CN114754519B - 一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统及方法，包括压缩机组、换热器、燃烧室单元以及膨胀机组；每级压缩机出口连接换热器，换热器连接储冷水池和储热水池，换热器还连接燃烧室单元和一号地热井，燃烧室单元中设置燃烧室，每一级膨胀机入口连接一个燃烧室，膨胀机组出口连接第三换热器，一号地热井的出口依次连接第三换热器、变频水泵、第四换热器以及二号地热井，第四换热器还连接带压水轮机，带压水轮机连接第三换热器，储热水池和储热水池连接第四换热器，将压缩机空气储能系统、地下地热井、变频水泵及带压水轮机相互耦合，利用储能时低品位压缩热与膨胀机排气余热，提高能量利用效率，同时具有提升地热恢复功能的效果。

Description

一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统及方法。

背景技术

地热能是一种可再生的洁净能源，在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。其中距地表2000米内储藏的地热能为2500亿吨标准煤。在很多北方地区利用地热井供暖已经成为一种新趋势，但随着地热井利用规模的扩大和应用时间增加，因每年地热井非供暖期有限及地下热传导能力有限，地热井的地下热量难以恢复到初始状态，一直处于递减状态，该问题成为制约其应用和发展的瓶颈问题。在现有的压缩空储能系统中存在着低品位压缩热难以利用，压缩机、膨胀机变工况工作时效率降低，膨胀机排气热利用不充分，高压储气罐成本较高等限制条件。

发明内容

为解决地热井热衰减的问题，本发明针对非采暖季提出了把地热井高承压能力作为压缩空气的高压储气物理空间，再通过高压水泵将相邻的地热井连在一起，构建了一种新型抽水压缩空气复合储能系统，通过抽水压缩空气储能与地热井的耦合，不仅解决了在城镇内压缩空气储能的储气物理空间，而且解决了地热井补热问题，利用地热井与变频水泵及带压水轮机耦合，可以实现储能过程中压缩机和释能过程中膨胀机在稳定工况下运行。

本发明通过以下技术方案来实现：一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，包括依次连接的压缩机组、换热器、储冷水池、储热水池、燃烧室单元、膨胀机组、变频水泵和带压水轮机；压缩机组包括两级压缩机，每级压缩机出口连接换热器热侧入口，换热器的冷侧入口连接储冷水池，冷侧出口连接储热水池，最后一级换热器热侧出口连接燃烧室单元和一号地热井，一号地热井和燃烧室单元连接，燃烧室单元中设置多个燃烧室，燃烧室连接天然气源，膨胀机组包括两级膨胀机，每一级膨胀机入口连接一个燃烧室，最后一级膨胀机出口连接第三换热器的热侧，一号地热井的出口依次连接第三换热器、变频水泵、第四换热器以及二号地热井，第四换热器还连接带压水轮机，带压水轮机连接第三换热器冷侧入口，储热水池连接第四换热器的热侧入口，储冷水池连接第四换热器的热侧出口。

燃烧室单元包括串联的第一燃烧室和第二燃烧室，第一燃烧室和第二燃烧室之间设置第一级膨胀机，第二燃烧室的出口设置第二级膨胀机；第二级膨胀机的出口连接第三换热器的热侧入口，第三换热器的热侧出口连通外部环境。

压缩机组包括第一级压缩机和第二级压缩机，第一级压缩机的出口接第一换热器的热侧入口，第一换热器的热侧出口接第二级压缩机，第二压缩机的出口接第二换热器的热侧入口，第二换热器的热侧出口既能分流阀接燃烧室单元和一号地热井。

