压缩空气耦合浅层地热蓄能系统及其控制方法与流程

1.本发明属于压缩空气储能系统自动控制领域，涉及一种压缩空气耦合浅层地热蓄能系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，随着经济的快速发展，能源短缺、环境污染问题已成为了亟需解决的问题。可再生能源是解决上述问题的有效途径，由于技术完善且其资源丰富，风能、太阳能已经成为增速较快的可再生能源利用手段之一。由于受自然环境的影响，具有随机性、间歇性和低能量密度等特点，是严重制约可再生能源大规模并网的一个主要难题。压缩空气储能系统作为储能技术的一种，可以有效平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能源发电的输出功率，提高可再生能源消纳能力，保证电力系统的安全性、稳定性。
3.压缩空气储能系统储气装置或者岩穴等，随着储存空气量的变化，储气压力也随之改变，因此压缩空气储能装置的多级压缩机需要根据储气压力进行实际变频控制以达到储气压力。另一方面，为了避免使用化石燃料采用非补燃式压缩空气储能系统，储能过程中压缩机产生的压缩热采用导热油存储，存储的导热油用于释能过程中加热高压空气作功。另一方面，由于非补燃式压缩空气储能系统为了保证不同压缩级入口温度要求，经过导热油储热后，剩余的压缩热难以回收利用，通过冷却器将这一部分热量带走，从而造成一部分浪费。如何利用这一部分低温热能是一个难点。
4.同时，浅层地温能资源具有分布广泛、储量巨大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点，并且随着技术的提升，可以用浅层地热用于区域内的居民制冷和制热。开发地热单纯用于采暖的地区,应该是大地热流高于57mw/m2的区域,大地热流低于57mw/m2的地区则应保持供暖取热和制冷存热相均衡。对于普遍区域需要对浅层地热进行勘探设计，不能一味的汲取热能或者冷能，否则会破坏当地的生态环境。
5.现有压缩空气储能系统和浅层地热利用系统的不足：
6.1、现有压缩空气储能系统多采用补燃型压缩空气储能系统，该系统仍需要增加燃料来提高压缩空气的作功能力，无法做到零排放。对于非补燃型压缩空气储能系统而言，压缩热的回收利用对于整个储能效率有着至关重要的重要。普遍压缩热仅仅通过导热油或者热媒水等工质进行存储，对于换热后较低温度的热能多采用冷却水进行换热后通过开式水将热能排放，造成了系统储能效率的损失。
7.2、现有的压缩空气储能系统都是直接吸入环境空气进行压缩，然而随着季节的变化，外部环境变化较大，冬季最低可达零下20-30℃，夏季可高可达40摄氏度，使得已设计好的压缩机所产生的压缩空气出口温度差异较大，实际运行工况与设计工况偏差较大，会造成导热油油温不高，造成释能过程的空气透平效率较低，损失了大量的储能效果。
8.3、对于非补燃型压缩空气储能电站而言，厂用电及生活区供冷供热皆需要能源供应，如果在储能过程，电站可以利用过剩的能源来供热制冷或者支持厂用电，但是在释能过程，仍需要大量的厂用电满足电站与生活区的供冷供热，降低了储能系统的效率和大大浪
费了释能过程的调峰能力。
9.4、常规的浅层地热利用系统多用于小区或者生活区，采用预埋储水管可以将浅层地热用于制冷与制热，但是往往冬季纯制热，将冷能存储与地下，夏季纯制冷，将热能存储于地下，使用范围较窄，多用于建筑使用，并且以一年为周期保持供暖取热和制冷存热的均衡能力，仍容易对当地生态环境造成影响。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种压缩空气耦合浅层地热蓄能系统及其控制方法，本发明通过耦合浅层地热能，可以有效克服外界环境温度变化对压缩空气储能过程偏离设计工况过大的影响，保证每一级压缩机入口空气温度维持在20-25℃，这样有效提高导热油的储存温度，从而提高压缩空气储能系统的储能效率。另一方面，将低温压缩热进行再次利用，并存储于浅层地热中，以供给满足电站与生活区内的热冷负荷，解决了厂用电率过大造成储能效率降低的难题，从而实现节能减排、低碳环保的目的。
