CN105351022B - 一种分布式供能压缩气体储能*** - Google Patents

一种分布式供能压缩气体储能*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现分布式供能的压缩气体储能***，该***在储能阶段利用富余电力完成水的电解，甲烷的制备，二氧化碳、甲烷和空气的压缩和地下存储，并完成空气压缩过程热的存储。在释能阶段，气体地下存储***提供充足的甲烷、二氧化碳和空气，电解水***和甲烷制备***为二氧化碳释能***和空气释能***提供高温热量来源，保证二氧化碳释能***与空气释能***提供充足电能。空气压缩过程热与甲烷燃烧热用于热量供应，可根据用户对热量等级的差异提供不同品位的热量。空气释能***膨胀后的空气为用户提供冷量供应。

Description

一种分布式供能压缩气体储能***
技术领域
本发明涉及储能技术和分布式供能技术领域，具体的说，是一种集成了水的电解，甲烷的制备，甲烷、二氧化碳和空气的地下存储与利用技术，以富余电能或可再生能源为主要能量来源，可供应电、热、冷的多功能储能***。
背景技术
储能技术是一种减少能源的浪费、提高能量利用效率的重要方法。在目前技术较为成熟的多种储能技术中，压缩气体储能技术被认为是一种效率较高、经济性好、使用寿命长的物理储能技术。除了可实现能量的高效存储和利用，压缩气体储能技术被认为有应用于分布式能源领域的潜力，因此受到国内外专家学者的重视。
目前针对压缩气体储能技术的研究主要集中于以空气为介质的储能***，比较有代表性的***包括使用化石燃料的压缩空气储能***，带热存储技术的绝热型压缩空气储能***，等温型压缩空气储能***，超临界压缩空气储能***等。这些***的储能效率较高(50％-70％)，但主要以供电为主，因此尚无法灵活应对人类对不同能量(电、热、冷)的需求变化，在实际应用方面受到限制。
近些年，随着全球气候变化问题的加剧，对造成气候变暖的重要因素——二氧化碳的有效利用成为研究热点问题。其中，强化地热***(Enhanced Geothermal Systems，简称EGS)是近些年提出的一种可实现部分二氧化碳有效封存，同时又能利用二氧化碳获取地热能的新方法。该***一般将二氧化碳加压注入地下(2-5km)，吸收地下深层的地热能(大于250℃)，随后对二氧化碳进行开采。开采得到的二氧化碳温度可达到200℃，主要用于发电。而在这个过程中，部分二氧化碳会存储于地下，只有一部分二氧化碳参与地热采集。因此该***不仅可以实现二氧化碳的地下封存，还能有效利用地热能，具有良好的经济效益。
此外，也有学者提出以二氧化碳为工质构建新型储能***的设想。研究人员指出，二氧化碳无毒、不易燃、密度高，流动性和传输特性良好，物理和化学特性优良，可用于制冷、化工等多种领域；对二氧化碳加以利用亦可以减少二氧化碳在大气中的含量，缓解温室效应。因此二氧化碳在储能领域是一种有巨大开发潜力的工质。
为了进一步提高压缩气体储能技术的应用价值，更好地应对人类对不同能量的需求变化，本发明提出了一种可实现分布式供能的压缩气体储能***，以二氧化碳和空气为工作介质，实现电、热、冷的选择性供应。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种可实现分布式供能的压缩气体储能***，该***以二氧化碳和空气存储利用为基础，结合水的电解和甲烷制备技术，可以高效利用富余电能完成能量存储，并在释能阶段根据用户需求供应电、热和冷能。该***可灵活应对能量需求，并可以可再生能源为能量来源，具有良好的环保效益和节能效益。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种分布式供能压缩气体储能***，包括电解水单元、甲烷制备存储单元、空气存储释能单元、二氧化碳存储释能单元、储热供热单元和供冷单元，其特征在于，
--所述电解水单元包括通过管路连接的储水箱、电解设备、氧气收集器、氢气收集器、氧气存储器、氢气存储器，其中：所述储水箱供水口通过管路与电解设备相连；所述电解设备通过管路分别与氧气收集器和氢气收集器入口端相连通；所述氧气收集器出口端通过管路与氧气存储器的入口端相连；所述氢气收集器出口端通过管路与氢气存储器的入口端相连；
--所述甲烷制备存储单元包括通过管路连接的二氧化碳供应源、二氧化碳输运主管道、甲烷制备装置、甲烷注入井，其中：所述二氧化碳供应源通过管道连接二氧化碳输运主管道的入口端；所述二氧化碳输运主管道的出口端通过管道分别与甲烷制备装置和二氧化碳注入井的入口端连通；所述氢气存储器出口端与甲烷制备装置入口端通过管道相连通；所述甲烷制备装置出口端通过管道与甲烷注入井相连；
--所述空气存储释能单元包括通过管路依次连接的多级压缩机组、空气压缩换热器、空气注入井、空气地下存储器、空气开采井、空气燃烧加热器、多级空气透平机组，其中：所述多级压缩机组通过管路经过空气压缩换热器的热侧后与空气注入井相连通；所述空气注入井与空气地下存储器相连通；所述空气地下存储器与空气开采井相连通；所述空气开采井通过管道与空气燃烧加热器入口端相连通；所述空气燃烧加热器入口端还通过管路分别与空气侧甲烷开采井、氧气存储器出口端相连通，所述空气侧甲烷开采井与甲烷注入井连通；所述空气燃烧加热器出口端通过管路与多级空气透平机组入口端相连通；所述多级空气透平机组出口端通过管路与二氧化碳输运主管道相连通；