第一换热器、第二换热器、第三换热器及第四换热器均为管壳式换热器，且冷热流体设置为逆流换热方式；第一级压缩机及第二级压缩机均为离心式压缩机。

膨胀机组的输出轴连接发电机，发电机的电能输出端连接压缩机组、变频水泵以及带压水轮机的电能输入端和电网。

储热水池出口至第四换热器的管路上设置第一水泵，储冷水池出口至换热器的管路上设置第二水泵。

变频水泵至第四换热器的管路和第四换热器至带压水轮机的管路上均设置节流阀；第一水泵与第二水泵的前后也均设置有节流阀，一号地热井与燃烧室单元之间设置有节流阀。

储热水池的容器采用绝热材料制成或储热水池的容器的外侧设置绝热层，储热水池和储冷水池内壁设置防水层。

地热井每两个为一组，设置多组，每组并联分布。

基于本发明所述一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统的运行方法，具体如下：

准备阶段：在系统储能、释能工作前，根据一号地热井、二号地热井的容积大小及相应的储气要求，设置一号地热井及二号地热井设定水气比，预置井下水位值，并对一号地热井及二号地热井上部空气段预置设定压力；

运行阶段：在储能时、用电低谷时过剩的电能带动压缩机组工作，空气经压缩机组压缩后在换热器中换热后进入一号地热井；与此同时，变频水泵开始工作、将一号地热井中的水抽至二号地热井，以保证一号地热井上方空气的恒压情况、一号地热井中的水先经过第三换热器、由于此时膨胀机组不工作，水直接经变频水泵升压后进入第四换热器，在第四换热器中吸热后进入二号地热井、当二号地热井内空气达到预设值时，二号地热井与第四换热器间的管路断开，储能结束；储冷水池中的水在第二水泵的作用下分别进入第一换热器与第二换热器并吸热后进入储热水池；

在用电高峰释能时分两部分释能，一部分为二号地热井中的水带动带压水轮机做功释能，与此同时一号地热井中空气进入膨胀机组释能；在运行时，水从二号地热井进入第四换热器，释能过程第一水泵不工作，水在第四换热器中不换热，水从第四换热器中出来进入带压水轮机并推动带压水轮机做功后进入第三换热器、吸热后进入一号地热井，利用膨胀机组排气余热恢复地热；与此同时，一号地热井与燃烧室单元的管路连通，一号地热井内的空气经燃烧室单元吸热后进入级膨胀机组，释能后进入第三换热器放热后排向大气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将压缩机空气储能系统、地热井、变频水泵及带压水轮机相互耦合，将储能时产生的低品位压缩热与末级膨胀机排气余热导入地热井，充分利用了储能时的低品位压缩热与膨胀机排气余热的同时具有提升地热恢复功能的效果，从而有利于地热供暖系统的稳定；采用变频水泵与带压水轮机配合压缩空气储能系统，储气时在变频水泵抽水的作用下、一号地热井内的气体压力始终等于末级压缩机出口压力、实现压缩空气储能系统储气过程中的恒压压缩、一号地热井与二号地热井同时储气，释能时在带压水轮机的作用下、一号地热井内气体压力始终等于膨胀机入口压力、实现压缩空气储能系统释能过程中的恒压膨胀，从而保证压缩机与膨胀机在稳定工况下运行、有利于减小压缩机与膨胀机的㶲损，从而提升系统的㶲效率；将低品位压缩热及膨胀机排热经换热器后传递给水，从而将热量传输到地下，以水为传热介质可以缩短传热时间，加快地热的恢复效果，从而对储能与释能的间隔无要求，使系统运行更加的方便、灵活、从而使地热供暖也更加灵活；采用天然气等燃料作为燃烧室的燃烧气体，燃烧产物可直接进入膨胀机做功，增加了通过膨胀机的气体流量，从而提升了膨胀机的输出功率提高系统效率；采用变频水泵与带压水轮机，能够保证抽水及水推动水轮机释能发电时等变工况条件下的稳定运行。

进一步地，通过第三换热器与第四换热器的热水压力较高、可以提升水的沸点，从而提高了水的蓄热能力，蓄热水温度升高也能增加其在地下地热井中传热的热流量，从而更快的实现地热恢复。

附图说明

图1为本发明一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统。

图1中：1、储热水池；2、储冷水池；3、第一水泵；4、第二水泵；5、第一级压缩机；6、第二级压缩机；7、第一级膨胀机；8、第二级膨胀机；9、变频水泵；10、带压水轮机；11、第四换热器；12、第一换热器；13、第二换热器；14、第一燃烧室；15、第二燃烧室；16、第三换热器；17、一号地热井；18、二号地热井。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

