干热岩发电与压缩二氧化碳储能耦合系统

技术领域

本发明涉及一种干热岩发电与压缩二氧化碳储能的耦合系统，属于地热资源利用领域。

背景技术

地热能是一种储量丰富，分布较广，稳定可靠的可再生能源，具有清洁低碳、安全灵活等特点。是助力实现“双碳”目标的重要途径之一。数据统计，我国陆地3～10km深处的深部地热资源量可折合为856万亿吨标煤。按照2％可开采资源量计算，相当于17万亿吨标煤。目前，地热能的开采率不到1％，主要用于供暖、旅游、洗浴、疗养、水产养殖和地热发电。

在地热发电中，现有技术主要依靠膨胀机进行做功发电，利用地下废弃矿井、岩洞等进行二氧化碳气体存储和热量吸收。由于地热资源温度和产量受地下热量分布不均、地热水循环变化等因素影响，其产出会随时间而出现波动，并对发电过程中的电网稳定性和可靠性产生一定影响，实际应用中需要其它渠道的能源供给来稳定电网正常运行。于是，设计一种基于干热岩发电的耦合系统，避免对外界能源的依赖，改善干热岩发电过程，就成为本发明想要解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题和不足，本发明旨在提供一种利用蓄热器进行储能，利用多级膨胀机进行辅助做功发电，并与干热岩发电系统充分耦合的耦合系统，以提高干热岩发电系统的能源利用效率，保证电网运行稳定性，避免发电过程对外界能源供给的依赖。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

干热岩发电与压缩二氧化碳储能耦合系统，包括干热岩发电系统，干热岩发电系统包括膨胀机、生产井和回灌井，生产井与膨胀机入口连通，回灌井与膨胀机出口连通，膨胀机通过做功带动外界发电机发电。还包括与干热岩发电系统耦合的压缩二氧化碳储能系统，压缩二氧化碳储能系统包括相互依次串联的至少一组储能膨胀发电系统、低压储气罐、至少一组储能冷却系统、空气冷却器、高压储液罐和膨胀泵，以及依次串联在膨胀机与回灌井之间管路上的工质泵和预热器。储能膨胀发电系统的加热管路连接在工质泵与膨胀机之间的管路上，储能膨胀发电系统通过二氧化碳气体做功带动外界发电机辅助发电。

所述压缩二氧化碳储能系统还包括相互串联的蓄热泵和蓄热器，蓄热泵连接在蓄热器的入口管路上。预热器的预热管路与储能冷却系统的冷却管路相串联。蓄热泵和蓄热器并联在储能冷却系统的冷却管路上。

所述储能膨胀发电系统包括相互串联的一个加热器和一个储能膨胀机，加热器和储能膨胀机串联在低压储气罐和膨胀泵之间。

所述储能冷却系统包括相互串联的一个压缩机和一个冷却器，压缩机和冷却器串联在低压储气罐和空气冷却器之间。

本发明所述干热岩发电与压缩二氧化碳储能耦合系统的有益效果包括：

1、通过闭环状体的压缩二氧化碳储能系统与干热岩发电系统相互耦合，提高了干热岩发电系统的能源利用效率，保证了电网运行的稳定性，避免了发电过程对外界能源的依赖；

2、利用多级加热器对干热岩发电系统排出的气体二氧化碳进行多级能量回收，提升驱动多级储能膨胀机的气体温度，大大提高了多级储能膨胀机的工作效率，完成能量回收和辅助发电过程的同时，保证了电网运行的平稳性；

3、通过对压缩二氧化碳储能系统中多级储能冷却系统排出的热量进行存储，并对干热岩发电系统回灌过程中的液体二氧化碳进行预热，提升了二氧化碳的回灌温度，降低了回灌井中的能源消耗，缩短了回灌升温时间；

4、利用闭环结构的蓄热器对多级储能冷却系统排出的多余热量进行存储，避免了压缩二氧化碳储能系统中多余能量的浪费，进一步提升了压缩二氧化碳储能系统的能源利用效率；

5、利用空气冷却器对液体二氧化碳温度做进一步地降低处理，可大大降低高压储液罐的生产成本和运行成本，使生产和运行过程更科学、更合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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说，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附图。