11.本发明采用如下技术方案来实现的：
12.压缩空气耦合浅层地热蓄能系统，包括空气侧回路、换热系统、浅层地热源供热系统和控制系统；
13.空气侧回路，用于将环境温度常压空气依次通过三级压气机，多级压缩产生压缩热，并将每一级的压缩热使用导热油或浅层地热水存储，从而将压缩后的高压空气存储于储气盐穴中，从而完成压缩空气耦合浅层地热蓄能系统的蓄热过程；
14.换热系统，用于空气侧回路中每一级的压缩热通过导热油换热器，存储于导热油中，完成蓄能系统的能量存储，为后续释能系统加热储气盐穴中的高压空气提供热量；
15.浅层地热源供热系统，用于将换热系统中导热油未储存的低温余热，使用水换热器将热量存储于浅层地热源供热系统中，同时使用浅层地热的热量加热/冷却进入压气机的空气，使得压气机入口空气温度基本恒定，保证机组的循环效率；同时为厂站生活提供供热取暖制冷需求；
16.控制系统，用于实现压缩空气耦合浅层地热蓄能系统中，空气换热器高温侧空气流量控制、导热油换热器的导热油流量控制、第三压气机转速控制、热用户室内温度控制，保证系统蓄能过程的自动控制。
17.本发明进一步的改进在于，空气侧回路包括空气换热器、第一压气机、第一导热油换热器、第一冷却器、第二压气机、第二导热油换热器、第二冷却器、第三压气机、第三冷却器和储气盐穴；其中空气换热器冷侧空气入口布置有环境温度传感器和空气换热器低温侧空气流量传感器；空气换热器冷侧空气出口与第一压气机相连，并在之前布置有第一压气机入口温度传感器；随后第一压气机与第一导热油换热器空气侧入口相连，第一导热油换热器空气侧出口与第一冷却器空气侧进口管路上布置有第一导热油换热器空气侧出口温度传感器；第一冷却器空气侧出口与第二压气机相连，随后与第二导热油换热器空气侧入口相连，第二导热油换热器空气侧出口与第二冷却器空气侧进口管路上布置有第二导热油换热器空气侧出口温度传感器；第二冷却器空气侧出口与第三压气机相连，第三压气机空气进口侧布置有第三压气机进口空气压力传感器，出口布置有第三压气机出口空气压力传
感器；第三压气机出口分为两路管路布置，一路布置有第一空气流量调节阀并随后与空气换热器热侧空气入口相连，空气换热器热侧空气入口布置有空气换热器高温侧温度传感器、空气换热器高温侧压力传感器；另一路布置有第二空气流量调节阀并随后与第三冷却器直接相连；第三冷却器热侧空气出口与储气盐穴相连。
18.本发明进一步的改进在于，换热系统分为导热油换热系统和水换热系统；
19.导热油换热系统包括导热油冷油罐、导热油循环油泵、第一导热油换热器、第二导热油换热器、第三导热油换热器和导热油热油罐；导热油冷油罐与导热油循环油泵连接，随后与第三导热油换热器相连，随后分为两路，一路经过第一导热油换热器入口调节阀并随后与第一导热油换热器相连，另一路经过第二导热油换热器入口调节阀并随后与第二导热油换热器相连，最后两路合并送入导热油热油罐；
20.水换热系统包括浅层地热井、第一地热井循环水泵、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器、空气换热器和第三导热油换热器；浅层地热井与第一地热井循环水泵相连，随后分为五路，分别与第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器、空气换热器和第三导热油换热器的水路入口相连，随后合并送至浅层地热井。
