一种双井液压式CO2气囊压缩储能系统及其运行方法与流程

一种双井液压式co2气囊压缩储能系统及其运行方法
技术领域
1.本发明属于co2气囊压缩储能的技术领域，具体涉及一种双井液压式co2气囊压缩储能系统及其运行方法。


背景技术：

2.压缩空气储能技术是目前被行业认可的成熟的储能技术，且已有相关工程应用。目前压缩空气储能建设基地选址主要有两种方案，一是选择天然岩穴、二是向地下挖洞建储罐。然而天然岩穴数量较少，且岩穴征用需征得地质等相关部门同意。因此为促进该技术的推广应用，多采用向地下挖洞建储罐的方式。压缩空气储能以空气为介质，空气密度低导致能量密度低，进而使得储罐体积大，需挖设的洞穴体积大，造成系统储罐占地面积大，挖设洞穴所需空间大，难以通过相关地质部门的审批。而co2无毒、无污染，物理性质稳定，临界点温度为31.1℃，临界压力为7.38mpa，临界参数低，且密度大。co2气体可加压液化成co2液体，进一步加压，可使co2液体转化成固体co2(干冰)。干冰吸收热量转化为其自身体积600-800倍的气态co2，因此co2的储能密度远大于空气的储能密度，采用压缩co2储能系统，可显著缩小需建储罐或需挖设洞穴的体积，采用co2为工质可有效解决压缩空气储能密度低的问题，同时还可大幅度缩小储罐体积，使得系统更加紧凑。由于干冰与液体直接存在爆炸的风险，故本专利引入气囊，将co2包裹住，避免其与双井中的液体水接触，以保证储能系统安全稳定地运行。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双井液压式co2气囊压缩储能系统及其运行方法，co2为工质可有效解决压缩空气储能密度低的问题，同时还可大幅度缩小储罐体积，使得系统更加紧凑。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双井液压式co2气囊压缩储能系统，包括流体输送装置、双井、控制系统以及储热系统；双井包括底部连通的水储存井和co2储存井，水储存井和co2储存井连通处设置水轮机，水储存井的入水口和出水口均连接水源；co2储存井中设置换热器，换热器连接储热系统；co2储存井中设置co2气囊、浮板和挡板，co2气囊上设置有co2输送通道，挡板设置在co2储存井中部，浮板设置在挡板的下方，水储存井设置液位计，co2气囊中设置温度和压力监测传感器，液位计、温度和压力监测传感器均连接控制系统，co2储存井顶盖密封。
5.水源为湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中任意一种。
6.流体输送装置设置一台或多台。
7.双井的井深为100-800m，水储存井端井直径为4-8m，储co2气囊井直径为2-5m；双井是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成。
8.水轮机采用立式或卧式水轮机。
9.阀门采用一种带信号输入输出的阀门，阀门的执行机构连接控制系统。
10.换热器中的换热介质采用熔盐、油、液态金属或水蒸气。
11.储热系统采用单一或混合储热系统。
12.挡板为刚性挡板，挡板与co2储存井的井壁固定连接。
13.本发明所述双井液压式co2气囊压缩储能系统的运行方法，具体包括如下过程：
14.a，将co2气体通入co2气囊中储存备用，水储存井中通入水，在co2储存井中水面距co2气囊正下方设定位置；
15.b，控制系统监测到波谷用电或是有弃电时，启动流体输送装置抽水，打开水储存井的入水口，将水输送至水储存井中，在重力作用下，推动水轮机做功后，并逐渐进入co2储井压缩co2气囊，co2气体在压缩过程中产热蓄能，保持co2气囊所处温度低于31.1℃、压力提升至7.38mpa以上，co2在气囊中先液化后固化成干冰放热，换热器吸收压缩co2气囊过程中产生的热能，并将热能存储于储热系统，当液位计的液位示数不变时，压缩co2达到压缩极限，流体输送装置断电停止运行，此时浮板升至挡板下沿高度，阻挡浮板的继续上浮，阻挡液体水进入浮板以上空间；
16.c，控制系统监测到波峰用电或是需要供电时，打开水储存井的出水口，储热系统通过换热器将热量传递给co2气囊中的co2，co2吸热膨胀，迫使水向水储存井侧退回，并推动水轮机做功发电，水储存井中的水流向水源；
17.d，当需向co2气囊中注入或排放co2时，则打开设置在co2输送通道上的阀门，注入或排除co2结束时，关闭阀门。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明通过建造两口连通的井，并将co2气囊和水分别储存在两口井中，实现利用波谷电及弃电启动流体输送装置传输水、并压缩co2气囊将能量传递到换热器中，随后通过换热器将co2气囊压缩过程中产生的热能存储至储热系统。待需用电时，储热系统通过换热器将热量传送至包裹在压缩气囊中的co2，co2吸收热量气化，迅速膨胀，挤压进入co2储井中的水，迫使液体水向水储存井侧退回，推动水轮机快速旋转做功发电。储水井中的水经阀门流向水源。该过程的发电效率大于90％，整套系统的发电效率高达78.2％。
附图说明
20.图1为本发明一种可实施的结构示意图。
