CN115653877A - 一种压缩空气综合供能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气综合供能系统及方法，其供能系统包括矿洞储气库、梯次热管、锚固热管、地热循环井、供暖进水管道、供暖出水管道、多级压缩机、低温蓄热罐、多级冷却器、高温蓄热罐，多级透平机、多级回热器以及输气管道；若干梯次热管设于矿洞储气库内，且梯次热管的底部深入到地层的干热岩层；矿洞储气库的上层外侧设置有地热循环井，在矿洞储气库的上层沿着矿洞储气库的周向布置有若干锚固热管，所述锚固热管的外端向地热循环井方向延伸，把矿洞储气库内部的热能传至地热循环井所在区域。本发明以高压空气为热循环介质，以地层为蓄热体，可实现深地层的高温热能的充分利用，进一步提高了系统综合能效。

Description

一种压缩空气综合供能系统及方法

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综合供能系统及方法。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源的大规模发展和快速渗透，其固有的波动性及不确定性给电网的稳定运行带来了严重的挑战。

压缩空气储能具有容量大、使用寿命长、造价成本低等优点，是实现电网“削峰填谷”、解决可再生能源波动性的重要技术手段之一。

申请公布号为CN 114033490 A的中国发明专利申请公开了一种矿洞储气型压缩空气储能系统及其控制方法，涉及储能技术领域。系统包括多级压缩机、多级冷却器、多级透平机、多级回热器、第一储热罐、第二储热罐以及沿地层方向垂直分布的多个水平矿洞巷道，多个水平矿洞巷道的一端均与一条垂直向下的竖井连通，竖井中的输气管路与多个水平矿洞巷道之间设置输气支路，每条输气支路上设置有阀门；多级压缩机、多级冷却器、多级回热器和多级透平机依次连通，输气支路连通到多级冷却器与多级回热器之间的管道上，多级回热器、第一储热罐、多级冷却器以及第二储热罐依次连通，形成循环回路。该申请公开的技术方案，虽然可以利用矿洞储气，但是热能利用率较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题就是提供一种压缩空气综合供能系统及方法，提高热能利用率，进一步提高系统综合能效。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种压缩空气综合供能系统，包括矿洞储气库、梯次热管、锚固热管、地热循环井、供暖进水管道、供暖出水管道、多级压缩机、低温蓄热罐、多级冷却器、高温蓄热罐、多级透平机、多级回热器以及输气管道；

若干梯次热管设于矿洞储气库内，所述梯次热管的顶部沿着圆周呈螺旋式上升，且梯次热管的底部深入到地层的干热岩层，所述梯次热管内部填充有工作介质且介质的沸点沿着高度的增加而下降，通过梯次热管的梯次加热将干热岩层的热能导入至矿洞储气库底部；

所述矿洞储气库的上层外侧设置有地热循环井，在矿洞储气库的上层沿着矿洞储气库的周向布置有若干锚固热管，所述锚固热管的外端向地热循环井方向延伸，把矿洞储气库内部的热能传至地热循环井所在区域；

所述多级压缩机、低温蓄热罐、高温蓄热罐与多级冷却器连接，末级冷却器连接输气管道，多级压缩机将空气压缩至高温高压状态并送入多级冷却器，从低温蓄热罐送出的低温导热油进入多级冷却器中回收高压空气中的高温热能，从多级冷却器送出的高温导热油回到高温蓄热罐,从末级冷却器送出的低温空气沿着输气管道被送入到矿洞储气库内，并且被梯次热管释放的热量加热；

所述多级透平机连接有透平机进气管道，所述透平机进气管道伸入矿洞储气库的顶部，所述多级回热器与透平机进气管道和高温蓄热罐连接，矿洞储气库顶部的高压空气经透平机进气管道被引入多级回热器，高温蓄热罐释放的高温导热油送入多级回热器，多级回热器将高压空气加热至高温高压状态后送入多级透平机膨胀发电，多级回热器输出的低温导热油回到低温蓄热罐；

所述供暖进水管道将冷却水送入地热循环井加热，加热后的热水由供暖出水管道输出给外界负荷供暖。

优选的，所述锚固热管位于矿洞储气库内侧部位设置有翅片。

优选的，若干锚固热管沿矿洞储气库的高度方向分层布置，并且相邻两层锚固热管在矿洞储气库的周向上交错排布。

优选的，所述锚固热管布置的深度与地热循环井的深度一致。

优选的，所述梯次热管由若干支管径梯次增加的分支热管首尾衔接而成。

优选的，相邻两根分支热管采用螺纹连接，且下层分支热管的顶部伸入到上层分支热管的底部。

优选的，相邻两根分支热管的螺纹连接部位设置有导热硅胶。

本发明还提供了一种压缩空气综合供能方法，采用压缩空气综合供能系统进行供能，

储能时，多级压缩机将空气压缩至高温高压状态并送入多级冷却器，从低温蓄热罐送出的低温导热油进入多级冷却器中回收高压空气中的高温热能，从多级冷却器送出的高温导热油回到高温蓄热罐,从末级冷却器送出的低温空气沿着输气管道被送入到矿洞储气库底部；

