CN116972544A - 基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统，包括液态空气储能系统，去除所述液态空气储能系统中的储热单元，液态空气储能系统充能过程产生的热量直接用于供暖、发电以及制冷；废弃油气井地热为液态空气储能系统液化空气储能放能阶段透平机械的热量源，液态空气储能系统液化空气储能放能阶段产生的低温回水用于供冷后再回到废弃油气井，利用废弃油气井地热再加热。本发明绿色能源开发与环境治理一体；通过取消液化空气储能系统中的储热单元来降低其成本；提供比废弃油气井地热更高品位的热能用于供热、制冷、发电；利用液化空气储能的干净空气直接进行供冷；降低地热开采入口温度，提高地热利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及地热发电技术领域，具体为一种基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的发电、供冷、供暖综合能源系统。
背景技术
在全世界范围内，有数以千万计的废弃油气井，我国境内亦有数十万眼废弃油气井。这些废弃井若不做处理，井体释放的甲烷等气体会污染大气，而井内有毒有害物质也对地下水和土壤构成了严重威胁。
油气井往往深入地下数千米、触及高温，因此具有开发地热的潜质。相对于风能和太阳能，地热能是一种不受气候和天气影响的稳定可靠清洁能源。然而，地热开采面临成本高、投资回报期长的困境，其中钻新井就占据了总成本的50%左右。若构建基于废弃井的地热开采系统，总成本可降低至基于钻新井地热系统的1/5甚至1/12。
液态空气储能是一种正在示范阶段的大规模电网级储能设施。具有大规模长时储能、无环境污染、安全、长寿命和不受地理条件限制等特征，可广泛用于可再生能源消纳、电网调峰调频、黑启动、分布式能源、微网、综合能源服务等领域。其工作原理为，在充能阶段，储能系统利用多余可再生能源电能或电网夜间低谷电，驱动压缩机压缩环境空气。高压空气经过蓄冷器或其它冷源预冷后，经过节流液化，将电能以常压低温液态空气的形式储存，并同时存储压缩热。在放能阶段，液态空气会通过低温泵增压，储存冷量并气化。经过压缩热或其他热源加热后，液态空气驱动空气透平旋转做功，进而带动发电机发电。系统中富余的压缩热能可部分用于生活热水供应或冬季采暖，部分用于吸收式制冷机组供应空调冷水用于夏季供冷。
现有研究或实验提出的基于废弃油气井的地热开采理念大都局限于废弃井本身，因此往往受制于有限的换热面积，系统整体的效率难以提高；由于废弃油气井所在地层往往温度较低，其地热开采亦存在热能品位低的问题。
现有液态空气储能储热成本较高，导致系统整体成本较高。若可与其它系统耦合，可实现整体成本的大幅下降，并提高系统综合能源效率；此外，放电循环之后，作为循环工质的空气已被加热至常温常压，并不能进行进一步利用。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统，包括液态空气储能系统，其特征在于，去除所述液态空气储能系统中的储热单元，液态空气储能系统充能过程产生的热量直接用于供暖、发电以及制冷；
废弃油气井地热为液态空气储能系统液化空气储能放能阶段透平机械的热量源，液态空气储能系统液化空气储能放能阶段产生的低温回水用于供冷后再回到废弃油气井，利用废弃油气井地热再加热；
液态空气储能系统的液化空气储能出口的空气温度降至室温以下，直接进行供冷。
本发明的有益效果在于：1.绿色能源开发与环境治理一体。
2.通过取消液化空气储能系统中的储热单元来降低其成本。
3.提供比废弃油气井地热更高品位的热能用于供热、制冷、发电。
4.利用液化空气储能的干净空气直接进行供冷。
5.降低地热开采入口温度，提高地热利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1提供的基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统的原理图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例一
基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统，包括液态空气储能系统，去除所述液态空气储能系统中的储热单元，液态空气储能系统充能过程产生的热量直接用于供暖、发电以及制冷；
废弃油气井地热为液态空气储能系统液化空气储能放能阶段透平机械的热量源，液态空气储能系统液化空气储能放能阶段产生的低温回水用于供冷后再回到废弃油气井，利用废弃油气井地热再加热；
液态空气储能系统的液化空气储能出口的空气温度降至室温以下，直接进行供冷。
具体操作:
