CN110345044A - 一种双地下储气室带储热循环的压缩二氧化碳储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型压缩二氧化碳储能系统，该系统以二氧化碳为工作介质，包括压缩机（组）、膨胀透平（机组）、地下储气室、换热器等主要设备。为避免二氧化碳排放到大气中，该系统采用两个地下咸水层充当储气室，高压储气室存储压缩机释放的超临界二氧化碳，低压储气室存储膨胀透平释放的二氧化碳，从而形成一个封闭的储能系统；利用地热能加热高压储气室内的工质，同时收集压缩过程产生的压缩热和低压储气室出口工质的热量，经热泵加热后为释能过程二，三级透平再热提供能量。综上，该系统采用地下咸水层充当地下储气室来存储二氧化碳，在运行过程中不产生污染物，达到经济，环保和节能的效益。所述的压缩二氧化碳储能系统如图1所示。

Description

一种双地下储气室带储热循环的压缩二氧化碳储能系统

技术领域

本发明属于压缩二氧化碳储能系统领域，特别涉及一种地下不同深度处的咸水层分别充当高、低压储气室的压缩二氧化碳储能系统；同时涉及一种带有热泵子系统的储热系统，实现储能系统的热量梯级利用、回收利用。

背景技术

目前，压缩空气储能技术诞生于20世纪70年代，是一种发展较为成熟，可行的大规模储能技术。其工作过程为：在用电低谷时，压缩机利用多余的电能压缩大气环境中的空气，将电能转化为空气的内能并存储在储气室中，在用电高峰时，储气室内的高压空气被释放出来，经过加热后进入膨胀透平做功，通过发电机转化为电能。

压缩空气储能系统已经受到国内外科研机构及人员的高度关注，但是到目前为止仍然没有大规模的商业应用，世界上现只有德国Huntorf储能电站和美国McIntosh储能电站进入商业运行模式阶段，压缩空气储能技术具有投资成本低，容量大等的优点，但由于系统运行本身存在运行效率低，储能密度低，排放二氧化碳温室气体等缺点，因此限制了压缩空气储能技术的进一步发展。

本发明以解决现有压缩空气储能技术中储能密度低，储能效率低的问题为出发点，提出一种结合压缩空气储能技术和二氧化碳物性优点的带有储热系统的双地下储气室的压缩二氧化碳储能系统。

二氧化碳地质封存是指将二氧化碳压缩注入地下流体或含流体的多孔岩石构造中，诸如天然气，石油，深部咸水层等。研究表明，我国地下咸水层分布面积广，封存空间大，是最有潜力的二氧化碳封存场所，因此，利用地下储气室作为压缩二氧化碳储能系统的储气室具有较强的可行性。

地热梯度亦称为“地温梯度”，其定义为沿地下等温面的法线向地心的方向上，单位距离内温度所增加的数值，地热梯度值通常为30℃/km。当二氧化碳存储地下2-3km时，其可以利用地热能加热高压二氧化碳，从而省去原有压缩二氧化碳储能系统中的蓄热器。

为保证储能系统中的二氧化碳不排放到大气环境中，本发明使用两个地下储气室，一个高压储气室存储压缩机释放的超临界二氧化碳，一个低压储气室存放膨胀透平释放的二氧化碳，从而使压缩二氧化碳储能系统形成一个封闭的储能系统，不向环境释放温室气体，达到环保的目的。

发明内容

本发明的目的是公开一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，采用二氧化碳代替空气作为做功工质，解决储能密度低，储能效率低的问题，同时采用地下不同深度的咸水层作为二氧化碳储气室，利用地热能来加热高压二氧化碳，省去储能系统的蓄热器，并且该系统做功工质二氧化碳循环利用，同时换热介质在储能过程和释能过程中循环使用，因此该系统可解决储能系统储能密度低，储能效率低的问题，同时达到经济，环保，高效的目的。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是:一种双地下储气室的带蓄热系统的压缩二氧化碳储能系统，包括二氧化碳储能单元、二氧化碳释能单元、储能系统储热单元和双地下储气室，其特征在于：

--所述二氧化碳储能单元包括通过管路依次连接的地下低压储气室、级间冷却器、节流阀、压缩机（组），高压储气室、预冷冷却器，其中：压缩机（组）出口与高压储气室进口相连；