21.1-流体输送装置、2-co2储存井、3-水储存井、4-双井、5-水轮机、6-阀门、7-控制系统、8-液位计、9-液位指示装置、10-co2输送通道、11-换热器、12-储热系统、13-co2气体、14-co2气囊、15-浮板、16-挡板。
具体实施方式
22.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。
23.参考图1，一种双井液压式co2气囊压缩储能的系统及方法，包括水源、流体输送装置1、co2储存井、2、水储存井3、双井4、水轮机5、阀门6、控制系统7、液位计8、液位指示装置9、co2输送通道10、换热器11、储热系统12、co2气体13、co2气囊14、浮板15、挡板16；双井4包括底部连通的水储存井3和co2储存井2，水储存井3和co2储存井2连通处设置水轮机5，水储
存井3的入水口和出水口均连接水源；co2储存井2中设置换热器11，换热器11连接储热系统12；co2储存井2中设置co2气囊14、浮板15和挡板16，co2气囊14上设置有co2输送通道10，挡板16设置在co2储存井2中部，浮板15设置在挡板16的下方，水储存井3设置液位计8，co2气囊14中设置温度和压力监测传感器，液位计8、温度和压力监测传感器均连接控制系统7，co2储存井2顶盖密封
24.具体的，水源可以是湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中任意一种。
25.可选的，流体输送装置1可以是任意一种可抽取水并将水送入双井4储水端的装置或设备，可根据具体情况设置一台或多台。
26.双井4为两口下端连通的井，其中一井中主要用于存放co2气囊、另一井中主要用于储存水，且在下端连通处设置水轮机。
27.进一步的，双井4的井深为100-800m，水储存井端井直径为4-8m，储co2气囊井直径为2-5m，两井直径可以相同或不同。
28.可选的，双井4是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成，整体密封性、机械强度及抗压性能良好，可有效防止水和空气的泄露。其空气储存井上顶盖设一co2输送通道10，用于补充或排空co2气囊总的co2，co2储存井2上顶盖无缝连接密封，可有效防止气囊破裂导致的空气泄露。水储存井3上端设有两个接口，其中，一接口与流体输送装置出口连接，承接流体输送装置输送过来的水，另一接口通过管道与水源连接，负责将从水存储井里溢出来的水送回水源处。
29.水轮机5采用将水转化为电能或机械能的水轮机，水轮机5可以是立式或卧式水轮机。
30.阀门6采用任意一种带信号输入输出的阀门，可根据控制信号启停。
31.控制系统7根据电网供需情况、水储存井液位8示数上涨情况以及鉴别峰谷电并控制流体输送装置1及阀门6的启停。
32.液位计8采用一种带信号输出且可监测水液面的液位计。
33.换热器11可以是任意一种可进行热量交换的装置或设备，换热器11内的换热介质采用熔盐、油、液态金属、水蒸气。
34.优选的，压缩co2气囊过程中，co2气囊的温度低于31.1℃，气囊的压力逐渐增至7.38mpa以上。
35.储热系统12可以是任意一种单一或混合储热系统或装置。
36.co2气囊是一种装有co2的装置，该装置的材质可以是采用不透气、不透水、可收缩膨胀、抗co2腐蚀性好且机械强度好的材质。
37.浮板15为一种可漂浮在水面上且耐水腐蚀性好、机械强度好的材料制作而成。
38.挡板16为混凝土、不锈钢及其他硬质材料中的任意一种，用于阻挡浮板继续上浮。
39.一种双井液压式co2气囊压缩储能的系统及方法，具体包括如下步骤：
40.a，水储存井将co2气体13通入co2气囊14中储存备用，水储存井中通入水至距co2气囊正下方5cm处。
41.b，控制系统7监测到波谷用电或是有弃电时，立即启动流体输送装置1抽水程序并关闭阀门6。流体输送装置1将水输送至双井4的水储存井中，在重力势能及流体输送装置的推动作用下，水储存井端中的水向下移动，，在重力作用下，推动水轮机做5功后，使储水井
中的水逐渐进入co2储井压缩co2气囊，co2气体在压缩过程中产热蓄能，控制co2气囊所处温度低于31.1℃、压力逐渐生在7.38mpa以上，co2在气囊中先液化后固化成干冰，整个过程中释放大量热量。换热器11吸收压缩co2气囊过程中产生的热能，并将热能存储于储热系统。当液位计8的液位示数不变时，表示压缩co2达到压缩极限，流体输送装置1断电停止运行，此时浮板15升至16挡板下沿高度，阻挡浮板15的继续上浮，进而阻挡液体水进入浮板以上空间。
42.c，控制系统7监测到波峰用电或是需要供电时，打开阀门6，储热系统12通过换热器11将热量传递给co2气囊14中的co2。co2吸收热量气化快速膨胀，压缩液体水并迫使液体水向水储存井侧退回，推动水轮机5快速旋转做功发电。水储存井中的水经阀门6流向水源。该过程的发电效率大于90％，整套系统的发电效率》78％。
43.d，当需向co2气囊中注入或排放co2时，则打开设置在co2输送通道10上的阀门6，注入或排除co2结束时，关闭阀门6。
44.本实施例中所述的井深为400m，储co2气囊侧井直径为4m，水储存井侧直径为5m，流体输送装置液体流速为10000m3/h，流体输送装置功率为7kw，气囊内置15000m3空气，利用超临界布雷顿试验台的弃电进行储能利用，其综合能量利用效率高达78.2％。