本发明将抽水压缩空气储能与地热井进行耦合，解决了储能与释能过程中低品位压缩热与膨胀机尾气排热难以利用的问题，同时具有恢复地热的功能，有利于提升地热能利用效率及稳定性，同时利用压力较高的水作为换热介质、提高了水的可蓄热温度，从而很大程度上缩短了地热恢复的时间。

参考图1，本发明所述利用地下地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，包括依次连接的压缩机组、换热器、储冷水池2、储热水池1、燃烧室单元、膨胀机组、变频水泵9和带压水轮机10；其中，压缩机组包括两级压缩机，每级压缩机出口连接换热器热侧入口，换热器的冷侧入口连接储冷水池2，冷侧出口连接储热水池1，最后一级换热器热侧出口连接燃烧室单元和一号地热井17，一号地热井17和燃烧室单元连接，燃烧室单元中设置多个燃烧室，燃烧室连接天然气源，膨胀机组包括两级膨胀机，每一级膨胀机入口连接一个燃烧室，最后一级膨胀机出口连接第三换热器16的热侧，一号地热井17的出口依次连接第三换热器16、变频水泵9、第四换热器11以及二号地热井18，第四换热器11还连接带压水轮机10，带压水轮机10连接第三换热器16冷侧入口，储热水池1连接第四换热器11的热侧入口，储冷水池2连接第四换热器11的热侧出口。

如图1所示，一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统包括依次连接的压缩机组、换热器组、储冷水池2、储热水池1、燃烧室单元、膨胀机组、地下地热井储气储热单元、水泵及水轮机组；第一水泵3、第二水泵4、第一级压缩机5、第二级压缩机6、第一级膨胀机7、第二级膨胀机8、变频水泵9、带压水轮机10、第四换热器11、第一换热器12、第二换热器13、第一燃烧室14、第二燃烧室15、第三换热器16、一号地热井17以及二号地热井18；压缩机组与换热器组交替分布，每级压缩机后均配有换热器；换热器入口连接储冷水池2，出口连接储热水池1，地下地热井储气储热单元包括一号地热井17与二号地热井18，第二级压缩机6连接第二换热器13，第二换热器13的热侧出口经节流阀分别与一号地热井17和燃烧室单元相连，一号地热井17分别与水泵及水轮机组及燃烧室单元相连，水泵及水轮机组与一号地热井17之间设置第三换热器16，水泵及水轮机组与二号地热井间18设置有第四换热器11，第二级膨胀机8与第三换热器16的热侧相连，第四换热器11的热侧出口经第二水泵4与储冷水池2相连，储热水池1经第一水泵3与第四换热器11的热侧入口相连，膨胀机组与燃烧室交替分布，每级膨胀机前均设置燃烧室。

压缩机组包括两级压缩机及同轴连接的电动机，第一级压缩机5经第一换热器12与第二级压缩机6相连，第二级压缩机6出口连接第二换热器13，膨胀机组包括两级膨胀机及同轴连接的发电机，第一燃烧室14与第一级膨胀机7相连，第一级膨胀机7出口经第二燃烧室15与第二膨胀机8相连，水泵及水轮机组包括变频水泵9及带压水轮机10、变频水泵9及带压水轮机10与第四换热器11间设置有节流阀，第一水泵3与第二水泵4前后也设置有节流阀，一号地热井与燃烧室单元之间设置有节流阀。

可选的，膨胀机组的输出轴连接发电机，发电机的电能输出端连接压缩机组、变频水泵9以及带压水轮机10的电能输入端和电网。

第一换热器12、第二换热器13、第三换热器16及第四换热器11均为管壳式换热器，且冷热流体采用逆流换热方式。

变频水泵9能适应二号地热井18中的压力变化，从而稳定运行。

第一级压缩机5及第二级压缩机6均采用双螺杆压缩机。

为了降低储热水池1的热量散失，储热水池1容器采用保温效果良好的绝热材料制成或储热水池1容器外侧设置绝热层。

作为可选的实施例，本申请所述地下地热井每两个为一组，可以设置多组地下地热井，每组并联，可根据需要的储气量来确定组数。

本发明所述的一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统的运行方法，具体如下：

首先是系统运行的准备阶段，为该系统运行创造必须条件，以保证该系统能够正常运行。即在系统储能、释能工作前，根据一号地热井17、二号地热井18的容积大小及相应的储气要求，设置一号地热井17及二号地热井18特定的水气比，预置井下水位值，并对一号地热井17及二号地热井18上部空气段预置设定压力。

