CN112065634B - 一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法，废弃矿井包括地下回水库、水平巷道和地下采空区，水平巷道的水入口通过第一水轮机机组和地上水库的水出口连通，地上水库的水入口通过水泵机组与地下回水库的水出口连通；地下回水库的水入口通过第二水轮机机组连通水平巷道的水出口；压气机机组的气体出口通过管道连接地下采空区的气体入口。方法包括储能阶段：水泵机组将地下回水库的水输送至地上水库进行储能；压气机机组将空气压入地下采空区中形成高压空气空间，进行储能；释能阶段：地上水库中的水在重力作用下推动第一水轮机机组运转发电；在地下采空区中高压气体的作用下，水平巷道中的水通过第二水轮机机组进行发电。

Description

一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及 方法
技术领域
本发明涉及储能领域，具体为一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法。
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。一方面，通过电能大规模储存技术在电网中的广泛应用，增强电网的调峰能力；另一方面，大规模储能技术在风电场和太阳能发电厂的应用，可以解决弃风和弃光问题，将间歇能源转化为稳定、可控的优质能源。
目前，储能技术的种类较多，而在众多物理储能技术中，可进行大规模应用的仅有压缩空气储能技术(CAES)和抽水蓄能技术(PHES)。虽然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，本发明提供一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法，可以充分利用废弃矿井的全部地下空间，结合水的重力势能和空气的高压力能进行电能转化，实现地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统的可靠性、稳定性和高效性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，包括废弃矿井、地上水库、水泵机组、第一水轮机机组、第二水轮机机组和压气机机组；
所述废弃矿井包括地下回水库、水平巷道和地下采空区，所述水平巷道设置在地下回水库和地下采空区之间；水平巷道连通地下回水库和地下采空区；所述水平巷道与地下采空区之间设置有封堵墙，所述封堵墙上设置控制阀门；
所述水平巷道的水入口通过第一水轮机机组和地上水库的水出口连通，所述地上水库的水入口通过水泵机组与地下回水库的水出口连通；
所述地下回水库的水入口通过第二水轮机机组连通水平巷道的水出口；所述压气机机组设置在地上，压气机机组的气体出口通过管道连接地下采空区的气体入口。
优选的，所述地下回水库低于地下采空区，水平巷道中的流体通道呈倾斜设置。
优选的，还包括设置在地面上的膨胀机组，所述膨胀机组的气体入口连通地下采空区的气体出口。
进一步的，还包括设置在地面上的热交换器和内燃机机组，所述热交换器的吸热侧入口连通地下采空区的气体出口，热交换器的吸热侧出口连通膨胀机组的气体入口，内燃机机组的尾气通道连通热交换器的放热侧入口。
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，所述地下回水库与水平巷道之间通过回水槽连通。
一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，基于上述任意一项所述的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，包括，
储能阶段：
通过水泵机组将地下回水库的水输送至地上水库进行储能；通过压气机机组将空气压入地下采空区中形成高压空气空间，进行储能；
释能阶段：
地上水库中的水在重力作用下经过第一水轮机机组流入水平巷道，水推动第一水轮机机组运转发电；在地下采空区中高压气体的作用下，水平巷道中的水通过第二水轮机机组进行发电。
优选的，释能阶段中，地下采空区中的空气在高压作用下向外排出，进入膨胀机组进行发电。
进一步的，释能阶段中，内燃机机组采用矿井中的剩余瓦斯气体和天然气做为燃料进行燃烧发电，同时内燃机机组的高温尾气通过热交换器，加热进入热交换器的地下采空区中的高压空气，并进入膨胀机组进行发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，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；采用水泵机组和压缩机机组作为系统储能阶段的工作机，水泵机组进行抽水蓄能，压缩机机组通过压缩空气进行蓄能，在释能时通过水的重力作用和气体的膨胀作用推动第一水轮机机组和第二水轮机机组做功发电，可根据电网的峰谷变化情况对水泵机组和压气机机组进行做功调节，降低了系统运行成本；避免传统的抽水蓄能系统筑坝建设上下游水库，系统设计成本高，对生态造成破坏的问题；且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。通过采用水和空气相结合的方式，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。
进一步的，所述地下回水库低于地下采空区，水平巷道中的流体通道呈倾斜设置，由于水平巷道具有一定的斜度，进入水平巷道中的水可以通过回水槽流入地下回水库。通过地下采空区与水平巷道之间的高度差，便于释能阶段地下采空区中的高压空气将水平巷道中的水压入地下回水库进行释能。
进一步的，还包括设置在地面上的膨胀机组，膨胀机组的气体入口连通地下采空区的气体出口。通过设置膨胀机组，将地下采空区中的高压空气压入膨胀机组进行发电，提高了能源的利用率。
更进一步的，还包括设置在地面上的热交换器和内燃机机组，所述热交换器的吸热侧入口连通地下采空区的气体出口，热交换器的吸热侧出口连通膨胀机组的气体入口，内燃机机组的尾气通道连通热交换器的放热侧入口。通过内燃机机组燃烧燃料瓦斯气或者其他燃料发电，利用高温尾气加热地下采空区的高压气体进入膨胀机组进行发电，提高压缩空气的能量利用率。
进一步的，水平巷道中设置有中央机房，所述水泵机组、第一水轮机机组和第二水轮机机组均设置在中央机房中；所述中央机房通过井筒与地面连通；井筒包括通风井和检修井，通风井和检修井均与地面连通。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。
本发明一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，储能阶段，通过压气机机组和水泵机组进行空气与水的储能；释能阶段，通过地上水库和水平巷道之间的高度差通过重力势能进入水轮机发电，当地下采空区中的空气压力高于地上水库和水平巷道之间的液位差时，可以利用地下采空区的高压空气推动水平巷道内的水进入第二水轮机机组进行发电，充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现能源最大化利用。通过采用水和空气相结合的方式，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。
