基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统及方法与流程
本发明涉及物理储能技术领域，具体为基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统及方法。
背景技术：
随着传统化石能源的日益枯竭和环境问题的日益显著，可再生能源的利用受到了越来越多的重视。风能、太阳能等可再生能源所固有的随机性和波动性给可再生能源的开发带来了巨大的挑战，然而储能技术可以有效解决这一问题。同时，智能电网的建设也迫切需要储能系统作为支撑技术。在现有储能技术中压缩空气储能被国内外公认为是一种最有前景的物理储能技术。
目前的物理储能技术包括，压缩空气储能、抽水蓄能、电容储能和制冷制热储能等，可实现大规模储能的只有压缩空气储能和抽水蓄能，而抽水蓄能对地理条件和水资源要求较高，不具有普适性。
在现有压缩空气储能系统中，如图1所示，存在如下两方面问题：
一是，现有的压缩空气储能系统中，储气库的建造显著地影响着系统整体的造价和效率。现有的压缩空气储能系统中，储气库大多建设在地面和地表附近，所以储气库温度接近环境温度，无法利用地下热量。此外，在地面建设储气库，需要占据大量空间和地表，相对地下建设对人类影响较大，投入也更高。
二是，现有的压缩空气储能系统在储能阶段主要采用透平压缩机进行绝热压缩，该过程使得高品位电能大量转化为低品位热能，造成系统
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统及方法，从本质上改变传统储能过程中的压缩方式，避免消耗燃料加热，降低成本和污染。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统，包括用于连接电动机储能的复合压缩单元、用于储气的双井结构热盐井和用于连接发电机释能的膨胀单元；
所述的双井结构热盐井包括两个竖井和从底部连通两个竖井的水平井；一个竖井的顶端开口作为盐井储气入口，另一个竖井的顶端开口作为盐井排气出口；
所述的复合压缩单元包括以空气为作用介质依次连接的低压压缩机、低压储能储气罐和高压循环压缩装置；低压压缩机的输入端连接电动机输出端；
所述的高压循环压缩装置包括两个底部双向连通的高压储气罐，高压储气罐内盛装有水作为传递压力介质；两个高压储气罐的气流入口并联连接低压储能储气罐的输出端，气流出口并联连接热盐井储气入口；
所述的膨胀单元的输入端连接盐井排气出口。
优选的，所述的复合压缩单元还包括若干蓄热器，所述的膨胀单元包括依次连接的高压膨胀机和多级低压膨胀机，高压膨胀机的输入端连接盐井排气口；所述的低压压缩机和低压储能储气罐之间，以及相邻的低压压缩机之间均对应连接蓄热器的热侧；高压膨胀机和低压膨胀机之间，以及相邻的低压膨胀机之间均对应连接蓄热器的冷侧。
进一步，高压膨胀机和低压膨胀机均分别连接发电机；或者高压膨胀机和低压膨胀机之间通过联轴器相连，低压膨胀机与发电机相连。
进一步，高压膨胀机经低压释能储气罐连接蓄热器的冷侧；经低压压缩机流入蓄热器的气流方向与经低压释能储气罐流入蓄热器的气流方向相反。
优选的，所述的竖井顶部均设置井盖和法兰密封，井壁上内嵌设置套管，竖井靠近地表段设有绝热层。
优选的，所述的两个高压储气罐的规格相同，通过两个水泵所在的两条管道双向连通；两水泵所在管道中水流方向相反，两水泵交替工作；两高压储气罐的顶部的进气和排气管道上装有阀门。
优选的，排气管道上的阀门受阀门两侧压差控制，当高压储气罐内压力大于双井结构热盐井侧的压力时自动开启，否则一直关闭。
基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能方法，基于上述任意一项所述的系统，包括以下步骤：
(1)储能阶段，气体流入低压级压缩机被压缩，后通过低压储能储气罐稳压后流入高压循环压缩装置进行增压；在高压循环压缩装置中，气体通过进气管路流入一个高压储气罐的同时，该高压储气罐中的水被压入到另一个高压储气罐，使得有水压入的存有的高压储气罐中的气体被加压，当被加压气体压力高于双井结构热盐井侧压力时，有水压入的罐中气体通过出气管路压入地下盐井，通过趋近等温压缩过程进行储能；然后进出气管路连通的两个高压储气罐对调，完成连续的趋近等温压缩过程储能；其中，趋近等温压缩过程的过程指数为1-1.05；