其次是系统的运行阶段，在储能和用电低谷时过剩的电能带动压缩机组工作，空气经第一级压缩机5后进入第一换热器12，在第一换热器12中换热后进入第二级压缩机6，空气压力进一步提高后进入第二换热器13，在第二换热器13中换热后经节流阀进入一号地热井17；与此同时，变频水泵9开始工作，将一号地热井17中的水抽至二号地热井18，以保证一号地热井17上方空气的恒压工况，一号地热井17中的水先经过第三换热器16，此时膨胀机组不工作，水直接经变频水泵9升压后进入第四换热器11，在第四换热器11中吸热后进入二号地热井18，当二号地热井18内空气达到设定值时，二号地热井18与第四换热器11间的节流阀关闭，储能结束；储冷水池2中的水在第二水泵4及节流阀的调节下分别进入第一换热器12与第二换热器13吸热后进入储热水池1。

在用电高峰释能时主要分两部分释能，二号地热井18中的水带动带压水轮机10做功释能，与此同时一号地热井17中空气进入膨胀机释能。在运行时，二号地热井18与第四换热器11间的节流阀打开，水从二号地热井18进入第四换热器11，释能过程第一水泵3不工作，水在第四换热器11中不换热，水从第四换热器11中出来后进入带压水轮机10并推动带压水轮机10做功，再从带压水轮机10中出来后进入第三换热器16吸热后进入一号地热井17，从而利用余热恢复地热；与此同时，一号地热井17与第一燃烧室14之间的节流阀打开，一号地热井内17的空气经第一燃烧室14吸热后进入第一级膨胀机7，释能后进入第二级燃烧室15，温度提高后进入第二级膨胀机8做功，然后进入第三换热器16放热后排向大气。

在系统运行的准备阶段，一号地热井17与二号地热井18下的水气比、上部空气段预置设定压力值及井下水位值均根据系统运行的具体要求、地热井及各设备参数来设定。作为一个示例，储能时和蓄热时，可以设定一号地热井17上部空气压力为150atm，并保持在150atm恒定压力下工作，同时变频水泵开始工作，随着二号地热井18内的水位增加，其上部气体被压缩，压力增高，当二号地热井18空气压力达到300amt时，储能结束，压缩机和变频水泵停止运行。

储能过程中，经过变频水泵9的水流量受一号地热井17内空气压力的调节，以保证一号地热井17内空气压力恒定，从而实现压缩机对空气的恒压压缩。在释能时，通过带压水轮机10的流量受一号地热井17内空气压力的调节，以保证一号地热井17内空气压力恒定，从而保证膨胀机在恒压工况下运行。

第一燃烧室14和第二燃烧室15中主要燃料为天然气，根据工况要求选定天然气流量。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权力要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，包括依次连接的压缩机组、换热器、储冷水池（2）、储热水池（1）、燃烧室单元、膨胀机组、变频水泵（9）和带压水轮机（10）；压缩机组包括多级压缩机，每级压缩机出口连接换热器热侧入口，换热器的冷侧入口连接储冷水池（2），冷侧出口连接储热水池（1），最后一级换热器热侧出口连接燃烧室单元和一号地热井（17），一号地热井（17）和燃烧室单元连接，燃烧室单元中设置多个燃烧室，燃烧室连接天然气源，膨胀机组包括多级膨胀机，每一级膨胀机入口连接一个燃烧室，最后一级膨胀机出口连接第三换热器（16）的热侧，一号地热井（17）的出口依次连接第三换热器（16）、变频水泵（9）、第四换热器（11）以及二号地热井（18），第四换热器（11）还连接带压水轮机（10），带压水轮机（10）连接第三换热器（16）冷侧入口，储热水池（1）连接第四换热器（11）的热侧入口，储冷水池（2）连接第四换热器（11）的热侧出口。

