CN112065633A - 一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法 - Google Patents

一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法，采用废弃矿井作为地下抽水蓄能系统的储能容器；废弃矿井包括地下回水库、水平巷道和地下采空区；地上水库的入水口通过第一水泵机组连通地下回水库的出水口，地下回水库的入水口通过第一水轮机机组连通地上水库出水口；水平巷道设置在地下回水库和地下采空区之间；地下回水库低于地下采空区，水平巷道连通地下回水库和地下采空区；第二水泵机组和第二水轮机机组设置在水平巷道内部，地下回水库的入水口通过第二水轮机机组连通地下采空区的出水口；地下回水库的出水口通过第二水泵机组连通地下采空区的入水口。实现以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能电站的可靠性、稳定性和高效性。

Description

一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法
技术领域
本发明涉及储能领域，具体为一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法。
背景技术
近年来，随着风能、太阳能等间歇能源得到迅猛发展，伴生而来的弃风、弃光问题，及间歇能源并网给现有电网的控制和安全运行带来了诸多问题。既要满足间歇能源的大规模并网需求，又要保证电网的安全运行；电网的调峰能力决定电网对间歇式能源的接纳能力。
当前电网调峰主要依靠火电机组，已经无法解决间歇式能源的并网问题，原因在于频繁增减火电机组的发电负荷，会大幅缩短机组寿命、降低机组发电效率。诸如此类问题已经严重制约了新能源产业的发展。为从根本解决问题，只有发展电能大规模储存技术。物理储能技术领域内抽水蓄能和压缩空气储能是当前适合大规模、超大规模电力储能技术，均已实现了商业应用。抽水蓄能系统以其结构简单、运行高效、无化学污染等特点，是目前广泛使用的储能技术。
抽水蓄能系统比起其他储能系统有诸多优势，但抽水蓄能系统仍有不可避免的缺点。抽水蓄能系统需要上下游水库来储存水，抽水蓄能系统的上下游水库需要筑坝来实现，而大坝会对生态环境造成破坏，并且会影响当地的生态系统；此外，抽水蓄能系统还有投资成本高、回收期限长、经济性较差等缺点，以上特点导致抽水蓄能系统无法广泛应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法，以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能电站，可以充分利用废弃矿井的全部地下空间，并设计利用水的重力势能进行电能转化，实现以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能电站的可靠性、稳定性和高效性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，包括废弃矿井、地上水库、第一水泵机组、第一水轮机机组、第二水泵机组和第二水轮机机组；所述废弃矿井作为地下抽水蓄能系统的储能容器；
所述废弃矿井包括地下回水库、水平巷道和地下采空区；地上水库的入水口通过第一水泵机组连通地下回水库的出水口，地下回水库的入水口通过第一水轮机机组连通地上水库出水口；
所述水平巷道设置在地下回水库和地下采空区之间；所述地下回水库低于地下采空区，水平巷道连通地下回水库和地下采空区；
所述第二水泵机组和第二水轮机机组设置在水平巷道内部，地下回水库的入水口通过第二水轮机机组连通地下采空区的出水口；地下回水库的出水口通过第二水泵机组连通地下采空区的入水口。
优选的，所述水平巷道中的流体通道呈倾斜设置，地下采空区顶部设置排气井与地面连通。
优选的，所述水平巷道通过井筒与地面连通，水平巷道与井筒的连接部位设置有中央机房，所述第一水泵机组、第二水泵机组、第一水轮机机组和第二水轮机机组均设置在中央机房中，通过井筒设置与地面连通的管道。
进一步的，所述井筒内部设置通风井和检修井，通风井和检修井均与地面连通。
优选的，所述中央机房与水平巷道之间设置封堵墙；所述封堵墙上设置控制阀门。
优选的，所述地下回水库和水平巷道中设置有潜水泵。
一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，基于上述任意一项所述的以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，包括，