--所述二氧化碳释能单元包括通过管路依次连接的高压储气室、节流阀、再热器、膨胀透平（机组）；

--所述二氧化碳储能系统储热单元包括存储低温介质的冷罐、存储高温介质的热罐、热泵、换热介质，其中：所述存储高温介质的热罐的进口侧连接压缩过程各级冷却器的吸热侧出口以及预冷器吸热侧出口，存储高温介质的出口与热泵内冷凝器用热侧进口相连；所述存储低温换热介质的冷罐进口侧与热泵内蒸发器吸热侧出口相连接；热泵内循环工质循环工作，在蒸发器定压吸热、进入压缩机加温加压、经过冷凝器放热、进入膨胀阀释压，再进入蒸发器，循环工作；

--所述二氧化碳储能系统压缩机（组）与膨胀透平（机组）通过发电机/电动机相连。

所述双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统利用地下咸水层来存储二氧化碳，分别采用地下不同深度处的咸水层来充当所述系统的高、低压储气室，利用地下地热能，来加热高压储气室内的二氧化碳，完成储能系统的做功过程。

所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，为保证储能系统中的二氧化碳不排放到大气环境中，所述系统使用两个地下储气室，一个高压储气室存储压缩机释放的超临界二氧化碳，一个低压储气室存放膨胀透平释放的二氧化碳，从而使压缩二氧化碳储能系统形成一个封闭的储能系统，不向环境释放温室气体，达到环保的目的。

所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，考虑地热梯度对储气室的影响，低压储气室出口的二氧化碳温度会较高，为减少压缩机耗功，将预冷冷却器放置在低压储气室出口处来降低进入压缩机入口的二氧化碳温度。

所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，高、低压储气室内存储的二氧化碳在释放过程中其压力会随着释放过程而逐渐降低，为了保证进入压缩机和膨胀透平的二氧化碳压力为定值，在循环中应用节流阀降压的方式来保证压缩机入口和膨胀透平入口的压力为恒定值。

所述的一种双地下储气室的带储热热系统的压缩二氧化碳储能系统，根据膨胀透平出口二氧化碳的状态，当膨胀透平出口的温度和压力低于二氧化碳的临界出口温度和压力(T _c=304.55K，P _c=7.38MPa)时，此时的二氧化碳处于跨临界二氧化碳状态，存储在低压储气室中的跨临界二氧化碳，其温度压力较低，导致储能过程的压缩比和释能过程的膨胀比均较大，因此在储能系统中压缩过程需采用多级压缩，级间冷却，膨胀过程需采用多级膨胀，级间再热。

所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，取地下不同深度处的咸水层分别做地下高、低压储气室，其中地下高压储气室深度要至少为低压储气室深度的1.5-2.5倍。

本发明的创新点有以下五个特点：第一，利用地下咸水层资源，作为该储能系统的地下储气室；第二，利用地下储气层深处的地热能，加热地下高压储气室内的二氧化碳，实现新能源的多元化利用；第三，该系统的蓄热系统实现储能过程和释能过程能量的梯级利用和回收利用，使系统循环效率提高；第四,该系统的做功工质为二氧化碳，用于系统的循环工作，不向环境释放温室气体，具有环保效益；第五，该系统整个运行过程运行工质的温度，压力不高，对设备的要求不高，在工业上实用性较强。

附图说明

图1是一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统示意图。

图2是热泵的工作示意图

图中标号

如图1，其中：

1-压缩机1；2-压缩机2；3-压缩机3；4-发电机/电动机；5-膨胀透平1；6-膨胀透平2；7-膨胀透平3；8-级间冷却器1；9-级间冷却器2；10-预冷器；11-级间再热器1；12-级间再热器2；13-地下低压储气室；14-地下高压储气室；15-储热罐；16-热泵；17-储冷罐；18-节流阀1；19-节流阀2；20-节流阀3；21-节流阀4；

如图2，其中：

22-压缩机4；23-冷凝器；24-膨胀阀；25-蒸发器。

具体实施方式

本发明提供了一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明可以基于所述系统实现，其具体结构如图1所示，所述系统由压缩机1、压缩机2、压缩机3、发电机/电动机、膨胀透平1、膨胀透平2、膨胀透平3、级间冷却器1、级间冷却器2、预冷器、级间再热器1、级间再热器2、地下低压储气室、地下高压储气室、储热罐、储冷罐、热泵（由压缩机4、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成） 、节流阀1、节流阀2、节流阀3、节流阀4组成，具体操作过程为：