--所述二氧化碳存储释能单元包括二氧化碳注入井、供电模式二氧化碳开采井、高压级二氧化碳膨胀机、低压级二氧化碳膨胀机，其中：所述二氧化碳注入井出口端与地下存储容腔相连通；所述地下存储容腔与供电模式二氧化碳开采井入口端相连通；所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端通过管路相连通；所述高压级二氧化碳膨胀机出口端经过并联的无供电管路和辅助供电管路与二氧化碳输运主管道相连通，辅助供电管路上设有低压级二氧化碳膨胀机，管路经过所述储热供热单元中的二氧化碳侧燃烧室冷侧后连通所述低压级二氧化碳膨胀机入口端；
--所述储热供热单元包括低压级储热器、高压级储热器、低压级储热换热器、高压级储热换热器、二氧化碳侧燃烧室、二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器，其中：所述低压级储热器、高压级储热器入口端经过管路与所述储水箱的供水端相连接，管路分别经过低压级空气换热器和高压级空气换热器的冷侧；所述低压级储热器、高压级储热器出口端分别经过管路与所述储水箱的回水端相连接，管路分别与低压级储热换热器、高压级储热换热器的热侧相连通；所述二氧化碳侧燃烧室入口端通过管路分别与二氧化碳侧甲烷开采井、氧气存储器出口端相连通，所述二氧化碳侧甲烷开采井与甲烷注入井连通，所述二氧化碳侧燃烧室经过并联的无供热管路和供热管路与二氧化碳输运主管道相连通，供热管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器热侧连通；
--所述供冷单元包括空气膨胀装置、冷量利用换热器，其中：所述空气膨胀装置入口端通过管路与空气开采井相连通；所述空气膨胀装置出口端管路与冷量利用换热器冷侧相连通。
优选地，所述储水箱供水口与电解设备之间的连接管路上设有电解设备供水端止回阀、电解设备供水端过滤器。
优选地，所述二氧化碳输运主管道与甲烷制备装置相连的管道上设置有二氧化碳供应端过滤器、二氧化碳供应端压力调节器；所述甲烷制备存储单元还包括甲烷制备装置二氧化碳开采井，所述甲烷制备装置二氧化碳开采井与二氧化碳注入井连通，所述甲烷制备装置入口通过管路与甲烷制备装置二氧化碳开采井相连通，管路之间设置有甲烷制备装置二氧化碳开采井阀门、甲烷制备装置二氧化碳开采井过滤器、甲烷制备装置二氧化碳开采井温度调节器、甲烷制备装置二氧化碳开采井压力调节器。
优选地，所述氢气存储器出口端与甲烷制备装置入口端之间的管道上设置有甲烷制备装置氢气供应端阀门。
优选地，所述甲烷制备装置出口端与甲烷注入井相连的管道中间设置有甲烷制备装置出口分离设备、甲烷注入井入口过滤器、甲烷注入井入口压力调节器。
优选地，所述空气燃烧加热器入口端与空气侧甲烷开采井之间设置有空气侧甲烷开采井阀门、空气侧甲烷开采井过滤器；所述空气燃烧加热器入口端与氧气存储器出口端之间设有氧气存储器氧气供应阀门、空气燃烧加热器氧气供应端阀门。
优选地，所述二氧化碳注入井入口端通过二氧化碳注入井阀门与二氧化碳供应端压力调节器出口端相连通；所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端管路之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门、供电模式二氧化碳开采井过滤器。
优选地，所述低压级二氧化碳膨胀机入口端设有二氧化碳侧燃烧室二氧化碳供应端阀门，所述低压级二氧化碳膨胀机出口端设置有低压级二氧化碳释能阀门。
优选地，所述低压级储热换热器的冷侧通过管路与低品位热用户相连通，所述高压级储热换热器的冷侧通过管路与高品位热用户相连通；所述二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器的冷侧通过管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用热用户相连通。
优选地，所述二氧化碳侧燃烧室入口端与氧气存储器出口端之间设置有氧气存储器氧气供应阀门、二氧化碳侧燃烧室氧气供应端阀门；所述二氧化碳侧燃烧室入口端与二氧化碳侧甲烷开采井之间设置有二氧化碳侧甲烷开采井阀门、二氧化碳侧甲烷开采井过滤器；所述二氧化碳侧燃烧室出口端与二氧化碳输运主管道的管路之间设置有二氧化碳侧燃烧室排气分离器、二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器。
优选地，所述冷量利用换热器热侧通过管路与冷量需求用户相连通。
优选地，所述压力调节器、压缩机、透平机均驱动连接有电动机。
优选地，所述储水箱供水口与电解设备之间设有电解设备供水端开关阀；所述电解设备与氧气收集器、氢气收集器入口端之间设置有氢氧分离器、氢氧过滤器；所述氧气收集器出口端与氧气存储器的入口端之间设置有氧气压力调节器；所述氢气收集器出口端与氢气存储器的入口端之间设置有氢气压力调节器。