21.本发明进一步的改进在于，在空气换热器1循环水侧进出口处布置空气换热器循环水入口电动阀和空气换热器循环水出口电动阀。
22.本发明进一步的改进在于，浅层地热源供热系统包括浅层地热井、第二地热井循环水泵、地源热泵、用户供热流量调节阀和热用户；浅层地热井布置于地下150-200米，并在地热井填灌水，浅层地热井与第二地热井循环水泵相连，随后与地源热泵水侧入口相连，最后送入浅层地热井；热用户与用户供热流量调节阀相连，随后与地源热泵空气侧入口相连，随后送回至热用户。
23.本发明进一步的改进在于，热用户室内布置有热用户室内温度传感器。
24.本发明进一步的改进在于，控制系统包括第一压气机入口温度设定模块、空气换热器高温侧空气流量计算模块、第一pid控制器、第一导热油换热器空气侧出口温度设定模块、第二pid控制器、第二导热油换热器空气侧出口温度设定模块、第三pid控制器、第三压气机转速计算模块、第四pid控制器、热用户室内温度设定模块和第五pid控制器；环境温度传感器、空气换热器低温侧空气流量传感器、空气换热器高温侧温度传感器、空气换热器高温侧压力传感器和第一压气机入口温度设定模块分别与空气换热器高温侧空气流量计算模块相连；第一压气机入口温度传感器、第一压气机入口温度设定模块、空气换热器高温侧空气流量计算模块分别与第一pid控制器相连，随后与第一空气流量调节阀和第二空气流量调节阀相连；第一导热油换热器空气侧出口温度传感器、第一导热油换热器空气侧出口温度设定模块与第二pid控制器相连，随后与第一导热油换热器入口调节阀相连；第二导热油换热器空气侧出口温度传感器、第二导热油换热器空气侧出口温度设定模块与第三pid控制器相连，随后与第二导热油换热器入口调节阀相连；第三压气机进口空气压力传感器、空气换热器低温侧空气流量传感器和储气盐穴储气压力与第三压气机转速计算模块相连；储气盐穴储气压力、第三压气机转速计算模块、第三压气机出口空气压力传感器分别与第四pid控制器相连，随后与第三压气机相连；热用户室内温度传感器、热用户室内温度设定模块与第五pid控制器相连，随后与用户供热流量调节阀相连。
25.压缩空气耦合浅层地热蓄能系统的控制方法，包括：
26.环境空气通过空气换热器1换热，冬季利用第三压气机出口的热空气和浅层地热井内热源来加热空气，夏季利用浅层地热井内冷源来冷却空气，将空气温度维持到20-25℃；随后通过第一压气机进行一级压缩，经过第一导热油换热器换热，将压缩热存储到导热油中；随后经过第一冷却器4将低温压缩热存储到地源热井的循环水中；随后经过第二压气机进行二级压缩，依次经过第二导热油换热器和第二冷却器进行换热，将压缩热分别存储到导热油和地源热井的循环水中；导热油冷油罐中的冷油经过导热油循环油泵增压后经过第三导热油换热器进行换热，随后分为两路分别进入第一导热油换热器和第二导热油换热器中进行换热，随后将热导热油送入导热油热油罐中存储；浅层地热井中的循环水经过第一地热井循环水泵增压后，分为四路，其中三路进入第一冷却器、第二冷却器和第三冷却器中进行换热后回流至浅层地热井；另外一路依次经过空气换热器循环水入口电动阀、空气换热器、空气换热器循环水出口电动阀完成换热过程，通过换热量需求计算完成电动阀的开闭操作；第三压气机出口空气经过第一空气流量调节阀和空气换热器、第二空气流量调节阀后汇流送入第三冷却器中换热，将压缩热存储于浅层地热井中，最后将高压空气存储于储气盐穴中供压缩空气储能系统释能过程使用；
