本發明屬于燃煤機組發電，具體地說是一種耦合二氧化碳儲能的燃煤機組調峰發電系統及其運行方法。

背景技術：

1、

2、燃煤機組往往受超低負荷運行能力的限制，一定程度上影響了其調峰深度。同時，為了降低燃煤機組的碳排放，耦合碳捕集系統成為燃煤機組的低碳化改造的主要路線之一。碳捕集系統運行時會消耗蒸汽和電能，雖然可一定程度增加燃煤機組的調峰深度，但燃煤機組負荷增大時，碳捕集系統所消耗功率也需要相應增大，這無疑限制了燃煤機組的頂峰能力。

3、同時，現有二氧化碳儲能裝置往往需要外購工業級二氧化碳產品作為運行工質，儲能裝置的運行成本高。

技術實現思路

1、針對現有燃煤機組調峰深度不足、頂峰能力不足以及現有二氧化碳儲能裝置運行成本高等問題，本發明提供一種耦合二氧化碳儲能的燃煤機組調峰發電系統及其運行方法，其將燃煤機組、二氧化碳捕集系統以及二氧化碳儲能裝置耦合應用，可有效提高燃煤機組的調峰深度和頂峰能力，并降低碳封存和儲運的成本以及二氧化碳儲能裝置的運行成本。

2、為此，本發明采用如下的技術方案。

3、第一方面，本發明提供一種耦合二氧化碳儲能的燃煤機組調峰發電系統，其包括燃煤機組、二氧化碳捕集裝置和二氧化碳儲能裝置，所述燃煤機組、二氧化碳捕集裝置和二氧化碳儲能裝置依次相連；二氧化碳捕集裝置利用燃煤機組產生的電力和蒸汽，捕集燃煤機組所排放煙氣中的二氧化碳；二氧化碳儲能裝置利用燃煤機組所產生的電力，將二氧化碳捕集裝置所捕集的二氧化碳進行壓縮儲能；

4、所述的二氧化碳儲能裝置包括二氧化碳壓縮裝置以及二氧化碳膨脹發電裝置，兩者獨立運行；在電網低負荷時，提升二氧化碳捕集裝置的運行水平，采用富余電能將所捕集的二氧化碳送入二氧化碳壓縮裝置進行壓縮儲能；在電網高負荷時，降低二氧化碳捕集裝置和二氧化碳壓縮裝置的運行水平，利用二氧化碳膨脹發電裝置將所儲存的二氧化碳用來膨脹做功，增大發電功率。

5、進一步地，所述的二氧化碳儲能裝置包括低壓儲氣倉、壓縮機、冷卻器、高壓儲罐、加熱器、膨脹機、發電機、蓄冷罐、第一工質泵、第二工質泵、蓄熱罐和儲存空間；

6、所述蓄冷罐、第一工質泵、冷卻器、蓄熱罐、第二工質泵以及加熱器依次首尾相連構成一閉合回路；所述膨脹機連接發電機；所述高壓儲罐連接儲存空間，當高壓儲罐達到最大儲存容量時，將多余的二氧化碳存入儲存空間，儲存空間可為二氧化碳用戶提供二氧化碳；

7、所述低壓儲氣倉及高壓儲罐裝有壓力檢測器及泄漏檢測裝置，確保泄露速率處于合理范圍內；

8、蓄能階段，來自二氧化碳捕集裝置的二氧化碳首先經壓縮機壓縮后，經冷卻器冷卻后進入高壓儲罐內儲存，同時，第一工質泵驅動蓄冷罐內的工質在冷卻器中吸收熱量后，進入蓄熱罐內儲存；釋能階段，高壓儲罐內的二氧化碳經過加熱器加熱后通過膨脹機膨脹做功，帶動發電機發電，膨脹后的二氧化碳進入低壓儲氣倉進行儲存，同時，第二工質泵驅動蓄熱罐內的工質在加熱器釋放熱量后，進入蓄冷罐內儲存。

9、進一步地，所述壓縮、冷卻以及加熱、膨脹為多級過程。

10、進一步地，所述蓄冷罐以及蓄熱罐內的儲熱介質為水、導熱油或熔鹽。

11、第二方面，本發明提供一種上述燃煤機組調峰發電系統的運行方法，其包括：

12、步驟1，判斷燃煤機組實際上網功率是否大于電網需求功率，是，執行步驟2；否，執行步驟5；

13、步驟2，判斷燃煤機組發電功率是否高于最低保證發電功率，是，降低燃煤機組發電功率；否，執行步驟3；

14、步驟3，判斷二氧化碳捕集裝置與二氧化碳壓縮裝置是否處于最高運行水平；否，提高二氧化碳捕集裝置與二氧化碳壓縮裝置的運行水平；

15、步驟4，判斷高壓儲罐是否達到最大儲存容量，是，將多余二氧化碳存入儲存空間；

16、步驟5，判斷燃煤機組實際上網功率是否小于電網需求功率，是，執行步驟6；

17、步驟6，判斷燃煤機組是否處于滿負荷發電狀態，是，執行步驟7；否，提高燃煤機組發電功率；

18、步驟7，判斷二氧化碳捕集裝置與二氧化碳壓縮裝置是否處于最低運行水平，是，啟動二氧化碳膨脹發電裝置，開始釋能；否，降低二氧化碳捕集裝置與二氧化碳壓縮裝置的運行水平。

