CN114278535B - 一种压缩空气储能与盐穴耦合系统及利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能技术领域，提供了一种压缩空气储能与盐穴耦合系统及利用方法，该压缩空气储能与盐穴耦合系统，包括，储能结构，储能结构的出气端适于与盐穴结构的进气端相连；释能结构，包括多级膨胀机，多级膨胀机的进气口与盐穴结构的出气端相连，高压空气经多级膨胀机做功后，将空气压力能进行释放；还包括：进水设备，适于当进行卤水采集操作时向盐穴结构中进行注水。该系统，不仅可以使用盐穴结构存储高压空气，实现储能与释能功能的同时，不会对盐卤采集造成干扰；而且，在压缩空气进入到盐穴结构中时，盐穴结构自身也会受到加热，以提高卤水中电解质的浓度，不仅提高了盐卤采集的效率，也实现了对热量的充分利用。

Description

一种压缩空气储能与盐穴耦合系统及利用方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能与盐穴耦合系统及利用方法。

背景技术

压缩空气储能系统具有储能规模大、效率高、寿命长、调度方便、完全无污染、不依赖地理条件限制、水资源消耗少等突出优势。压缩空气储能系统运行维护和控制技术成熟，产品稳定可靠，非常适合电网级的削峰填谷和大规模储能。

传统的压缩空气储能系统通常在用电低谷期将多余电力通过压缩空气储存在岩穴、废弃矿井等贮气室中，在用电高峰期时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合，在燃烧室中进行燃烧，驱使燃气轮机做功发电，满足电力系统调峰需要。但是，该压缩空气储能系统无法彻底摆脱对天然气、石油等化石燃料的依赖，依旧会对环境造成一定危害。

为了解决上述问题，现有技术中提供了一种压缩空气与盐井储能系统，将盐井作为储能空间，在用电低谷等情况时，将多余的电能用于压缩空气，然后储存至盐穴中对；当用电高峰时，将盐穴中的压缩空气进行释放，压缩空气进入到膨胀机中对膨胀机进行做功，从而进行后续的发电等操作。

但是，现有技术中的储能系统中，在压缩空气进入到盐井中时，盐井自身也会受到加热，对于这一部分热量，将白白散失到盐井中，导致无法实现对热量的充分利用。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中的缩空气与盐井储能系统，在压缩空气进入到盐井中时，盐井自身也会受到加热，对于这一部分热量，将白白散失到盐井中，导致无法实现对热量的充分利用，从而提供一种压缩空气储能与盐穴耦合系统及利用方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种压缩空气储能与盐穴耦合系统，适于应用于储存有卤水及具有卤水采集井的盐穴结构中，所述卤水采集井与采卤站相连，包括，储能结构，所述储能结构的出气端适于与所述盐穴结构的进气端相连，适于将压缩后的高压空气输送至所述盐穴结构内；释能结构，包括多级膨胀机，所述多级膨胀机的进气口与所述盐穴结构的出气端相连，高压空气经所述多级膨胀机做功后，将空气压力能进行释放；还包括：进水设备，适于当进行卤水采集操作时向所述盐穴结构中进行注水。

进一步地，所述储能结构包括多级压缩机以及位于相邻两级压缩机之间的换热器，所述换热器上设置有冷水进水口以及热水出水口，至少一个所述热水出水口与储热罐相连接，至少一个所述冷水进水口与冷水源相连接。

进一步地，所述释能结构包括再热器以及与所述再热器相连的膨胀机，所述再热器的进气口与所述盐穴结构的出气端相连，所述再热器的出气口与所述膨胀机的进气口相连；所述储热罐的出液口与所述再热器的进液口相连。

