энергоаккумулирующая установка

Формула изобретения

1. Энергоаккумулирующая установка, содержащая турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором рабочего тела, который через нагревающий теплообменник подключен ко входу в турбину, отличающаяся тем, что внутренняя полость приемника рабочего тела сообщается с первым гидравлическим компенсатором давления, а внутренняя полость аккумулятора рабочего тела сообщается со вторым гидравлическим компенсатором давления, подключенным к системе накопления жидкости с возможностью использования гидростатического напора жидкости для компенсации давления рабочего тела.

2. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник рабочего тела выполнен в подземной полости.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нагревающий теплообменник соединен с нагреваемой стороны с отбором тепла от теплового двигателя.

4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нагревающий теплообменник соединен с нагреваемой стороны с аккумулятором тепла.

5. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела выбрано вещество из ряда углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода, или смесь перечисленных материалов.

6. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве жидкости выбрана вода или водный раствор соли.

7. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выход компрессора и вход нагревающего теплообменника соединены через запирающий и/или регулирующий элемент.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию солнца, и предназначена для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку.

Известны энергоустановки, ветроустановки с электрогенераторами или приливные электростанции, преобразующие первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости подводится к различным потребителям электроэнергии. Применяются также различные энергоустановки, преобразующие тепловую (солнечную или геотермальную) энергию в электрическую энергию. Значительный потенциал имеют атомные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как в энергосистеме существуют дневные пики и ночные провалы мощности. Как видно из приведенного перечисления особенностей работы различных энергогенерирующих систем, существует значительная разница во временных графиках выработки и потребления энергии. Таким образом, возникает задача создания энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать потребителя различными видами энергии, вторичными энергоносителями и опресненной водой в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика расхода первичной энергии.

Энергетический потенциал атомных и возобновляемых источников энергии более чем на два порядка превышает потребность в энергии. Использование этого потенциала решит геополитические проблемы, связанные с неравномерностью размещения природных месторождений органического топлива, а также приведет к заметному восстановлению природного экологического потенциала и улучшению состояния окружающей среды.

Выравнивание графика нагрузок энергоисточников за счет применения традиционных накопителей электроэнергии или теплоаккумуляторов увеличивает стоимость производства энергии и усложняет регламент работы.

Проведенные исследования показали, что должны быть приняты меры по созданию специализированных энергоустановок с требуемыми технико-экономическими характеристиками на базе современных технологий аккумулирования энергии. Необходимость длительного экономичного хранения больших количеств энергии при суточном и недельном маневрировании требует использования аккумуляторов с низкими затратами на единицу запасенной энергии и малыми потерями энергии. К таковым относятся:

хемотермические системы (ХТС) накопления и передачи энергии, воздушно-аккумулирующие (ВАЭС) электростанции, аккумуляторы горячей (АГВ) и питательной (АПВ) вода, аккумуляторы фазового перехода (АФП), электрохимические (ЭХА) и термохимические (ТХА) накопители. При этом выбираемые аккумулирующие установки или устройства должны удовлетворять ряду требований, основными из которых являются:

- низкая удельная стоимость

- достаточно большой срок службы

- надежность и безопасность.

Аккумулирование тепловой и электрической энергии в часы спада ее потребления с целью использования в период минимума нагрузок позволяет в наибольшей степени выравнивать график электрической нагрузки. Для этого в энергосистемах должны предусматриваться специальные аккумулирующие электростанции или внутрисистемные аккумуляторы.

Аккумулирование энергии позволит увеличить мощность и время работы базовых электростанций, улучшив тем самым технико-экономические показатели крупных энергоблоков благодаря существенному уменьшению эксплуатационных расходов, уплотнить график нагрузки и компенсировать ее пиковые изменения. Кроме того, накопители могут существенно повысить устойчивость крупной станции при обеспечении баланса мощности электроэнергетической системы. Включение накопителя в энергосистему в качестве самостоятельной структурной единицы является объективной необходимостью и на ближайшую перспективу нет альтернативных решений для мощных ТЭС и АЭС с накопителями энергии. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в принципе невозможно без накопителей энергии в связи с неравномерностью выработки тепловой и электроэнергии.