技术特征：
1.一种双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，包括流体输送装置(1)、双井(4)、控制系统(7)以及储热系统(12)；双井(4)包括底部连通的水储存井(3)和co2储存井(2)，水储存井(3)和co2储存井(2)连通处设置水轮机(5)，水储存井(3)的入水口和出水口均连接水源；co2储存井(2)中设置换热器(11)，换热器(11)连接储热系统(12)；co2储存井(2)中设置co2气囊(14)、浮板(15)和挡板(16)，co2气囊(14)上设置有co2输送通道(10)，挡板(16)设置在co2储存井(2)中部，浮板(15)设置在挡板(16)的下方，水储存井(3)设置液位计(8)，co2气囊(14)中设置温度和压力监测传感器，液位计(8)、温度和压力监测传感器均连接控制系统(7)，co2储存井(2)顶盖密封。2.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，水源为湖泊、池塘、大海、水槽、蓄水池中任意一种。3.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，流体输送装置(1)设置一台或多台。4.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，双井(4)的井深为100-800m，水储存井端井直径为4-8m，储co2气囊井直径为2-5m；双井(4)是在地面以下挖掘并用混凝土浇筑或不锈钢无缝焊接而成。5.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，水轮机(5)采用立式或卧式水轮机。6.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，阀门(6)采用一种带信号输入输出的阀门，阀门(6)的执行机构连接控制系统(7)。7.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，换热器(11)中的换热介质采用熔盐、油、液态金属或水蒸气。8.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，储热系统(12)采用单一或混合储热系统。9.根据权利要求1所述的双井液压式co2气囊压缩储能系统，其特征在于，挡板(16)为刚性挡板，挡板(16)与co2储存井(2)的井壁固定连接。10.权利要求1-9中任一项所述双井液压式co2气囊压缩储能系统的运行方法，其特征在于，具体包括如下过程：a，将co2气体通入co2气囊(14)中储存备用，水储存井中通入水，在co2储存井(2)中水面距co2气囊正下方设定位置；b，控制系统(7)监测到波谷用电或是有弃电时，启动流体输送装置(1)抽水，打开水储存井(3)的入水口，将水输送至水储存井(3)中，在重力作用下，推动水轮机(5)做功后，并逐渐进入co2储井(2)压缩co2气囊(14)，co2气体在压缩过程中产热蓄能，保持co2气囊所处温度低于31.1℃、压力提升至7.38mpa以上，co2在气囊中先液化后固化成干冰放热，换热器(11)吸收压缩co2气囊过程中产生的热能，并将热能存储于储热系统(12)，当液位计(8)的液位示数不变时，压缩co2达到压缩极限，流体输送装置(1)断电停止运行，此时浮板(15)升至(16)挡板下沿高度，阻挡浮板(15)的继续上浮，阻挡液体水进入浮板以上空间；c，控制系统(7)监测到波峰用电或是需要供电时，打开水储存井(3)的出水口，储热系统(12)通过换热器(11)将热量传递给co2气囊(14)中的co2，co2吸热膨胀，迫使水向水储存井侧退回，并推动水轮机(5)做功发电，水储存井中的水流向水源；
d，当需向co2气囊中注入或排放co2时，则打开设置在co2输送通道(10)上的阀门，注入或排除co2结束时，关闭阀门。

技术总结
本发明公开一种双井液压式CO2气囊压缩储能系统及其运行方法，系统包括流体输送装置、双井、控制系统以及储热系统；双井包括底部连通处设置水轮机的水储存井和CO2储存井，水储存井的入水口和出水口均连接水源；CO2储存井中设置换热器，换热器连接储热系统；CO2储存井中设置CO2气囊、浮板和挡板，CO2气囊上设置有CO2输送通道，挡板设置在CO2储存井中部，浮板设置在挡板的下方，水储存井设置液位计，CO2气囊中设置温度和压力监测传感器，液位计、温度和压力监测传感器均连接控制系统，CO2储存井顶盖密封；实现利用波谷电及弃电驱动压缩CO2气囊将能量存储至储热系统，储热系统通过换热器使CO2膨胀迫使液体水向水储存井侧退回，推动水轮机快速旋转做功发电。动水轮机快速旋转做功发电。动水轮机快速旋转做功发电。


技术研发人员：付康丽 韩伟 于在松 陆续 姚明宇 宋晓辉 姬海民 白文刚
受保护的技术使用者：华能集团技术创新中心有限公司
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8