如图1所示，在储能过程中，即用电低谷阶段，利用多余电能或风能太阳能等可再生能源，将存储在低压储气室中的二氧化碳经预冷器冷却到环境温度后，通过节流阀降压后，进入压缩机组1，2，3进行多级压缩过程和级间冷却器1，2进行冷却过程，压缩成超临界二氧化碳后注入高压储气室进行存储；在释能过程中，即用电高峰阶段，存储在高压储气室内的二氧化碳吸收地热能后，经过节流阀1降压，然后进入膨胀透平1进行膨胀做功，排气进入级间再热器1完成加热升温过程，再进入膨胀透平2进行膨胀做功，二级膨胀透平排气再进入级间再热器2完成加热升温过程，再进入膨胀透平3进行膨胀做功，做功后乏气注入低压储气室进行存储。

系统在储能过程中，级间冷却器1和2吸收压缩过程产生的压缩热存储在储热罐内，预冷器吸收来自低压储气室释放的二氧化碳的热量存储在储热罐内，完成系统储能过程热量的存储过程。系统在释能过程，热泵内循环工质通过压缩机做功后，在冷凝器内释放热量，将储热罐内的回收热量加热到指定温度；膨胀透平级间再热器1和2吸收热泵提供的热量后为膨胀透平2，3内二氧化碳的膨胀做功提供能量，再热器1和2内放热后的工质经过热泵内的蒸发器继续放热后进入储冷罐，而热泵内循环工质在蒸发器内吸收热量后进行下一个过程的循环使用。

热泵系统内的循环工质经过压缩机升温升压、冷凝器定压放热、膨胀阀释压、蒸发器定压吸热完成一次循环过程。

Claims (5)

1.一种双地下储气室的带储热循环系统的压缩二氧化碳储能系统，包括储能单元、释能单元、蓄热单元及双地下储气室，其特征在于，

--所述二氧化碳储能单元包括通过管路依次连接的地下低压储气室、预冷冷却器、节流阀、压缩机（组）、压缩机级间冷却器、高压储气室，其中：压缩机（组）出口与高压储气室进口相连；

--所述二氧化碳释能单元包括通过管路依次连接的高压储气室、节流阀、膨胀透平（机组），透平级间再热器；

--所述二氧化碳储热单元包括压缩机级间冷却器、膨胀透平级间再热器、预冷器、存储低温介质的冷罐、存储高温介质的热罐、热泵系统和换热介质；

--所述的热泵系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及循环做功介质和换热介质；

--所述二氧化碳储能系统压缩机（组）与膨胀透平（机组）通过发电机/电动机相连；

--所述双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统利用地下咸水层来存储二氧化碳，分别采用地下不同深度处的咸水层来充当所述系统的高、低压储气室，利用地下地热能，来加热高压储气室内的二氧化碳，利用蓄热系统来回收压缩储能阶段产生的热量和膨胀释能阶段末级膨胀透平乏气的废热热量，并将热量用于加热释能阶段膨胀做功的高压二氧化碳，完成储能系统的做功过程。

2.根据权利要求1所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于为保证储能系统中的二氧化碳不排放到大气环境中，本发明使用两个地下储气室，一个高压储气室存储压缩机释放的超临界二氧化碳，一个低压储气室存放膨胀透平释放的二氧化碳，从而使压缩二氧化碳储能系统形成一个封闭的储能系统，不向环境释放温室气体，达到环保的目的。

3.根据权利要求1所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，由于在地下储气室内，地热梯度对储气室的影响，低压储气室出口的二氧化碳温度会较高，为了减少压缩机耗功，在低压储气室出口处放置预冷冷却器来降低进入压缩机入口的二氧化碳温度。

4.根据权利要求1所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，在高、低压储气室内存储的二氧化碳在释放过程中其压力会随着释放过程而逐渐降低，为了保证进入压缩机和膨胀透平的二氧化碳压力为定值，在系统中应用节流阀降压的方式来保证压缩机和膨胀透平的入口压力恒定。

5.根据权利要求1所述的一种双地下储气室的带储热系统的压缩二氧化碳储能系统，当在膨胀透平做功完成后的二氧化碳为亚临界状态，则在压缩过程，需要进行多级压缩，级间冷却，在膨胀做功过程，需要进行多级膨胀，级间冷却，因此在相应过程需要分别用到压缩机级间冷却器、膨胀透平再热器；同时在储能阶段，将压缩储能阶段产生的压缩热和冷却低压储气室出口的二氧化碳释放的热量收集存储在储热罐中，在释能阶段，通过热泵系统将存储的热量用于加热释能阶段膨胀做功的高压二氧化碳，实现储能系统能量的梯级利用与回收利用，提高系统的储能效率。