1.本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种增益型熔盐储能系统。


背景技术：

2.随着太阳能光伏、风电等间歇性新能源发电比例的逐步提高，火电等可调电源比例逐年降低，电网运行的安全性和稳定性受到越来越大的挑战，电网级的大规模、长时间、快响应的调峰手段成为保障电网安全性和稳定性，提高新能源消纳能力的重要保障。
3.当前成熟的大规模、长时间调峰技术只有抽水蓄能，但受制于地理条件限制，抽水蓄能可开发的容量有限，远不能满足未来我国以新能源为主体的新型电力系统对储能调峰的要求，同时，抽水蓄能投资成本高、建设周期长，大型水库建设对生态环境也存在一定影响，除抽水蓄能外，电池储能发展迅速，但其安全环保问题一直未得到有效解决，且成本高，难以作为电网级的大规模长时储能调峰手段，近年来正在研发的压缩空气储能已进入示范阶段，但压缩空气储能效率相对较低，且一般采用地下盐穴储气，对地理条件要求较高，发展规模有限。
4.随着国际国内太阳能热发电技术商业化示范的完成，高温熔盐储热发电的安全性、经济性、稳定性、可靠性得到充分验证，谷电期利用电阻加热熔盐并储存，高峰时期再利用高温熔盐加热水产生蒸汽，推动汽轮机发电成为一种可行的热储能调峰方案，可实现电网级的大规模长时储能，且各技术环节已经过充分验证，极具发展潜力。
5.现有技术中，存在一种利用高温余热系统，专利申请号为cn201420317097.4，该专利通过将工业生产中的余热集中起来，利用水/蒸气发电的原理，实现将工业中的余热回收再利用的目的，还有一种火电机组电力调峰用的熔盐储能系统，专利号为cn201810599639.4，该专利能够较好地利用储热和放热，配合火电机组解决电力深度调峰问题。
6.由于电阻加热方式的电-热转换效率小于1，热再通过汽轮机转换成电的效率一般只有45%左右，因此总的电到电的转换效率低于45%，即使汽轮机效率进一步提高，总效率一般也很难超过50%，相比抽水蓄能75%左右的效率、压缩空气储能60%左右的效率，存在严重的制约性短板，综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
7.为解决该问题，本发明提出一种增益型熔盐储能系统，将传统电阻加热熔盐的方式替换为超高温热泵加热熔盐，超高温热泵为热力循环系统，可以将发电岛废热、空气等低温环境中的低品质能量提升为550-900℃高温的高品质能量，因此能实现大于1的电-热转换效率，与当前成熟的熔盐介质匹配，可实现1.5的电-热转换效率，配合成熟汽轮机可实现60%-70%的电到电转换效率，使高温熔盐热储能发电成为一种极具竞争力的调峰方式。


技术实现要素：

8.针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种增益型熔盐储能系统，其通过合理
设置膨胀机、回热器和冷却器等设备，实现了压缩气体工质膨胀功的有效利用，有效提升超高温压缩机进口温度，降低超高温压缩机压缩功，有效吸收低品质热源的能量。
9.为了实现上述目的，本发明提供一种增益型熔盐储能系统，包括超高温热泵系统、熔盐系统和低品质热回收系统；超高温热泵系统包括：电动机、超高温压缩机、熔盐加热器、回热器、膨胀机、吸热器和冷却器；电动机连接超高温压缩机，超高温压缩机的输出端通过熔盐加热器连接回热器，回热器的输出端连接膨胀机和超高温压缩机的进料口，膨胀机的输出端通过吸热器连接回热器；熔盐系统包括：低温熔盐罐、熔盐泵和高温熔盐罐；低温熔盐罐通过熔盐泵连接熔盐加热器，熔盐加热器的低温侧出口连接高温熔盐罐的进口；低品质热回收系统包括：发电岛热水储罐、水泵、发电岛冷水储罐；发电岛热水储罐通过水泵连接吸热器低温侧进口，吸热器的低温侧出口与发电岛冷水储罐的进口相连接。
10.根据本发明的增益型熔盐储能系统，超高温热泵系统、熔盐系统和低品质热回收系统中设有若干个温度传感器，温度传感器包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器；第一温度传感器与吸热器低温侧出口管道相连接；第二温度传感器连接熔盐加热器的低温侧出口管道；超高温压缩机的输出端与熔盐加热器之间设有连接温度传递系统的第三温度传感器；冷却器与超高温压缩机之间设有第四温度传感器。
