CN107461603A - 储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，包括若干个通过联轴器连接电动机的压缩机和若干个膨胀机组；相邻压缩机之间通过蓄热器相连，末级压缩机与地下储气井群的入口相连，地下储气井群的出口与第一膨胀机组相连，第一膨胀机组通过蓄热器连接换热器的气流入口，换热器的气流出口连接第二膨胀机组，换热器的工质入口和工质出口通过管道与干热岩采热系统连接形成循环回路；换热器和干热岩采热系统组成再热系统，在膨胀机组的个数大于2时，第一膨胀机组之后相邻的膨胀机组之间均设置再热系统。本发明在压缩阶段对压缩机级间冷却的热量进行回收，在释能阶段对级间再热的空气进行预热，有效降低了系统热量损失，提高了系统效率。

Description

储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统
技术领域
本发明属于物理储能技术领域，具体涉及储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭和环境问题的日益显著，可再生能源的利用受到了越来越多的重视。风能、太阳能等可再生能源所固有的随机性和波动性给可再生能源的开发带来了巨大的挑战，然而储能技术可以有效解决这一问题。同时，智能电网的建设也迫切需要储能系统作为支撑技术。在现有储能技术中压缩空气储能被国内外公认为是一种最有前景的物理储能技术。
现有压缩空气储能系统中的储气库，尤其是地下储气洞库的密封材料的耐温能力低于80℃。因此，空气的储气温度被限制在80℃以内。通常压缩空气进储气库之前必须经过压缩机后冷器冷却，如图1所示，空气冷却过程必然会带来不可逆损失，降低系统效率。在压缩空气过程中，采用多级压缩可以显著提高储气室的压力。为了提高压缩机性能，在压缩机级间需进行冷却，大量压缩热难以被利用。
压缩空气储能系统至今难以被大规模产业化应用的重要原因之一是：释能发电过程中需要消耗燃料加热，通常采用天然气燃料加热，结果导致压缩空气储能系统发电成本高，经济性差及附加污染和碳排放。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，避免消耗燃料加热，降低成本和污染。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括压缩机、膨胀机组、地下储气井群、干热岩采热系统、蓄热器和换热器；
其中，压缩机为多级且通过联轴器连接电动机，膨胀机组为若干个；压缩机级间通过蓄热器相连，末级压缩机与地下储气井群的入口相连，地下储气井群的出口与第一膨胀机组相连，第一膨胀机组的排气口通过管道和蓄热器连接换热器的气流入口，换热器的气流出口连接第二膨胀机组，换热器的加热工质入口和加热工质出口通过管道与干热岩采热系统连接形成循环回路；换热器和干热岩采热系统组成再热系统，在膨胀机组的个数大于2时，第一膨胀机组之后相邻的膨胀机组之间均设置再热系统。
进一步地，地下储气井群由若干个储气的竖井组成，竖井顶部均通过井盖和法兰密封，竖井的井壁上设置套管。
进一步地，竖井之间通过水平连通段相连。
进一步地，水平连通段位于竖井的上侧部或下侧部。
进一步地，竖井的底部设置排水管道。
进一步地，竖井采用对称分布的方式布置；井盖和法兰之间以及法兰和竖井顶部之间均设置密封材料，密封材料采用聚四氟乙烯或无机纤维；套管采用J55石油套管、N80石油套管或K55石油套管。
进一步地，换热器的工质采用水；干热岩采热系统包括注水井和生产井，注水井的底部连通第一水平段，生产井的底部连通第二水平段；第一水平段低于第二水平段，且第一水平段和第二水平段之间通过流体通道相连通，流体通道穿过干热岩。
进一步地，注水井和生产井上端均设置绝热段；注水井的水平段比生产井的水平段低300～800米；流体通道是通过定向压裂技术压裂干热岩岩石形成的岩石裂隙；生产井通过净水装置连接换热器的加热工质入口。