(2)储气阶段，经过高压循环压缩装置进行增压的高压气体直接流入地下双井结构热盐井进行储存加热得到高温高压气体；
(3)释能阶段，高温高压气体直接进入高压膨胀机一次做功；流出高压膨胀机的气体通过低压释能储气罐进入低压膨胀机二次做功。
优选的，在储能阶段，气体流入低压级压缩机被压缩后，流入蓄热器进行冷却和压缩热回收，每一级低压级压缩机压缩后，均通过一个蓄热器进行冷却和压缩热回收；
在释能阶段，流出高压膨胀机的气体通过低压释能储气罐进入蓄热器再热后流入低压膨胀机二次做功，多级的低压膨胀机中每一级低压膨胀机后均通过蓄热器回收的热量再热。
优选的，储能阶段中，在高压循环压缩装置中，通过对各管路阀门调节，实现如下过程；
关闭来流气体与第二高压储气罐之间阀门，同时关闭第二水泵和所在管道的两个阀门以及第一高压储气罐排气阀门，气体通过管路流入第一高压储气罐的同时，第一水泵将第一高压储气罐中水压入第二高压储气罐，使得第二高压储气罐中存有的气体被压入地下热盐井；随后，关闭来流气体与第一高压储气罐之间阀门，同时关闭第一水泵和所在管道的两个阀门以及第二高压储气罐排气阀门，气体通过管路流入第二高压储气罐的同时，第二水泵将第二高压储气罐中水压入第一高压储气罐，使得第一高压储气罐中存有的气体被压入地下热盐井，如此往复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用复合式压缩和分段膨胀，在低压压缩段配有蓄热器，对压缩热进行回收；经过蓄热器冷却的压缩气体流入由水泵与两个高压储气罐组成的高压循环压缩装置进行增压，因为该装置内有大量水的存在，在缓慢增压过程中，接近于等温过程，有效减少了压缩耗功量和
进一步地，本发明通过井盖和法兰密封，且通过内嵌设置套管，能够耐高温高压，既储存压力能，又能吸收地下低品位热能；由于气体在地下盐井储存过程中吸热升温，气体在流出竖井之后也不必进行加热即可直接流入膨胀机组做功，显著提高了系统的效率，减小了不可逆损失。
进一步地，本发明适用的双井结构热盐井可通过对竖井段参数和水平直井段参数的调整，优化储气性能和吸热性能。
进一步地，本发明直接利用储存的压缩空气吸收地下热量过程，未引入中间换热介质，减少了系统热量损失，提升了系统效率。
进一步地，本发明通过在出气竖井设置绝热层，能够更好地防止热量流失。
附图说明
图1为现有的压缩空气储能系统的结构框图。
图2为本发明实例中所述的基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统地面装置示意图。
图3为本发明实例中所述的双井结构热盐井示意图。
图4为本发明实例中所述的高压循环压缩装置示意图。
图5为本发明实例中所述的示例参数下对应的系统效率图。
其中：1、低压压缩机；2、蓄热器；3、低压储能储气罐；4、高压循环压缩装置；5、高压膨胀机；6、低压释能储气罐；7、低压膨胀机；81、第一高压储气罐；82、第二高压储气罐；91、第一水泵；92、第二水泵；10、竖井；11、水平井；12、造斜井段；13、井盖；14、法兰密封；15、套管；16、绝热层。
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。
本发明基于双井结构热盐井的复合式压缩空气储能系统，包括通过联轴器连接电动机m的压缩机、水泵和若干个与发电机g连接的膨胀机；其中，低压压缩段设置有蓄热器2，高压压缩段采用包括水泵9和高压储气罐8的高压循环压缩装置4，高压循环压缩装置4的排气口与地下盐井入口相连，地下盐井的出口与高压膨胀机5相连，高压膨胀机5膨胀做功一次发电；高压膨胀机5流出的气流通过蓄热器2再热进入低压膨胀机7膨胀做功二次发电。通过在低压压缩阶段对压缩机冷却的热量进行回收，在释能阶段对级间空气进行再热；在高压压缩段用趋近等温压缩过程代替传统的绝热压缩过程，同时利用了盐井中的低品位热量，有效减少了系统
具体的，如图2所示，本发明包括低压压缩机1、膨胀机、双井结构热盐井、蓄热器2、高压循环压缩装置4、低压储能储气罐3和低压释能储气罐6；