抽水阶段：通过第一水泵机组将废弃矿井中的水抽入地上水库进行储能；在第一水泵机组将地下回水库中的水抽入地上水库进行储能的同时，地下采空区中的水经过第二水轮机发电机组流入地下回水库，带动第二水轮机发电机组进行释能发电，将整个废弃矿井中的水均抽入地上水库中进行储能；
充水阶段：地上水库中的水在重力作用下流入第一水轮机机组进行释能发电；在地上水库中的水流入第一水轮机机组进行释能发电时，第二水泵机组将地下回水库中的水抽到地下采空区中进行储能，使整个废弃矿井中均充满水。
优选的，所述第一水轮机机组的最大水头不小于地上水库与地下回水库的高度差产生的压力。
优选的，所述第二水轮机机组的最大水头不小于水平巷道和地下采空区的最大高度差产生的压力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，通过采用废弃矿井中的地下回水库、水平巷道和地下采空区作为储能容器，降低了整个系统的投资成本，能够充分利用废弃矿井的地下空间作为储能系统的工作容器，避免了筑坝和高压容器所造成的经济成本过高等问题；利用地下采空区与地下回水库之间的高度差，在地下采空区与地下回水库之间设置水泵机组和水轮机组，可以在储能阶段和释能阶段进行调整功率，便于释能阶段地下采空区中的水流入地下回水库进行释能，避免了地下采空区与地下回水库之间重力势能的浪费，能够增大地下抽水蓄能系统的发电效率。以适应不同状态下的做功，可以利用地下矿井地势较高的地域，充分利用废弃矿井的地下全部空间，实现能源最大化利用，提高整个系统的能源利用率。并且可以根据电网的峰谷变化情况对水泵机组进行做功调节，在电网低谷期时水泵机组处于满负荷运转，降低了系统运行成本；循环效率高，经济性能好，并且工作介质为水，具有绿色无污染的特点。
进一步的，水平巷道通过井筒与地面连通，水平巷道与井筒的连接部位设置有中央机房，所述第一水泵机组、第二水泵机组、第一水轮机机组和第二水轮机机组均设置在中央机房中，通过井筒设置与地面连通的管道，利用地下矿井原有的井筒作为地下抽水蓄能复合压缩空气储能电站的输水通道、输气通道以及检修通道等，充分利用废弃矿井的地下空间，减少系统的成本。
进一步的，所述地下回水库和水平巷道中设置有潜水泵。通过设置潜水泵作为应急设备，防止地下回水库和水平巷道中的水溢出。
本发明一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，通过两组水泵机组和水轮机机组在储能阶段和释能阶段的组合运用，利用地下采空区与地下回水库之间的高度差，可以在储能阶段和释能阶段进行调整功率，便于释能阶段地下采空区中的水流入地下回水库进行释能，避免了地下采空区与地下回水库之间重力势能的浪费，能够增大地下抽水蓄能系统的发电效率。根据电网的峰谷变化情况对水泵机组进行做工调节，在电网低谷期时水泵系统处于满负荷运转，降低了系统运行成本。以适应不同状态下的做功，可以利用地下矿井地势较高的地域，充分利用废弃矿井的地下全部空间，实现能源最大化利用，提高整个系统的能源利用率。在抽水阶段可以将整个废弃矿井内部的水全部抽入地上水库进行储能，且由于地下回水库与地下采空区之间的高度差，在抽水时可以进行发电。在充水阶段时可以充满整个废弃矿井内部，提高储能的效果，增加储能系统的效率。
进一步的，第一水轮机机组的最大水头不小于地上水库与地下回水库的高度差产生的压力。通过增大第一水轮机机组的最大水头，提高整个储能系统在运转过程中的稳定性。
附图说明
图1为一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统结构图；
图2为一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统水平巷道的剖面图；
图3为一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统中央机房及封堵墙的平面布置图；
图中：1为地下回水库；2为水平巷道；3为地下采空区；4为第一水泵机组；5为第一水轮机机组；6为第二水泵机组；7为第二水轮机机组；8为地上水库；9为回水槽；10为井筒；11为中央机房；12为封堵墙；13为检修井；14为通风井；15为排气井。
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。
如图1所示，本发明提供一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，包括：
地下回水库1、水平巷道2、地下采空区3、地上水库8和中央机房11；输水通道连通地下回水库1和地上水库8，地下采空区3和地下回水库1；