进一步地，每个膨胀机组均为通过联轴器相连的两级膨胀机；膨胀机组均分别连接发电机，或者膨胀机组之间通过联轴器相连，末级的膨胀机组与发电机相连。
进一步地，经第一膨胀机组流入蓄热器的气流方向与经压缩机流入蓄热器的气流方向相反；换热器内的气流方向和工质流方向相反。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用多级压缩和多级膨胀，在压缩机级间设置蓄热器，对压缩热进行回收；气体流出压缩机末级后，不再冷却，直接进入地下储气井群进行储存，地下储气井群既储存了压缩空气压力能，又储存了压缩热能。由于地下储气井群的蓄热作用，压缩空气释能时可以不需要额外加热，直接进入膨胀机组做功。在膨胀机组级间，空气流出上一级膨胀机组后先流入蓄热器，利用压缩阶段回收的热量对空气进行预热；之后使用干热岩采热系统作为热源，对经过蓄热器预热的气体进行再热；最后流入下一级膨胀机组释能做功。本发明采用蓄热器在压缩阶段对压缩机级间冷却的热量进行回收，在释能阶段对级间再热的空气进行预热，有效地降低了系统热量的损失，大大提高了系统的效率；所采用的干热岩采热系统是一种深埋于地下的清洁能源，蕴藏量十分丰富，利用该热能作为压缩空气储能系统的加热热源，替代燃料加热，具有无排放无污染等优势。
进一步地，本发明通过井盖和法兰密封，且通过设置套管，能够耐高温高压，气体通入竖井之前不必进行冷却，既储存压力能，又储存压缩热能；气体在流出竖井之后也不必进行加热即可直接流入膨胀机组做功，显著提高了系统的效率，减小了不可逆损失。
进一步地，本发明通过设置水平连通段，保持所有储气竖井之间压力相等，保证地下储气井群的稳定，而且可以减少入口处和出口处节流效应的影响，减少了流动损失。
进一步地，本发明水平连通段若位于竖井的上侧部，减少打井难度，降低系统的建造成本；若位于下侧部，则有助于保证地下储气井群的稳定，减少系统的能量损失，提高系统的循环效率。
进一步地，本发明竖井的底部设置排水管道，能够排出压缩空气在储存过程中凝结的液态水。
进一步地，本发明的工质采用水，空气不直接进入干热岩系统中，在换热器中与水进行能量交换，水在封闭的回路中进行流动。水和空气之间只有通过换热器发生热量交换，没有质量交换，有效地降低了地下污染物进入系统和环境的可能性。通过设置两个水平段并通过穿过干热岩的流体通道相连通，使干热岩直接与流体进行热量交换，效率高。
进一步地，本发明通过设置绝热段，由于地下浅层(通常地下200～600米深度)温度低于40度，能够更好地防止热量流失。通过设置净水装置，避免地下的沙石和水垢等杂质进入管道中，提高换热器的换热效率，也可以延长系统设备的使用寿命。
进一步地，本发明通过连接发电机，结合干热岩采热与压缩空气储能系统进行发电。
附图说明
图1为传统压缩空气储能系统的结构框图。
图2为储气、储热及释能空气加热为一体的压缩空气储能新系统。
图3为储气竖井简图。
图4为由7口竖井组成的地下储气井群分布示意图。
其中：1、第一级压缩机；2、第二级压缩机；3、第一膨胀机组；4、第二膨胀机组；5、地下储气井群；6、干热岩采热系统；7、蓄热器；8、换热器；9、净水装置；10、进气管道；11、出气管道；12、井盖；13、法兰；14、套管；15、排水管道；16、水平连通段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图2和图3，本发明包括压缩机、第一膨胀机组3、第二膨胀机组4、地下储气井群5、干热岩采热系统6、蓄存压缩热的蓄热器7和换热器8；压缩机为若干个且通过联轴器连接电动机。
为提高储气压力，减少压缩机耗功，压缩部分采用多级压缩蓄热式级间冷却，压缩机通常为2至3级，本文以2级为例；为增加压缩空气的做工能力，提高系统效率，膨胀部分采用多级膨胀级间再热，膨胀机组通常为2至3级，本文以2级为例。