При стоимости пиковой электроэнергии на оптовом рынке в 7-10 раз выше ночной суммарная выручка от работы накопителей с учетом оплаты системных услуг обеспечивает инвестиционную привлекательность долгосрочных финансовых вложений в их строительство.

В частности, предложен способ работы ветроэлектростанции с водородным аккумулированием энергии, заключающийся в том, что воду разлагают на кислород и водород, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности создают замкнутый цикл, где воду нагнетают насосом в пароохладитель и электролизер, из которого водород и кислород, как компоненты разложения воды, собирают в резервуары для раздельного хранения, сжигают в камере сгорания, а продукты сгорания в виде перегретого водяного пара направляют в пароохладитель, где впрыскивают воду и охлаждают перегретый водяной пар, энергию которого посредством паровой турбины, генератора, конденсатора и электрокотла преобразуют в электрическую и тепловую энергию, а конденсат сливают в конденсатную емкость (заявка РФ на изобретение № 99102865, дата публикации 2000.12.20). Недостатком данного решения является высокая стоимость и низкая эффективность аккумулирования энергии, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию электролизеров (до 3000 дол. США/кВт) и систем хранения водорода и кислорода, а также относительно низким кпд паротурбинного цикла.

Более экономичное решение предложено в патенте РФ на изобретение № 2023387 (дата публикации 1994.11.30), в котором перед подачей углекислого газа в теплицу осуществляют его многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в водоуглекислотных теплообменниках, аккумулирование сжиженного углекислого газа и его хранение, при этом после хранения осуществляют нагрев его в солнечном коллекторе для получения углекислотного пара, который направляют в углекислотную турбину с регулируемым давлением на выхлопе турбин - прототип. Недостатками данного решения являются относительно низкий кпд углекислотного цикла и необходимость подвода углекислоты от стороннего источника.

Техническим решением по устранению данного недостатка стало предложение по патенту РФ на изобретение № 2273742, котором в энергоаккумулирующей установке, содержащей турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, компрессор соединен с приемником рабочего тела, выполненным в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником. В данном предложении недостатком является необходимость создания сорбционных аккумуляторов высокой стоимости, обусловленной дороговизной эффективных сорбентов.

Цель изобретения - это создание энергоаккумулирующей установки, в которой устранены указанные выше недостатки.

Поставленная задача решается тем, что:

в энергоаккумулирующей установке, содержащей турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором рабочего тела, который через нагревающий теплообменник подключен ко входу в турбину, внутренняя полость приемника рабочего тела сообщается с первым гидравлическим компенсатором давления, а внутренняя полость аккумулятора рабочего тела сообщается со вторым гидравлическим компенсатором давления, подключенным к системе накопления жидкости с возможностью использования гидростатического напора жидкости для компенсации давления рабочего тела;

- приемник рабочего тела выполнен в подземной полости;

- нагревающий теплообменник соединен с нагреваемой стороны с отбором тепла от теплового двигателя;

- нагревающий теплообменник соединен с нагреваемой стороны с аккумулятором тепла;

- в качестве рабочего тела выбрано вещество из ряда углеводороды, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов;

- в качестве жидкости выбрана вода или водный раствор соли;

- выход компрессора и вход нагревающего теплообменника соединены через запирающий и/или регулирующий элемент;

- первый гидравлический компенсатор давления сообщается системой накопления жидкости со вторым гидравлическим компенсатором давления, выполненным во второй подземной полости.

На чертеже дано схемное решение предложенной энергоаккумулирующей установки.

Энергоаккумулирующая установка содержит турбину 1 с электрогенератором 2, к которой подводится из аккумулятора рабочего тела 3 рабочее тело, направляемое из турбины в приемник рабочего тела 4, запасающий рабочее тело после срабатывания на турбине теплосодержания, полученного в нагревающем теплообменнике 5, и возвращающий рабочее тело через компрессор 6 и охлаждающий теплообменник 7 в аккумулятор рабочего тела 3.