27.浅层地热井运行方法，冬季环境温度最低能够达到零下20-30℃，利用热水井热源将空气加热到20-25℃，保证非补燃式压缩空气储能系统运行在设计工况附近，将压缩过程导热油换热后的低温热量进行存储，提高压缩空气储能系统的循环效率；另一方面，将浅层地热井中的循环水经过第二地热井循环水泵增压后送入地源热泵中，使用地源热泵将地热井中的低温热能转换为较高温度的热能，并用于室内供暖和生活热水；夏季将环境空气温度降低至额定工况，避免压缩热产生过多；同时将压缩过程导热油换热后的低温热量存储于热水井并传导至浅层地热供生活区或冬季使用，将浅层地热井中的循环水经过第二地热井循环水泵增压后送入地源热泵中，利用地源热泵将地热井中的低温循环水转换为冷能供室内使用，同时转换为生活热水使用；根据季节供暖取热和制冷存热相需要保持均衡，避免对生态的破坏。
28.和现有技术相比较，本发明至少具有如下有益的技术效果：
29.(1)本发明提出了一种压缩空气耦合浅层地热蓄能系统，压缩热通过导热油进行存储后，可以将剩余低温压缩热存储于地热水中，避免直接将热能排放至环境中，避免了系统储能效率的损失。
30.(2)克服了直接吸入环境空气进行压缩的缺点，避免季节的变化，造成压气机入口温度波动大，造成压缩热不易存储与使用，实际运行工况与设计工况偏差较大，从而造成导热油油温不高。通过耦合浅层地热储能系统，利用浅层地热和第三压气机空气出口热量来保证第一压气机进口温度保持较为恒定，运行工况与设计工况偏差小。
31.(3)通过耦合浅层地热储能系统，可满足厂用电及生活区供冷供热需求，不再需要消耗厂用电来满足电站与生活区的供冷供热，提高能量利用效率。
32.(4)提出的一种压缩空气耦合浅层地热蓄能系统可以根据实际运行需求，利用浅层地热来满足生产生活需求，短周期内即可完成放热与储热的能量平衡，避免长周期、大量的储热或储冷对当地生态环境造成影响。
附图说明
33.图1为一种压缩空气耦合浅层地热蓄能系统的结构框图。
34.附图标记说明：
35.1-空气换热器；2-第一压气机(工频电机)；3-第一导热油换热器；4-第一冷却器；5-第二压气机(工频电机)；6-第二导热油换热器；7-第二冷却器；8-第三压气机(变频电机)；9-第一空气流量调节阀；10-第二空气流量调节阀；11-第三冷却器；12-储气盐穴；13-浅层地热井；14-第一地热井循环水泵；15-空气换热器循环水入口电动阀；16-空气换热器循环水出口电动阀；17-导热油热油罐；18-导热油循环油泵；19-第三导热油换热器；20-第一导热油换热器入口调节阀；21-第二导热油换热器入口调节阀；22-导热油冷油罐；23-第二地热井循环水泵；24-地源热泵；25-用户供热流量调节阀；26-热用户；27-环境温度传感器；28-空气换热器低温侧空气流量传感器；29-空气换热器高温侧温度传感器；30-空气换热器高温侧压力传感器；31-第一压气机入口温度传感器；32-第一压气机入口温度设定模块；33-空气换热器高温侧空气流量计算模块；34-第一pid控制器；35-第一导热油换热器空气侧出口温度传感器；36-第一导热油换热器空气侧出口温度设定模块；37-第二pid控制器；38-第二导热油换热器空气侧出口温度传感器；39-第二导热油换热器空气侧出口温度设定模块；40-第三pid控制器；41-第三压气机进口空气压力传感器；42-第三压气机出口空气压力传感器；43-储气盐穴储气压力；44-第三压气机转速计算模块；45-第四pid控制器；46-热用户室内温度传感器；47-热用户室内温度设定模块；48-第五pid控制器。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.如附图1所示，本发明提供的压缩空气耦合浅层地热蓄能系统，包括：空气侧回路、换热系统、浅层地热源供热系统和控制系统。