优选地，所述二氧化碳输运主管道的出口端在与二氧化碳注入井相连的管道上设置有二氧化碳注入井阀门、在与甲烷制备装置相连的管道上设置有甲烷制备装置二氧化碳供应端阀门；所述甲烷制备装置出口端与甲烷注入井之间设置有甲烷注入井阀门。
优选地，所述多级压缩机组与空气注入井之间设置有空气注入井阀门；所述空气开采井与空气燃烧加热器入口端之间设置有空气开采井阀门和空气燃烧加热器空气供应端阀门；所述空气开采井与空气膨胀装置入口端之间设置有空气冷量供应端阀门；所述多级空气透平机组出口端与二氧化碳输运主管道之间设置有透平机出口分离器。
优选地，所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门；所述高压级二氧化碳膨胀机出口端的无供电管路上设有高压级二氧化碳释能阀门。
优选地，所述低压级储热器、高压级储热器入口端与所述储水箱的供水端间设置有储热设备供水端开关阀；所述低压级储热器、高压级储热器出口端与所述储水箱的回水端间分别设置有低压级储热介质热量供应阀门、高压级储热介质热量供应阀门、低压级储热介质回收端阀门、高压级储热介质回收端阀门；所述二氧化碳侧燃烧室的无供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室排气阀，供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室余热供应端阀门、二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门。
由以上技术方案可知，本发明的优点是：
1、本发明以二氧化碳和空气为主要工作介质，实现了两者的联合应用，强化了储能***的供能能力，使***可根据用户对不同能量的需求情况，合理分配和供应能量，减少了能量的浪费，提高了能量利用效率。
2、本发明利用甲烷制备技术，为提高储能***的供能效率提供支持；同时甲烷气体在地下的存储和利用与二氧化碳的存储和利用相辅相成，可以提高二氧化碳的存储和利用效率，实现了工质气体的循环利用，避免了污染性气体向大气环境的排放。
3、本发明可以富余电力为能量来源，也可以利用风能等可再生能源为***的电力来源，并可利用地热能实现辅助供热，保证***供能的高效性和稳定性。本***可与热电厂联合使用，也可用于独立建筑或小区，是一种环保、节能型***。
附图说明
图1为本发明的分布式供能压缩气体储能***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明的分布式供能压缩气体储能***，由储水箱1，电解设备供水端开关阀2，电解设备供水端止回阀3，电解设备供水端过滤器4，电解设备5，氢氧分离器6，氢氧过滤器7，氧气收集器8，氢气收集器9，氧气压力调节器10，氧气存储器11，氢气压力调节器12，氢气存储器13，二氧化碳供应源14，二氧化碳输运主管道15，二氧化碳供应端过滤器16，二氧化碳供应端压力调节器17，二氧化碳注入井阀门18，二氧化碳注入井19，甲烷制备装置二氧化碳供应端阀门20，甲烷制备装置氢气供应端阀门21，甲烷制备装置22，甲烷制备装置出口分离设备23，甲烷注入井入口过滤器24，甲烷注入井入口压力调节器25，甲烷注入井阀门26，甲烷注入井27，甲烷制备装置二氧化碳开采井28，甲烷制备装置二氧化碳开采井阀门29，甲烷制备装置二氧化碳开采井过滤器30，甲烷制备装置二氧化碳开采井温度调节器31，甲烷制备装置二氧化碳开采井压力调节器32，低压级空气压缩机33，低压级电动机34，低压级空气换热器35，高压级空气压缩机36，高压级电动机37，高压级空气换热器38，空气注入井阀门39，空气注入井40，空气地下存储器41，储热设备供水端开关阀42，低压级储热器43，高压级储热器44，供电模式二氧化碳开采井45，供电模式二氧化碳开采井阀门46，供电模式二氧化碳开采井过滤器47，高压级二氧化碳膨胀机48，高压级二氧化碳释能发电机49，高压级二氧化碳释能阀门50，空气开采井51，空气开采井阀门52，空气燃烧加热器空气供应端阀门53，空气燃烧加热器54，空气侧甲烷开采井55，空气侧甲烷开采井阀门56，空气侧甲烷开采井过滤器57，氧气存储器氧气供应阀门58，空气燃烧加热器氧气供应端阀门59，多级空气透平机组60，空气侧释能发电机61，透平机出口分离器62，二氧化碳侧甲烷开采井63，二氧化碳侧甲烷开采井阀门64，二氧化碳侧甲烷开采井过滤器65，二氧化碳侧燃烧室66，二氧化碳侧燃烧室氧气供应端阀门67，二氧化碳侧燃烧室二氧化碳供应端阀门68，低压级二氧化碳膨胀机69，低压级二氧化碳释能发电机70，低压级二氧化碳释能阀门71，二氧化碳侧燃烧室排气阀72，二氧化碳侧燃烧室排气分离器73，二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器74，低压级储热介质热量供应阀门75，低压级储热换热器76，低品位热用户77，低压级储热介质回收端阀门78，高压级储热介质热量供应阀门79，高压级储热换热器80，高品位热用户81，高压级储热介质回收端阀门82，二氧化碳侧燃烧室余热供应端阀门83，二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门84，二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器85，二氧化碳侧燃烧室余热利用热用户86，空气冷量供应端阀门87，空气膨胀装置88，冷量利用换热器89，冷量需求用户90。