В зависимости от выбранного рабочего тела (аммиак, диоксид углерода, углеводород и т.д.) фазовое состояние рабочего тела в приемнике рабочего тела 4 и аккумуляторе рабочего тела 3 может быть различным: как твердым (например, диоксид углерода - «сухой лед»), так и жидким (спирт, эфиры, диоксид углерода, углеводороды и др.), или газообразным, что может вызывать отличия в конструкции приемника рабочего тела 4. Например, в случае жидкого рабочего тела аккумулятор рабочего тела 3 для снижения тепловых потерь может оснащаться теплоизоляцией (на чертеже не показана) или может быть снабжен узлом регенеративного теплообмена. Для отбора жидкого рабочего тела из аккумулятора рабочего тела 3, например в варианте выполнения в подземной полости, в него может быть введена сифонная трубка.

С целью уменьшения работы сжатия рабочего тела в режиме накопления энергии между компрессором 6 и приемником рабочего тела 4 включен отвод тепла 11, соединенный с аккумулятором тепловой энергии 12, выполненный в данном примере реализации с возможностью охлаждать рабочее тело как на входе в компрессор 6, так и между его ступенями сжатия, обеспечивая тем самым промежуточное охлаждение.

Для снижения температуры рабочего тела и/или его конденсации отвод тепла 11 может быть соединен с охлаждающей стороны с аккумулятором холода (на чертеже не показан), накопление холода в котором может осуществляться за счет низких температур окружающей среды или применения холодильных машин компрессионного или абсорбционного типа (на чертеже не показаны). Рационально накапливать холод в виде бинарных ледяных смесей так называемого «жидкого льда» (смесь воды, спирта и ингибирующей коррозию присадки).

Для более эффективного осуществления процессов накопления рабочего тела (в режиме выдачи пиковой энергии), снижения затрат на компрессию рабочего тела и увеличения объема запасаемого рабочего тела приемник рабочего тела 4 сообщается с гидравлическим компенсатором давления, подключенным к системе накопления жидкости 8 с возможностью использования гидростатического напора жидкости для компенсации давления рабочего тела внутри приемника рабочего тела 4, а также с возможностью нагрева или охлаждения рабочего тела внутри приемника за счет тепловой энергии, аккумулируемой жидкостью, и с возможностью использовать растворение рабочего тела в жидкости. Такой жидкостью преимущественно выбирается вода, поскольку существуют экономичные технологии ее применения в качестве гидравлической жидкости в требуемом диапазоне температур (5-180°С) или водный раствор соли, имеющий более низкую температуру замерзания и большую плотность.

В частности, сочетание воды в качестве гидравлической жидкости и диоксида углерода в качестве рабочего тела позволит в системе накопления жидкости запасать значительные объемы рабочего тела за счет эффекта высокой растворимости диоксида углерода в воде, составляющей при рабочем давлении, например, 2.5 МПа и температуре воды 25°С около 16 л CО₂ на 1 л воды, что позволит использовать воду как дополнительный аккумулятор рабочего тела, способный служить балластирующим агентом, смягчающим газодинамические процессы внутри приемника рабочего тела 4.

Аналогично аккумулятор рабочего тела 3 снабжен гидравлическим компенсатором давления, подключенным к системе накопления жидкости 13.

Кроме того, вход в турбину 1 и выход из компрессора 6 снабжены регулируемыми клапанами 10, позволяющими создать циркуляцию рабочего тела мимо аккумулятора рабочего тела 3 для рационального использования вторичных тепловых ресурсов. Выход нагревающего теплообменника 5 соединен через регулируемый клапан 10 с входом турбины 1, а вход нагревающего теплообменника 5 через дополнительный регулируемый клапан 10 подключен к выходу компрессора 6 или одной из его ступеней.

