一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法与流程

的参数，所述约束条件包括能量守恒约束、换热器两侧温度约束、co2跨临界状态约束；进而根据co2的参数确定底循环的具体参数及效率，得到总循环的最大效率。
12.所述能量守恒约束为m
t-co2
(h
o_1-h
o_4
)＝m
oil
(h
ex4_o_in-h
ex4_o_out
)，其中，m
t-co2
为底循环中co2的质量流量，h
o_1
为co2经换热器加热后的焓，h
o_4
为co2经换热器加热前的焓，m
oil
为导热油的质量流量，h
ex4_o_in
为导热油进入换热器前的焓，h
ex4_o_out
为导热油进入换热器后的焓。
13.所述换热器两侧的温度约束为t
o_4
《t
ex4_o_out-δt和t
o_1
《t
ex4_o_in-δt，其中，t
ex4_o_out
为导热油在换热器出口的温度，δt为换热器的端差，t
ex4_o_in
为导热油在换热器进口时的温度。
14.所述co2跨临界状态约束为t
o_4
《31.1℃，t
o_1
》31.1℃，p
o_1
》pc＝f(t
o_1
)》7.39mpa，其中，pc为co2的临界压强。
15.所述co2参数包括质量流量、进入换热器前后的温度和压强。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1.本发明根据跨临界co2布雷顿循环对低品位余热的利用率较高，故采用该循环作为底循环，同时对系统的结构进行了优化，减少换热器的使用，进而减小了换热损失，实现了能量的高效利用。
18.2.在采用本发明设计的中温压缩储能系统低品位余热利用设计方法中，空气侧工作过程和状态与中温压缩空气储能系统相同，改变了换热器流体，另外增加了一个跨临界co2布雷顿循环结构当作底循环。以系统总循环效率最优为目标，对底循环的运行参数进行优化计算。跨临界co2循环对co2工作时的参数有一定要求，本发明针对性地设置了能量守恒约束、换热器两侧温度约束、co2跨临界状态约束，以使求得结果满足跨临界循环的要求，并使系统能安全运行。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术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技术的某些实施例，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。
20.图1是中温压缩空气储能系统典型系统结构示意图；
21.图2是本发明实施例采用低品位余热利用的中温压缩空气储能系统结构示意图。
22.图中：1-为第一电动机，2-为二级压缩机，3-为第二电动机，4-为第一换热器，5-为三级压缩机，6-为第二换热器，7-为高温导热油储罐，8-为第三换热器，9-为第四换热器，10-为一级膨胀机，11-为二级膨胀机，12-为发电机，13-为第五换热器，14-为布雷顿循环压缩机，15-为第六换热器，16-为冷凝器，17-为第三电动机，18-为低温导热油储罐，19-为高压气体储罐，20-为布雷顿循环膨胀机，21-为第七换热器，22-为一级压缩机，23-为第四电动机。
具体实施方式
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。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。
24.术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
25.术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
26.本发明实施例以典型中温压缩空气储能系统为改进对象，其热发电系统结构如图1所示，对其增加以跨临界co2为工质的余热利用循环以进行改进。
27.典型中温压缩空气储能系统将常温常压的空气压缩为高压空气。在工作介质空气侧，其工作部件包括第一电动机、二级压缩机、第二电动机、第一换热器、三级压缩机、第二换热器、一级膨胀机、二级膨胀机、发电机、第三换热器、高压储气罐、第四换热器、第五换热器、一级压缩机、发动机；在导热油侧，其工作部件包括第一换热器、高温导热油储罐、第二换热器、第三换热器、低温导热油储罐、第四换热器；其中：