11.根据本发明的增益型熔盐储能系统，低品质热回收系统中设有若干个冷却器调节阀，冷却器调节阀包括第一冷却器调节阀和第二冷却器调节阀；第一冷却器调节阀进口与超高温压缩机的出口相连通，吸热器通过第二冷却器调节阀连接冷却器，冷却器的高温侧出口与超高温压缩机内部的转子冷却进口相连通，超高温压缩机的转子冷却进口位于超高温压缩机的缸体侧面，与超高温压缩机的转子与气缸间隙相连通；超高温压缩机进口管道上设有压力传感器。
12.根据本发明的增益型熔盐储能系统，膨胀机和吸热器之间还设有缓冲压力系统，压力缓冲系统包括：缓冲罐和连接阀；连接阀的一端与缓冲罐相连接，另一端与膨胀机的出口管道相连接。
13.根据本发明的增益型熔盐储能系统，缓冲罐内装有与超高温热泵系统中相同的工质，缓冲罐内的工质通过连接阀连接膨胀机的出口管道；当超高温热泵系统需要排出工质时，膨胀机的出口管道内的工质通过连接阀进入缓冲罐内存储。
14.根据本发明的增益型熔盐储能系统，超高温热泵系统中的工质为二氧化碳、氮气、氦气、氩气、氙气中的任意一种或多种；熔盐加热器的熔盐介质为导热油或水，吸热器的吸热来源为空气、地热或工业废气；当高温热泵系统中的工质为液体时，电动机、超高温压缩机和膨胀机同轴布置，并采用联轴器连接；电动机的左右两侧分别连接超高温压缩机和膨胀机。
15.根据本发明的增益型熔盐储能系统，在工作状态下，超高温压缩机和膨胀机的转速均为3000转/分，待机状态转速超高温压缩机和膨胀机均为500转/分，待机状态下超高温压缩机处于低转速低功耗热备用状态，工作状态和待机状态下，超高温压缩机的出口温度为550-900℃。
16.根据本发明的增益型熔盐储能系统，熔盐加热器为印刷电路板式换热器或管壳式换热器。
17.一种增益型熔盐储能系统的操作方法，启动步骤如下：步骤1），用电低谷时，启动超高温热泵系统，初始状态超高温热泵系统中超高温压缩机进口压力为常压，旁通阀全开，膨胀机调节阀全部关闭，电动机从电网取电，带动超高温压缩机转速升至3000转/分；步骤2），压力缓冲系统投入，连接阀开启，缓冲罐内气体工质注入超高温热泵系统，逐步提升超高温压缩机出口温度，直至第三温度传感器温度达到550℃，关闭旁通阀，开启膨胀机调节阀；步骤3），熔盐系统投入，启动熔盐泵，监测第二温度传感器和压力传感器，协同调节熔盐泵的运行频率和连接阀开度，超高温压缩机的进口压力传感器示数逐步增加至目标值，同时第二温度传感器所示温度在550-900℃范围内；步骤4），在步骤3）操作的同时，低品质热回收系统投入，启动水泵，逐步提高水泵运行频率，同时监测第一温度传感器，直至第一温度传感器示数逐步增加至目标值；步骤5），切除压力缓冲系统，关闭连接阀。
18.一种增益型熔盐储能系统的操作方法，停机步骤如下：步骤1），压力缓冲系统投入，连接阀开启，同时膨胀机调节阀迅速调至40%开度，使得超高温热泵系统流量和压力迅速下降，实现快速降负荷，步骤2），熔盐系统切除，协同调节熔盐泵的运行频率，使得第二温度传感器所示温度在550-900℃范围内，当第三温度传感器示数低于540℃时，停止熔盐泵；步骤3），在步骤2）操作的同时，低品质热回收系统逐步切除，逐步降低水泵运行频率，当压力传感器示数达到0.1mpa时，关闭水泵；步骤4），超高温热泵系统热备用，电动机降频率运行，使超高温压缩机转速降至500转/分。
19.本发明的有益技术效果：本发明的目的是为了解决高温熔盐热储能发电的低效率问题，提出一种增益型熔盐储能系统，通过合理设置膨胀机、回热器和冷却器等设备，相较于传统热泵，实现了压缩气体工质膨胀功的有效利用，有效提升超高温压缩机进口温度，降低超高温压缩机压缩功，有效吸收低品质热源的能量，最终显著提升整体的电-电转换效率，明显增强高温熔盐热储能发电调峰的综合竞争力。
附图说明
20.图1是本发明的系统流程图；图2是以空调为代表的传统热泵系统简图；图3是传统热力循环流程简图。
21.在图中，1电动机、2超高温压缩机、3熔盐加热器、4回热器、5膨胀机、6吸热器、7冷却器、8旁通阀、9膨胀机调节阀、10第一温度传感器；11低温熔盐罐、12熔盐泵、13第二温度传感器、14高温熔盐罐、15缓冲罐、16连接阀；17发电岛热水储罐、18水泵、19发电岛冷水储罐、20第三温度传感器、21第四温度传感器、22压力传感器、23第一冷却器调节阀、24第二冷却器调节阀；