具体的，本发明的分布式供能压缩气体储能***，包括电解水单元、甲烷制备存储单元、空气存储释能单元、二氧化碳存储释能单元、储热供热单元和供冷单元。各功能单元的结构和功能如下：
电解水单元包括通过管路连接的储水箱1、电解设备5、氧气收集器8、氢气收集器9、氧气存储器11、氢气存储器13，其中：储水箱1供水口通过管路与电解设备5相连，两者之间设有电解设备供水端开关阀2；电解设备5通过管路与氧气收集器8和氢气收集器9入口端相连通，管路之间设置有氢氧分离器6、氢氧过滤器7；氧气收集器8出口端通过管路与氧气存储器11的入口端相连，管路之间设置有氧气压力调节器10；氢气收集器9出口端通过管路与氢气存储器13的入口端相连，管路之间设置有氢气压力调节器12。
甲烷制备存储单元包括通过管路依次连接的二氧化碳供应源14、二氧化碳输运主管道15、甲烷制备装置22、甲烷注入井27，其中：二氧化碳供应源14通过管道连接二氧化碳输运主管道15；二氧化碳输运主管道15与甲烷制备装置22相连的管道上设置有二氧化碳注入井阀门18、甲烷制备装置二氧化碳供应端阀门20；氢气存储器13出口端与甲烷制备装置22入口端通过管道相连通；甲烷制备装置22出口端通过管道与甲烷注入井27相连，管道之间设置有甲烷注入井阀门26。
空气存储释能单元包括通过管路依次连接的多级压缩机组33/36、空气压缩换热器35/38、空气注入井40、空气地下存储器41、空气开采井51、空气燃烧加热器54、多级空气透平机组60，其中：多级压缩机组33/36通过管路经过空气压缩换热器35/38的热侧后与空气注入井40相连通，管道之间设置有空气注入井阀门39；空气注入井40与空气地下存储器41相连通；空气地下存储器41与空气开采井51相连通；空气开采井51通过管道与空气燃烧加热器54入口端相连通，管道之间设置有空气开采井阀门52和空气燃烧加热器空气供应端阀门53；空气燃烧加热器54出口端通过管路与多级空气透平机组60入口端相连通；多级空气透平机组60出口端通过管路与二氧化碳输运主管道15相连通，管道之间设置有透平机出口分离器62。
二氧化碳存储释能单元包括二氧化碳注入井19、供电模式二氧化碳开采井45、高压级二氧化碳膨胀机48、低压级二氧化碳膨胀机69，其中：二氧化碳注入井19出口端与地下存储容腔相连通；地下存储容腔与供电模式二氧化碳开采井45入口端相连通；供电模式二氧化碳开采井45出口端与高压级二氧化碳膨胀机48入口端通过管路相连通，管路之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门46；高压级二氧化碳膨胀机48出口端经过并联的无供电管路分别和辅助供电管路、二氧化碳输运主管道相连通，无供电管路上设有高压级二氧化碳释能阀门50，辅助供电管路上设有低压级二氧化碳膨胀机69，管路经过二氧化碳侧燃烧室66冷侧后连通低压级二氧化碳膨胀机69入口端。
储热供热单元包括低压级储热器43、高压级储热器44、低压级储热换热器35、高压级储热换热器38、二氧化碳侧燃烧室66、二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器85，其中：低压级储热器43、高压级储热器44入口端经过管路与储水箱1的供水端相连接，管路中间设置有储热设备供水端开关阀42，管路分别经过低压级空气换热器35和高压级空气换热器38的冷侧；低压级储热器43、高压级储热器44出口端分别经过管路与储水箱1的回水端相连接，管路中间分别设置有低压级储热介质热量供应阀门75、高压级储热介质热量供应阀门79、低压级储热介质回收端阀门78、高压级储热介质回收端阀门82，管路分别与低压级储热换热器35、高压级储热换热器38的热侧相连通；二氧化碳侧燃烧室66经过并联的无供热管路和供热管路与二氧化碳输运主管道15相连通，无供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室排气阀72，供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室余热供应端阀门83、二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门84，管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器85热侧连通。
供冷单元包括空气膨胀装置88、冷量利用换热器89，其中：空气膨胀装置88入口端通过管路与空气开采井51相连通，管路之间设置有空气开采井阀门52、空气冷量供应端阀门87；空气膨胀装置88出口端管路与冷量利用换热器89冷侧相连通。
储水箱1供水口与电解设备5之间的连接管路上设有电解设备供水端止回阀3、电解设备供水端过滤器4。
