CN114856744A - 一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统及方法，实现废弃油气井的再利用而且可以有效降低二氧化碳储能系统的建设成本，所述系统，包括高压膨胀机、换热器、低压膨胀机、气冷器、液态二氧化碳储罐、节流阀、蒸发集液装置、压缩机、循环增压装置和单油气井；单油气井的出气口连接高压膨胀机入口；高压膨胀机出口通过换热器冷流体管路与低压膨胀机入口连通；低压膨胀机出口与气冷器热侧管路入口连接；气冷器热侧管路出口连接液态二氧化碳储罐入口；蒸发集液装置上部入口通过节流阀连接液态二氧化碳储罐的出口，蒸发集液装置上部出口连接压缩机入口；压缩机出口连接循环增压装置进气口；循环增压装置排气口连接单油气井进气口。

Description

一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统及方法

技术领域

本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统及方法。

背景技术

在全球“碳达峰”和“碳中和”的背景下，减碳是当前的研究热点之一。为了实现废弃资源的再利用，同时减少二氧化碳排放，现有技术中已有学者提出将二氧化碳进行捕获，随后在废弃的洞穴、矿井或油气井中封存，由于油、气的逐年开采，在各地都形成了大量的废弃油气井，这些井具有承压能力高、深度大、规模大等特点，能够适宜对二氧化碳的存储，但是整体成本较高，且无法产生直接的经济收益。

与此同时，随着全球减碳的推进，一方面是对现有二氧化碳的减碳，一方面是减少新的二氧化碳的产生，因此新能源发电是就成为电力改革的主要趋势。在新能源利用过程中，其固有的随机性和波动性导致其难以满足电网需求，为了能够将新能源并网和应用，储能技术也随之有了快速的发展。对于较大规模的能量存储，还是需要依赖于物理储能，在现有的物理储能技术中，压缩气体储能技术以其可靠性高而备受关注，但是其需要较大的储气容器，在地形和地理条件上受到了一定制约。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统及方法，通过构建储能系统盈利，降低二氧化碳封存的投资成本，不但可以实现废弃油气井的再利用而且可以有效降低二氧化碳储能系统的建设成本，也有助于压缩二氧化碳储能技术的推广和应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统，包括高压膨胀机、换热器、低压膨胀机、气冷器、液态二氧化碳储罐、节流阀、蒸发集液装置、压缩机、循环增压装置和单油气井；

所述单油气井的出气口连接高压膨胀机入口；所述高压膨胀机出口通过换热器冷流体管路与低压膨胀机入口连通；所述低压膨胀机出口与气冷器热侧管路入口连接；所述气冷器热侧管路出口连接液态二氧化碳储罐入口；所述蒸发集液装置上部入口通过节流阀连接液态二氧化碳储罐的出口，蒸发集液装置上部出口连接压缩机入口；所述压缩机出口连接循环增压装置进气口；所述循环增压装置排气口连接单油气井进气口。

可选的，所述单油气井进气口和出气口之间设置有内置隔板；内置隔板宽度与单油气井内径相当；出气口管路上设置有分离装置，用于油气分离。

可选的，所述单油气井的出气口通过再热管路连接增压机入口，所述增压机出口连接换热器热侧管路入口，换热器热侧管路出口连接单油气井进气口。

可选的，所述气冷器中热侧管路内流体压力大于二氧化碳临界点压力；所述气冷器冷侧管路出口连接热罐，热罐通过蒸发集液装置底部换热管路连接冷罐，冷罐连接气冷器冷侧管路入口；气冷器中冷热流体换热采用逆流换热布置方式；蒸发集液装置底部设置有排液出口。

可选的，所述液态二氧化碳储罐顶部设置冷却回路，所述的冷却回路包括依次连接冷却回路压缩机、冷却回路换热器和冷却回路膨胀机，冷却回路压缩机的入口和冷却回路膨胀机出口分别连接液态二氧化碳储罐顶部。

可选的，所述循环增压装置包括第一气液罐、第二气液罐、泵、超级电容储能模块和供电调节系统；并联设置的第一气液罐和第二气液罐底部通过泵连通，顶部分别经进气管路连接进气口，经排气管路连接排气口；供电调节系统的输入端连接供电电源，输出端分别连接泵和超级电容储能模块。

本发明还提供一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，基于上述任一所述的基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统，包括，