通过梯次热管的梯次加热将地层深处干热岩的热能导入至矿洞储气库内，矿洞储气库底部的低温空气被梯次热管依次加热后密度下降，密度下降的空气开始沿着矿洞储气库往上循环，聚集在矿洞储气库顶部的高温空气加热锚固热管，被冷却后的空气密度增加，随着空气密度的增加沿着矿洞储气库往下降至底部，然后又被位于底部的梯次热管加热开启下一个循环；锚固热管内部的工作介质受热后蒸发，并沿着蒸发腔到热管外端冷凝并释放热能；冷凝后的液态工质沿着热管内部的吸液芯回流至锚固热管的内端开始下个周期循环；

高压低温空气在矿洞储气库内部循环，把位于底部由梯次热管带入至矿洞储气库的热能带入至矿洞储气库顶部，并通过锚固热管存储于顶部的地层中，用于加热地热循环井；

释电时，矿洞储气库顶部的高压空气经透平机进气管道被引入多级回热器，高温蓄热罐释放的高温导热油送入多级回热器，多级回热器将高压空气加热至高温高压状态后送入多级透平机膨胀发电，多级回热器输出的低温导热油回到低温蓄热罐；

释热时，供暖进水管道将冷却水送入地热循环井加热，加热后的热水由供暖出水管道输出给外界负荷供暖。

本发明采用上述技术方案，能实现如下有益技术效果：

高压空气为热循环介质，以地层为蓄热体，并且通过梯次热管将干热岩层的热能导入至矿洞储气库内，可实现深地层的高温热能的充分利用。

高压低温空气在矿洞储气库内部循环，把位于底部由梯次热管带入至矿洞储气库的热能源源不断的带入至矿洞储气库顶部，并通过锚固热管存储于顶部的地层中，用于加热地热循环井。释热时，供暖进水管道将冷却水送入地热循环井加热，加热后的热水由供暖出水管道输出给外界负荷供暖。通过矿洞储气库内部高压空气的循环传热，可有效保证上层地层的供热量供热温度，实现了深层地热的充分利用，提高了系统的供暖能力。因而，提高了系统综合能效。

本发明采用的具体技术方案及其带来的有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图中予以详细的揭露。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明一种压缩空气综合供能系统的结构示意图；

图2为本发明一种压缩空气综合供能系统的俯视图；

图3为本发明实施例中梯次热管的结构示意图；

图中，1-压缩机一；2-压缩机二；3-冷却器一；4-冷却器二；5-阀门一；6-阀门二；7-透平机一；8-透平机二；9-回热器一；10-回热器二；11-高温蓄热罐；12-低温蓄热罐；13-矿洞储气库；14-锚固热管；15-地热循环井；16-梯次热管；17-输气管道；18-透平机进气管道；19-供暖进水管道；20-供暖出水管道。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

如图1至图3所示的压缩空气综合供能系统，该压缩空气综合供能系统包括矿洞储气库13、梯次热管16、锚固热管14、地热循环井15、供暖进水管道19、供暖出水管道20、多级压缩机、低温蓄热罐12、多级冷却器、高温蓄热罐11、多级透平机、多级回热器以及输气管道17。

本实施方式中多级压缩机设置有压缩机一1和压缩机二2，多级冷却器设置有冷却器一3和冷却器二4，多级透平机设置有透平机一7、透平机二8，多级回热器设置有回热器一9和回热器二10。当然可以理解的是，上述多级结构的级数可以进一步增加。

末级冷却器连接输气管道17，输气管道17一直深入到矿洞储气库13的底部，从末级冷却器送出的低温空气沿着输气管道被送入到矿洞储气库内。

多级透平机连接透平机进气管道18和多级回热器，其中，透平机进气管道18位于矿洞储气库13的顶部，与多级回热器连接，多级回热器与多级透平机连接。

在矿洞储气库13的上层沿着矿洞储气库的圆周布置有若干锚固热管14，锚固热管14布置的深度与地热循环井15的深度一致。锚固热管可以呈水平布置，内端位于矿洞储气库内，外端向地热循环井方向延伸，把矿洞储气库内部的热能传至地热循环井所在区域。