二氧化碳输运主管道15与甲烷制备装置22相连的管道上设置有二氧化碳供应端过滤器16、二氧化碳供应端压力调节器17；甲烷制备装置22入口通过管路与甲烷制备装置二氧化碳开采井28相连通，管路之间设置有甲烷制备装置二氧化碳开采井阀门29、甲烷制备装置二氧化碳开采井过滤器30、甲烷制备装置二氧化碳开采井温度调节器31、甲烷制备装置二氧化碳开采井压力调节器32。
氢气存储器13出口端与甲烷制备装置22入口端之间的管道上设置有甲烷制备装置氢气供应端阀门21。
甲烷制备装置22出口端与甲烷注入井27相连的管道中间设置有甲烷制备装置出口分离设备23、甲烷注入井入口过滤器24、甲烷注入井入口压力调节器25。
空气燃烧加热器54入口端通过管路与空气侧甲烷开采井55相连通，管路之间设置有空气侧甲烷开采井阀门56、空气侧甲烷开采井过滤器57；空气燃烧加热器54入口端通过管路与氧气存储器11出口端相连通，管路之间设有氧气存储器氧气供应阀门58、空气燃烧加热器氧气供应端阀门59。
二氧化碳注入井19入口端通过二氧化碳注入井阀门18与二氧化碳供应端压力调节器17出口端相连通；供电模式二氧化碳开采井45出口端与高压级二氧化碳膨胀机48入口端管路之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门46、供电模式二氧化碳开采井过滤器47。
低压级二氧化碳膨胀机69入口端设有二氧化碳侧燃烧室二氧化碳供应端阀门68，低压级二氧化碳膨胀机69出口端设置有低压级二氧化碳释能阀门71。
低压级储热换热器76的冷侧通过管路与低品位热用户77相连通，高压级储热换热器80的冷侧通过管路与高品位热用户81相连通；二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器85的冷侧通过管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用热用户86相连通。
二氧化碳侧燃烧室66入口端通过管路与氧气存储器11出口端相连通，管路之间设置有氧气存储器氧气供应阀门58、二氧化碳侧燃烧室氧气供应端阀门67；二氧化碳侧燃烧室66入口端通过管路与二氧化碳侧甲烷开采井63相连通，管路之间设置有二氧化碳侧甲烷开采井阀门64、二氧化碳侧甲烷开采井过滤器65；二氧化碳侧燃烧室66出口端与二氧化碳输运主管道15的管路之间设置有二氧化碳侧燃烧室排气分离器73、二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器74。
冷量利用换热器89热侧通过管路与冷量需求用户90相连通。
***中的各压力调节器、压缩机、透平机均驱动连接有电动机。
具体操作过程为：
储能阶段，当有富余电力供应时，***主要包括甲烷制备、二氧化碳和空气的地下存储。
电解设备供水端开关阀2打开，储水箱1供应水依次经电解设备供水端开关阀2、电解设备供水端止回阀3、电解设备供水端过滤器4进入电解设备5。其中，电解设备供水端止回阀3防止供水回流，电解设备供水端过滤器4对供水进行过滤。供水在电解设备5中进行电解过程，得到氢气和氧气。氢气和氧气随后经氢氧分离器6进行分离，再经氢氧过滤器7过滤，得到的高纯度氧气进入氧气收集器8，得到的高纯度氢气进入氢气收集器9。氧气收集器8中的氧气经氧气压力调节器10进行压力调节，随后进入氧气存储器11存储。氢气收集器9中的氢气经氢气压力调节器12进行压力调节，随后进入氢气存储器13存储。
同时，二氧化碳注入井阀门18打开，二氧化碳供应源14供应二氧化碳，由二氧化碳输运主管道15输送，依次经二氧化碳供应端过滤器16滤去杂质，二氧化碳供应端压力调节器17调节压力，由二氧化碳注入井19注入地下进行存储。为完成甲烷制备，甲烷制备装置二氧化碳供应端阀门20打开，部分二氧化碳进入甲烷制备装置22，同时甲烷制备装置氢气供应端阀门21打开，氢气存储器13供应氢气进入甲烷制备装置22。在甲烷制备装置22中基于二氧化碳和氢气的化学反应，得到甲烷气体。此时甲烷注入井阀门26打开，离开甲烷制备装置22的甲烷经甲烷制备装置出口分离设备23、甲烷注入井入口过滤器24分离、过滤杂质，经由甲烷注入井入口压力调节器25调节压力至合适值，经甲烷注入井27进入地下存储。需要指出的是，当地理条件适宜、有足够的独立空间分别存储二氧化碳和甲烷时，二氧化碳与甲烷的地下存储深度可以有所差异，以此避免二氧化碳和甲烷的混合；当地理条件苛刻、存储空间不足以分别存储二氧化碳和甲烷时，二氧化碳和甲烷可混合存储，利用二氧化碳与甲烷的密度差形成分层，以此降低二氧化碳和甲烷的混合程度，同时有利于提高释能阶段二氧化碳和甲烷的开采效率。
在制备甲烷过程中，当对二氧化碳供应的需求量较大时，可打开甲烷制备装置二氧化碳开采井阀门29，地下存储的二氧化碳经由甲烷制备装置二氧化碳开采井28由地下输送至地面，依次经过甲烷制备装置二氧化碳开采井过滤器30过滤、甲烷制备装置二氧化碳开采井温度调节器31调节温度、甲烷制备装置二氧化碳开采井压力调节器32调节压力，进入甲烷制备装置22，保证甲烷制备过程的顺利进行。
另一方面储能阶段还包括高压空气的存储。空气经由低压级空气压缩机33压缩，压力升高温度升高，随后进入低压级空气换热器35完成换热降温，降温后的空气进入高压级空气压缩机36再压缩，升温升压后进入高压级空气换热器38换热降温。其中低压级空气压缩机33与高压级空气压缩机36分别由低压级电动机34和高压级电动机37带动。随后空气注入井阀门39打开，降温后的高压空气经由空气注入井40进入地下储气器41完成存储。
