耦合乙烯工艺余热的气液互转压缩二氧化碳储能系统研究

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0267

储能科学与技术 ›› 2025, Vol. 14 ›› Issue (10): 3848-3858.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0267

耦合乙烯工艺余热的气液互转压缩二氧化碳储能系统研究

张晓海¹^,²(), 孙新雨², 孟子硕¹, 边海阳², 赵浩岚¹, 张文哲², 楚攀¹(), 李明涛²()

^1.中石油深圳新能源研究院有限公司，广东深圳 518000
^2.绿色氢电全国重点实验室，西安交通大学，陕西西安 710049

收稿日期:2025-03-18 修回日期:2025-05-14 出版日期:2025-10-28 发布日期:2025-10-20
通讯作者: 楚攀,李明涛 E-mail:zxh01@petrochina.com.cn;chupan@petrochina.com.cn;mingtao@mail.xjtu.edu.cn
作者简介:张晓海（1993—），男，博士，助理研究员，研究方向为能源系统工程与储能，E-mail：zxh01@petrochina.com.cn；
基金资助:
国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目(51888103);中石油深圳新能源研究院有限公司科研项目(SZ2024ZT002)

Gas-liquid-interconversion compressed carbon dioxide energy storage driven by waste heat from the ethylene process for industrial steam production

Xiaohai ZHANG¹^,²(), Xinyu SUN², Zishuo MENG¹, Haiyang BIAN², Haolan ZHAO¹, Wenzhe ZHANG², Pan CHU¹(), Mingtao LI²()

^1.PetroChina Shenzhen New Energy Research Institute, Shenzhen 518000, Guangdong, China
^2.National Key Laboratory of Green Hydrogen and Electricity, Xi 'an Jiaotong University, Xi 'an 710049, Shaanxi, China

Received:2025-03-18 Revised:2025-05-14 Online:2025-10-28 Published:2025-10-20
Contact: Pan CHU, Mingtao LI E-mail:zxh01@petrochina.com.cn;chupan@petrochina.com.cn;mingtao@mail.xjtu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

压缩二氧化碳储能作为新型长时储能的代表方向，是平抑可再生电力高波动问题的有效手段。针对当前绝热压缩二氧化碳储能系统的热量来源和利用范围受限所导致的技术经济性瓶颈问题，本研究提出了一种耦合乙烯工艺余热的气液互转压缩二氧化碳储能系统。该系统将乙烯工艺的低品位余热用于释能段液态二氧化碳的气化吸热，同时将储能段的部分高品位回收热用于生产工业蒸汽，从而提高热能利用效率，增强储能系统效益。通过对比不同工况下的系统性能和经济敏感性分析，发现当回收热主要用于产生工业蒸汽时，系统发电能力和储能密度较低，但得益于蒸汽输出收益，系统循环收益提升明显；当回收热主要用于供给释能段发电时，系统电-电循环效率显著提高，但系统收益受电价差影响较大，适用于高电价差地区。

关键词: 压缩二氧化碳储能, 乙烯工艺余热, 热力学分析, 经济性分析

Abstract:

Compressed carbon dioxide (CO₂) energy storage, as a representative direction for novel long-term energy storage, is an effective strategy for smoothing the high volatility of renewable electricity. To resolve the limited heat sources and application potential of existing adiabatic compressed CO₂ energy storage systems (ESSs), which result in decreased economic gains, a gas-liquid-interconversion compressed CO₂ ESS, which is driven by waste heat from the ethylene process, is proposed. This system utilizes low-grade waste heat from the ethylene process for the gasification of liquid CO₂ and the absorption of heat from the gasified CO₂ in its energy-release section. Additionally, it uses a proportion of the high-grade recovered heat from its energy-storage section to produce industrial steam, thereby enhancing heat utilization and the benefits of the ESS. Performance and economic sensitivity analysis under different operating conditions reveal that its power-generation capacity and energy-storage density decrease when most of the recovered heat is mainly used to generate industrial steam. However, the overall system cycle gain is significantly enhanced by steam-output profits. Additionally, when the compressed heat is mainly used to supply power to the energy-release section of the system, its power-cycle efficiency improves significantly, although the system gain is significantly impacted by the electricity-price difference, favoring regions with high electricity-price variability.

Key words: compressed carbon dioxide energy storage, ethylene-process waste heat, thermodynamic analysis, economic analysis

中图分类号:

张晓海, 孙新雨, 孟子硕, 边海阳, 赵浩岚, 张文哲, 楚攀, 李明涛. 耦合乙烯工艺余热的气液互转压缩二氧化碳储能系统研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(10): 3848-3858.

Xiaohai ZHANG, Xinyu SUN, Zishuo MENG, Haiyang BIAN, Haolan ZHAO, Wenzhe ZHANG, Pan CHU, Mingtao LI. Gas-liquid-interconversion compressed carbon dioxide energy storage driven by waste heat from the ethylene process for industrial steam production[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(10): 3848-3858.