进一步地，所述冷水源为储冷罐，所述再热器的出液口与所述储冷罐的进液口相连。

进一步地，至少一个所述换热器上的热水出水口与所述进水设备相连接。

进一步地，所述采卤站上连接有电源，所述进水设备位于所述采卤站的上游，且与所述采卤站的进水口相连，所述采卤站的出水口与所述换热器上的热水出水口相连。

进一步地，所述储能结构与所述盐穴结构的进气端之间、所述释能结构与所述盐穴结构的出气端之间以及所述采卤站与所述卤水采集井之间的管路上均设置有控制阀。

进一步地，该压缩空气储能与盐穴耦合系统还包括节流阀，设置在所述释能结构与所述盐穴结构的出气端之间的管路上。

本发明还提供一种压缩空气储能利用方法，应用于储存有卤水及具有卤水采集井的盐穴结构中，所述卤水采集井与采卤站相连，包括如下步骤：储能过程中，对空气进行压缩，并将压缩后的高压空气输送至盐穴结构内；释能过程中，将高压空气所携带的空气压力能释放；卤水采集时，利用高压空气中所携带的热能加热盐穴结构内的卤水，以提高卤水中电解质的浓度，并通过卤水采集井将盐穴结构内的卤水输送至采卤站，并同时向所述盐穴结构中进行注水。

进一步地，储能过程中，利用换热器与压缩后的高压空气进行换热，将一部分热量存储在储热罐中，用于释能过程中对从盐穴结构内排出的高压空气进行加热；将携带另一部分热量的水注入盐穴结构，用于提高盐穴结构内的卤水温度。

进一步地，储能过程中，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至中等开度，卤水正常流动，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，以调节盐穴结构内的储气腔的体积；释能过程中，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通输出高压的带温空气，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最低开度，保证卤水流动，以使盐结晶不堵塞卤水采集井；储能与释能过程完成后，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最大开度，卤水站满负荷运行。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统，不仅可以使用盐穴结构存储高压空气，实现储能与释能功能的同时，不会对盐卤采集造成干扰；而且，在压缩空气进入到盐穴结构中时，盐穴结构自身也会受到加热，对于这一部分热量，将会用于加热卤水，以提高卤水中电解质的浓度，不仅提高了盐卤采集的效率，也实现了对热量的充分利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中的压缩空气储能与盐穴耦合系统的整体结构示意图。

附图标记说明：

1、采卤站； 2、膨胀机； 3、压缩机；

4、发电机； 5、电动机； 6、换热器；

7、再热器； 8、储热罐； 9、储冷罐；

10、一号井； 11、二号井； 12、三号井；

13、三通阀； 14、第一控制阀； 15、第二控制阀；

16、冷却器； 17、净水器； 18、空气层；

19、卤水层； 20、盐穴结构； 21、变压器；

22、电网； 23、风力发电； 24、自来水管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种压缩空气储能与盐穴耦合系统，包括，位于地下的盐穴结构，位于地表的卤水站，以及连接盐穴结构与采卤站的卤水采集井。

储能结构，具体包括多级压缩机3与若干换热器6，例如，压缩机3可以分为八级，各级压缩机3串联连接，相邻的两级压缩机3之间串联一个换热器6，当低压的空气被压缩成高压空气之后，会释放热量，使换热器6内的换热介质的温度升高；随着不断的压缩，最终将达到目标要求的高压空气输送至盐穴结构20内。其中，压缩机3可以由电动机5驱动。

释能结构，具体包括多级膨胀机2以及若干再热器7，例如，膨胀机2可以分为四级，各级膨胀机2串联连接，相邻的两个膨胀机2之间串联一个再热器7，高压空气在膨胀机2内膨胀做功后可以将空气压力能转化成电能。其中，高压空气膨胀成低压的空气时，会吸收热量，使再热器7内的换热介质的温度降低。其中，膨胀机2与发电机4相连，带动发电机4发电。其中，膨胀机2还可以与其他做功设备相连，以将空气压力能转化为其他形式的能量。

进水设备，适于当进行卤水采集操作时向所述盐穴结构中进行注水，其中，该进水设备可以是输送自来水的设备，进水设备输送的清水一部分可以用于作为换热器的换热介质，另一部分可以在流经采卤站后流入盐穴结构内。