为了在节能的同时适当缩短储气过程，减少压缩过程总耗功，压缩部分采用离心式低压压缩机1与高压循环压缩装置4配合的复合式压缩过程，并用蓄热器2对压缩热回收利用；为增加压缩空气的做功能力，提高系统效率，膨胀部分采用多级膨胀级间再热，膨胀机组通常为2至3级，本文以2级为例。
其中，低压压缩机1通过联轴器连接电动机m；低压压缩机1排气通道与蓄热器2连接，蓄热器2排气出口与低压储能储气罐3连接，包括水泵与高压储气罐的高压循环压缩装置4的进气通道与低压储能储气罐3连接，排气通道与地下的双井结构热盐井储气入口相连，地下的双井结构热盐井的排气出口与高压膨胀机5相连，高压膨胀机5的排气口与低压释能储气罐6连接，低压释能储气罐6通过管道和蓄热器2连接低压膨胀机7的气流入口。低压压缩机1为2个及以上时，低压压缩机1串联，且相邻的低压压缩机1之间均设置有蓄热器2；膨胀机分为依次连接的高压膨胀机5和低压膨胀机7；高压膨胀机5和低压膨胀机7形成二级膨胀做功；在膨胀机总个数大于两个时，膨胀机依次串联，形成多级膨胀做功，相邻膨胀机之间也通过蓄热器2连接。
如图3所示，双井结构热盐井由两个竖井10和一个水平直井11组成，竖井10顶部均设置井盖13和法兰密封14，竖井10的井壁上内嵌设置套管15，竖井10上部靠近过地表段设置有绝热层16。水平直井11位于竖井的下侧部，本优选实例中一个竖井10通过呈弧度开设的造斜井段12与水平直井11一端连通，水平直井11的另一端直接与另一个竖井10底部连通。井盖的密封材料需选用聚四氟乙烯或无机纤维等耐高温高压的材料。由于深度越大加热效果越好，因此，竖井的深度和水平直井段的长度直接影响系统整体性能。本发明在竖井靠近地表段设有绝热层16，减少大温差散热造成的损失。双井结构热盐井中的两个竖井10的井口其中任意一个作为盐井储气入口，另一个作为盐井排气出口。
现有压缩空气储能系统的储气压力一般大于3mpa，对储气部分的气密性要求较高，本发明使用的双井结构热盐井密封性和适用压力范围均具有良好性能。由于地热对储气盐井的蓄热和加热作用，地下盐井中空气的温度也高于传统的储气矿洞中空气的温度。在地热能的吸收利用过程中，本装置直接以储存气体为工质，未引入中间介质，有效提高了能量利用率。
膨胀机分为高压和低压两级膨胀机；发电时，膨胀机均分别连接发电机，或者膨胀机之间通过联轴器相连，末级的膨胀机组与发电机相连；结合到本发明的具体实例中，高压膨胀机5和低压膨胀机7均分别连接发电机；或者高压膨胀机5和低压膨胀机7之间通过联轴器相连，低压膨胀机7与发电机相连。
经低压压缩机1流入蓄热器2的气流方向与经低压释能储气罐6流入蓄热器2的气流方向相反。
如图4所示，包括水泵与高压储气罐的高压循环压缩装置4中，设置两个规格相同的高压储气罐，并通过两个水泵所在的两条管道连接。
两水泵所在管道位于两高压储气罐下侧部。
两水泵所在管道中水流方向相反，两水泵交替工作。
两高压储气罐的顶部的进气和排气管道上装有阀门，且排气管道上的阀门受阀门两侧压差控制，当罐内压力大于盐井侧压力时自动开启，否则一直关闭。
本发明所述系统中的地上部分中，低压压缩机1和高压循环压缩装置4之间通过蓄热器2和低压储能储气罐3相连，高压循环压缩装置4通过管道与盐井储气入口相连，盐井排气出口通过管道与高压膨胀机5相连，高压膨胀机5通过低压释能储气罐6和蓄热器2连接低压膨胀机7。经低压释能储气罐6流入蓄热器2的气流方向与经低压压缩机1流入蓄热器2的气流方向相反。在双井结构热盐井的储气入口和排气出口设有阀门。
基于上述的系统，本发明压缩空气储能方法，包括以下步骤：
(1)储能阶段，气体流入低压级压缩机1被压缩，后流入蓄热器2进行冷却和压缩热回收，再通过低压储能储气罐3稳压后流入高压循环压缩装置4进行增压。在高压循环压缩装置4中，气体通过进气管路流入一个高压储气罐的同时，该高压储气罐中的水被压入到另一个高压储气罐，使得有水压入的存有的高压储气罐中的气体被加压，当被加压气体压力高于双井结构热盐井侧压力时，有水压入的罐中气体通过出气管路压入地下盐井，通过趋近等温压缩过程进行储能；然后进出气管路连通的两个高压储气罐对调，完成连续的趋近等温压缩过程储能；其中，趋近等温压缩过程的过程指数为1-1.05；
具体的，通过对各管路阀门调节，实现如下过程。