38.空气侧回路包括空气换热器1、第一压气机2、第一导热油换热器3、第一冷却器4、第二压气机5、第二导热油换热器6、第二冷却器7、第三压气机8、第三冷却器11和储气盐穴12；其中空气换热器1冷侧空气入口布置有环境温度传感器27、空气换热器低温侧空气流量传感器28；空气换热器1冷侧空气出口与第一压气机2相连，并在之前布置有第一压气机入口温度传感器31；随后第一压气机2与第一导热油换热器3空气侧入口相连，第一导热油换热器3空气侧出口与第一冷却器4空气侧进口管路上布置有第一导热油换热器空气侧出口温度传感器35；第一冷却器4空气侧出口与第二压气机5相连，随后与第二导热油换热器6空气侧入口相连，第二导热油换热器6空气侧出口与第二冷却器7空气侧进口管路上布置有第二导热油换热器空气侧出口温度传感器38；第二冷却器7空气侧出口与第三压气机8相连，第三压气机8空气进口侧布置有第三压气机进口空气压力传感器41，出口布置有第三压气机出口空气压力传感器42；第三压气机8出口分为两路管路布置，一路布置有第一空气流量调节阀9并随后与空气换热器1热侧空气入口相连，空气换热器1热侧空气入口布置有空气
25℃。随后通过第一压气机2进行一级压缩，经过第一导热油换热器3换热，将压缩热存储到导热油中；随后经过第一冷却器4将低温压缩热存储到地源热井的循环水中。随后经过第二压气机5进行二级压缩，依次经过第二导热油换热器6和第二冷却器7进行换热，将压缩热分别存储到导热油和地源热井的循环水中。导热油冷油罐17中的冷油经过导热油循环油泵18增压后经过第三导热油换热器19进行换热，随后分为两路分别进入第一导热油换热器3和第二导热油换热器6中进行换热，随后将热导热油送入导热油热油罐22中存储。浅层地热井13中的循环水经过第一地热井循环水泵14增压后，可分为四路，其中三路进入第一冷却器4、第二冷却器7、第三冷却器11中进行换热后回流至浅层地热井13；另外一路依次经过空气换热器循环水入口电动阀15、空气换热器1、空气换热器循环水出口电动阀16完成换热过程，可以通过换热量需求计算完成电动阀的开闭操作。第三压气机8出口空气经过第一空气流量调节阀9和空气换热器1、第二空气流量调节阀10后汇流送入第三冷却器11中换热，将压缩热存储于浅层地热井13中。最后将高压空气存储于储气盐穴12中供压缩空气储能系统释能过程使用。
44.其中浅层地热井13运行方法，冬季环境温度最低可达零下20-30℃，利用热水井热源将空气加热到20-25℃，保证非补燃式压缩空气储能系统运行在设计工况附近，将压缩过程导热油换热后的低温热量进行存储，提高压缩空气储能系统的循环效率；另一方面，将浅层地热井13中的循环水经过第二地热井循环水泵23增压后送入地源热泵24中，使用地源热泵24可以将地热井中的低温热能转换为较高温度的热能，并可用于室内供暖和生活热水。夏季可以将环境空气温度降低至额定工况，避免压缩热产生过多，降低储能效率；同时将压缩过程导热油换热后的低温热量存储于热水井并传导至浅层地热供生活区或冬季使用，将浅层地热井13中的循环水经过第二地热井循环水泵23增压后送入地源热泵24中，利用地源热泵24可以将地热井中的低温循环水转换为冷能供室内使用，同时也可以转换为生活热水使用。根据季节供暖取热和制冷存热相需要保持均衡，避免对生态的破坏。
45.其中涉及的关键自动控制环节包括空气换热器高温侧空气流量控制、导热油换热器导热油流量控制、第三压气机转速控制、热用户室内温度控制。
46.(1)空气换热器高温侧空气流量控制方法：
47.空气换热器高温侧空气流量计算模块33计算公式如下：
48.m
c_air
(h
c_out
[p
c_in
，t
c_outsp
]-h
c_in
[p
c_in