进一步的，若干锚固热管沿矿洞储气库的高度方向分层布置。每一层锚固热管的布置角度与相邻层锚固热管在矿洞储气库的周向上交错排布，即在周向上的角度形成错排布置方式。

锚固热管14位于矿洞储气库13内侧部分布置有翅片，锚固热管14可起到固定上层矿井结构的目的，同时还是把矿井内部的热能传到至地热循环井15所在区域。

地热循环井15设置于矿洞储气库13的上层外侧，若干地热循环井15可以沿矿洞储气库的周向间隔分布，且位于相邻两支锚固热管14中间所在区域。

地热循环井内部布置有供暖管道，连接供暖进水管道19、供暖出水管道20。所有地热循环井15的外侧供暖进水管道环向联通，由一个进水口统一进水；所有地热循环井15内侧供暖出水管道环向联通，由一个出水口统一出水。

矿洞储气库13内部还沿着环向布置有若干支梯次热管16。梯次热管的底端深入到地层干热岩层，梯次热管的顶部沿着圆周呈螺旋式上升。若干梯次热管16的高度可以不相同，最高的梯次热管达到地热循环井15的顶部。本实施方式中，部分梯次热管16低于地热循环井15的底部，还有部分梯次热管16的最高处基本位于地热循环井15的顶部高度处。

梯次热管16由若干支管径梯次增加的分支热管首尾衔接而成。相邻两根分支热管采用螺纹连接，且下层分支热管的顶部伸入到上层分支热管的底部，被上层分支热管底部包裹。

进一步的，相邻两根分支热管的螺纹连接部位设置有导热硅胶，可充分保障热管内部的热接触良好。如此连接可以充分扩大热管间的接触面积，有效保证纵向传热。

另外，梯次热管16内部各分支热管内填充的工作介质沸点沿着热管的高度的增加而下降。

还设有若干阀门，其中，输气管道17与冷却器连接端设有阀门一5，透平机进气管道18与回热器连接端设有阀门二6。阀门可以采用现有的球阀、电磁阀等。

压缩空气综合供能方法，采用上述的压缩空气综合供能系统进行供能，工作原理如下：

储能时，采用多级压缩机将空气压缩至高温高压状态，此时，从低温蓄热罐12出口输出的低温导热油，进入多级冷却器中，回收高压空气中的高温热能；从冷却器出口输出的高温导热油回到高温蓄热罐11,从末级冷却器出口的低温空气沿着输气管道17被送入到矿洞储气库13底部。

梯次热管的底部深入到地层的干热岩层，干热岩温度可达300℃，干热岩加热梯次热管的低层热管，底层热管底部的工作介质受热后蒸发，蒸发的工作介质经过热管蒸汽腔到底层热管的顶端冷凝释放热量；冷凝后的工作介质沿着热管壁面回流至底部开启下一个循环。底层热管释放的热量又会加热相邻上层热管的底部，如此，通过多级热管的梯次加热可将地层深处干热岩的热能导入至矿洞储气库内。

经过输气管道17输入至矿洞储气库13底部的低温空气被梯次热管16依次加热后密度下降，密度下降的空气开始沿着矿洞储气库13往上循环，聚集在矿洞储气库13顶部的高温空气会加热锚固热管14，被冷却后的空气密度增加，随着空气密度的增加会沿着矿洞储气库13往下降至底部，然后又会被位于底部的梯次热管16加热开启下一个循环。

锚固热管14内部的工作介质受热后蒸发，并沿着蒸发腔到热管外端冷凝并释放热能；冷凝后的液态工质沿着热管内部的吸液芯回流至锚固热管14的内端开始下个周期循环。

如此，通过压缩侧将高压低温空气送入矿洞储气库13的底部，高压低温空气在矿洞13内部循环，把位于底部由梯次热管16带入至矿洞储气库13的热能源源不断的带入至矿洞储气库13顶部，并通过锚固热管14存储于顶部的地层中。

释电时，顶部的高压空气经过透平机进气管道18被引入多级回热器，在此过程中释放高温蓄热罐11内部的高温导热油，将高压空气加热至高温高压状态后进入多级透平机膨胀发电。回热器出口的低温导热油回到低温蓄热罐12。由于位于矿洞储气库13顶部的高压空气温度高于位于底部的空气，即输气管道17输入的空气温度低于透平机进气管道18输出的空气温度，将有效降低回热系统的回热量，提高系统的发电能力，减少投资成本。