其中，第一级压缩机1和第二级压缩机2之间通过蓄热器7相连，第二级压缩机2通过进气管道10与地下储气井群5的入口相连，地下储气井群5的出口通过出气管道11与第一膨胀机组3相连，出气管道11上设置节流阀；第一膨胀机组3通过蓄热器7连接换热器8的气流入口，换热器8的气流出口连接第二膨胀机组4，换热器8的加热工质入口和加热工质出口通过管道与干热岩采热系统6连接形成循环回路。经第一膨胀机组3流入蓄热器7的气流方向与经压缩机流入蓄热器7的气流方向相反；换热器8内的气流方向和工质流方向相反。
压缩机为3个及以上时，相邻的压缩机之间分别通过蓄热器7相连；换热器8和干热岩采热系统6组成再热系统，在膨胀机组的个数大于2时，第一膨胀机组3之后相邻的膨胀机组之间均设置再热系统。本发明中每个膨胀机组均为两级膨胀机。
参见图3，地下储气井群5由若干个储气的竖井组成，竖井顶部均通过耐高温高压的井盖12密封，如钢材料，并通过法兰13连接，竖井的井壁上设置套管14。井盖12的密封材料需选用聚四氟乙烯或无机纤维等耐高温高压的材料。若各竖井之间相互隔离，由于地下热量分布不均匀、系统的波动等因素，引起各竖井之间压力的不平衡，会在管路中产生逆流、压力不稳定等不良影响；另外，相互隔离的竖井会增加管路长度，增加系统的流动损失。因此，本发明各竖井之间采用串联连接方式，在地下通过水平连通段16连接，不但能保持所有储气竖井之间压力相等，保证地下储气井群5的稳定，而且可以减少入口处和出口处节流效应的影响，减少了流动损失。水平连通段16连接位置可以靠近竖井底部，也可以靠近竖井顶部。由于储气竖井的进气和出气均位于竖井顶端，因此水平连通段16连接位置应尽量远离进气口和出气口，靠近竖井底部，有助于保证地下储气井群的稳定，减少系统的能量损失，提高系统的循环效率。本发明中水平连通段16可以位于竖井的下侧部。水平连通段16的连接位置若靠近竖井顶部，可以减少打井难度，降低系统的建造成本；由于地表温度低，靠近顶部的水平连通段16接会引起储气温度的损失，因此，若水平连通段16设置在靠近竖井顶部，则需要增加额外的保温层，以减少压缩空气温度损失。
现有压缩空气储能系统的储气压力一般大于3Mpa，对储气部分的气密性要求较高，本发明使用的储气竖井与普通地热井的密封性和使用压力范围存在不同。由于地热对储气竖井的蓄热作用，地下储气竖井中空气的温度也高于传统的储气矿洞中空气的温度。因此，在竖井顶部需加装耐高温高压的井盖12并通过法兰13接；储气竖井中需在井壁铺设套管14采用耐高温高压的材料，如J55石油套管、N80石油套管或K55石油套管等，以提高地下储气井群5的强度和稳定性。压缩空气进入储气竖井中，在井壁上会有液态水析出，流入井底形成积水。因此，储气竖井中需在底部设置排水管道15，在充气阶段之后可打开排水管道15部阀门，将储气竖井底部的积水压出。
地下储气井群5中竖井的数量和分布方式由储气量、当地地热资源的恢复能力和当地地质条件决定。当地下储气井群的储气量较多时，所需竖井数量需要相应增加，竖井的分布方式为对称分布，数量应设置成为能满足对称结构的数目，如7、9、16等。图4为由7口竖井组成的地下储气井群分布示意图，采用星形对称分布方式或者说是中心对称分布方式。对称结构的分布可以使各竖井之间温度保持一致，使竖井周围地层的温度场分布均匀，减少地下储气井群对地热的破坏，提高地热资源的恢复能力。
在膨胀机组级间再热过程中，采用干热岩采热系统6作为热源。干热岩采热系统6和换热器8的工质采用水，空气不直接进入干热岩系统6中，在换热器8中与水进行能量交换，水在封闭的回路中进行流动。水和空气之间只有能量交换，没有质量交换，有效地降低了地下污染物进入系统和环境的可能性。