28.所述一级压缩机入口为空气，出口与所述第五换热器相连，第五换热器的出口连接二级压缩机入口，二级压缩机出口、第一换热器、三级压缩机、第二换热器、高压储气罐、第三换热器、一级膨胀机、第四换热器、二级膨胀机依次相连，二级膨胀机的出口为空气。图中箭头标明了空气的流动方向。
29.中温压缩空气储能系统工作时，储能过程中空气经一级压缩机后温度上升，需要经第五换热器降低温度再进行二次压缩,此处换热器直接使用的水进行降温，存在一部分热量未被利用；在释能过程中，空气经过二级膨胀后直接排入大气，此时排出的空气温度高于90摄氏度，存在一部分余热可以进行利用。
30.本发明对中温压缩空气储能系统进行改进，得到使用低品位余热利用底循环系统的中温压缩空气储能系统，如图2所示，空气侧工作过程和状态与中温压缩空气储能系统相同，改变换热器流体，另外增加了一个跨临界co2布雷顿循环结构当作底循环。
31.具体的，将一级压缩后的空气在换热器中直接与底循环中的co2进行换热；另外在二级膨胀之后增加一个换热器，使用导热油与空气进行换热，导热油出口与一级膨胀后换热器的导热油汇合，连接至底循环中的换热器，对co2进行加热。
32.上述中温压缩空气储能系统工作时，(加入底循环的工作流程)空气侧的工作流程为：空气从外界进入一级压缩机22，经压缩后进入第七换热器21降温，再依次进入二级压缩机2、第一换热器4、三级压缩机5、第二换热器6、高压气体储罐19、第四换热器9、一级膨胀机10、第三换热器8、二级膨胀机11、第五换热器13，最后排入大气。导热油侧的工作流程为：储热时导热油从低温导热油储罐18分别进入二级压缩机2和三级压缩机5后的换热器进行换热，再存储在高温导热油储罐7中；释热时，低温导热油储罐18的导热油进入二级膨胀机11后的换热器，高温导热油储罐7的导热油分别进去一级膨胀机10前后的两个换热器中，经换热之后与二级膨胀机11后换热器出来的导热油一同进入底循环中的换热器进行换热。底循
环侧的工作流程为：co2从膨胀机出口进入换热器加热，再对其进行压缩，从压缩机出来的co2在储能时进入换热器与空气进行换热，释能时进入换热器与导热油进行换热，经换热后的co2进入膨胀机做工，进入下一个循环。
33.根据上述设置方式，对使用跨临界co2为工质的底循环进行进一步具体设计，包括如下步骤：
34.s1建立中温压缩储能系统低品位余热利用仿真分析模型。
35.根据上述中温压缩储能系统及跨临界co2布雷顿循环系统的结构及运行数据，利用建模软件建立中温压缩储能系统低品位余热利用仿真分析模型，以明确系统总效率与底循环co2运行参数的关系，用于建立目标函数。
36.具体的，该仿真分析模型的主要输入参数包括：1)空气侧相关参数：入口温度、入口质量流量、入口压强、各级压缩机出口压强、各级膨胀机出口压强，2)导热油侧相关参数：各区域导热油质量流量，3)co2侧相关参数：各区域co2质量流量、膨胀机出口co2压强、换热器出口co2压强。该仿真分析模型的输出参数包括：1)空气侧相关参数：各换热器进出口温度，2)导热油侧相关参数：各换热器出口导热油温度，3)co2侧相关参数：换热器进出口co2温度。4)性能参数：各发动机功率、各发电机功率、储能总效率。
37.s2建立系统循环效率η
en
的计算模型。
38.中温压缩储能系统通过电动机输入功率，通过发电机输出功率，故系统的循环效率为发电机输出功与电动机输入功的比值。
39.s3建立以系统循环效率最优为目标的底循环膨胀机入口压强优化模型的目标函数如下：
40.max(η
en
)＝f(m
t-co2
,p
o_1
,t
o_1
,t
o_4
)
41.其中，m
t-co2
为底循环中co2的质量流量，p
o_1
为co2经换热器加热后的压强，t
o_1
为co2经换热器加热后的温度，t
o_4
为co2经换热器加热前的温度。
42.s4确定能量守恒有关的约束条件。
43.对中温压缩储能余热利用系统的底循环co2参数进行计算时，应保证换热器的换热过程遵循热力学第一定律，由此可得到与能量守恒有关的约束条件：m
t-co2
(h
o_1-h
o_4
)＝m
oil
(h
ex4_o_in-h
ex4_o_out
)，其中，m
t-co2
为底循环中co2的质量流量，h
o_1
为co2经换热器加热后的焓，h
o_4
为co2经换热器加热前的焓，m
oil
为导热油的质量流量，h
ex4_o_in
为导热油进入换热器前的焓，h
ex4_o_out
为导热油进入换热器后的焓。
44.s5确定与换热器两端温度有关的约束条件。