图1为本发明的结构示意图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

下面结合附图1对本发明做进一步的详细说明：

本发明所述的干热岩发电与压缩二氧化碳储能耦合系统，包括干热岩发电系统和压缩二氧化碳储能系统。干热岩发电系统通过气体二氧化碳进行干热岩的能量吸收和转换，并通过膨胀机15完成最终的对外做功发电。压缩二氧化碳储能系统则通过液体二氧化碳与干热岩发电系统进行耦合，完成干热岩发电废弃能量的吸收、存储和转换后，最终通过储能膨胀机完成辅助对外做功发电。提高了干热岩发电系统的发电效率，提升了对外供电过程的电网稳定性。

本例中，干热岩发电系统包括膨胀机15、生产井14和回灌井21。其中，生产井14和回灌井21采用地下废弃矿井或岩洞构成，可满足正常发电过程中气体二氧化碳的存储。生产井14与膨胀机15入口连通，回灌井21与膨胀机15的出口方向相连通，膨胀机15可通过做功带动外界发电机进行并网发电。

本例中，压缩二氧化碳储能系统包括相互依次串联的三组储能膨胀发电系统、低压储气罐13、三组储能冷却系统、空气冷却器7、高压储液罐8和膨胀泵9，以及依次串联在膨胀机15与回灌井21之间管路上的工质泵19和预热器20。三组储能膨胀发电系统相互串联在低压储气罐13和膨胀泵9之间，三组储能冷却系统相互串联在低压储气罐13和空气冷却器7之间。

储能膨胀发电系统包括相互串联的一个加热器和一个储能膨胀机。加热器与工质泵19和膨胀机15之间的管路相耦合。三组储能膨胀发电系统包括：第一加热器16和第一储能膨胀机10、第二加热器17和第二储能膨胀机11以及第三加热器18和第三储能膨胀机12。第一加热器16、第一储能膨胀机10、第二加热器17、第二储能膨胀机11、第三加热器18和第三储能膨胀机12相互依次串联在膨胀泵9与低压储气罐13之间。第一加热器16、第二加热器17和第三加热器18的加热管路分别连接在工质泵19与膨胀机15之间的管路上，膨胀机出口较高温度的气体二氧化碳在加热器中对压缩二氧化碳储能系统中较低温度的液体二氧化碳进行加热升温后，带动第一储能膨胀机10以及后续的第二储能膨胀机11、第三储能膨胀机12对外做功，并最终通过外界发电机完成辅助发电，实现了干热岩发电系统废弃热能的充分回收和利用。

储能冷却系统包括相互串联的一个压缩机和一个冷却器。三组储能冷却系统包括：第一压缩机1和第一冷却器2、第二压缩机3和第二冷却器4、第三压缩机5和第三冷却器6。第一压缩机1、第一冷却器2、第二压缩机3、第二冷却器4、第三压缩机5和第三冷却器6相互依次串联在低压储气罐13和空气冷却器7之间。低压储气罐13用于存储第三储能膨胀机12排出的低温气体二氧化碳，低温气体二氧化碳经储能冷却系统和空气冷却器7逐级冷却后变为高压液体二氧化碳，并最终存储在高压储液罐8中待用。

为进一步提高热能利用效率，建立闭环能量转换过程。在压缩二氧化碳储能系统中还包括相互串联的蓄热泵22和蓄热器23，蓄热泵22连接在蓄热器23的入口管路上。预热器20的预热管路与第一冷却器2、第二冷却器4和第三冷却器6的冷却管路相串联，蓄热泵22和蓄热器23与储能冷却系统的冷却管路相并联，并通过导热油作为导热介质进行能量存储和转换。因蓄热器23的储能过程与预热器20的释能过程不能同时进行，故，在其管路上还需设置相应阀门进行控制。其中，在蓄热器23的储能过程中，低压储气罐13进行低温气体二氧化碳释放，储能冷却系统、空气冷却器7、高压储液罐8、蓄热泵22和蓄热器23处于工作状态，同时，膨胀泵9、储能膨胀发电系统、膨胀机15、工质泵19和预热器20处于停止运行状态，最终，冷却过程中回收的热量被存储在蓄热器23中。释能过程中，高压储液罐8、膨胀泵9、储能膨胀发电系统、低压储气罐13、蓄热泵22、蓄热器23、膨胀机15、工质泵19和预热器20处于工作状态，同时，储能冷却系统和空气冷却器7处于停止工作状态。最终，通过蓄热器23释放能量，预热器20对干热岩发电系统中排出的液体二氧化碳进行预热升温后，形成气体二氧化碳存储到回灌井中。在压缩二氧化碳储能系统中，第三储能膨胀机12排出的低温气体二氧化碳则被存储在低压储气罐13中待用。预热后的气体二氧化碳在回灌井21中可有效缩短升温存储时间，大大降低了能源消耗。