水泵机组分为第一水泵机组4和第二水泵机组6，第一水泵机组4设置于地下回水库1和地上水库8之间；第二水泵机组6设置于地下回水库1和地下采空区3之间。水轮机发电机组分为第一水轮机发电机组和第二水轮机发电机组，其中，第一水轮机发电机组设置于地上水库8与地下回水库1之间，利用输水管路将地上水库8和地下采空区3中的水输送到第一水轮机发电机组进行发电，并利用第二水泵机组6将地下回水库1中的水抽到地下采空区3中；第二水轮机发电机组设置于地下采空区3与地下回水库1之间，利用输水管路将地下采空区3中的水输送到第二水轮机发电机组进行发电，流出第二水轮机发电机组的水进入地下水库，利用第一水泵机组4将水抽到地上水库8进行储能。
地下回水库1、水平巷道2和地下采空区3位于废弃矿井的地下空间，地下采空区3位于水平巷道2和地下回水库1的上方。其中水平巷道2与地下采空区3连通作为中位水库，地下回水库1作为下位水库，地上水库8作为上位水库。传统的抽水蓄能系统需要筑坝建设上下游水库，系统设计成本高，并会对生态造成一定的破坏；本发明利用废弃的地下矿井，可以根据实地情况进行不同发电能力的抽水蓄能系统的搭建，具有很强的灵活性，并且降低了储能系统的投资成本。
针对已废弃的水文地质条件复杂、煤层首采区位于最底处煤矿矿井的实际状况，为充分利用其已有的地下空间，本发明中通过采用多种不同类型水泵和水轮机组合的方式，可以利用地下矿井地势较高的地域，充分利用废弃矿井的地下全部空间，提高整个系统的能源利用率。本发明储能系统发出的电能可以并入电网进行调峰，并且变电成本较低。
地上水库8与地下回水库1以及水平巷道2之间的高度差为400～600m，水平巷道2与地下采空区3的最大高差为80～200m。假定地上水库8与地下回水库1与水平巷道2之间的高度差为600m，地下回水库1和水平巷道2的体积为10000m3，地下采空区3的体积为90000m3，水平巷道2与地下采空区3的高度差为100m，通过本发明的地下抽水蓄能系统，其电-电转化效率可以达到68.8％，其中水泵机组与水轮机机组的效率都为90％，电机效率为95.6％。但如果只是将水轮机设置在地下采空区3处，虽然节省了第二水泵机组6的耗功，但浪费了地下采空区3与地下回水库1和水平巷道2之间的重力势能，最终电-电效率只能达到64.1％。如图2所示，地下回水库1、水平巷道2和地下采空区3位于废弃矿井的地下空间，地下采空区3位于水平巷道2和地下回水库1的上方。
废弃矿井一般包括水平巷道2，地下采空区3，井筒12，回采巷道，地下回水库1等，构建地下抽水蓄能系统储水库的区域是围岩条件较好的水平巷道2和地下回水库1。地下采空区3的整个体积占废弃洞穴的大部分体积，地下采空区3的体积为地下回水库1与水平巷道2体积的8-20倍。
如图3所示，利用废弃矿井原有的位于水平巷道2内的中央机房11中的水泵设备作为储能系统的储能设备，利用地下矿井原有的井筒作为地下抽水蓄能系统的输水通道以及检修通道等，充分利用废弃矿井的地下空间。利用水泵机组为原有废弃矿井的排水设备，可以降低储能系统的初期投资。当水位上升时，地下采空区3顶部中的空气无法全部排除会形成压力区域，会减少储能系统的储能空间，造成储能系统储能规模的降低。在地下采空区3最顶部设置排气井3与地面连通，可以将地下矿井中的空气通过排气井15充分排入地面。本储能系统循环效率高，经济性能好，并且工作介质为水，具有绿色无污染的特点，出现事故时，也不会造成较大的灾害。
中央机房11与水平巷道2之间设置封堵墙12，并通过阀门控制，中央机房11设置通风井与地面连接，保证中央机房11通风。地下回水库1与水平巷道2之间通过回水槽9连接，并通过回水槽9将水平巷道2中的水引流到地下回水库1中。
水轮机发电机组分为第一水轮机机组5和第二水轮机机组7，其中，第一水轮机机组5设置于地上水库8与地下回水库1之间，第二水轮机机组7设置于地下采空区3与地下回水库1之间，第一水轮机机组5与地上水库8匹配，其最大水头不小于地面与地下水库的高度差；第二水轮机机组7与水平巷道2相匹配，其最大水头不小于地下采空区3与水平巷道2的最大深度。
地下回水库1中设置潜水泵作为应急设备，防止地下回水库1和水平巷道2中的水溢出。地下采空区3设置泄压管路并通过智能调节阀控制，防止地下采空区3的空气压力过高。测定整个废弃矿井的岩石结构及其特性，地下采空区3的最高压力不超过其所能承受的最大压力。
本发明一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，包括以下步骤：
抽水阶段：
第二水轮机发电机组设置于地下采空区3与地下回水库1之间，利用输水管路将地下采空区3中的水输送到第二水轮机发电机组进行发电，流出第二水轮机发电机组的水进入地下水库，利用第一水泵机组4将水抽到地上水库8进行储能。
充水阶段：
第一水轮机发电机组设置于地上水库8与地下回水库1之间，利用输水管路将地上水库8和地下采空区3中的水输送到第一水轮机发电机组进行发电，并利用第二水泵机组6将地下回水库1中的水抽到地下采空区3中。