干热岩采热系统6包括设置在干热岩上侧的注水井和生产井，由于采热需要，干热岩井的深度一般大于储气竖井，深度在3000m至5000m，温度范围在150℃至600℃。由于地表温度低，注水井和生产井上端均设置绝热段，绝热段长度由系统温度要求和当地的地热能分布情况决定。地层的温度分布梯度通常为30～60K/km，为了提高干热岩采热井的采热效率，注水井绝热段长度由换热器8的出水温度和当地地温梯度决定，使注水井绝热段下端的地温等于或略低于换热器8的出水温度，比如比换热器8的出水温度低10℃。生产井绝热段应尽量减少出水的温度损失，提高出水温度。
干热岩采热系统的注水井和生产井的底部均设置水平段。注水井和生产井的水平段位于不同深度，注水井的水平段低于生产井的水平段，两个水平段高度相差300～800米。注水井和生产井的水平段之间通过定向压裂技术进行连通，流体通道为干热岩的岩石裂隙，干热岩直接与流体进行热量交换。
干热岩采热系统的生产井上部设置净水装置9。水经过干热岩采热系统加热6后，地下的沙石、水垢等杂质会进入管道中，设置净水装置9将水中的杂质过滤掉，可以提高换热器8的换热效率，也可以延长系统设备的使用寿命。
第一膨胀机组3和第二膨胀机组4均分别连接发电机；或者第一膨胀机组3和第二膨胀机组4之间通过联轴器相连，第二膨胀机组4与发电机相连。
本发明压缩空气储能系统的具体工作过程，包括以下步骤：
(1)压缩阶段，气体流入第一级压缩机1被压缩，后流入蓄热器7进行冷却和压缩热回收，最后流入第二级压缩机2被压缩。
(2)储气阶段，高温高压气体直接流入地下储气井群5进行储存。
(3)释能阶段，高温高压气体经过节流阀，直接进入第一膨胀机组3做功；流出第一膨胀机组3的气体进入蓄热器7预热，后经过换热器8，由干热岩采热系统6作为热源进行再热；最后流入第二膨胀机组4做功。
与传统的压缩空气储能系统相比，本系统的优点在于：
1、传统的利用地下储气洞库存储压缩空气的系统，采用废弃的矿洞作为储气洞库，受矿洞结构和矿洞岩体的限制，只能在矿洞内壁进行简单的处理，因此，传统地下储气洞库的密封材料的耐温能力低于80度，气体通入之前必须要经过冷却，使得压缩热量产生不可逆损失。本发明在地下开挖储气的竖井，竖井中增加耐高温高压的套管14等结构，使内壁耐高温高压。气体通入竖井之前不必进行冷却，既储存压力能，又储存压缩热能；气体在流出竖井之后也不必进行加热即可直接流入膨胀机组做功，显著提高了系统的效率，减小了不可逆损失。
2、膨胀机组的级间再热采用干热岩采热系统6作为热源，在膨胀机组前无加热装置，地下储气井群5中的高温高压空气直接经过节流阀进入膨胀机组做功，克服了传统利用天然气等化石能源对气体加热的缺点，同时无污染物排放。
3、在压缩阶段利用蓄热器7对空气的压缩热进行回收，在发电阶段对级间再热的空气进行预热，有效地降低了系统热量的损失，大大提高了系统的效率。
4、本系统简化了压缩空气的储气过程，在压缩机后无冷却器，末级压缩机出口处的高温高压空气直接流入地下储气井群5，不需要冷却过程和初级膨胀机组之前的再热过程，结构简单，调节方便。
5、在发电阶段，本系统可通过调节进口导叶改变末级膨胀机组的压比，从而调节末级膨胀机组的出气温度，排气可用于制冷、制热等多种用途，避免了能源的浪费。
6、本发明系统循环效率高，经济性好，绿色无污染。
本发明解决了释能发电过程中需要消耗燃料加热、储气温度不能超过80℃及压缩热难以被回收利用等问题，提供一种储气、储热及释能空气加热为一体的压缩空气储能新系统，能够结合干热岩采热与压缩空气储能系统进行发电。如图2所示，本发明系统主要由压缩机、地下储气井群、蓄存压缩热的蓄热器、干热岩采热系统、膨胀机组组成。对比如图1所示的传统压缩空气储能系统，本发明系统不再有传统意义上的压缩机级间冷却器、后冷却器、初级膨胀机组前的加热装置。
本系统的压缩部分采用多级压缩，膨胀部分采用多级膨胀，在压缩机级间设置蓄热器，对压缩热进行回收。气体流出压缩机末级后，不再冷却，直接进入地下储气井群5进行储存，储气竖井既储存了压缩空气压力能，又储存了压缩热能。由于地下储气井群5的蓄热作用，压缩空气释能时可以不需要额外加热，直接进入膨胀机组做功。在膨胀机组级间，空气流出上一级膨胀机组后先流入蓄热器7，利用压缩阶段回收的热量对空气进行预热；之后使用干热岩采热系统6作为热源，对经过蓄热器7预热的气体进行再热；最后流入下一级膨胀机组释能发电。