储能过程：液态二氧化碳储罐中的液态二氧化碳通过节流阀降压降温，气液共存的二氧化碳在蒸发集液装置中吸热气化，气态二氧化碳通过压缩机压缩，升压升温至超临界状态，超临界二氧化碳在循环压缩装置中升压，储存进单油气井中，超临界二氧化碳在单油气井中进一步吸收热量升温升压；

释能过程：单油气井中超临界二氧化碳经过分离装置分离部分油气后在高压膨胀机中膨胀做功，降温降压；降温后的超临界二氧化碳通过换热器吸热，进入低压膨胀机膨胀做功，降温降压，降压至临界压力以上；低压膨胀机出口二氧化碳在气冷器中冷却至液态储存进液态二氧化碳储罐中。

可选的，还包括稳压过程：液态二氧化碳储罐的冷却回路中，液态二氧化碳储罐顶部气体在冷却回路压缩机中升压升温，随后在冷却回路换热器放热，通过冷却回路膨胀机降压降温后回到液态二氧化碳储罐，冷却液态二氧化碳储罐中气体。

可选的，还包括油气分离过程：超临界二氧化碳从单油气井中萃取出的油部分被分离装置分离，剩余部分随超临界二氧化碳流动，经过节流阀将液态二氧化碳变为气液两相，萃取的油也进入蒸发集液装置，待二氧化碳在蒸发集液装置中蒸发后，留在底部的油通过蒸发集液装置底部的排液出口排出。

可选的，还包括循环增压时的能量利用过程：供电功率恒定的供电电源直接供电到供电调节系统，供电功率为泵最大功率的70％到95％；

当泵的实时功率小于供电功率时，供电调节系统在保证泵工作的前提下，将多余电能储存进超级电容储能模块；

当泵的实时功率等于供电功率时，供电调节系统将供电电源全部电能用于维持泵工作；

当泵的实时功率大于供电功率时，供电调节系统调用超级电容储能模块放电配合供电电源保证泵正常工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述系统，利用废弃油气井进行二氧化碳储能降低了储能系统的投资，实现了废弃资源再利用；同时将二氧化碳为工质的储能系统与废弃油气井结合，还充分利用了不同状态下二氧化碳的特性在不同阶段发挥不同的作用，使得二氧化碳对油气的萃取特性、超临界态二氧化碳高换热能力以及与油气混合后的安全特性充分发挥，实现了将油气井中残余油气不断引出收集的作用，二氧化碳在井中取热效果比水高出10％，也有助于提高油气井中热量的利用程度；不仅解决了二氧化碳封存的需要，而且还能够利用封存的二氧化碳对废弃的单油气井的油气进一步收集和利用，配合在液态二氧化碳储罐出口设置蒸发集液装置，通过节流降压实现二氧化碳相变，避免二氧化碳萃取的油气在系统中不断累积，实现二氧化碳气体与油气的充分分离，确保了基于油气井的二氧化碳储能系统的安全运行。相比于单独的二氧化碳封存技术具有储能的功能，可以利用储能实现成本回收；在整个系统中利用单油气井进行循环储能，减小系统中设备的变工况工作区间，有效减小系统对井分布的依赖，相比于利用两个井或多个井进行闭式循环储能的系统更加的稳定可靠和可控；利用循环增压装置为二氧化碳增压，减小了压缩热的产生和浪费，通过控制进入油气井中二氧化碳的温度增强了二氧化碳在油气井中吸热。

进一步的，通过在油气井中设置内置隔板，将再热回路中的返回油气井中的流体与流出的流体分隔开，避免相互干扰，使得再热效果增强。

进一步的，本系统的循环增压装置配置了超级电容储能和供电调节系统，改善了循环增压装置工作过程中耗电功率不稳定的问题。

本发明基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，采用超临界二氧化碳作为工质，换热效果优于空气，提高了整体换热做功的效果，工质二氧化碳经历跨临界循环，相比于超临界循环，改善了二氧化碳始终处于超临界，萃取的油无法分离的情况；相比于亚临界循环，避免了萃取的油直接在膨胀过程中因二氧化碳相变而析出影响设备正常工作的问题。通过基于油气井进行二氧化碳储能，在释能过程中，将释能过程的运行参数控制在了二氧化碳临界压力之上，避免了从油气井中萃取的油气等在膨胀机或换热器中析出，影响设备稳定运行；在释能过程中，系统加热热源的热量来自于油气井，相比于压缩空气储能热源温度较低，这既是为了防止含有油气的二氧化碳在加热过程中温度过高而有安全隐患，也是出于对油气井热量的充分利用，避免了蓄热或燃烧设备的使用。