本实施例提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统，不仅可以使用盐穴结构存储高压空气，实现储能与释能功能的同时，不会对盐卤采集造成干扰；而且，在压缩空气进入到盐穴结构中时，盐穴结构自身也会受到加热，对于这一部分热量，将会用于加热卤水，以提高卤水中电解质的浓度，不仅提高了盐卤采集的效率，也实现了对热量的充分利用。

其中，该压缩空气储能与盐穴耦合系统还包括储冷罐9以及储热罐8。

储热罐8的出液口与再热器7的进液口相连，储冷罐9的进液口与再热器7的出液口相连。再热器7的进气口与盐穴结构20之间通过管路相连，再热器7的出气口与多级膨胀机2的进气口通过管路相连。释能状态下，盐穴结构20内高压空气经管路进入再热器7中，吸热升温后流至膨胀机2进行膨胀做功，做功后的常温常压的空气可以直接经膨胀机2的排气口排出。

其中，储热罐8内的高温的换热介质流经再热器7后释放热量，可以加热流经再热器7的高压空气，最后放热后形成的低温的换热介质流至储冷罐9中。

储冷罐9的出液口与换热器6的冷水进水口相连，储热罐8的进液口与换热器6的热水出水口相连。多级压缩机3的出气口与换热器6的进气口相连，换热器6的出气口与盐穴结构20通过管路相连。储能状态下，常温常压的空气被压缩时会释放热量，从储冷罐9流经换热器6的换热介质吸收热量，温度升高后流至储热罐8中进行存储。

其中，换热器6有多个，其中一部分的换热器6的热水出水口与储热罐8的进液口相连，因此，存储在储热罐8中的热量仅为压缩空气释放热量的一部分。

其中，盐穴结构20内至少设置有三个采集井，分别记为一号井10、二号井11以及三号井12；一号井10的一端与换热器6的出气口或者一号井10的一端与直接与最后一级的压缩机3的出气口相连，一号井10的另一端可以伸入盐穴结构20的卤水层19与空气层18的交界位置；二号井11的一端与采卤站1相连，另一端可以伸入盐穴结构20的卤水层19中；三号井12的一端与再热器7的进气口以及采卤站1均连通，另一端可以伸入盐穴结构20的空气层18中。其中，可以设置适配于三号井12的三通阀13，三通阀13有一个接口可以与三号井12引出的管路相连，还有一个接口通过管路与再热器7的进气口相连，最后一个接口通过管路与卤水站或者与另一部分换热器6的热水出水口相连。此时，盐穴结构20内的高压空气可以经三号井12进入再热器7中，采卤站1中的清水可以通过三号井12进入到盐穴结构20内，向盐穴结构内注水；或者另一部分换热器6的中的热水可以通过三号井12进入到盐穴结构20内，用于加热盐穴结构20内的卤水。

其中，可以设置适配于一号井10的第一控制阀14，以及设置适配于二号井11的第二控制阀15；第一控制阀14设置在一号井10与换热器6之间的管路上；第二控制阀15设置在二号井11与采卤站1之间的管路上。

当电网22运行处于低谷，或可再生能源产生的间歇性电力无法上网时，打开第一控制阀14，多余电力将带动电动机5驱动压缩机3将空气压缩至高压，并通过1号井储存至盐穴结构20中，完成电能到空气压力能的转换，实现电能的储存。在此过程中，压缩机3的部分压缩热通过换热器6回收并储存在储热罐8中。

当释能时，第一控制阀14关闭，三通阀13开向膨胀机2，高压空气由三号井12从盐穴结构20中释放，并同时带走一部分蕴含在卤水中的热量，随后通过多级膨胀机2做功，完成空气压力能到电能的转换。

其中，可以在三号井12与再热器7之间的管路上设置节流阀，用于调节出气的压力，使得从盐穴结构20内进入再热器7中的高压空气的压力保持稳定，有利于提高膨胀发电效果。

其中，对于压缩机3压缩形成的高压空气进入一号井10的方式有两种，一种是可以直接从最后一级的压缩机3的出气口出去经一号井10进入盐穴结构20内，另一种是压缩后的高压空气进入换热器6换热后再经一号井10进入盐穴结构20内，可以根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。