此外，在换热过程中，储热设备供水端开关阀42打开，储水箱1分别供应低温水至低压级空气换热器35和高压级空气换热器38，低温水吸收空气热量之后温度升高，分别存储于低压级储热器43和高压级储热器44中。需要指出的是，由于低压级空气压缩机33和高压级空气压缩机36出口空气温度存在差异，低压级储热器43和高压级储热器44中储热温度存在不同。
释能阶段，***可实现电能、热能和冷能的供应。其中，电能的供应主要来自：
途径一，供电模式二氧化碳开采井阀门46打开，地下存储的二氧化碳进入供电模式二氧化碳开采井45，经过供电模式二氧化碳开采井过滤器47过滤，进入高压级二氧化碳膨胀机48膨胀做功。由于二氧化碳在地下存储期间吸收了部分地热能，温度升高(约200℃)，因此可实现一定的电力供应。高压级二氧化碳膨胀机48带动高压级二氧化碳释能发电机49对外发电。膨胀做功后，高压级二氧化碳释能阀门50打开，二氧化碳经由管道输送至二氧化碳输运主管道15，利用富裕电力实现再存储。
途径二，空气开采井阀门52打开，空气燃烧加热器空气供应端阀门53打开，空气地下存储器41中存储的高压空气经由空气开采井51进入空气燃烧加热器54。同时，空气侧甲烷开采井阀门56打开，地下存储的甲烷经由空气侧甲烷开采井55输送至地面，经过空气侧甲烷开采井过滤器57过滤，进入空气燃烧加热器54；氧气存储器氧气供应阀门58打开，空气燃烧加热器氧气供应端阀门59打开，氧气存储器11供应氧气经管道输送至空气燃烧加热器54。空气、甲烷和氧气在空气燃烧加热器54中混合燃烧，温度升高，生成的高温燃气进入多级空气透平机组60膨胀做功，多级空气透平机组60带动燃气侧释能发电机61对外发电。膨胀做功之后的乏气经过透平机出口分离器62，分离出二氧化碳气体，输运到二氧化碳输运主管道15用于再次存储。
当上述两种途径的供电仍不能满足电力需求时，可进一步利用高压级二氧化碳膨胀机48出口二氧化碳进行再次膨胀做功。此时，二氧化碳侧甲烷开采井阀门64打开，地下存储的甲烷经由二氧化碳侧甲烷开采井63输运至地面，经过二氧化碳侧甲烷开采井过滤器65滤去杂质，进入二氧化碳侧燃烧室66。同时，氧气存储器氧气供应阀门58打开，二氧化碳侧燃烧室氧气供应端阀门67打开，氧气存储器11供应氧气经管道输送至二氧化碳侧燃烧室66。甲烷与氧气在二氧化碳侧燃烧室66中燃烧，温度升高。此时高压级二氧化碳释能阀门50关闭，二氧化碳侧燃烧室二氧化碳供应端阀门68打开，高压级二氧化碳膨胀机48出口二氧化碳经过二氧化碳侧燃烧室66升温，进入低压级二氧化碳膨胀机69，低压级二氧化碳膨胀机69带动低压级二氧化碳释能发电机70对外发电。随后低压级二氧化碳释能阀门71打开，膨胀之后的二氧化碳经管道输送至二氧化碳输运主管道15以便再存储。二氧化碳侧燃烧室66排除的高温气体则经由打开的二氧化碳侧燃烧室排气阀72，经过二氧化碳侧燃烧室排气分离器73分离杂质、保留二氧化碳，经二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器74调控温度后，输运到二氧化碳输运主管道15。
释能阶段***热能的供应主要来自：
途径一，***储能阶段在低压级储热器43和高压级储热器44中存储的热量。由于收集的低压级和高压级压缩热温度品位不同(一般来说，高压级储热器44中的温度要高于低压级储热器43中的温度)，因此可根据用户对温度等级的需求选择性供应。当需要供应低品位热量时，低压级储热介质热量供应阀门75打开，载有低品位热的热介质(水)经低压级储热换热器76换热降温，热量传递给需求低品位热用户77，同时低压级储热介质回收端阀门78打开，热介质(水)经管路被储水箱1回收。当需要供应高品位热量时，高压级储热介质热量供应阀门79打开，载有高品位热的热介质(水)经高压级储热换热器80换热降温，热量传递给需求高品位热用户81，同时高压级储热介质回收端阀门82打开，热介质(水)经管路被储水箱1回收。
途径二，甲烷与氧气在二氧化碳侧燃烧室66中燃烧后排除的高温气体。经过高压级二氧化碳膨胀机48排放的二氧化碳在二氧化碳侧燃烧室66中的换热，二氧化碳侧燃烧室66中燃烧后排除的高温气体温度有所降低，但仍可保持较高的温度(可高于高压级储热器44中的温度)。因此当需要供应更高品位热量时，二氧化碳侧燃烧室排气阀72关闭，二氧化碳侧燃烧室余热供应端阀门83开启，二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门84开启，二氧化碳侧燃烧室66排出的高温气体进入二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器85，热量传递给需求二氧化碳侧燃烧室余热利用热用户86。换热降温之后的乏气依次经过二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门84、二氧化碳侧燃烧室排气分离器73分离杂质、保留二氧化碳，二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器74调控温度后，输运到二氧化碳输运主管道15。