释热时，从供暖进水管道19进入的冷却水经过地热循环井15加热后由供暖出水管道20输出给外界负荷供暖。通过矿洞储气库13内部高压空气的循环传热，可有效保证上层地层的供热量供热温度，实现了深层地热的充分利用，提高了系统的供暖能力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种压缩空气综合供能系统，其特征在于，包括矿洞储气库、梯次热管、锚固热管、地热循环井、供暖进水管道、供暖出水管道、多级压缩机、低温蓄热罐、多级冷却器、高温蓄热罐、多级透平机、多级回热器以及输气管道；

若干梯次热管设于矿洞储气库内，所述梯次热管的顶部沿着圆周呈螺旋式上升，且梯次热管的底部深入到地层的干热岩层，所述梯次热管内部填充有工作介质且介质的沸点沿着高度的增加而下降，通过梯次热管的梯次加热将干热岩层的热能导入至矿洞储气库内；

所述矿洞储气库的上层外侧设置有地热循环井，在矿洞储气库的上层沿着矿洞储气库的周向布置有若干锚固热管，所述锚固热管的外端向地热循环井方向延伸，把矿洞储气库内部的热能传至地热循环井所在区域；

所述多级压缩机、低温蓄热罐、高温蓄热罐与多级冷却器连接，末级冷却器连接输气管道，多级压缩机将空气压缩至高温高压状态并送入多级冷却器，从低温蓄热罐送出的低温导热油进入多级冷却器中回收高压空气中的高温热能，从多级冷却器送出的高温导热油回到高温蓄热罐,从末级冷却器送出的低温空气沿着输气管道被送入到矿洞储气库底部，并且被梯次热管释放的热量加热；

所述多级透平机连接有透平机进气管道，所述透平机进气管道伸入矿洞储气库的顶部，所述多级回热器与透平机进气管道和高温蓄热罐连接，矿洞储气库顶部的高压空气经透平机进气管道被引入多级回热器，高温蓄热罐释放的高温导热油送入多级回热器，多级回热器将高压空气加热至高温高压状态后送入多级透平机膨胀发电，多级回热器输出的低温导热油回到低温蓄热罐；

所述供暖进水管道将冷却水送入地热循环井加热，加热后的热水由供暖出水管道输出给外界负荷供暖。

2.根据权利要求1所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：所述锚固热管位于矿洞储气库内侧部位设置有翅片。

3.根据权利要求1所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：若干锚固热管沿矿洞储气库的高度方向分层布置，并且相邻两层锚固热管在矿洞储气库的周向上交错排布。

4.根据权利要求1所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：所述锚固热管布置的深度与地热循环井的深度一致。

5.根据权利要求1所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：所述梯次热管由若干支管径梯次增加的分支热管首尾衔接而成。

6.根据权利要求5所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：相邻两根分支热管采用螺纹连接，且下层分支热管的顶部伸入到上层分支热管的底部。

7.根据权利要求6所述的一种压缩空气综合供能系统，其特征在于：相邻两根分支热管的螺纹连接部位设置有导热硅胶。

8.一种压缩空气综合供能方法，采用权利要求1至7任意一项所述的一种压缩空气综合供能系统进行供能，其特征在于：

储能时，多级压缩机将空气压缩至高温高压状态并送入多级冷却器，从低温蓄热罐送出的低温导热油进入多级冷却器中回收高压空气中的高温热能，从多级冷却器送出的高温导热油回到高温蓄热罐,从末级冷却器送出的低温空气沿着输气管道被送入到矿洞储气库底部；

通过梯次热管的梯次加热将地层深处干热岩的热能导入至矿洞储气库内，矿洞储气库底部的低温空气被梯次热管依次加热后密度下降，密度下降的空气开始沿着矿洞储气库往上循环，聚集在矿洞储气库顶部的高温空气加热锚固热管，被冷却后的空气密度增加，随着空气密度的增加沿着矿洞储气库往下降至底部，然后又被位于底部的梯次热管加热开启下一个循环；锚固热管内部的工作介质受热后蒸发，并沿着蒸发腔到热管外端冷凝并释放热能；冷凝后的液态工质沿着热管内部的吸液芯回流至锚固热管的内端开始下个周期循环；

高压低温空气在矿洞储气库内部循环，把位于底部由梯次热管带入至矿洞储气库的热能带入至矿洞储气库顶部，并通过锚固热管存储于顶部的地层中，用于加热地热循环井；

释电时，矿洞储气库顶部的高压空气经透平机进气管道被引入多级回热器，高温蓄热罐释放的高温导热油送入多级回热器，多级回热器将高压空气加热至高温高压状态后送入多级透平机膨胀发电，多级回热器输出的低温导热油回到低温蓄热罐；

释热时，供暖进水管道将冷却水送入地热循环井加热，加热后的热水由供暖出水管道输出给外界负荷供暖。

Images