其中，对于压缩空气释放的另一部分热量，可以选择某一个或几个换热器6的热水出水口与采卤站1相连，优选的，可以选择末级的三个换热器6的热水出水口与采卤站1与三号井之间的管路相连，换热器6的冷水进水口可以接进水设备(自来水管24)，此时换热介质为清水，清水吸热后进入三号井之前，可以与来自采卤站1的清水混合后再通过三通阀12、三号井12进入到盐穴结构20内，携带热量的清水会与卤水混合，卤水温度提升。通过盐穴结构20内部自然对流换热，盐腔内高压空气温度也随之升高。卤水和高压空气整体完成储热过程。

其中，末级的三个换热器6的热水出水口也可以直接连通至与三号井12相连的管路上，换热器6中的热水流出后可以直接通过三号井12进入盐穴结构20内，防止散热量流失。

其中，还可以设置四号井，此时三号井12可以仅用作将盐穴结构20内的高压空气排出。四号井可以用于向盐穴结构20内注入清水。

其中，一号井10、二号井11、三号井12以及四号井的数目均不仅限于一个，可以根据需要设计多个功能相同的井，以提高效率。

其中，还可以设置冷却器16，该冷却器16可以设置在再热器7与储冷罐9之间的管路上，使得进入到储冷罐9中的换热介质温度更低，有利于提高储冷效率。

其中，还可以设置净水器17，该净水器17可以设置在与储冷罐9的进液口相连的管路上，对从再热器7进入到储冷罐9的换热介质、以及从自来水管24进入储冷罐9的清水中杂质进行过滤，保证进水的清洁。

其中，发电机4可以通过输电线连至电网22，发电机4与输电线之间可以设置变压器21。电动机5可以通过输电线与风力发电23的电网22相连，电动机5与输电线之间可以设置变压器21。采卤站1也可以接入电网22中，为盐卤开采提供电力。

另一个实施例中还提供一种压缩空气储能利用方法，该实施例中采用了上述实施例中的压缩空气储能与盐穴耦合系统，应用于储存有卤水及具有卤水采集井的盐穴结构中，卤水采集井与采卤站相连，包括如下步骤：储能过程中，对空气进行压缩，并将压缩后的高压空气输送至盐穴结构内；释能过程中，将高压空气所携带的空气压力能释放；卤水采集时，利用高压空气中所携带的热能加热盐穴结构内的卤水，以提高卤水中电解质的浓度，并通过卤水采集井将盐穴结构内的卤水输送至采卤站，并同时向盐穴结构中进行注水。

其中，储能过程中，利用换热器与压缩后的高压空气进行换热，将一部分热量存储在储热罐中，用于释能过程中对从盐穴结构内排出的高压空气进行加热；将携带另一部分热量的水注入盐穴结构，用于提高盐穴结构内的卤水温度。如此设置，有利于充分压缩空气产生的热能。

其中，储能过程中，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至中等开度，卤水正常流动，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，以调节盐穴结构内的储气腔的体积；释能过程中，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通输出高压的带温空气，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最低开度，保证卤水流动，以使盐结晶不堵塞卤水采集井；储能与释能过程完成后，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最大开度，卤水站满负荷运行。

具体工作如下：盐卤采购时，可以通过调节第一控制阀14、第二控制阀15以及三通阀13的状态，实现24小时常态采盐。具体原理为：当储能过程中，第二控制阀15调至中等开度，卤水正常流动，三通阀13开通注入清水，调节盐穴结构20内储气腔的体积。当释能过程中，第一控制阀14关闭，三通阀13开通输出高压的带温空气，第二控制阀15调至最低开度，保证卤水流动，盐结晶不堵塞二号井11；当储能与释能过程完成后，第一控制阀14关闭，三通阀13开通入注入清水，第二控制阀15调至最大开度，卤水站满负荷运行。