进一步的，本系统的利用液态二氧化碳储罐中的二氧化碳气体进行压缩冷却后膨胀，维持液态二氧化碳储罐的压力恒定，保证罐内二氧化碳在静置过程中状态稳定。

进一步的，本系统的节流降压过程中，在二氧化碳处于气相时将油气进行分离，可以在蒸发集液器底部进行油气的回收。

附图说明

图1为本发明实例中所述基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统的结构示意图。

图2为本发明实例中所述循环增压装置的结构示意图。

图中：1为高压膨胀机；2为换热器；3为低压膨胀机；4为气冷器；5为液态二氧化碳储罐；6为节流阀；7为蒸发集液装置；8为压缩机；9为循环增压装置；91为第一气液罐；92为第二气液罐；93为泵；94为供电调节系统；95为超级电容储能模块；10为单油气井；11为内置隔板；12为增压机；13为热罐；14为冷罐；15为分离装置；16为冷却回路压缩机；17为冷却回路换热器；18为冷却回路膨胀机。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述。

如图1所示，一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统包括高压膨胀机1、换热器2、低压膨胀机3、气冷器4、液态二氧化碳储罐5、节流阀6、蒸发集液装置7、压缩机8、循环增压装置9、单油气井10、内置隔板11、增压机12、热罐13、冷罐14、分离装置15、冷却回路压缩机16、冷却回路换热器17和冷却回路膨胀机18；

所述液态二氧化碳储罐5的出口通过节流阀6连接蒸发集液装置7上部入口；

所述蒸发集液装置7上部出口连接压缩机8入口，压缩机8出口连接循环增压装置9进气口；本优选实例中，蒸发集液装置7底部设置有排液出口；

循环增压装置9排气口连接单油气井10进气口；

单油气井10出气口连接高压膨胀机1入口，管路上设置有分离装置15；单油气井10进气口和出气口之间设置有内置隔板11；本优选实例中，内置隔板11宽度与单油气井10内径相当。

高压膨胀机1出口通过换热器2冷流体管路与低压膨胀机3连通；低压膨胀机3出口与气冷器4热侧管路入口连接；气冷器4热侧管路出口连接液态二氧化碳储罐5入口；本优选实例中，气冷器4中冷热流体换热采用逆流换热布置方式；

单油气井10出气口还通过再热管路连接增压机12入口，管路上设置有分离装置15；增压机12出口连接换热器2热侧管路入口；换热器2热侧管路出口连接单油气井10进气口；本优选实例中，换热器2中冷热流体换热采用逆流换热布置方式；

气冷器4冷侧管路出口连接热罐13，热罐13通过蒸发集液装置7底部换热管路连接了冷罐14，冷罐14连接气冷器4冷侧管路入口；

液态二氧化碳储罐5顶部连接冷却回路压缩机16入口，冷却回路压缩机16出口通过冷却回路换热器17连接冷却回路膨胀机18入口，冷却回路膨胀机18出口连接液态二氧化碳储罐5顶部。

本发明利用单油气井进行压缩二氧化碳的储能，具有较高的能量密度，整个系统中的储能介质二氧化碳临界温度较低，物性变化复杂，本发明利用循环换热以及阶段性的压力增减进行能量的高效转换和对二氧化碳的稳定控制，实现了系统整体的稳定运行，以及对成本和效益的控制。

如图2所示，循环增压装置9包括第一气液罐91、第二气液罐92、泵93、超级电容储能模块95和供电调节系统94；

第一气液罐91和第二气液罐92底部通过泵93连通，顶部分别连接于进气管路和排气管路；进气管路上设置进气口，排气管路上设置排气口；

供电电源连接于供电调节系统94；供电调节系统94分别连接于泵93和超级电容储能模块95；进一步地，超级电容储能模块95可以由电化学储能替代，如三元锂电池；第一气液罐91和第二气液罐92中气液界面布置有柔性隔离层，如弹性薄膜。