，t
c_in
])
[0049]
＝m
h_air
(h
h_in
[p
h_in
，t
h_in
]-h
h_out
[p
h_in
，(t
c_in
δt)])
[0050]
式中：m
c_air
、m
h_air
分别为空气换热器冷侧空气流量、热侧空气流量；h
c_in
、h
c_out
、h
h_in
、h
h_out
分别为空气换热器冷侧进口空气焓值、冷侧出口空气焓值、热侧进口空气焓值、热侧出口空气焓值；p
c_in
、p
h_in
分别为空气换热器冷侧进口空气压力、热侧进口空气压力；t
c_in
、t
h_in
分别为空气换热器冷侧进口空气温度、热侧进口空气温度；t
c_outsp
为空气换热器冷侧出口温度设定值；δt为冷侧空气温度端差；
[0051]
经过计算获得空气换热器高温侧空气流量计算模块33，然后通过调节阀开度-空气流量特性曲线，获得调节阀开度前馈送入第一pid控制器34；并将空气换热器冷侧出口温度设定值和冷侧出口温度实际测量值送入第一pid控制器34,输出第一空气流量调节阀9开度指令p
1(t)
[0052][0053]
其中，e
1(t)
为t时刻，空气换热器冷侧出口温度实际测量值与冷侧出口温度设定值之间的偏差；k1为设定的参数增益，t
1i
表示积分时间，t
1d
表示微分时间。
[0054]
(2)第一导热油换热器3的导热油流量控制方法：
[0055]
通过将第一导热油换热器3空气侧出口温度和空气侧出口温度设定值送入第二pid控制器37中，通过pid计算后生成第一导热油换热器入口调节阀20开度指令，从而调节导热油流量。第一导热油换热器入口调节阀20开度指令p
2(t)
：
[0056][0057]
其中，e
2(t)
为t时刻，第一导热油换热器3空气侧出口温度实际测量值与设定值之间的偏差；k2为设定的参数增益，t
2i
表示积分时间，t
2d
表示微分时间。
[0058]
第一导热油换热器3的导热油流量控制方法相同，不再赘述。
[0059]
(3)第三压气机转速控制方法：
[0060]
通过将第三压气机进口压力、储气盐穴储气压力43和空气换热器低温侧空气流量送入第三压气机转速计算模块44中，通过压比、流量与转速特性曲线，获得第三压气机转速计算值作为前馈送入第四pid控制器45。同时将储气盐穴储气压力43、第三压气机出口压力送入第四pid控制器45中，从而获得第三压气机转速控制指令。
[0061]
压力
[0062][0063]nc3
＝f(ε
c3
,m
c3
)
[0064][0065]
其中，ε
c3
表示第三压气机计算压比；p
cave
表示储气盐穴储气压力43；δp为压力损耗量；p
c3_in
表示第三压气机空气进口压力；m
c3
为第三压气机空气流量；n
c3
表示第三压气机转速计算值；e
3(t)
为t时刻，第三压气机出口压力计算值与第三压气机出口压力实际测量值之间的偏差；k3为设定的参数增益，t
3i
表示积分时间，t
3d
表示微分时间。
[0066]
(4)热用户室内温度控制方法：
[0067]
将热用户26室内温度测量值、热用户室内温度设定模块47送入第五pid控制器48进行计算，获得用户供热流量调节阀25开度指令p
4(t)
：
[0068][0069]
其中，e
4(t)
为t时刻，热用户26室内温度测量值与设定值之间的偏差；k4为设定的参数增益，t
4i
表示积分时间，t
4d
表示微分时间。
[0070]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在
本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。