关闭来流气体与第二高压储气罐82之间阀门，同时关闭第二水泵92和所在管道的两个阀门以及第一高压储气罐81排气阀门，气体通过管路流入第一高压储气罐81的同时，第一水泵91将第一高压储气罐81中水压入第二高压储气罐82，使得第二高压储气罐82中存有的气体被压入地下盐井；随后，关闭来流气体与第一高压储气罐81之间阀门，同时关闭第一水泵91和所在管道的两个阀门以及第二高压储气罐82排气阀门，气体通过管路流入第二高压储气罐82的同时，第二水泵92将第二高压储气罐82中水压入第一高压储气罐81，使得第一高压储气罐81中存有的气体被压入地下盐井，如此往复。
(2)储气阶段，高压气体直接流入地下双井结构热盐井进行储存加热。
(3)释能阶段，高温高压气体直接进入高压膨胀机5做功；流出高压膨胀机5的气体通过低压释能储气罐6进入蓄热器2再热，流入低压膨胀机7做功。
在实际应用中，本发明所述的系统示例参数如下表所示。
其对应的系统效率图，如图5所示；在其他参数确定时，可变参数只有低压压缩气体储存压力和进低压膨胀机的气体压力。低压压缩气体储存压力影响着低压压缩段的压比和压气机的排气温度，进而影响着蓄热器中的蓄热量和蓄热介质的最高温度，同时也影响着储能过程的总耗功；进低压膨胀机的气体压力决定了释能过程中的压比分配，影响着高压膨胀机出口的气体温度以及气体再热过程的吸热量和低压膨胀段气体做功的能力。在低压压缩气体储存压力一定时，随着进低压膨胀机的气体压力的升高，系统效率在进低压膨胀机气体压力较小时有显著升高，在进低压膨胀机气体压力较高时系统效率变化并不显著。这是因为在低压压缩气体储存压力一定时蓄热器的蓄热量和蓄热介质最高温度已确定，进低压膨胀机的气体压力较小使得再热后的气体没有充分的做功能力，限制了系统效率，而随着进低压膨胀机的气体压力越来越大时再热过程对气体的加热效果越来越小，系统效率变化也越来越小。
与传统的压缩空气储能系统相比，本系统的优点在于：
1、传统的压缩空气储能利用废弃矿洞，压力和温度均受到限制，而双井结构热盐井配有绝热套管，减少了热量损失，承压能力高，同时具有加热和蓄热特性。
2、本系统直接利用储存的压缩空气吸收地下热量，未引入中间换热介质，减少了储存气膨胀前的加热过程，简化了系统，提升了系统效率。
3、在压缩阶段利用蓄热器2对空气的压缩热进行回收，在发电阶段对级间空气进行再热，有效地降低了系统热量的损失，大大提高了系统的效率。
4、本系统高压压缩段用高压循环压缩装置的趋近等温压缩过程代替传统压缩机的绝热压缩过程，减少了压缩过程的
5、在发电阶段，本系统可通过调节高低压膨胀机的压比，从而调节末级膨胀机的出气温度，排气可用于制冷、制热等多种用途，避免了能源的浪费。
6、本发明系统有效利用了盐井空间及地下低品位热能，循环效率高，经济性好，绿色无污染。
我国岩盐资源丰富，探明储量约为6.4万亿吨。“十一五”以来每年生成约2000万m3容积的盐穴，且以每年10％的速度递增。国内现存有盐井20000多个，处于开采状态的盐井2000个左右。仅2006～2013年间形成的盐穴总容积约达1.3亿m3。而目前已利用的盐穴40个，仅占总量的0.2％。我国丰富的盐穴资源多数处于闲置状态，可利用的空间非常大。地下盐井具有建设成本低、占地面积小、技术成熟、密封性好、储气压力高、安全稳定以及足够深度具有自加热性的优点，可以很好地满足压缩空气储能技术需求。
本发明解决了储气容器成本高、释能发电过程中需要消耗燃料加热等问题，提供一种储气、地热利用和释能加热为一体的压缩空气储能新系统，能够在储能的同时利用地热进行发电。如图2和图3所示的本发明系统，对比如图1所示的现有压缩空气储能系统，本发明系统减少了加热、蓄热和换热系统的数量。
本系统的压缩部分采用复合式压缩，膨胀部分采用多级膨胀，在低压压缩段设置蓄热器，对压缩热进行回收。高压压缩段趋近等温压缩，无需设置冷却装置，气体直接进入地下盐井进行储存，盐井既储存了压缩空气压力能，又吸收利用了地下热能。由于地下盐井的加热、蓄热作用，压缩空气释能时可以不需要额外加热，直接进入膨胀机组做功。在膨胀机组级间，空气流出高压膨胀机后流入蓄热器2，利用压缩阶段回收的热量对空气进行再热，之后流入低压膨胀机组释能发电。
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