释能阶段***冷能的供应主要来自：
空气开采井阀门52开启，空气燃烧加热器空气供应端阀门53关闭，空气冷量供应端阀门87开启。空气地下存储器41存储的高压空气经由空气开采井51，依次通过空气开采井阀门52和空气冷量供应端阀门87进入空气膨胀装置88。由于入口温度较低(接近环境温度)，因此经膨胀之后，空气膨胀装置88出口空气温度较低。空气膨胀装置88排除的低温空气经过冷量利用换热器89换热升温后排入大气，冷量则供给冷量需求用户90。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种分布式供能压缩气体储能***，包括电解水单元、甲烷制备存储单元、空气存储释能单元、二氧化碳存储释能单元、储热供热单元和供冷单元，其特征在于，
--所述电解水单元包括通过管路连接的储水箱、电解设备、氧气收集器、氢气收集器、氧气存储器、氢气存储器，其中：所述储水箱供水口通过管路与电解设备相连；所述电解设备通过管路分别与氧气收集器和氢气收集器入口端相连通；所述氧气收集器出口端通过管路与氧气存储器的入口端相连；所述氢气收集器出口端通过管路与氢气存储器的入口端相连；
--所述甲烷制备存储单元包括通过管路连接的二氧化碳供应源、二氧化碳输运主管道、甲烷制备装置、甲烷注入井，其中：所述二氧化碳供应源通过管道连接二氧化碳输运主管道的入口端；所述二氧化碳输运主管道的出口端通过管道分别与甲烷制备装置和二氧化碳注入井的入口端连通；所述氢气存储器出口端与甲烷制备装置入口端通过管道相连通；所述甲烷制备装置出口端通过管道与甲烷注入井相连；
--所述空气存储释能单元包括通过管路依次连接的多级压缩机组、空气压缩换热器、空气注入井、空气地下存储器、空气开采井、空气燃烧加热器、多级空气透平机组，所述空气压缩换热器包括低压级空气换热器和高压级空气换热器，其中：所述多级压缩机组通过管路经过空气压缩换热器的热侧后与空气注入井相连通；所述空气注入井与空气地下存储器相连通；所述空气地下存储器与空气开采井相连通；所述空气开采井通过管道与空气燃烧加热器入口端相连通；所述空气燃烧加热器入口端还通过管路分别与空气侧甲烷开采井、氧气存储器出口端相连通，所述空气侧甲烷开采井与甲烷注入井连通；所述空气燃烧加热器出口端通过管路与多级空气透平机组入口端相连通；所述多级空气透平机组出口端通过管路与二氧化碳输运主管道相连通；
--所述二氧化碳存储释能单元包括二氧化碳注入井、供电模式二氧化碳开采井、高压级二氧化碳膨胀机、低压级二氧化碳膨胀机，其中：所述二氧化碳注入井出口端与地下存储容腔相连通；所述地下存储容腔与供电模式二氧化碳开采井入口端相连通；所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端通过管路相连通；所述高压级二氧化碳膨胀机出口端经过并联的无供电管路和辅助供电管路与二氧化碳输运主管道相连通，辅助供电管路上设有低压级二氧化碳膨胀机，管路经过所述储热供热单元中的二氧化碳侧燃烧室冷侧后连通所述低压级二氧化碳膨胀机入口端；
--所述储热供热单元包括低压级储热器、高压级储热器、低压级储热换热器、高压级储热换热器、二氧化碳侧燃烧室、二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器，其中：所述低压级储热器入口端经过低压级空气换热器的冷侧管路与所述储水箱的供水端相连接，所述高压级储热器入口端经过高压级空气换热器的冷侧管路与所述储水箱的供水端相连接；所述低压级储热器出口端经过低压级储热换热器的热侧管路与所述储水箱的回水端相连接，所述高压级储热器出口端经过高压级储热换热器的热侧管路与所述储水箱的回水端相连接；所述二氧化碳侧燃烧室入口端通过管路分别与二氧化碳侧甲烷开采井、氧气存储器出口端相连通，所述二氧化碳侧甲烷开采井与甲烷注入井连通，所述二氧化碳侧燃烧室经过并联的无供热管路和供热管路与二氧化碳输运主管道相连通，供热管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器热侧连通；
--所述供冷单元包括空气膨胀装置、冷量利用换热器，其中：所述空气膨胀装置入口端通过管路与空气开采井相连通；所述空气膨胀装置出口端管路与冷量利用换热器冷侧相连通。
2.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述储水箱供水口与电解设备之间的连接管路上设有电解设备供水端止回阀、电解设备供水端过滤器。
3.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述二氧化碳输运主管道与甲烷制备装置相连的管道上设置有二氧化碳供应端过滤器、二氧化碳供应端压力调节器；所述甲烷制备存储单元还包括甲烷制备装置二氧化碳开采井，所述甲烷制备装置二氧化碳开采井与二氧化碳注入井连通，所述甲烷制备装置入口通过管路与甲烷制备装置二氧化碳开采井相连通，管路之间设置有甲烷制备装置二氧化碳开采井阀门、甲烷制备装置二氧化碳开采井过滤器、甲烷制备装置二氧化碳开采井温度调节器、甲烷制备装置二氧化碳开采井压力调节器。