Такое решение позволит использовать циркуляцию рабочего тела не только в режиме выдачи пиковой энергии, но и в режиме утилизации тепла, подводимого к теплообменнику 5 и используемого для нагрева рабочего тела перед турбиной 1 в режиме постоянной нагрузки. С этой целью целесообразно приемник рабочего тела 4 снабдить байпасным трубопроводом рабочего тела (на чертеже не показан).

В качестве рабочего тела целесообразно выбрать вещество с более низкой, чем у жидкости точкой кипения из ряда углеводороды, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов.

С целью снижения давления паров рабочего тела в аккумуляторе рабочего тела 3 при хранении рабочего тела в жидкой фазе или, например, в варианте диоксида углерода, в сверхкритическом состоянии, с соответствующим уменьшением затрат на изготовление аккумулятора рабочего тела 3, после охлаждающего теплообменника 7 включен регулируемый клапан 10.

Принимая во внимание возможную неравномерность подвода тепловой энергии, например, при использовании возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, нагревающий теплообменник 5 может быть подключен к аккумулятору тепла 9, который, в свою очередь, рационально выполнить в виде герметичной теплоизолированной емкости, заполненной теплоаккумулирующим веществом: жидким, например водой или маслом, или твердым, например солями и оксидами щелочных и щелочно-земельных металлов, а также минералами с высокой теплоемкостью.

Как и аккумуляторы тепла 12 и 9, аккумулятор рабочего тела 3 может быть выполнен изотермическим и снабжен теплоизоляционным кожухом.

Работает данная энергоаккумулирующая установка следующим образом на двух основных режимах: пиковом и накопительном. В пиковом режиме рабочее тело, например диоксид углерода (СО₂), хранящийся в аккумуляторе рабочего тела 3, например в изотермической типовой емкости при температуре -35°С и давлении 1.6 МПа, начинают подавать насосом (на чертеже не показан) с повышением давления до 5 МПа в нагревающий теплообменник 5 с предварительным прохождением через теплообменник аккумулятора тепла 12 таким образом, что поступающий жидкий СО ₂ внутри теплообменника аккумулятора тепла 12 испаряют при температуре около 10°С за счет аккумулированной тепловой энергии. После испарения CО₂ в газообразном состоянии подают на перегрев до 200°С в нагревающем теплообменнике 5, в который подводят тепло, например, из теплового аккумулятора 9 или сбросное тепло теплового двигателя, или отработанный пар паровой турбины АЭС, или тепло возобновляемого источника энергии, например геотермального. В варианте хранения рабочего тела в аккумуляторе рабочего тела 3 в газообразном состоянии при высоком давлении необходимость в насосе и испарении рабочего тела отсутствует.

Нагретый CО₂ подают на вход турбины 1, где рабочее тело - CО₂ расширяют до давления 1 МПа и температуры 70°С, после чего CО₂ подают в приемник 4, где CО₂ накапливается. Режим накопления энергии («зарядки») сводится к отбору CО₂ из приемника 4, для чего из приемника 4 поток CО₂ подают сначала на отвод тепла 11, а затем на вход в компрессор 6. Между ступенями сжатия компрессора 6 также производят с помощью отвод тепла 11 снижение температуры сжимаемого потока CО₂.

Часть выходящего из компрессора 6 или отбираемого из одной из его ступеней потока CО₂ могут, как описано выше, направлять в нагревающий теплообменник 5, а затем внутрь приемника 4.