综上，本发明提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统无需设置燃烧室，摆脱了对天然气、石油等化石燃料的依赖，实现了对环境的零排放、零污染。

本发明提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统能够实现电力储能和卤水开采，整体系统可24小时连续运营，相较于原有储能系统经济性更加显著。

本发明提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统利用注入清水和排出卤水实现盐穴结构20中储气腔的体积调节，降低了释能过程中的节流损失，储能系统效率会显著提高。

本发明提供的压缩空气储能与盐穴耦合系统利用盐穴结构20内的卤水蓄热，可将多余压缩余热进行储存，提高系统压缩余热利用率，提高饱和卤水浓度，有利于储能系统和卤水开采的双重经济性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种压缩空气储能利用方法，应用于储存有卤水及具有卤水采集井的盐穴结构中，所述卤水采集井与采卤站相连，其特征在于，包括压缩空气储能与盐穴耦合系统，包括，

储能结构，所述储能结构的出气端适于与所述盐穴结构的进气端相连，适于将压缩后的高压空气输送至所述盐穴结构内；

释能结构，包括多级膨胀机，所述多级膨胀机的进气口与所述盐穴结构的出气端相连，高压空气经所述多级膨胀机做功后，将空气压力能进行释放；

还包括：

进水设备，适于当进行卤水采集操作时向所述盐穴结构中进行注水；

所述储能结构与所述盐穴结构的进气端之间、所述释能结构与所述盐穴结构的出气端之间以及所述采卤站与所述卤水采集井之间的管路上均设置有控制阀；

该方法包括如下步骤：

储能过程中，对空气进行压缩，并将压缩后的高压空气输送至盐穴结构内；

释能过程中，将高压空气所携带的空气压力能释放；

卤水采集时，利用高压空气中所携带的热能加热盐穴结构内的卤水，以提高卤水中电解质的浓度，并通过卤水采集井将盐穴结构内的卤水输送至采卤站，并同时向所述盐穴结构中进行注水；

储能过程中，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至中等开度，卤水正常流动，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，以调节盐穴结构内的储气腔的体积；

释能过程中，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通输出高压的带温空气，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最低开度，保证卤水流动，以使盐结晶不堵塞卤水采集井；

储能与释能过程完成后，储能结构与盐穴结构之间的控制阀关闭，释能结构与盐穴结构之间的控制阀开通向盐穴结构内注入清水，卤水采集井与采卤站之间的控制阀调至最大开度，卤水站满负荷运行。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，

储能过程中，利用换热器与压缩后的高压空气进行换热，将一部分热量存储在储热罐中，用于释能过程中对从盐穴结构内排出的高压空气进行加热；将携带另一部分热量的水注入盐穴结构，用于提高盐穴结构内的卤水温度。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，

所述储能结构包括多级压缩机以及位于相邻两级压缩机之间的换热器，所述换热器上设置有冷水进水口以及热水出水口，至少一个所述热水出水口与储热罐相连接，至少一个所述冷水进水口与冷水源相连接。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，

所述释能结构包括再热器以及与所述再热器相连的膨胀机，所述再热器的进气口与所述盐穴结构的出气端相连，所述再热器的出气口与所述膨胀机的进气口相连；

所述储热罐的出液口与所述再热器的进液口相连。

5.根据权利要求4所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，所述冷水源为储冷罐，所述再热器的出液口与所述储冷罐的进液口相连。

6.根据权利要求3-5任一所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，至少一个所述换热器上的热水出水口与所述进水设备相连接。

7.根据权利要求6所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，

所述采卤站上连接有电源，所述进水设备位于所述采卤站的上游，且与所述采卤站的进水口相连，所述采卤站的出水口与所述换热器上的热水出水口相连。

8.根据权利要求1所述的压缩空气储能利用方法，其特征在于，

还包括节流阀，设置在所述释能结构与所述盐穴结构的出气端之间的管路上。