CN103758642A - 一种压缩页岩气储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩页岩气储能发电系统，包括电动机、压气机、冷却器、储气室、热存储器、冷却介质供应源、换热器、透平机、发电机、页岩气井、燃气轮机，通过压缩高压的页岩气及空气，并存储于不同的储气室，高压的页岩气和空气可分别推动透平机做功，持续用电时，也可将两种高压气体通过燃气轮机进行发电，对电网的用电需求做出快速的响应。通过热存储器收集页岩气和空气压缩过程的过程热，用于加热系统做功阶段低温高压的压缩页岩气，合理利用了能量，提高了系统的整体效率；做功后的透平机出口页岩气温度很低，便于页岩气液化运输，有效利用了低温有用能。该系统可用于提高压缩空气储能系统的稳定性与可持续性，以及页岩气的开采和存储。

Description

一种压缩页岩气储能发电系统

技术领域

本发明涉及一种压缩页岩气储能发电系统，具体的说，是一种压缩空气、页岩气绝热压缩储能发电系统。

背景技术

传统的压缩空气储能技术以燃气轮机技术为基础，将过剩电能存储为空气的压力势能，当用电需求增加时，高压空气与页岩气燃烧推动透平发电，做功过程中会产生大量的温室气体，造成环境污染。而绝热的空气压缩储能系统虽然不用燃烧化石燃料，但系统不能长时间的为电网提供电能，系统运行不稳定，为了提高空气压缩储能系统可利用性，需要为空气压缩储能系统提供稳定的天然气来源，远距离的天然气运输造成了发电成本的提高；另外页岩气的存储需要消耗大量的电能。

发明内容

本发明提出了一种压缩页岩气储能发电系统，在页岩气采集过程中，利用空气压缩储能系统将过剩的电能压缩页岩气并存储，在页岩气停止采集时，可以压缩空气并存储，将过剩的电能充分利用。同时当电能需求量持续增大时，利用高压页岩气与高压空气燃烧推动透平机发电，维持了空气压缩储能系统的稳定性，使其对电网的需求做出快速的响应，也减少了化石燃料的燃烧，降低了温室气体的排放。该系统可用于提高电力系统的稳定性，改善供电品质。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种压缩页岩气储能发电系统，包括电动机、压气机、冷却器、页岩气储气室、换热器、透平机、发电机、页岩气井、空气储气室、燃气轮机、三通阀门和四通阀门，其特征在于：

--所述电动机与压气机驱动连接，所述压气机的进气口可切换地与大气或页岩气井的出口连通，所述压气机的出口与所述冷却器的热流体侧的进口连通，所述冷却器的热流体侧的出口经管路与所述三通阀门的进口连通，所述三通阀门的一个出口与所述页岩气储气室的进口连通，所述三通阀门的另一个出口与所述空气储气室的进口连通，所述页岩气储气室的出口经所述换热器的冷流体侧的一管路与所述四通阀门的一进口连通，所述空气储气室的经所述换热器的冷流体侧的另一管路与所述四通阀门的另一进口连通，所述四通阀门的一出口与所述透平机的进气口连通，所述四通阀门的另一出口与所述燃气轮机的进气口连通；

--所述压缩页岩气储能发电系统还包括热存储器、冷却介质供应源，所述冷却介质供应源的出口与所述冷却器的冷流体侧的进口连通，所述冷却介质供应源的进口与所述换热器的热流体侧的出口连通，所述热存储器的出口与所述换热器的热流体侧的进口连通，所述热存储器的进口与所述冷却器的冷流体侧的出口连通。

优选地，本发明的压缩页岩气储能发电系统包括开采页岩气时储能阶段、停止开采页岩气时储能阶段、开采页岩气做功阶段和不开采页岩气时做功阶段，其中：

--开采页岩气时储能阶段，电动机驱动压气机压缩高压页岩气，压气机出口高温高压的页岩气进入冷却器降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器中，压缩页岩气降温后通过三通阀进入页岩气储气室；

--停止开采页岩气时储能阶段，电动机驱动压气机压缩空气，压气机出口高温高压的空气进入冷却器降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器中，压缩空气降温后通过三通阀进入空气储气室；

--开采页岩气做功阶段，页岩气储气室中低温高压的压缩页岩气进入换热器，在换热器中吸收热存储器释放的存储热，升温后通过四通阀进入透平机做功，驱动发电机发电，做功后的低温页岩气液化存储。

--不开采页岩气时做功阶段，空气储气室中低温高压的空气进入换热器，在换热器中吸收热存储器释放的存储热，升温后通过四通阀进入透平机做功，驱动发电机发电。

当电力系统电量需求增大或需要持续供电时，页岩气储气室中的页岩气和空气储气室的空气都进入换热器再通过四通阀门，进入燃气轮机做功发电。

优先的，压气机包括至少一级压缩，分别压缩空气和页岩气，压缩后的高温页岩气和空气都在冷却器中冷却，冷却器也至少有一台，热量由冷却介质吸收后存储在热存储器中，冷却后的页岩气和空气通过三通阀分别存储在页岩气储气室和空气储气室中；透平机包括至少一级膨胀，每级膨胀后的低温页岩气都在换热器中加热，热量由热存储器供给；燃气轮机中可同时通入高压页岩气和高压空气。