45.对中温压缩储能余热利用系统的底循环co2参数进行计算时，应保证换热器的换热过程遵循热力学第一定律，由此可得到与换热器两侧的温度有关的约束条件：t
o_4
《t
ex4_o_out-δt和t
o_1
《t
ex4_o_in-δt，其中，t
o_4
为co2进入换热器前的温度，t
ex4_o_out
为导热油在换热器出口的温度，δt为换热器的端差，t
o_1
为co2在换热器出口的温度，t
ex4_o_in
为导热油在换热器进口时的温度。
46.s6确定与co2跨临界状态有关的约束条件。
47.为保证底循环的跨临界co2布雷顿循环正常进行，需要对co2的压强和温度进行约束，由此可得到co2跨临界状态约束为t
o_4
《31.1℃，t
o_1
》31.1℃，p
o_1
》pc＝f(t
o_1
)》7.39mpa，其中，p
o_1
为co2在换热器出口时的压强，pc为co2的临界压强。
48.s7确co2运行时的参数
49.在满足约束条件和实际运行情况的前提下，采用插值法对目标函数中co2的参数进行迭代计算，以得到最优解，所述co2参数包括质量流量、进入换热器前后的温度和压强。
50.经计算，如表1所示，将原中温压缩储能系统与改进后的低品位余热利用系统进行对比。中温压缩储能低品位余热利用系统的总压缩功及总膨胀功均有一定增大，系统的净功增加，总循环效率提升了1.52％。
51.表1原系统与改进系统主要参数对比
[0052][0053]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、在中温压缩空气储能系统中增加一个超临界co2布雷顿循环作为系统底循环，布置建立中温压缩储能系统低品位余热利用的仿真分析模型；s2、根据仿真分析模型，建立以系统总循环效率η
en
最大为优化目标的目标函数如下：max(η
en
)＝f(m
t-co2
，p
o_1
，t
o_1
，t
o_4
)其中，m
t-co2
为底循环中co2的质量流量，p
o_1
为co2经换热器加热后的压强，t
o_1
为co2经换热器加热后的温度，t
o_4
为co2经换热器加热前的温度；s3、在满足预设的约束条件的情况下，采用插值法对目标函数进行求解，得到co2的参数，所述约束条件包括能量守恒约束、换热器两侧温度约束、co2跨临界状态约束；进而根据co2的参数确定底循环的具体参数及效率，得到总循环的最大效率。2.根据权利要求1所述的一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，其特征在于，所述能量守恒约束为m
t-co2
(h
o_1-h
o_4
)＝m
oil
(h
ex4_o_in-h
ex4_o_out
)，其中，m
t-co2
为底循环中co2的质量流量，h
o_1
为co2经换热器加热后的焓，h
o_4
为co2经换热器加热前的焓，m
oil
为导热油的质量流量，h
ex4_o_in
为导热油进入换热器前的焓，h
ex4_o_out
为导热油进入换热器后的焓。3.根据权利要求1所述的一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，其特征在于，所述换热器两侧的温度约束为t
o_4
＜t
ex4_o_out-δt和t
o_1
＜t
ex4_o_in-δt，其中，t
ex4_o_out
为导热油在换热器出口的温度，δt为换热器的端差，t
ex4_o_in
为导热油在换热器进口时的温度。4.根据权利要求1所述的一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，其特征在于，所述co2跨临界状态约束为t
o_4
＜31.1℃，t
o_1
＞31.1℃，p
o_1
＞p
c
＝f(t
o_1
)＞7.39mpa，其中，p
c
为co2的临界压强。5.根据权利要求1所述的一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，其特征在于，所述co2参数包括质量流量、进入换热器前后的温度和压强。

技术总结
本申请涉及一种基于中温压缩储能系统的低品位余热利用设计方法，包括如下步骤：在中温压缩空气储能系统中增加一个超临界CO2布雷顿循环作为系统底循环，布置建立中温压缩储能系统低品位余热利用的仿真分析模型；根据仿真分析模型，建立以系统总循环效率η


技术研发人员：李阳海 周淼 徐万兵 王楠 黄辉 张彪 徐龑
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19