当然，上述连接管路中还需要设置其它相应阀门，以方便各部件的协调工作，其功能和作用在此不再赘述。

下面结合附图1对各部分工作流程做进一步的详细说明，具体包括：

流程1、在干热岩发电系统中，生产井14中存储的高温气体二氧化碳被不断送入到膨胀机15中，膨胀机15通过做功带动外界发电机进行发电。

流程2、膨胀机15排出的气体二氧化碳进入到第一加热器16中，同时，在压缩二氧化碳储能系统中，高压储液罐8存储的低温液体二氧化碳经膨胀泵9推动也进入到第一加热器16中，二者通过热量交换，低温液体二氧化碳转换为高温气体二氧化碳进入到第一储能膨胀机10中，驱动第一储能膨胀机10做功，并带动外界发电机进行辅助发电。完成第一加热器16中能量交换后的、干热岩发电系统的气体二氧化碳继续进入到第二加热器17和第三加热器18，同时，压缩二氧化碳储能系统中第一储能膨胀机10排出的做功后气体二氧化碳也进入到第二加热器17、第二储能膨胀机11、第三加热器18、第三储能膨胀机12中，最终完成多级能量交换和多次对外辅助发电。

流程3、在干热岩发电系统中，热量被多级吸收后的气体二氧化碳最终转换为液体二氧化碳，在工质泵19的推动作用下，经预热器20预热升温后，液体二氧化碳转换为气体二氧化碳进入到回灌井21中升温存储，等待下一次的由生产井14进入膨胀机15中继续对外做功。

流程4、在压缩二氧化碳储能系统中，经第三储能膨胀机12排出的低温气体二氧化碳被存储到低压储气罐13中待用。

如进入储能过程，阀门V1、V2、V5、V6开启，阀门V3、V4、V7、V8关闭，膨胀泵9、储能膨胀发电系统、膨胀机15、工质泵19和预热器20处于停止运行状态。低压储气罐13中存储的低温气体二氧化碳依次进入第一压缩机1、第一冷却器2、第二压缩机3、第二冷却器4、第三压缩机5和第三冷却器6中进行分级压缩及冷却，然后通过空气冷却器7再次冷却后，液体二氧化碳被存储到高压储液罐8中，同时，蓄热泵22推动导热油在冷却管路中进行循环，完成能量转换后，热能最终被存储在蓄热器23中。

如进入释能过程，阀门V1、V2、V5、V6关闭，阀门V3、V4、V7、V8开启，储能冷却系统和空气冷却器7处于停止工作状态，而高压储液罐8、膨胀泵9、储能膨胀发电系统、低压储气罐13、蓄热泵22、蓄热器23、膨胀机15、工质泵19和预热器20处于工作状态。其中，除高压储液罐8不断向管路提供液体二氧化碳、膨胀机15和储能膨胀发电系统正常对外做功发电外，蓄热泵22不断地将蓄热器23中存储的热量通过导热油进行能量转换，并通过预热器20对干热岩发电系统中工质泵19推动下的液体二氧化碳进行预热升温，转换成气体二氧化碳后存储到回灌井21中，完成释能、预热和二氧化碳存储过程，同时，储能膨胀发电系统排出的低温气体二氧化碳也被不断地存储到低压储气罐13中，等待后续储能过程使用。

上述流程不断往复，通过压缩二氧化碳储能系统与干热岩发电系统相互耦合，既实现了干热岩发电系统排出热量的充分回收和利用，还通过预热过程对回灌气体二氧化碳进行预热升温，大大提高了能源利用效率。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。