热罐的第一入口相连，且第一换热器流入的蓄热介质适于吸热，可以提高蓄热介质的温度，从而可以将部分换热后的高温蓄热介质回送至第一蓄热罐内，从而实现冷热流体同罐储存，相比于传统的分罐储存，蓄热罐具有蓄热密度高、设备占地小、成本低等特点；通过第二蓄热罐的入口经第二蓄热支路与第一换热器的介质出口相连，可以将另一部分换热后的高温蓄热介质输送至第二蓄热罐内，从而实现双重蓄热；通过第二换热器的介质入口分别经第一释热流路与第一蓄热罐的第二出口和第二蓄热罐的出口相连，第二换热器的介质出口经第二释热流路与第一蓄热罐的第二入口相连，且第二换热器流入的蓄热介质适于放热，从而实现双重释热，充分利用蓄热介质的热能，且放热后的低温蓄热介质回流入第一蓄热罐内，同样可以实现冷热流体同罐储存的效果。因此，本发明具有结构简单、占地面积小、生产成本低、蓄热释热性能及效率高、节能减排等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，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是本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的结构示意图；

图2是本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的蓄热模式运行原理图；

图3是本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的释热模式运行原理图；

图4是本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法的流程示意图。

附图标记：

1：第一蓄热罐；2：第一换热器；3：第二蓄热罐；

4：第二换热器；5：蓄热主路；6：第一蓄热支路；

7：第二蓄热支路；8：第一释热流路；9：第二释热流路；

10：循环泵；11：第一调节阀；12：第二调节阀；

13：第三调节阀；14：第四调节阀；15：第五调节阀。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本发明的超临界二氧化碳蓄热系统及控制方法。

根据本发明第一方面的实施例，参照图1-图3所示，本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统，主要包括：第一蓄热罐1、第一换热器2、第二蓄热罐3和第二换热器4。

其中，第一蓄热罐1用于存储循环流动的蓄热介质，一般为低温蓄热介质。

第一换热器2的介质入口经蓄热主路5与第一蓄热罐1的第一出口相连，第一换热器2的介质出口经第一蓄热支路6与第一蓄热罐1的第一入口相连，并且第一换热器2流入的蓄热介质适于吸热。具体地，蓄热时，经第一蓄热罐1流出的低温蓄热介质流入第一换热器2，在第一换热器2中吸收流过的热流体的热量，转化为温度较高的高温蓄热介质，从而可以将部分换热后的高温蓄热介质经第一蓄热支路6回送至第一蓄热罐1内，从而实现冷热流体同罐储存，相比于传统的分罐显热储存，可以简化整个系统的结构，减小占地面积，降低生产成本，蓄热罐具有蓄热密度高、设备占地小、成本低等特点。

第二蓄热罐3的入口经第二蓄热支路7与第一换热器2的介质出口相连，可以将另一部分换热后的高温蓄热介质输送至第二蓄热罐3内，结合部分高温蓄热介质回流至第一蓄热罐1内，从而实现双重蓄热，有效提高蓄热性能和效率。

第二换热器4的介质入口分别经第一释热流路8与第一蓄热罐1的第二出口和第二蓄热罐3的出口相连，即第二换热器4的介质入口与第一蓄热罐1的第二出口之间设有第一释热流路8，并且第二换热器4的介质入口与第二蓄热罐3的出口之间也设有第一释热流路8，第二换热器4的介质出口经第二释热流路9与第一蓄热罐1的第二入口相连，且第二换热器4流入的蓄热介质适于放热。具体地，释热时，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内吸热后的蓄热介质经第一释热流路8流入第二换热器4放热，放热后的蓄热介质经第二释热流路9回流至第一蓄热罐1内，实现双重释热，充分利用蓄热介质的热能，且放热后的低温蓄热介质回流入第一蓄热罐1内，同样可以实现冷热流体同罐储存的效果。

因此，本发明实施例的超临界二氧化碳蓄热系统，可以实现蓄热介质双重蓄热和双重释热的循环流动，有效提高蓄热释热效率，并且第一蓄热罐1采用冷热流体同罐储存，相比于传统的分罐显热储存，可以简化整个系统的结构，减小占地面积，降低生产成本，蓄热罐具有蓄热密度高、设备占地小、成本低等特点。