Основной поток CО₂, выходящий из компрессора 6 и сжатый до высокого давления, например 5 МПа, направляют через регулирующий элемент 14 в охлаждающий теплообменник 7, в котором при отводе тепла осуществляют конденсацию CО₂, после чего жидкий CО₂ накапливают в аккумуляторе рабочего тела 3. С целью уменьшения давления в аккумуляторе 3 сжиженный CО₂ могут дросселировать в регулируемом клапане 10. Хранение CО₂ в аккумуляторе 3 может, таким образом, осуществляться как при обычных, так и при криогенных температурах. И в том, и в другом случае с целью уменьшения теплоподвода к CО₂, накапливаемому в аккумуляторе 3, последний целесообразно выполнить изотермическим. С целью уменьшения работы сжатия рабочего тела в компрессоре 6 конденсацию могут вести при температурах ниже комнатной (например, при 0°С), для чего охлаждающий теплообменник 7 и отвод тепла 11 по охлаждающей стороне подключают к аккумулятору тепла 12, заряжаемому, например, за счет теплоемкости материалов в окружающей среде (например, проточных водоемов в зимнее время года в средних и высоких широтах или грунта в варианте подземного хранения).

Пиковый и накопительный режим разнесены по времени суток таким образом, чтобы накопительный режим приходился на время провала нагрузки в сети, как правило, в ночные часы, а пиковый режим покрывал возрастающую нагрузку в сети, как правило, в утренние и вечерние часы. Это позволяет накапливать дешевую ночную энергию для выработки дорогой пиковой энергии.

Поскольку аккумулятор рабочего тела 3 может использоваться как источник жидкого CО₂, это позволяет при необходимости осуществлять производство холода при подаче жидкого CО₂ в отдельный испаритель (на чертеже не показан), подключенный по охлаждаемой стороне к потребителю холода, а по охлаждающей стороне выходящий в приемник рабочего тела 4.

Теплообменные поверхности аккумулятора тепла 12 могут использоваться для отопительных нужд, в том числе используя значительное количество тепловой энергии через тепловой насос.

Предложенная энергоаккумулирующая установка по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- повышается мощность турбины и общая вырабатываемая пиковая энергия, поскольку требуемый расход энергии, подводимой в пиковом режиме от стороннего энергоисточника, составляет только 20-30% от энергии, подводимой к рабочему телу от стороннего источника в прототипном техническом решении;

- повышается надежность работы установки и снижается стоимость производства энергии за счет резкого (на несколько порядков) снижения подпитки рабочего тела в установку, подаваемого со стороны, что исключает также и зависимость от подвозки рабочего тела на площадку размещения установки;

- обеспечивается полная экологическая безопасность энергоаккумулирующей установки, поскольку рабочее тело не выбрасывается в окружающую среду;

- с помощью тепловых аккумуляторов установки запасается любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения стабильной бесперебойной работы установки даже в периоды перерыва в подводе тепловой энергии от стороннего источника;

- обеспечивается возможность применения данной установки для выработки пиковой электроэнергии и снабжения различных объектов тепловой энергией и холодом в режиме разуплотненного графика их потребления;

- технически просто и надежно обеспечивается возможность аккумулирования провальной ночной энергии, отпускаемой по сниженному тарифу;

- обеспечивается возможность эффективной утилизации сбросного тепла различных тепловых двигателей, а также расширяется возможность применения возобновляемых природных источников энергии, обладающих значительным ресурсным потенциалом и, в то же время, высокой неравномерностью поступления их энергии, а также дополнительного повышения эффективности установки в холодные климатические периоды;

- повышается надежность работы и снижается стоимость изготовления установки за счет умеренных по температуре и давлению параметров рабочего тела.

Так, например, при расходе в период выдачи пиковой энергии 100 тыс. м³ CО ₂/ч и подводе 300 МВт тепловой энергии в теплообменнике 5 для нагрева CО₂ с давлением 5 МПа до 200°С в турбине 1 при расширении рабочего тела до давления 1 МПа вырабатывается 200 МВт электрической энергии. Высокое значение противодавления в турбине 1 резко сокращает габариты и стоимость турбины. Для выдачи пиковой мощности в течение 8 ч/сутки емкость подземной полости аккумулятора рабочего тела 3 составит около 0.4 млн. м³, что освоено в отечественной практике, имеющей опыт создания подземных газохранилищ с давлением 10-12 МПа и емкостью около 1 млрд. куб. м активного газа.

Дополнительным положительным свойством данной энергоаккумулирующей установки является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для ее создания.