Claims (10)

1.储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：包括压缩机、膨胀机组、地下储气井群(5)、干热岩采热系统(6)、蓄热器(7)和换热器(8)；
其中，压缩机为多级且通过联轴器连接电动机，膨胀机组为若干个；压缩机级间通过蓄热器(7)相连，末级压缩机与地下储气井群(5)的入口相连，地下储气井群(5)的出口与第一膨胀机组(3)相连，第一膨胀机组(3)的排气口通过管道和蓄热器(7)连接换热器(8)的气流入口，换热器(8)的气流出口连接第二膨胀机组(4)，换热器(8)的加热工质入口和加热工质出口通过管道与干热岩采热系统(6)连接形成循环回路；换热器(8)和干热岩采热系统(6)组成再热系统，在膨胀机组的个数大于2时，第一膨胀机组(3)之后相邻的膨胀机组之间均设置再热系统。
2.根据权利要求1所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：地下储气井群(5)由若干个储气的竖井组成，竖井顶部均通过井盖(12)和法兰(13)密封，竖井的井壁上设置套管(14)。
3.根据权利要求2所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：竖井之间通过水平连通段(16)相连。
4.根据权利要求3所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：水平连通段(16)位于竖井的上侧部或下侧部。
5.根据权利要求2所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：竖井的底部设置排水管道(15)。
6.根据权利要求2所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：竖井采用对称分布的方式布置；井盖(12)和法兰(13)之间以及法兰(13)和竖井顶部之间均设置密封材料，密封材料采用聚四氟乙烯或无机纤维；套管(14)采用J55石油套管、N80石油套管或K55石油套管。
7.根据权利要求1所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：换热器(8)的工质采用水；干热岩采热系统(6)包括注水井和生产井，注水井的底部连通第一水平段，生产井的底部连通第二水平段；第一水平段低于第二水平段，且第一水平段和第二水平段之间通过流体通道相连通，流体通道穿过干热岩。
8.根据权利要求7所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：注水井和生产井上端均设置绝热段；注水井的水平段比生产井的水平段低300～800米；流体通道是通过定向压裂技术压裂干热岩岩石形成的岩石裂隙；生产井通过净水装置(9)连接换热器(8)的加热工质入口。
9.根据权利要求1所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：每个膨胀机组均为两级膨胀机；膨胀机组均分别连接发电机，或者膨胀机组之间通过联轴器相连，末级的膨胀机组与发电机相连。
10.根据权利要求1所述的储气储热一体的干热岩再热压缩空气储能系统，其特征在于：经第一膨胀机组(3)流入蓄热器(7)的气流方向与经压缩机流入蓄热器(7)的气流方向相反；换热器(8)内的气流方向和工质流方向相反。
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