根据本发明的一个实施例，第一蓄热罐1内的蓄热介质为温度较低的低温液态二氧化碳，并且经过第一换热器2吸热后的蓄热介质转变为温度较高的高温超临界二氧化碳。

对于蓄热介质而言，目前主流的蓄热系统中低温蓄热介质仍为水、甲醇、导热油等，而超临界二氧化碳由于其接近液体的密度、比热容和传热效率以及与气体相近的粘度，也同样适用于热量储存，并且相对于液体蓄热介质，其具有稳定的化学性质，且腐蚀性非常小。因此，二氧化碳同样是蓄热介质很好的选择。

本发明实施例通过将二氧化碳结合应用至蓄热系统中，采用二氧化碳和超临界二氧化碳作为蓄热和释热过程中的蓄热介质，可以有效提高整个蓄热系统的工作区间，增强换热效率，增加二氧化碳的利用途径，并且通过利用二氧化碳，可以达到节能减排的目的。

根据本发明的一个实施例，参照图1-图3所示，蓄热主路5和/或第一释热流路8设有增压输送装置，通过增压输送装置可以实现蓄热介质的增压输送，从而实现蓄热介质的循环流动。

根据本发明的一个实施例，增压输送装置可以为压缩机，也可以为循环泵10等装置，当然也可以为其他增压输送设备，可根据实际需求进行设计，本发明不做特别限制。

根据本发明的一个实施例，参照图1-图3所示，蓄热主路5、第一蓄热支路6、第二蓄热支路7、第一释热流路8以及第二释热流路9分别设有调节阀，通过控制调节阀的开闭，可以实现蓄热模式和释热模式的切换控制。

为了便于清楚描述本发明运行模式的切换过程，将蓄热主路5中的调节阀描述为第一调节阀11，第一蓄热支路6中的调节阀描述为第二调节阀12，第二蓄热支路7中的调节阀描述为第三调节阀13，第一释热流路8中的调节阀描述为第四调节阀14，第二释热流路9中的调节阀描述为第五调节阀15。

本发明蓄热系统的运行模式主要包括：蓄热模式和释热模式，切换过程大致包括：

如图2所示，蓄热模式：控制第一调节阀11、第二调节阀12、第三调节阀13开启，且第四调节阀14、第五调节阀15关闭；控制蓄热主路5中的循环泵10开启，第一蓄热罐1中的低温蓄热介质经循环泵10流入第一换热器2，在第一换热器2中吸收流过的热流体的热量，转化为温度较高的高温蓄热介质，其中，一部分高温蓄热介质流入第二蓄热罐3中，另一部分高温蓄热介质回流至第一蓄热罐1内，控制蓄热时长，直至第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内均为吸热后的蓄热介质，完成蓄热。

如图3所示，释热模式：控制第一调节阀11、第二调节阀12、第三调节阀13关闭，且第四调节阀14、第五调节阀15开启；控制第一释热流路8中的循环泵10开启，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内吸热后的高温蓄热介质经第一释热流路8流入第二换热器4放热，对流入第二换热器4中的冷流体进行加热，放热后的蓄热介质经第二释热流路9回流至第一蓄热罐1内，完成释热。

当然，在各条流路中还可以设置流量仪表，以对流路中的蓄热介质流量进行实时测量，实现更为精准的蓄热量和释热量的控制。

根据本发明的一个实施例，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3的壳体采用金属材料制成，且可以根据具体设计的承压强度要求，采用不同厚度，具体不做特别限制。

根据本发明的一个实施例，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3的壳体外设有保温隔热层，以减少蓄热耗散热量损失，显著提高蓄热性能。

例如，保温隔热层材料可以为玻璃棉、岩棉、气凝胶毡、膨胀珍珠岩和发泡水泥等。

根据本发明的一个实施例，第一换热器2连接压缩机级间换热器。具体地，本发明蓄热系统运行至蓄热模式时，第一蓄热罐1中的低温液态二氧化碳经循环泵10流至第一换热器2中，并且压缩机级间换热器压缩后的高温热流体流入第一换热器2中，低温液态二氧化碳蓄热介质在第一换热器2中与压缩机级间换热器的高温热流体进行换热，吸收其压缩热后转化为高温超临界二氧化碳，有效利用了压缩机级间换热器的热量。

根据本发明的一个实施例，第二换热器4连接膨胀机。具体地，本本发明系统运行至释热模式时，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3中的高温超临界二氧化碳蓄热介质流至第二换热器4中，并且用于膨胀机的二氧化碳冷流体流入第二换热器4中，高温超临界二氧化碳蓄热介质在第二换热器4中与二氧化碳冷流体进行换热，在此加热二氧化碳冷流体，成为高温二氧化碳热流体送入膨胀机内进行做功，从而驱动发电机发电，有效利用了蓄热介质的热量。

