[發明專利]一種帶化學提質蓄熱的多循環耦合聯供系統

有效

• 申請號: 202110860663.0
• 申請日: 2021-07-24
• 公開（公告）號: CN113653548B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 冉鵬;王越
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: F01K27/00
• 分類號: F01K27/00;F01K25/10;F01K11/02;F01D15/10;F28D20/00
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1.一種帶化學提質蓄熱的多循環耦合聯供系統，其特征在于：所述系統包括三個子系統，分別是有機朗肯循環子系統、二氧化碳循環子系統、化學提質蓄熱子系統；化學提質蓄熱子系統完成外部低品位熱能的提質及存儲功能，并且化學提質蓄熱子系統通過管道分別與有機朗肯循環子系統和二氧化碳循環子系統串聯連接，有機朗肯循環子系統與二氧化碳循環子系統分級利用化學提質蓄熱子系統提質后的中高品位熱能發電；

所述化學提質蓄熱子系統的中低溫余熱存儲單元，包括中低溫儲熱裝置(11)、中低溫生成物儲罐(12)、中低溫余熱化學存儲裝置(13)、吸熱反應裝置(14)、壓氣機B、閥門二(22)，所述中低溫余熱化學存儲裝置(13)內部填充基于化學儲熱原理的反應原料，該反應原料可發生正向吸熱反應，其逆向反應為放熱反應；所述化學提質蓄熱子系統的化學熱泵提質單元包括吸熱反應裝置(14)、精餾塔(15)、分離裝置(16)、回熱器(17)和中高溫熱能化學存儲裝置(18)，所述吸熱反應裝置(14)內部填充基于化學儲熱原理的反應原料，該反應原料可在低溫環境中發生正向吸熱反應，在高溫環境中發生逆向反應，該逆向反應為放熱反應；所述化學提質蓄熱子系統的中高溫蓄熱單元包括中高溫熱能化學存儲裝置(18)、中高溫儲熱裝置(19)、中高溫生成物儲罐(20)、閥門一(21)和壓氣機A，所述中高溫熱能化學存儲裝置(18)內部填充基于化學儲熱原理的反應原料，該反應原料可發生正向吸熱反應，其逆向反應為放熱反應；

所述有機朗肯循環子系統包括有機工質儲罐(6)、有機工質泵(7)、有機工質蒸發器(8)、有機工質透平(9)、有機工質冷凝器(10)、發電機二(25)；

所述二氧化碳循環子系統包括二氧化碳儲罐(1)、二氧化碳泵(2)、二氧化碳蒸發器(3)、二氧化碳透平(4)、二氧化碳冷凝器(5)、發電機一(24)；

所述化學提質蓄熱子系統中，中低溫余熱存儲單元的中低溫余熱化學存儲裝置(13)的內部換熱器I的出口通過管道與中低溫儲熱裝置(11)的載余熱介質熱源入口(11d)連接；所述中低溫余熱化學存儲裝置(13)的反應產物出口通過管道與吸熱反應裝置(14)的內部換熱器III的入口連接；所述吸熱反應裝置(14)的內部換熱器III的出口通過管道與中低溫儲熱裝置(11)的反應產物熱源入口(11a)連接；所述中低溫儲熱裝置(11)的反應產物出口(11b)通過管道與壓氣機B的入口連接；所述壓氣機B的出口通過管道與中低溫生成物儲罐(12)的入口連接；所述中低溫生成物儲罐(12)的出口通過管道、閥門二(22)與中低溫儲熱裝置(11)的反應產物冷源入口(11e)連接；所述中低溫儲熱裝置(11)的反應產物冷源出口(11f)通過管道與中低溫余熱化學存儲裝置(13)的反應產物入口連接；

所述化學提質蓄熱子系統中，化學熱泵提質單元的吸熱反應裝置(14)的反應原料-反應產物出口(14a)通過管道與精餾塔(15)的反應原料-反應產物入口(15a)連接；所述精餾塔(15)的反應原料出口(15d)通過管道與吸熱反應裝置(14)的反應原料入口(14c)連接，精餾塔(15)的反應原料-反應產物出口(15b)通過管道與分離裝置(16)的反應原料-反應產物入口(16a)連接；所述分離裝置(16)的反應產物出口(16b)通過管道與回熱器(17)的反應產物入口(17a)連接，分離裝置(16)的反應原料出口(16c)通過管道與精餾塔(15)的反應原料入口(15c)連接；所述回熱器(17)的反應原料出口(17d)通過管道與吸熱反應裝置(14)的反應原料入口(14b)連接，回熱器(17)的反應產物出口(17b)通過管道與中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道入口(18a)連接；所述中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道出口(18b)通過管道與回熱器(17)的反應原料入口(17c)連接；