一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，具体如下：

储能过程：液态二氧化碳储罐5中的液态二氧化碳通过节流阀6降压降温,气液共存的二氧化碳在蒸发集液装置7中吸收热罐13中的热量气化，与此同时，将冷量储存进冷罐14。气态二氧化碳通过压缩机8压缩，升压升温至超临界状态,超临界二氧化碳在循环压缩装置9中升压，储存进单油气井10中，超临界二氧化碳在单油气井10中进一步吸收热量升温升压。

释能过程：单油气井10中超临界二氧化碳经过分离装置15分离部分油气后在高压膨胀机1中膨胀做功，降温降压；降温后的超临界二氧化碳通过换热器2吸热，进入低压膨胀机3膨胀做功，降温降压，降压至临界压力以上。低压膨胀机3出口二氧化碳利用冷罐14中储存的冷量在气冷器4中冷却至液态储存进液态二氧化碳储罐5中，同时将热量储存进热罐13。

再热回路中，将单油气井10中超临界二氧化碳从单油气井10排气口引出至增压机12，之后在换热器2中与即将进入低压膨胀机3的流体换热，重新从单油气井10进气口压回单油气井10中。

冷却回路中，液态二氧化碳储罐5顶部气体在冷却回路压缩机16中升压升温，随后在冷却回路换热器17放热，通过冷却回路膨胀机18降压降温后回到液态二氧化碳储罐5，达到冷却液态二氧化碳储罐5中气体的效果，维持液态二氧化碳储罐5中压力稳定，避免环境温度变化导致液态二氧化碳储罐5中二氧化碳气化，实现稳压。

蒸发集液装置7底部设有排液出口，超临界二氧化碳从单油气井10中萃取出的油部分被分离装置15分离，剩余部分随超临界二氧化碳流动，经过节流阀6将液态二氧化碳变为气液两相，萃取的油也进入蒸发集液装置7，待二氧化碳在蒸发集液装置7中蒸发后，留在底部的油即可通过管路排出，实现油气和二氧化碳气体分离。相比超临界循环，具有分离彻底，设备简单，能够同步进行的优点，超临界循环中即使在临界点附近升温利用密度的变化可分离一部分，但是需要额外布置系统且分离不彻底。

系统外的二氧化碳可以通过蒸发集液装置7底部的排液口对系统进行补充；系统中富余的二氧化碳可以从液态二氧化碳储罐5或蒸发集液装置7底部的排液口排出进行二氧化碳供应。

循环增压装置9中，来流二氧化碳进入第一气液罐91中，与此同时，泵93将第一气液罐91中液体压入第二气液罐92，第二气液罐92内二氧化碳压力升高，达到设定压力后通过排气管路排出。切换循环增压装置9工作模式，来流二氧化碳进入第二气液罐92，泵93将第二气液罐92内液体压入第一气液罐91中。如此往复，实现增压效果。

供电电源直接供电到供电调节系统94，供电功率为泵93最大功率的70％到95％。当泵93的实时功率小于供电功率时，供电调节系统94在保证泵93工作的前提下，将多余电能储存进超级电容储能模块95；当泵93的实时功率等于供电功率时，供电调节系统94将供电电源全部电能用于维持泵93工作；当泵93的实时功率大于供电功率时，供电调节系统94调用超级电容储能模块95放电配合供电电源保证泵93可以正常工作，实现能量的稳定利用。

其中，泵93最大功率受到两侧气液罐内最大压差影响；供电功率还取决于超级电容储能模块95的充放电效率。

本发明利用跨临界二氧化碳的循环将可再生能源进行物理储存，同时利用废弃的油气井实现再利用，同时解决了“碳达峰”和“碳中和”所要面临的两方面问题，对构建清洁可靠的新型电力系统产生巨大推动作用。

Claims (10)

1.一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统，其特征在于，包括高压膨胀机(1)、换热器(2)、低压膨胀机(3)、气冷器(4)、液态二氧化碳储罐(5)、节流阀(6)、蒸发集液装置(7)、压缩机(8)、循环增压装置(9)和单油气井(10)；