根据本发明的一个实施例，第一换热器2和第二换热器4可以为板式换热器，也可以为管壳式换热器，或者也可以为其他类型的换热器，具体可根据实际需求进行设计，本发明不做特别限制。

此外，还可以根据整个系统的规模设计大小，适当调整蓄热罐的大小、换热器的级数以及循环泵的级数等。

下面结合一个具体示例，对本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的工作原理进行描述，大致包括：

蓄热过程：低温液态二氧化碳蓄热介质自第一蓄热罐1经循环泵10流至第一换热器2，在第一换热器2中与压缩机级间换热器流入的热流体进行换热，吸收其压缩热后转化为高温超临界二氧化碳蓄热介质，其中，大部分超临界二氧化碳蓄热介质流入第二蓄热罐3，同时小部分超临界二氧化碳蓄热介质流回第一蓄热罐1，直到第一蓄热罐1中的原本液态二氧化碳全部流出，并且第一蓄热罐1和第二蓄热罐3都注入超临界二氧化碳蓄热介质，完成蓄热。

释热过程：第一蓄热罐1和第二蓄热罐3中的高温超临界二氧化碳蓄热介质分别通过循环泵10均流入第二换热器4中，在此加热需要送入膨胀机的二氧化碳，放热后的二氧化碳蓄热介质经第二释热流路9流入第一蓄热罐1，完成释热。

下面对本发明提供的超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法进行描述，下文描述的超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法与上文描述的超临界二氧化碳蓄热系统可相互对应参照。

根据本发明第二方面的实施例，参照图4所示，本发明还提供一种上述实施例的超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法，主要包括：

S100、获取蓄热指令。

S200、响应于蓄热指令，控制第一蓄热罐1中的蓄热介质经蓄热主路5流入第一换热器2进行吸热，吸热后的蓄热介质一部分经第一蓄热支路6回流至第一蓄热罐1内，另一部分经第二蓄热支路7流入第二蓄热罐3内，直至第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内均为吸热后的蓄热介质。

具体地，响应于蓄热指令，控制蓄热主路5中的第一调节阀11、第一蓄热支路6中的第二调节阀12以及第二蓄热支路7中的第三调节阀13开启，控制第一释热流路8中的第四调节阀14以及第二释热流路9中的第五调节阀15关闭，并且控制蓄热主路5中的循环泵10开启，第一蓄热罐1中的低温蓄热介质经循环泵10流入第一换热器2，在第一换热器2中吸收流过的热流体的热量，转化为温度较高的高温蓄热介质，其中，一部分高温蓄热介质流入第二蓄热罐3中，另一部分高温蓄热介质回流至第一蓄热罐1内，通过控制蓄热时长，可以使得第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内均为吸热后的蓄热介质，从而完成蓄热。

S300、获取释热指令。

S400、响应于释热指令，控制第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内吸热后的蓄热介质经第一释热流路8流入第二换热器4放热，放热后的蓄热介质经第二释热流路9回流至第一蓄热罐1内。

具体地，响应于释热指令，控制蓄热主路5中的第一调节阀11、第一蓄热支路6中的第二调节阀12以及第二蓄热支路7中的第三调节阀13关闭，控制第一释热流路8中的第四调节阀14以及第二释热流路9中的第五调节阀15开启，并且控制第一释热流路8中的循环泵10开启，第一蓄热罐1和第二蓄热罐3内吸热后的高温蓄热介质经第一释热流路8流入第二换热器4放热，对流入第二换热器4中的冷流体进行加热，放热后的蓄热介质经第二释热流路9回流至第一蓄热罐1内，从而完成释热。

本发明实施例提供的超临界二氧化碳蓄热系统的控制方法，通过响应于蓄热指令，可以将部分换热后的高温蓄热介质回送至第一蓄热罐1内，从而实现冷热流体同罐储存，相比于传统的分罐储存，蓄热罐具有蓄热密度高、设备占地小、成本低等特点，并且可以将另一部分换热后的高温蓄热介质输送至第二蓄热罐3内，从而实现双重蓄热；通过响应于释热指令，可以实现双重释热，充分利用蓄热介质的热能，且放热后的低温蓄热介质回流入第一蓄热罐1内，同样可以实现冷热流体同罐储存的效果。因此，本发明可以简化整个蓄热系统的结构，从而减少占地面积小，降低生产成本，并且可以提高蓄热释热性能及效率。

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。