25普通压缩机、26汽轮机、27减压阀、28放热器、29安全关断阀、30转速调节阀。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，参见图1-图3，本发明基于电网级的大规模、长时间调峰需求，针对传统电阻电阻加热熔盐热储能发电的低效率问题，提出一种增益型熔盐储能系统，以实现整体的电-电转换效率的显著提升。
23.如图1所示，一种增益型熔盐储能系统包括超高温热泵系统、熔盐系统、低品质热回收系统、压力缓冲系统。
24.其中超高温热泵系统采用二氧化碳、空气、氮气、氦气、氩气、氙气等可在高温下稳定运行的气体作为循环工质，包括：电动机1、超高温压缩机2、熔盐加热器3、回热器4、膨胀机5、吸热器6、冷却器7、旁通阀8、膨胀机调节阀9、第一冷却器调节阀23、第二冷却器调节阀24、第一温度传感器10。
25.电动机1、超高温压缩机2和膨胀机5同轴布置，采用联轴器连接，电动机1位于中间位置，电动机1左右侧分别为超高温压缩机2和膨胀机5，上述三台设备同轴直连实现膨胀机5膨胀功直接驱动超高温压缩机2，而无需将膨胀机5膨胀功转换为电能再驱动超高温压缩机2，减少了能量转换环节，降低损耗，提高了系统效率。
26.超高温压缩机2出口与熔盐加热器3高温侧入口相连通，熔盐加热器3高温侧出口与回热器4高温侧入口相连通，回热器4高温侧出口与膨胀机调节阀9进口相连通，膨胀机调节阀9出口与膨胀机5入口相连通，膨胀机5出口与吸热器6高温侧入口相连通，吸热器6高温侧出口与回热器4低温侧入口相连通，回热器4低温侧出口与超高温压缩机2入口相连通，构成一个完整的热力循环系统。第一温度传感器10与吸热器6低温侧出口管道相连接，以测量吸热器6低温侧出口温度。
27.旁通阀8进口与熔盐加热器3高温侧出口管道相连通，旁通阀8出口与超高温压缩机2进口管道相连通，构成超高温压缩机2的旁路。
28.本发明与空调为代表的传统热泵系统（如图2所示）相比，存在如下显著差异：（1）传统热泵系统中的工质通过普通压缩机25后，经过放热器28和减压阀27连接吸热器6，普通压缩机25的出口温度通常会比较低，一般小于50℃，而本发明中的超高温压缩机2出口温度显著提高，可以达到550-900℃。（2）传统热泵系统通过膨胀阀实现泄压，膨胀功未被利用，而本发明中设置膨胀机5吸收膨胀功，可以大幅度减少系统的耗电量；（3）传统热泵系统中普通压缩机25进口连接吸热器6，温度接近室温，而本发明中超高温压缩机2进口温度在200-400℃范围内，需要采取必要的手段尽量提高普通压缩机25的进口温度。
29.在传统热力循环系统（如图3所示）中，普通压缩机25将工质压缩后进入熔盐加热器3，经由汽轮机26做功后，进入冷却器7。本发明与传统热力循环系统存在如下显著差异：（1）传统热力循环系统中普通压缩机25是系统压力最高点但不是温度最高点，而本发明中超高温压缩机2系统压力和温度的最高点，普通压缩机25如何冷却是需要解决的关键问题；（2）传统热力循环系统中，利用汽轮机26拖动发电机，由于在工作时，汽轮机26存
在超速的风险，需要在汽轮机26进口设置安全关断阀29和转速调节阀30，以保证汽轮机26的安全。而本发明中膨胀机5辅助电动机1拖动超高温压缩机2，膨胀机5不存在超转速问题。
30.针对上述差异带来的问题，本发明通过设置冷却器7，将超高温压缩机2出口部分流量的热量用于加热超高温压缩机2进口工质，提高超高温压缩机2进口温度的同时，并形成可用于冷却超高温压缩机2转子的工质，实现了超高温度条件下超高温压缩机2转子冷却，减低了超高温压缩机2转子材料要求，减弱了转子的高温损伤，节约成本并延长设备使用寿命。
31.同时，本发明通过设置回热器4，将熔盐加热器3吸热后的剩余热量部分用于加热超高温压缩机2进口工质，这一方面提高了超高温压缩机2进口温度，在保证压缩机出口温度不变的条件下，超高温压缩机2压缩功耗降低，设备制造难度和成本显著降低；另一方面降低了膨胀机5进口温度，有利于实现膨胀机5较低的出口温度，有助于吸热器6实现低品质热的充分吸收。
32.同时，本发明设置了膨胀机5替代传统热泵中的膨胀阀，实现高压压缩气体膨胀功的进一步利用，有效降低了电动机1的功率，提升了系统总体效能。