2.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，燃烧室单元包括串联的第一燃烧室（14）和第二燃烧室（15），第一燃烧室（14）和第二燃烧室（15）之间设置第一级膨胀机（7），第二燃烧室（15）的出口设置第二级膨胀机（8）；第二级膨胀机（8）的出口连接第三换热器（16）的热侧入口，第三换热器（16）的热侧出口连通外部环境。

3.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，压缩机组包括第一级压缩机（5）和第二级压缩机（6），第一级压缩机（5）的出口接第一换热器（12）的热侧入口，第一换热器（12）的热侧出口接第二级压缩机（6），第二级压缩机（6）的出口接第二换热器（13）的热侧入口，第二换热器（13）的热侧出口经分流阀接燃烧室单元和一号地热井（17）。

4.根据权利要求3所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，第一换热器（12）、第二换热器（13）、第三换热器（16）及第四换热器（11）均为管壳式换热器，且冷热流体设置为逆流换热方式；第一级压缩机（5）及第二级压缩机（6）均为离心式压缩机。

5.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，膨胀机组的输出轴连接发电机，发电机的电能输出端连接压缩机组、变频水泵以及带压水轮机的电能输入端和电网。

6.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，储热水池（1）出口至第四换热器（11）的管路上设置第一水泵（3），储冷水池（2）出口至换热器的管路上设置第二水泵（4）。

7.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，变频水泵（9）至第四换热器（11）的管路和第四换热器（11）至带压水轮机（10）的管路上均设置节流阀；第一水泵（3）与第二水泵（4）的前后也均设置有节流阀，一号地热井（17）与燃烧室单元之间设置有节流阀。

8.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统，其特征在于，储热水池（1）的容器采用绝热材料制成或储热水池（1）的容器的外侧设置绝热层，储热水池（1）和储冷水池（2）内壁设置防水层。

9.根据权利要求1所述的利用地热井储能蓄热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，地热井每两个为一组，设置多组，每组并联分布。

10.基于权利要求1-9中任一项所述利用地热井储能蓄热的抽水压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，具体如下：

准备阶段：在系统储能、释能工作前，根据一号地热井（17）、二号地热井（18）的容积大小及相应的储气要求，设置一号地热井（17）及二号地热井（18）设定水气比，预置井下水位值，并对一号地热井（17）及二号地热井（18）上部空气段预置设定压力；

运行阶段：在储能时、用电低谷时过剩的电能带动压缩机组工作，空气经压缩机组压缩后在换热器中换热后进入一号地热井（17）；与此同时，变频水泵开始工作、将一号地热井（17）中的水抽至二号地热井，以保证一号地热井上方空气的恒压情况、一号地热井（17）中的水先经过第三换热器（16）、由于此时膨胀机组不工作，水直接经变频水泵（9）升压后进入第四换热器（11），在第四换热器（11）中吸热后进入二号地热井（18）、当二号地热井（18）内空气达到预设值时，二号地热井（18）与第四换热器（11）间的管路断开，储能结束；储冷水池（2）中的水在第二水泵（4）的作用下分别进入第一换热器（12）与第二换热器（13）并吸热后进入储热水池（1）；

在用电高峰释能时分两部分释能，一部分为二号地热井（18）中的水带动带压水轮机（10）做功释能，与此同时一号地热井（17）中空气进入膨胀机组释能；在运行时，水从二号地热井（18）进入第四换热器（11），释能过程第一水泵（3）不工作，水在第四换热器（11）中不换热，水从第四换热器（11）中出来进入带压水轮机（10）并推动带压水轮机（10）做功后进入第三换热器（16）、吸热后进入一号地热井（17），利用膨胀机组排气余热恢复地热；与此同时，一号地热井（17）与燃烧室单元的管路连通，一号地热井（17）内的空气经燃烧室单元吸热后进入级膨胀机组，释能后进入第三换热器（16）放热后排向大气。

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