所述单油气井(10)的出气口连接高压膨胀机(1)入口；所述高压膨胀机(1)出口通过换热器(2)冷流体管路与低压膨胀机(3)入口连通；所述低压膨胀机(3)出口与气冷器(4)热侧管路入口连接；所述气冷器(4)热侧管路出口连接液态二氧化碳储罐(5)入口；所述蒸发集液装置(7)上部入口通过节流阀(6)连接液态二氧化碳储罐(5)的出口，蒸发集液装置(7)上部出口连接压缩机(8)入口；所述压缩机(8)出口连接循环增压装置(9)进气口；所述循环增压装置(9)排气口连接单油气井(10)进气口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单油气井(10)进气口和出气口之间设置有内置隔板(11)；内置隔板(11)宽度与单油气井(10)内径相当；出气口管路上设置有分离装置(15)，用于油气分离。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述单油气井(10)的出气口通过再热管路连接增压机(12)入口，所述增压机(12)出口连接换热器(2)热侧管路入口，换热器(2)热侧管路出口连接单油气井(10)进气口。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气冷器(4)中热侧管路内流体压力大于二氧化碳临界点压力；所述气冷器(4)冷侧管路出口连接热罐(13)，热罐(13)通过蒸发集液装置(7)底部换热管路连接冷罐(14)，冷罐(14)连接气冷器(4)冷侧管路入口；气冷器(4)中冷热流体换热采用逆流换热布置方式；蒸发集液装置(7)底部设置有排液出口。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液态二氧化碳储罐(5)顶部设置冷却回路，所述的冷却回路包括依次连接冷却回路压缩机(16)、冷却回路换热器(17)和冷却回路膨胀机(18)，冷却回路压缩机(16)的入口和冷却回路膨胀机(18)出口分别连接液态二氧化碳储罐(5)顶部。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述循环增压装置(9)包括第一气液罐(91)、第二气液罐(92)、泵(93)、超级电容储能模块(95)和供电调节系统(94)；并联设置的第一气液罐(91)和第二气液罐(92)底部通过泵(93)连通，顶部分别经进气管路连接进气口，经排气管路连接排气口；供电调节系统(94)的输入端连接供电电源，输出端分别连接泵(93)和超级电容储能模块(95)。

7.一种基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一所述的基于油气井的跨临界二氧化碳的储能系统，包括，

储能过程：液态二氧化碳储罐(5)中的液态二氧化碳通过节流阀(6)降压降温，气液共存的二氧化碳在蒸发集液装置(7)中吸热气化，气态二氧化碳通过压缩机(8)压缩，升压升温至超临界状态，超临界二氧化碳在循环压缩装置(9)中升压，储存进单油气井(10)中，超临界二氧化碳在单油气井(10)中进一步吸收热量升温升压；

释能过程：单油气井(10)中超临界二氧化碳经过分离装置(15)分离部分油气后在高压膨胀机(1)中膨胀做功，降温降压；降温后的超临界二氧化碳通过换热器(2)吸热，进入低压膨胀机(3)膨胀做功，降温降压，降压至临界压力以上；低压膨胀机(3)出口二氧化碳在气冷器(4)中冷却至液态储存进液态二氧化碳储罐(5)中。

8.根据权利要求7所述的基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，其特征在于，还包括稳压过程：液态二氧化碳储罐(5)的冷却回路中，液态二氧化碳储罐(5)顶部气体在冷却回路压缩机(16)中升压升温，随后在冷却回路换热器(17)放热，通过冷却回路膨胀机(18)降压降温后回到液态二氧化碳储罐(5)，冷却液态二氧化碳储罐(5)中气体。

9.根据权利要求7所述的基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，其特征在于，还包括油气分离过程：超临界二氧化碳从单油气井(10)中萃取出的油部分被分离装置(15)分离，剩余部分随超临界二氧化碳流动，经过节流阀(6)将液态二氧化碳变为气液两相，萃取的油也进入蒸发集液装置(7)，待二氧化碳在蒸发集液装置(7)中蒸发后，留在底部的油通过蒸发集液装置(7)底部的排液出口排出。

10.根据权利要求7所述的基于油气井的跨临界二氧化碳的储能方法，其特征在于，还包括循环增压时的能量利用过程：供电功率恒定的供电电源直接供电到供电调节系统(94)，供电功率为泵(93)最大功率的70％到95％；

当泵(93)的实时功率小于供电功率时，供电调节系统(94)在保证泵(93)工作的前提下，将多余电能储存进超级电容储能模块(95)；

当泵(93)的实时功率等于供电功率时，供电调节系统(94)将供电电源全部电能用于维持泵(93)工作；

当泵(93)的实时功率大于供电功率时，供电调节系统(94)调用超级电容储能模块(95)放电配合供电电源保证泵(93)正常工作。

Images