优先的，压气机包括至少一台压气机，透平机包括至少一台透平机，燃气轮机包括至少一台燃气轮机。

优先的，在冷却器后设置三通阀，分离压气机压缩的高压页岩气和空气。换热器后设置四通阀，控制高压页岩气与高压空气进入透平机和燃气轮机。

优先的，系统可以避免三通阀和四通阀的使用，压缩后和进入透平机前的页岩气和高压空气可以分别经过不同的冷却器和换热器。

优先的，系统中的页岩气储气室和空气储气室可以用天然的洞穴代替。

优先的，电动机电力来源为电网、风力发电、太阳能发电、或者除此之外的其它一切可能的电力来源方式。

优先的，页岩气井的开采方式为直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井钻井或者除此之外的其它一切可能的页岩气开采方式。

优先的，页岩气可以为任何天然气。

由以上技术方案可知，本发明的优点是：

1、将绝热空气压缩储能系统与页岩气的存储结合在一起，有效的提高的绝热空气压缩储能系统的可利用性，以及系统运行的稳定性，可长时间的为电网提供电能。

2、开采页岩气时，利用过剩的电能来压缩存储页岩气，降低了页岩气的存储成本；既可以将压缩后的页岩气直接高压存储，也可以将做功后的页岩气低温存储。压缩过程中存储了过程热，并在系统做功时进行利用，合理利用了能量，提高了系统的整体效率。

3、利用了页岩气来提高绝热空气压缩储能系统的稳定性，减少了传统的空气压缩储能系统中天然气的燃烧，降低了温室气体的排放。

附图说明

图1为本发明“实施例一”的压缩空气储能系统示意图。

图2为本发明“实施例二”的压缩空气储能系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例一

图1为本发明“实施例一”的压缩页岩气储能发电系统示意图，本发明的压缩页岩气储能发电系统包括电动机1、压气机2、冷却器3、页岩气储气室4、换热器7、透平机8、发电机9、页岩气井10、空气储气室11、燃气轮机12、三通阀门13和四通阀门14。所述电动机1与压气机2驱动连接，所述压气机2的进气口可切换地与大气或页岩气井10的出口连通，所述压气机2的出口与所述冷却器3的热流体侧的进口连通，所述冷却器3的热流体侧的出口经管路与所述三通阀门13的进口连通，所述三通阀门13的一个出口与所述页岩气储气室4的进口连通，所述三通阀门13的另一个出口与所述空气储气室11的进口连通，所述页岩气储气室4的出口经所述换热器7的冷流体侧的一管路与所述四通阀门14的一进口连通，所述空气储气室11的经所述换热器7的冷流体侧的另一管路与所述四通阀门14的另一进口连通，所述四通阀门14的一出口与所述透平机8的进气口连通，所述四通阀门14的另一出口与所述燃气轮机12的进气口连通。所述压缩页岩气储能发电系统还包括热存储器5、冷却介质供应源6，所述冷却介质供应源6的出口与所述冷却器3的冷流体侧的进口连通，所述冷却介质供应源6的进口与所述换热器7的热流体侧的出口连通，所述热存储器5的出口与所述换热器7的热流体侧的进口连通，所述热存储器5的进口与所述冷却器3的冷流体侧的出口连通。

本发明的压缩页岩气储能发电系统，其工作原理为：包括开采页岩气时储能阶段、停止开采页岩气时储能阶段、开采页岩气做功阶段和不开采页岩气时做功阶段等四个工作阶段，其中：

开采页岩气时储能阶段，利用电能驱动电动机，电动机1驱动压气机2压缩开采出来的页岩气，压气机2出口的高温高压页岩气进入冷却器3降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器5中，高压页岩气降温后通过三通阀13进入页岩气储气室4；

不开采页岩气时储能阶段，利用电能驱动电动机，电动机1驱动压气机2压缩空气，压气机2出口的高温高压空气进入冷却器3降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器5中，压缩空气降温后通过三通阀13进入空气储气室11；

开采页岩气时做功阶段，页岩气储气室4中低温高压的压缩页岩气进入换热器7，在换热器7中吸收热存储器5释放的存储热，升温后通过四通阀14进入透平机8做功，驱动发电机9发电，做功后的低温页岩气液化存储；

不开采页岩气时做功阶段，空气储气室11中低温高压的空气进入换热器7，在换热器7中吸收热存储器5释放的存储热，升温后通过四通阀14进入透平机8做功，驱动发电机9发电；当电力系统电量需求增大或需要持续供电时，页岩气储气室4中的页岩气和空气储气室11的空气都进入换热器7，再通过四通阀门14，进入燃气轮机12做功发电。