图/表 9

图1

图2

表1

图3

表2

表3

图4

图5

附表 A1

参考文献 20

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参数	数值	参数	数值
余热温度/K	323.15	压缩机效率	0.90
低压侧工质温度/K	293.15(气态)	透平机工质入口温度/K	413.15(工况一)/383.15(工况二)/ 473.15(工况三)
低压侧工质压力/MPa	0.1	透平机工质入口流量/(kg/s)	40
高压侧工质温度/K	300.15(液态)	一段透平机工质入口压力/MPa	6.75
高压侧工质压力/MPa	6.75	透平段总膨胀比	67.5
压缩机工质入口温度/K	293.15	透平段各级膨胀比	8.22
压缩机工质入口流量/(kg/s)	40	透平机效率	0.9
一段压缩机工质入口压力/MPa	0.1	换热装置能效	0.95
压缩段总压缩比	67.5	储能/h	8
压缩机各级压缩比	8.22	释能/h	8

参数	仿真值	文献值^[20]	相对误差/%
电-电循环效率/%	78.70	77.70	1.29
压缩机入口工质温度/K	288.15	288.15	—
压缩机入口工质压力/MPa	0.1	0.1	—
压缩机出口工质温度/K	721.06	720.57	0.11
压缩机出口工质压力/MPa	6.86	6.86	—
压缩机耗电量/MWh	23.48	23.63	-0.63
冷却换热末端出口工质温度/K	297.65	297.65	—
冷却换热量/MWh	34.47	35.28	-2.30
高压储液温度/K	297.65	297.65	—
加热换热器末端出口工质温度/K	705.74	705.74	—
加热换热量/MWh	33.75	34.45	-2.03
透平机入口工质温度/K	705.74	705.74	—
透平机入口工质压力/MPa	5.42	5.42	—
透平机出口工质温度/K	358.75	359.90	-1.33
透平机出口工质压力/MPa	0.1	0.1	—
透平机发电量/MWh	18.58	18.36	1.20
CO₂质量流量/(kg/s)	54	54	—
充/放电时长/h	1	1	—

参数	工况一：绝热系统	工况二：产汽工况	工况三：产电工况
电-电循环效率/%	76.12	71.06	86.89
热量循环效率/%	100.44	59.57	73.30
压缩机总功耗/MWh	13.04	13.04	13.04
压缩机出口温度/K	487.15	487.15	487.15
压缩热回收值/MWh	12.48	12.48	12.48
蒸汽输出量/MWh	0	6.19(8 t)	0.76(1 t)
余热消耗值/MWh	0	4.27	4.27
透平机总发电/MWh	9.93	9.27	11.33
透平机入口温度/K	413.15	383.15	473.15
热量需求值/MWh	12.43	10.56	15.99
储能密度/(kWh/m³)	1.38	1.29	1.57
循环收益/元	4965	5355	5755
备注	自身热平衡	余热：气化潜热	余热：气化潜热

参数	工况一：绝热系统	工况二：产汽工况	工况三：产电工况
电-电循环效率/%	76.12	71.07	86.89
热量循环效率/%	100.44	59.57	73.3
压缩机总功耗/MWh	104.34	104.34	104.34
热量回收值/MWh	99.87	99.87	99.87
透平机总发电/MWh	79.42	74.16	90.64
热量需求值/MWh	99.44	84.48	127.92
压缩机：一段压缩
出口工质温度/K	487.42	487.42	487.42
出口工质压力/MPa	0.82	0.82	0.82
压缩机功耗/MWh	52.88	52.88	52.88
换热器-冷却-一段压缩
工质放热量-显热/MWh	-57.60	-57.60	-57.60
换热器换热量/MWh	-54.72	-54.72	-54.72
压缩机：二段压缩
出口工质温度/K	461.73	461.73	461.73
出口工质压力/MPa	6.75	6.75	6.75
压缩机功耗/MWh	51.46	51.46	51.46
换热器-冷却-二段压缩
工质放热量-显热/MWh	-47.52	-47.52	-47.52
工质放热量-潜热(不回收)/MWh	-32.43	-32.43	-32.43
工质相变温度/K	300.24	300.24	300.24
工质放热量-总量/MWh	-79.96	-79.96	-79.96
换热器换热量/MWh	-75.96	-75.96	-75.96
换热器-加热-一段膨胀
工质吸热量-潜热/MWh	32.43	32.43	32.43
工质吸热量-显热/MWh	32.57	23.52	51.28
工质吸热量-总量/MWh	65.00	56	83.76
换热器换热量/MWh	68.42	58.96	88.16
透平机：一段膨胀
入口工质温度/K	413.15	383.15	473.15
出口工质温度/K	311.58	297.58	348.61
出口工质压力/MPa	0.82	0.82	0.82
透平机做功/MWh	40.53	38.16	45.84
换热器-加热-二段膨胀
工质吸热量-显热/MWh	29.47	24.24	37.76
换热器换热量/MWh	31.02	25.52	39.76
透平机：二段膨胀
入口工质温度/K	413.15	383.15	473.15
出口工质温度/K	288.75	266.23	334.70
出口工质压力/MPa	0.10	0.10	0.10
透平机做功/MWh	38.89	35.92	44.8

耦合乙烯工艺余热的气液互转压缩二氧化碳储能系统研究

Gas-liquid-interconversion compressed carbon dioxide energy storage driven by waste heat from the ethylene process for industrial steam production

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