所述二氧化碳循環子系統中，二氧化碳儲罐(1)的出口(1b)通過管道與二氧化碳泵(2)的入口(2a)連接；所述二氧化碳泵(2)的出口(2b)通過管道與二氧化碳蒸發器(3)冷源側入口連接；所述二氧化碳蒸發器(3)冷源側出口通過管道與二氧化碳透平(4)的入口(4a)連接；所述二氧化碳透平(4)的出口(4b)通過管道與二氧化碳冷凝器(5)的入口(5a)連接；所述二氧化碳冷凝器(5)的出口(5b)通過管道與二氧化碳泵儲罐(1)的入口(1a)連接；所述二氧化碳透平(4)的旋轉軸與發電機一(24)的輸入軸連接；

所述有機朗肯循環子系統中，有機工質儲罐(6)的出口(6b)通過管道與有機工質泵(7)的入口(7a)連接；所述有機工質泵(7)的出口(7b)通過管道與有機工質蒸發器(8)冷源側入口連接；所述有機工質蒸發器(8)冷源側出口通過管道與有機工質透平(9)的入口(9a)連接；所述有機工質透平(9)的出口(9b)通過管道與有機工質冷凝器(10)的入口(10a)連接；所述有機工質冷凝器(10)的出口(10b)通過管道與有機工質儲罐(6)的入口(6a)連接；所述有機工質透平(9)的旋轉軸與發電機二(25)的輸入軸連接；

換熱油泵(23)的出口(23b)通過管道與中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部換熱器IV的入口連接；所述中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部換熱器IV的出口通過管道與有機工質蒸發器(8)的熱源入口連接；所述有機工質蒸發器(8)的熱源出口通過管道與二氧化碳蒸發器(3)的熱源入口連接；所述二氧化碳蒸發器(3)的熱源出口通過管道與換熱油泵(23)的入口(23a)連接。

2.根據權利要求1所述的一種帶化學提質蓄熱的多循環耦合聯供系統，其特征在于系統按如下步驟進行：

首先，具有一定溫度的載余熱介質進入化學提質蓄熱子系統的中低溫余熱化學存儲裝置(13)的內部換熱器I和中低溫儲熱裝置(11)進行換熱，溫度降低后，排至外界環境；

隨后，所述化學提質蓄熱子系統開始工作，工作過程分為儲能釋能兩個階段；在儲能階段，所述中低溫余熱存儲單元中，中低溫余熱化學存儲裝置(13)內部存儲的反應原料通過內部換熱器I吸收來自載余熱介質的熱量，反應原料吸熱升溫，在合適的溫度及壓力下發生正向吸熱反應，反應產物中包含有固態、氣態或液態的生成物；隨后根據生成物相態及密度的不同，將生成物分離，密度大的固態生成物留在中低溫余熱化學存儲裝置(13)中；具有一定溫度且密度小的氣態或液態生成物進入吸熱反應裝置(14)的內部換熱器III進行換熱，換熱后具有一定溫度且密度小的氣態或液態生成物溫度降低并進入中低溫儲熱裝置(11)進一步釋放熱量，隨后經壓氣機B送入中低溫生成物儲罐(12)進行儲存，從而完成中低溫余熱存儲過程；