1.翻新改造废弃井，保证与地层直接接触的水泥层坚固无破损，保证与水直接接触的内层套管内壁干净且密封性好；
2.在井底高温区定位由不透水层隔绝的大孔隙率地层或较厚的不透水层并通过水压致裂等手段增强其渗透性；
3.在井底高温区，沿主井以树枝分布特征向斜下方钻一系列分支井贯穿自然或构造高渗透性区域，并采用外套管+高导热性混凝土+内套管复合结构对分支井进行密封，内套管内壁设置凹凸有致的分形结构以增大换热面积；
4.地热工质（可为水、二氧化碳、制冷剂等多种液态、气态、超临界态工质）最终被引流到地面，在液化空气储能放电循环中提高热能；
5.经过降温的地热工质为用户提供冷能；
6.用户侧回水的地热工质经加压泵注入地下，重新携带地热；
7.由于地热的温度较低，放电循环的空气温度将只被提升到低于室温的程度，用于室内外环境、数据中心、冷库等供冷。
8.液化空气储能充能过程产生的压缩热将由冷却水带走，用于供暖或连接吸附式制冷、有机朗肯循环等热利用系统。
如图1所示工作原理：
在液态空气储能系统的充能阶段:
环境空气经过净化、干燥后，进入级联的压缩机组C1-C3，将压力升高。期间压缩机做功产生的热量由冷却水带走，用于供热或连接吸附式制冷、有机朗肯循环等热利用系统。经压缩的高压空气进入冷箱降温后，在透平CT膨胀做功（并在发电机组G中发电）降温，经过相分离器，液态空气进入液空储罐LA储存；气态空气回到冷箱再次进入循环。
期间，来自储冷罐的冷能经历放冷循环，用于供给冷箱冷能，降低空气温度。储冷罐可为固定床式、板式、管壳式（盘管式）等多种形式，储冷材料可为显热式、潜热式、热化学式，传热介质可为液态、气态、超临界态，并不做具体要求，任何可实现储冷功能的储罐与传热介质皆可。当传热介质为气态或超临界态时，C4与C5为压缩机；为液态时，C4与C5为低温泵。
上述仅为实现空气液化的一种形式。压缩与膨胀、降温过程也可以交替进行。膨胀做功也可不用于发电，而是与压缩机组同轴。亦可没有冷箱，而是用多个换热器。但本发明的核心在于其与普通液化空气储能系统的区别：其压缩过程中的产热并不用于放能循环，而是直接用于供暖或连接吸附式制冷、有机朗肯循环等热利用系统。
在液态空气储能系统的放能阶段:
液空储罐LA中的液态空气经低温泵加压后，进入蒸发器提高温度并蒸发气化。之后，气态空气经多级级联的换热器与透平机组进行加热与膨胀做功。加热所需热量由废弃油气井地热提供。之后，透平的机械功在发电机组转化为电能，实现放电过程。
上述仅为实现液态空气气化、膨胀、发电的一种形式。加热与膨胀过程也可以一并进行，加热过程也可以串联而非并联。但本发明的核心在于其与普通液化空气储能系统的区别：其膨胀过程中的热量并不来源于储热罐的热量，而是由地热提供。冷却后的地热传热介质进行供冷，而不进行储存并用于也和空气储能充能阶段。离开透平的冷空气也不直接释放回大气中，而是先用于建筑、仓储、工业流程、室外环境等制冷。
蒸发器的热量来自于储冷罐的充冷循环，通过降低储冷罐传热介质温度的方式提高液态空气的温度。
地热的传热介质可为液态、气态、超临界态，并不做具体要求，任何可实现储冷功能的传热介质皆可。当传热介质为气态或超临界态时，17G与18G之间为压缩机；为液态时，17G与18G之间为循环泵。
本装置将废弃油气井地热开发利用与液化空气储能相结合，实现储能、供暖、供冷。
本装置利用废弃井低品位热源为液化空气储能放能阶段透平机械提供热量。其低温回水用于供冷后，回到地下再加热。
本装置液化空气储能充能过程中所产生的热量并不再进行储存，而是直接用于供暖、发电、供冷等应用。
本装置液化空气储能出口的空气温度降至室温以下，直接进行供冷。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (1)
1.基于液态空气储能和废弃油气井地热开采的综合能源系统，包括液态空气储能系统，其特征在于，去除所述液态空气储能系统中的储热单元，液态空气储能系统充能过程产生的热量直接用于供暖、发电以及制冷；
废弃油气井地热为液态空气储能系统液化空气储能放能阶段透平机械的热量源，液态空气储能系统液化空气储能放能阶段产生的低温回水用于供冷后再回到废弃油气井，利用废弃油气井地热再加热；
液态空气储能系统的液化空气储能出口的空气温度降至室温以下，直接进行供冷。
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Cited By (1)
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2023
- 2023-08-07 CN CN202310985778.1A patent/CN116972544A/zh active Pending
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