4.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述氢气存储器出口端与甲烷制备装置入口端之间的管道上设置有甲烷制备装置氢气供应端阀门。
5.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述甲烷制备装置出口端与甲烷注入井相连的管道中间设置有甲烷制备装置出口分离设备、甲烷注入井入口过滤器、甲烷注入井入口压力调节器。
6.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述空气燃烧加热器入口端与空气侧甲烷开采井之间设置有空气侧甲烷开采井阀门、空气侧甲烷开采井过滤器；所述空气燃烧加热器入口端与氧气存储器出口端之间设有氧气存储器氧气供应阀门、空气燃烧加热器氧气供应端阀门。
7.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述二氧化碳注入井入口端通过二氧化碳注入井阀门与二氧化碳供应端压力调节器出口端相连通；所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端管路之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门、供电模式二氧化碳开采井过滤器。
8.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述低压级二氧化碳膨胀机入口端设有二氧化碳侧燃烧室二氧化碳供应端阀门，所述低压级二氧化碳膨胀机出口端设置有低压级二氧化碳释能阀门。
9.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述低压级储热换热器的冷侧通过管路与低品位热用户相连通，所述高压级储热换热器的冷侧通过管路与高品位热用户相连通；所述二氧化碳侧燃烧室余热利用换热器的冷侧通过管路与二氧化碳侧燃烧室余热利用热用户相连通。
10.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述二氧化碳侧燃烧室入口端与氧气存储器出口端之间设置有氧气存储器氧气供应阀门、二氧化碳侧燃烧室氧气供应端阀门；所述二氧化碳侧燃烧室入口端与二氧化碳侧甲烷开采井之间设置有二氧化碳侧甲烷开采井阀门、二氧化碳侧甲烷开采井过滤器；所述二氧化碳侧燃烧室出口端与二氧化碳输运主管道的管路之间设置有二氧化碳侧燃烧室排气分离器、二氧化碳侧燃烧室排气温度调节器。
11.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述冷量利用换热器热侧通过管路与冷量需求用户相连通。
12.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述储水箱供水口与电解设备之间设有电解设备供水端开关阀；所述电解设备与氧气收集器、氢气收集器入口端之间设置有氢氧分离器、氢氧过滤器；所述氧气收集器出口端与氧气存储器的入口端之间设置有氧气压力调节器；所述氢气收集器出口端与氢气存储器的入口端之间设置有氢气压力调节器。
13.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述二氧化碳输运主管道的出口端在与二氧化碳注入井相连的管道上设置有二氧化碳注入井阀门、在与甲烷制备装置相连的管道上设置有甲烷制备装置二氧化碳供应端阀门；所述甲烷制备装置出口端与甲烷注入井之间设置有甲烷注入井阀门。
14.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述多级压缩机组与空气注入井之间设置有空气注入井阀门；所述空气开采井与空气燃烧加热器入口端之间设置有空气开采井阀门和空气燃烧加热器空气供应端阀门；所述空气开采井与空气膨胀装置入口端之间设置有空气冷量供应端阀门；所述多级空气透平机组出口端与二氧化碳输运主管道之间设置有透平机出口分离器。
15.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述供电模式二氧化碳开采井出口端与所述高压级二氧化碳膨胀机入口端之间设置有供电模式二氧化碳开采井阀门；所述高压级二氧化碳膨胀机出口端的无供电管路上设有高压级二氧化碳释能阀门。
16.根据权利要求1所述的分布式供能压缩气体储能***，其特征在于，所述低压级储热器、高压级储热器入口端与所述储水箱的供水端间设置有储热设备供水端开关阀；所述低压级储热器、高压级储热器出口端与所述储水箱的回水端间分别设置有低压级储热介质热量供应阀门、高压级储热介质热量供应阀门、低压级储热介质回收端阀门、高压级储热介质回收端阀门；所述二氧化碳侧燃烧室的无供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室排气阀，供热管路上设置有二氧化碳侧燃烧室余热供应端阀门、二氧化碳侧燃烧室余热回收端阀门。
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