33.此外，本发明中膨胀机5进口端仅设置调节阀1台，无安全关断阀29和转速调节阀30，设备数量的减少，有利于成本的降低，同时该调节阀仅完成40%-60%流量调节，不参与低流量调节，阀门喉部直径显著大于传统热力循环中转速调节阀30，压力损失大大降低，有助于提高系统效率。
34.第一冷却器调节阀23进口与超高温压缩机2出口相连接，第一冷却器调节阀23出口与冷却器7高温侧进口相连接，冷却器7高温侧出口与超高温压缩机2转子冷却进口相连通，并设有第四温度传感器21，超高温压缩机2转子冷却进口位于超高温压缩机2缸体侧面，该进口与超高温压缩机2转子与气缸间隙相连通。第二冷却器调节阀24进口与吸热器6低温侧出口相连通，第二冷却器调节阀24出口与冷却器7低温侧进口相连通，冷却器7低温侧出口与超高温压缩机2进口相连通。在提高超高温压缩机2进口温度的同时，形成可用于冷却超高温压缩机2转子的工质，实现了超高温度条件下超高温压缩机2的转子冷却。
35.熔盐系统包括：低温熔盐罐11、熔盐泵12、第二温度传感器13和高温熔盐罐14。低温熔盐罐11出口与熔盐泵12进口相连接，熔盐泵12出口与熔盐加热器3低温侧进口相连接，熔盐加热器3低温侧出口与高温熔盐罐14进口相连接，构成完整的熔盐系统。第二温度传感器13位于熔盐加热器3低温侧出口管道，用于测量熔盐加热器3低温侧出口温度。
36.低品质热回收系统包括：发电岛热水储罐17、水泵18、发电岛冷水储罐19。发电岛热水储罐17出口与水泵18进口相连接，水泵18出口与吸热器6低温侧进口相连接，吸热器6低温侧出口与发电岛冷水储罐19进口相连接，构成完整的低品质热回收系统。
37.压力缓冲系统包括：缓冲罐15和连接阀16。连接阀16一端与缓冲罐15相连接，另一端与膨胀机5出口管道相连接。超高温热泵系统需要补充工质时，缓冲罐15内工质通过连接阀16进入膨胀机5出口管道；超高温热泵系统需要排出工质时，膨胀机5出口管道内工质通过连接阀16进入缓冲罐15内存储。
38.增益型熔盐储能系统启动方案如下：1)用电低谷时，启动超高温热泵系统。初始状态超高温热泵系统中超高温压缩机2进口压力为常压，旁通阀8全开，膨胀机调节阀9全关，膨胀机5电动机1从电网取电，带动超
高温压缩机2转速升至3000转/分。
39.2)压力缓冲系统投入。连接阀16开启，缓冲罐15内气体工质注入超高温热泵系统，逐步提升超高温压缩机2出口温度，直至第三温度传感器20温度达到550℃，关闭旁通阀8，开启膨胀机调节阀9。
40.3)熔盐系统投入。启动熔盐泵12，监测第二温度传感器13和压力传感器22，协同调节熔盐泵12的运行频率和连接阀16开度，超高温压缩机2进口压力传感器22示数逐步增加至目标值，同时第二温度传感器13所示温度在550-900℃范围内。
41.4)在步骤（3）操作的同时，低品质热回收系统投入，启动水泵18，逐步提高水泵18运行频率，同时监测第一温度传感器10，直至第一温度传感器10示数逐步增加至目标值。
42.5)切除压力缓冲系统，关闭连接阀16。
43.通过上述方案，实现电动机1从电网取电，带动超高温压缩机2旋转，将工质压缩至高温状态。高温工质加热熔盐，将热量存储在熔盐介质中，经膨胀机5回收膨胀功并进一步降温后，进入吸热器6从低温废热中吸收热量并升温，再经回热器4预热后进入超高温压缩机2入口，往复循环制取高温熔盐。
44.增益型熔盐储能系统停机方案如下：1)压力缓冲系统投入，连接阀16开启，同时膨胀机调节阀9迅速调至40%开度，使得超高温热泵系统中的流量和压力迅速下降，实现快速降负荷。
45.2)熔盐系统切除。协同调节熔盐泵12的运行频率，使得第二温度传感器13所示温度在550-900℃范围内，当第三温度传感器20示数低于540℃时，停止熔盐泵12。
46.3)在步骤（2）操作的同时，低品质热回收系统逐步切除，逐步降低水泵18运行频率，当压力传感器22示数达到0.1mpa时，关闭水泵18。
47.4)超高温热泵系统热备用。电动机1降频率运行，使超高温压缩机2转速降至500转/分。
48.通过上述方案，实现增益型熔盐储能系统快速降负荷停机，同时系统内超高温压缩机2处于低转速低功耗热备用状态，可实现系统快速启动。
49.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。