实施例二

图2为本发明“实施例二”的压缩页岩气储能发电系统示意图。该压缩页岩气储能发电系统包括：电动机1，页岩气压气机2，页岩气冷却器3，页岩气储气室4，热存储器5，冷却介质供应源6，页岩气换热器7，透平机8，发电机9，页岩气井10，页岩气三通阀11，空气压气机12，空气冷却器13，空气储气室14，空气换热器15，空气三通阀16，燃气轮机17。本实施例同实施例一的区别在于：过剩的电能可以同时带动压气机分别压缩页岩气和空气，经过不同的冷却器冷却后，分别存储在页岩气储气室和空气储气室。高压的页岩气和空气可以同时推动透平机和燃气轮机发电做功。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种压缩页岩气储能发电系统，包括电动机、压气机、冷却器、页岩气储气室、换热器、透平机、发电机、页岩气井、空气储气室、燃气轮机、三通阀门和四通阀门，其特征在于：

--所述电动机与压气机驱动连接，所述压气机的进气口可切换地与大气或页岩气井的出口连通，所述压气机的出口与所述冷却器的热流体侧的进口连通，所述冷却器的热流体侧的出口经管路与所述三通阀门的进口连通，所述三通阀门的一个出口与所述页岩气储气室的进口连通，所述三通阀门的另一个出口与所述空气储气室的进口连通，所述页岩气储气室的出口经所述换热器的冷流体侧的一管路与所述四通阀门的一进口连通，所述空气储气室的经所述换热器的冷流体侧的另一管路与所述四通阀门的另一进口连通，所述四通阀门的一出口与所述透平机的进气口连通，所述四通阀门的另一出口与所述燃气轮机的进气口连通；

--所述压缩页岩气储能发电系统还包括热存储器、冷却介质供应源，所述冷却介质供应源的出口与所述冷却器的冷流体侧的进口连通，所述冷却介质供应源的进口与所述换热器的热流体侧的出口连通，所述热存储器的出口与所述换热器的热流体侧的进口连通，所述热存储器的进口与所述冷却器的冷流体侧的出口连通。

2.根据权利要求1所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，压缩页岩气储能发电系统包括开采页岩气时储能阶段、停止开采页岩气时储能阶段、开采页岩气做功阶段和不开采页岩气时做功阶段，其中：

--开采页岩气时储能阶段，电动机驱动压气机压缩高压页岩气，压气机出口高温高压的页岩气进入冷却器降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器中，压缩页岩气降温后通过三通阀进入页岩气储气室；

--停止开采页岩气时储能阶段，电动机驱动压气机压缩空气，压气机出口高温高压的空气进入冷却器降温，热量由冷却介质吸收并存储在热存储器中，压缩空气降温后通过三通阀进入空气储气室；

--开采页岩气做功阶段，页岩气储气室中低温高压的压缩页岩气进入换热器，在换热器中吸收热存储器释放的存储热，升温后通过四通阀进入透平机做功，驱动发电机发电，做功后的低温页岩气液化存储。

--不开采页岩气时做功阶段，空气储气室中低温高压的空气进入换热器，在换热器中吸收热存储器释放的存储热，升温后通过四通阀进入透平机做功，驱动发电机发电。

--当电力系统电量需求增大或需要持续供电时，页岩气储气室中的页岩气和空气储气室的空气都进入换热器再通过四通阀门，进入燃气轮机做功发电。

3.根据权利要求1至2任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，所述压气机包括至少一级压缩，选择性地压缩空气或页岩气，压缩后的高温页岩气和空气都在冷却器中冷却，所述冷却器也至少有一台，热量由冷却介质吸收后存储在所述热存储器中，冷却后的页岩气和空气通过所述三通阀分别存储在所述页岩气储气室和空气储气室中；所述透平机包括至少一级膨胀，每级膨胀后的低温页岩气都在所述换热器中加热，热量由所述热存储器供给；所述燃气轮机中可同时通入高压页岩气和高压空气。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，在所述冷却器后设置所述三通阀，分离所述压气机压缩的高压页岩气和空气；所述换热器后设置所述四通阀，控制高压页岩气与高压空气进入所述透平机和燃气轮机。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，系统可以省略三通阀和四通阀的使用，压缩后和膨胀做功前的页岩气和高压空气可以分别经过不同的冷却器和换热器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，所述页岩气储气室和空气储气室可以为天然的洞穴。

7.根据权利要求1至6任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，电动机电力来源为电网、风力发电、太阳能发电、或者除此之外的其它一切可能的电力来源方式。

8.根据权利要求1至7任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，页岩气井的开采方式为直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井钻井或者除此之外的其它一切可能的页岩气开采方式。

9.根据权利要求1至8任一项所述的压缩页岩气储能发电系统，其特征在于，页岩气可以为任何天然气。

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