在儲能階段，所述化學熱泵提質單元中，吸熱反應裝置(14)內部的反應原料通過內部換熱器III吸收來自具有一定溫度且密度小的氣態或液態生成物的熱量，反應原料吸熱升溫，在合適的溫度及壓力下發生正向吸熱反應，反應產物與部分未反應的反應原料被輸送至精餾塔(15)；在所述精餾塔(15)中，根據反應產物和反應原料沸點的不同，將反應產物與反應原料進行分離，沸點較高的大部分反應原料留在精餾塔(15)中，隨后被排回至吸熱反應裝置(14)，具有一定溫度且沸點較低的反應產物和少量反應原料排出精餾塔(15)，進入分離裝置(16)；在所述分離裝置(16)中，將反應原料和反應產物進行進一步分離，得到高純度反應產物，被分離出的反應原料送回到精餾塔(15)，高純度反應產物進入回熱器(17)；在所述回熱器(17)中，高純度反應產物吸熱升溫，隨后進入中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道；在所述中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道中，高純度反應產物在合適的溫度及壓力下發生逆向放熱反應，放出的熱量被中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道外部填充的反應原料吸收，同時逆向放熱反應生成的具有一定溫度的反應原料以及未反應的反應產物被輸送至回熱器(17)；在所述回熱器(17)中，具有一定溫度的反應原料以及未反應的反應產物與來自分離裝置(16)的高純度反應產物進行換熱，換熱完成后，具有一定溫度的反應原料以及未反應的反應產物溫度降低并被輸送至吸熱反應裝置(14)，來自分離裝置(16)的高純度反應產物吸熱升溫后進入中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道，從而完成低溫余熱提質過程；

在儲能階段，所述中高溫蓄熱單元中，中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部反應器管道外部填充的反應原料吸收熱量后升溫，在合適的溫度及壓力下發生正向吸熱反應，反應產物中包含固態、氣態或液態的生產物，隨后根據生成物相態及密度的不同，將生成物分離，密度大的固態生成物留在中高溫熱能化學存儲裝置(18)中，具有一定溫度且密度小的氣態或液態的生成物排出中高溫熱能化學存儲裝置(18)；具有一定溫度且密度小的氣態或液態的生成物經過中高溫儲熱裝置(19)進行換熱，熱量被儲存在中高溫儲熱裝置(19)中，換熱完成后，具有一定溫度且密度小的氣態或液態生成物的溫度降低，經壓氣機A送入中高溫生成物儲罐(20)進行儲存，從而完成中高溫熱能儲存過程；

在釋能階段，所述中低溫余熱存儲單元中，中低溫生成物儲罐(12)中的氣態或液態的生成物進入中低溫儲熱裝置(11)進行換熱，被預熱至一定溫度后進入中低溫余熱化學存儲裝置(13)，在合適的溫度及壓力下與中低溫余熱化學存儲裝置(13)中原有的固態生成物發生逆向放熱反應，放出的熱量通過中低溫余熱化學存儲裝置(13)中的內部換熱器II，加熱生活用水；同時，所述中高溫蓄熱單元中，中高溫生成物儲罐(20)中的氣態或液態的生成物排出，經過中高溫儲熱裝置(19)進行換熱，被預熱至一定溫度后，進入中高溫熱能化學存儲裝置(18)，在合適的溫度及壓力下與中高溫熱能化學存儲裝置(18)中原有的固態生成物發生逆向放熱反應；

在用電高峰時，所述二氧化碳循環子系統和有機朗肯循環子系統開始工作，換熱油通過中高溫熱能化學存儲裝置(18)的內部換熱器IV吸收化學反應放出的熱量，溫度升高的換熱油依次通過有機工質蒸發器(8)和二氧化碳蒸發器(3)加熱有機工質和二氧化碳；所述有機工質儲罐(6)中的有機工質進入有機工質泵(7)并被壓縮到設定的工作壓力，加壓后的有機工質被送到有機工質蒸發器(8)中吸收熱量，有機工質吸收熱量變成過熱蒸汽，過熱蒸汽在有機工質透平(9)中膨脹做功，有機工質透平(9)旋轉帶動發電機二(25)進行發電，做功之后的有機工質排出有機工質透平(9)，進入有機工質冷凝器(10)，液態的有機工質被加壓后進入有機工質蒸發器(8)中繼續吸收化學提質蓄熱子系統提質后的中高品位熱能；所述二氧化碳儲罐(1)中的二氧化碳進入二氧化碳泵(2)并被壓縮到設定的工作壓力，加壓后的二氧化碳被送到二氧化碳蒸發器(3)中吸收熱量，變成超臨界狀態，二氧化碳在二氧化碳透平(4)中膨脹做功，二氧化碳透平(4)旋轉帶動發電機一(24)進行發電，做功之后的二氧化碳排出二氧化碳透平(4)，進入二氧化碳冷凝器(5)冷凝，冷凝之后的二氧化碳被加壓后進入二氧化碳蒸發器(3)中繼續吸收化學提質蓄熱子系統提質后的中高品位熱能從而完成供電過程。