本发明一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统及方法，解决了传统抽水蓄能系统投资成本高、建造不方便以及对生态造成破坏的问题。该储能系统能够充分利用废弃矿井的地下空间作为储能系统的工作容器，避免了筑坝和高压容器所造成的经济成本过高等问题，降低了整个系统的投资成本；并且水泵机组为原有废弃矿井的排水设备，可以降低储能系统的初期投资，并根据电网的峰谷变化情况对水泵机组进行做工调节，在电网低谷期时水泵系统处于满负荷运转，降低了系统运行成本。充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，将能源最大化利用。

Claims (9)

1.一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，包括废弃矿井、地上水库(8)、第一水泵机组(4)、第一水轮机机组(5)、第二水泵机组(6)和第二水轮机机组(7)；所述废弃矿井作为地下抽水蓄能系统的储能容器；
所述废弃矿井包括地下回水库(1)、水平巷道(2)和地下采空区(3)；地上水库(8)的入水口通过第一水泵机组(4)连通地下回水库(1)的出水口，地下回水库(1)的入水口通过第一水轮机机组(5)连通地上水库(8)出水口；
所述水平巷道(2)设置在地下回水库(1)和地下采空区(3)之间；所述地下回水库(1)低于地下采空区(3)，水平巷道(2)连通地下回水库(1)和地下采空区(3)；
所述第二水泵机组(6)和第二水轮机机组(7)设置在水平巷道(2)内部，地下回水库(1)的入水口通过第二水轮机机组(7)连通地下采空区(3)的出水口；地下回水库(1)的出水口通过第二水泵机组(6)连通地下采空区(3)的入水口。
2.根据权利要求1所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，所述水平巷道(2)中的流体通道呈倾斜设置，地下采空区(3)顶部设置排气井(15)与地面连通。
3.根据权利要求1所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，所述水平巷道(2)通过井筒(10)与地面连通，水平巷道(2)与井筒(10)的连接部位设置有中央机房(11)，所述第一水泵机组(4)、第二水泵机组(6)、第一水轮机机组(5)和第二水轮机机组(7)均设置在中央机房(11)中，通过井筒(10)设置与地面连通的管道。
4.根据权利要求3所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，所述井筒(12)内部设置通风井(14)和检修井(13)，通风井(14)和检修井(13)均与地面连通。
5.根据权利要求1所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，所述中央机房(11)与水平巷道(2)之间设置封堵墙(12)；所述封堵墙(12)上设置控制阀门。
6.根据权利要求1所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，其特征在于，所述地下回水库(1)和水平巷道(2)中设置有潜水泵。
7.一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，其特征在于，基于权利要求1-6任意一项所述的以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能系统，包括，
抽水阶段：通过第一水泵机组(4)将废弃矿井中的水抽入地上水库(8)进行储能；在第一水泵机组(4)将地下回水库中的水抽入地上水库(8)进行储能的同时，地下采空区(3)中的水经过第二水轮机发电机组(7)流入地下回水库(1)，带动第二水轮机发电机组(7)进行释能发电，将整个废弃矿井中的水均抽入地上水库(8)中进行储能；
充水阶段：地上水库(8)中的水在重力作用下流入第一水轮机机组(5)进行释能发电；在地上水库(8)中的水流入第一水轮机机组(5)进行释能发电时，第二水泵机组(6)将地下回水库(1)中的水抽到地下采空区(3)中进行储能，使整个废弃矿井中均充满水。
8.根据权利要求7所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，其特征在于，所述第一水轮机机组(5)的最大水头不小于地上水库(8)与地下回水库(1)的高度差产生的压力。
9.根据权利要求7所述的一种以废弃矿井为储能容器的地下抽水蓄能方法，其特征在于，所述第二水轮机机组(7)的最大水头不小于水平巷道(2)和地下采空区(3)的最大高度差产生的压力。
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