19、進一步地，儲能過程中，高壓儲罐內設定有最大儲存容量。當高壓儲罐內的二氧化碳容量達到最大儲存容量時，需將多余二氧化碳存入儲存空間，儲存空間作為二氧化碳封存地用于向外界用戶提供二氧化碳。

20、進一步地，蓄能階段，控制二氧化碳儲能裝置中壓縮機的二氧化碳質量流量，使燃煤機組發電功率不低于最低保證發電功率，同時燃煤機組實際上網功率等于電網需求功率。

21、更進一步地，壓縮機中二氧化碳質量流量的計算公式為：

22、

23、式中，mch為壓縮機中二氧化碳質量流量，kg/s；p2為燃煤機組當前發電功率，kw；p1為燃煤機組目標上網功率，kw；p01為二氧化碳捕集裝置消耗功率，kw；h2為壓縮機出口二氧化碳焓值，kj/kg；h1為壓縮機入口二氧化碳焓值，kj/kg；ηch為壓縮機效率，％。

24、所述的二氧化碳儲能裝置中，第一工質泵中的傳熱流體流量的計算公式為：

25、

26、式中，mc為第一工質泵中的傳熱流體的質量流量，kg/s；h20為冷卻器出口二氧化碳焓值，kj/kg；ηex1為冷卻器換熱效率，％；h5為第一工質泵出口傳熱流體的焓值，kj/kg；h6為冷卻器出口傳熱流體的焓值，kj/kg。

27、進一步地，釋能階段，控制二氧化碳儲能裝置中膨脹機的二氧化碳質量流量，使燃煤機組實際上網功率等于電網需求功率。

28、更進一步地，膨脹機中二氧化碳質量流量的計算公式為：

29、

30、式中，mdisch為膨脹機中二氧化碳質量流量，kg/s；p2為燃煤機組當前發電功率，kw；p1為燃煤機組目標上網功率，kw；p02為二氧化碳捕集裝置和二氧化碳壓縮裝置消耗的功率，kw；h3為膨脹機入口二氧化碳焓值，kj/kg；h4為膨脹機出口二氧化碳焓值，kj/kg；ηdisch為膨脹發電效率，％；

31、所述的二氧化碳儲能裝置中，第二工質泵中的傳熱流體流量的計算公式為：

32、

33、式中，mh為第二工質泵中的傳熱流體的質量流量，kg/s；h30為加熱器進口二氧化碳焓值，kj/kg；ηex2為加熱器換熱效率，％；h7為第二工質泵出口傳熱流體的焓值，kj/kg；h8為加熱器出口傳熱流體的焓值，kj/kg。

34、與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

35、(1)以往燃煤機組面臨著調峰深度和發電頂峰能力受限的問題，本發明將燃煤機組與二氧化碳捕集裝置、二氧化碳儲能裝置耦合運行，用電低谷時提高二氧化碳捕集裝置的運行水平，進一步地可啟動二氧化碳壓縮裝置壓縮捕集得到的二氧化碳并存儲，可有效提高燃煤機組的調峰深度，并可降低其碳排放；用電高峰時降低二氧化碳捕集裝置和二氧化碳壓縮裝置的運行水平，進一步地可將所存儲的二氧化碳用來膨脹做功，可有效提高燃煤機組的發電頂峰能力。

36、(2)以往的燃煤機組往往將所捕集的二氧化碳進行壓縮儲運后用于其他用途，增加了二氧化碳的封存和儲運成本。以往的二氧化碳儲能裝置，往往是采購工業級二氧化碳產品作為裝置運行工質，提高了二氧化碳儲能裝置的建設和運行成本。本發明將燃煤機組與二氧化碳捕集裝置、二氧化碳儲能裝置耦合運行，直接將從燃煤機組中所捕集的二氧化碳用于二氧化碳儲能系統，豐富了燃煤機組所捕集二氧化碳的利用渠道，同時降低了二氧化碳儲能裝置的建設和運行成本。另外，直接將二氧化碳儲能裝置作為二氧化碳的暫態封存地，可減小二氧化碳的封存和儲運成本。