进一步的，释能阶段中，地下采空区中的空气在高压作用下向外排出，进入膨胀机组进行发电。通过膨胀机组将地下采空区中的高压空气压入膨胀机组进行发电，提高了能源的利用率。
更进一步的，释能阶段中，内燃机的高温尾气通过热交换器，加热进入热交换器的地下采空区中的高压空气，并进入膨胀机组发电。通过内燃机燃烧燃料瓦斯气或者其他燃料发电，并利用高温尾气加热地下采空区的高压气体进入膨胀机组进行发电，充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现能源最大化利用。
附图说明
图1为一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统结构图；
图2为地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统水平巷道的剖面图；
图3为地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统中央机房及封堵墙平面布置图；
图中：1为地下回水库；2为水平巷道；3为地下采空区；4为水泵机组；5为第一水轮机机组；6为第二水轮机机组；7为地上水库；8为压气机机组；9为膨胀机组；10为热交换器；11为内燃机机组；12为井筒；13为回水槽；14为中央机房；15为封堵墙；16为检修井；17为通风井。
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。
本发明提供一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，包括：
地下回水库1、水平巷道2、地下采空区3、地上水库7和中央机房14；输水通道连通地下回水库1和地上水库7，地下回水库1和水平巷道2；输气通道连通地下采空区3和水平巷道2；
第一水轮机机组5设置于水平巷道2和地上水库7之间，第二水轮机机组6设置在水平巷道2和地下回水库1之间，利用水轮机机组经过输水通道发电；
水泵机组4设置于地下回水库1和地上水库7之间，将地下回水库1和水平巷道2中的水抽入地上水库7进行储能；
压气机机组8设置于地上，通过输气管道连接地下采空区3，利用压气机机组8将空气压入地下采空区3中形成高压空气空间，进行储能。
内燃机机组11利用瓦斯气燃烧发电，并利用尾气温度加热地下采空区3的高压空气进入空气膨胀机组9进行膨胀发电；热交换器10的吸热侧入口连通地下采空区3的气体出口，热交换器10的吸热侧出口连通膨胀机组9的气体入口，内燃机机组11的尾气通道连通热交换器10的放热侧入口。
当地下采空区3中的空气压力高于地上水库1和水平巷道2之间的液位差时，水平巷道2的水通过地下采空区3中的高压空气压入第二水轮机机组6进行发电，流出第二水轮机机组6的水通过水平巷道2和地下回水库1中的连接通道流入地下回水库1中；其中，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。
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；本发明的储能系统利用废弃的地下矿井，采用废弃矿井作为储能容器，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。通过采用水和空气相结合的方式，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。
如图2所示，水平巷道2为带有一定倾角的巷道，其中连接地下回水库1的一端为地势较低的一端，连接地下采空区3一端为地势较高的一端，地下采空区3为倾斜的巷道，地势高于水平巷道2与地下回水库1，地下采空区3的最低地势为水平巷道2的最高地势点。
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，构建地下抽水蓄能复合压缩空气储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，构建储气库的是位于地下回水库1和水平巷道2上方的地下采空区3。
利用废弃矿井原有的位于水平巷道2内的中央机房14中的水泵设备水泵机组4作为储能系统的储能设备，利用地下矿井原有的井筒12作为地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统的输水通道、输气通道以及检修通道等，充分利用废弃矿井的地下空间。水泵机组4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4进行做功调节，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。
如图3所示，地下回水库1与水平巷道2通过回水槽13连通，中央机房14与水平巷道2之间设置封堵墙15，并通过阀门控制，中央机房14设置通风井17与地面连接，保证中央机房14通风。水平巷道2与地下采空区3之间设置封堵墙15，通过智能调节阀门控制，使水平巷道2和地下回水库1中的水可控制。
第二水轮机机组6通过输水管路与水平巷道2连接，水平巷道2中的水与地下采空区3通过封堵墙和智能调节阀连接。地下采空区3中的高压空气的最大压力头高于地下回水库1与地上水库7的位势差。发电时，通过智能调节阀控制，将地下采空区3与水平巷道2连接，通过高压空气将水平巷道2中的水压入第二水轮机机组6发电，流出第二水轮机机组6的水进入地下回水库1。
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。本发明的储能系统循环效率高，经济性能好，并且工作介质为空气和水，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。并且该储能系统发出的电能可以并入电网进行调峰，变电成本较低。
本发明一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，包括以下步骤：
储能阶段：
设置于地下回水库1和地上水库7之间的水泵机组4，将地下回水库1和水平巷道2中的水抽入地上水库7进行储能；
设置于地上的压气机机组8，通过输气管道连接地下采空区3，利用压气机机组8将空气压入地下采空区3中形成高压空气空间，进行储能。
释能阶段：
设置于水平巷道2和地上水库7的第一水轮机机组5通过输水通道将地上水库7中的水在重力作用下流入第一水轮机机组5进行发电；
燃气内燃机机组11利用矿井中的剩余瓦斯气体和天然气进行燃烧发电，内燃机机组11的高温尾气通过热交换器10，加热通过输气管道进入热交换器10的地下采空区3中的高压空气，并进入膨胀机组9发电；
第二水轮机机组6通过输水管路与水平巷道2连接，水平巷道2中的水与地下采空区3通过封堵墙15和智能调节阀连接。发电时，通过智能调节阀控制，将地下采空区3与水平巷道2连接，通过高压空气将水平巷道2中的水压入第二水轮机机组发电。
在释能阶段中，通过地上水库7和水平巷道2之间的高度差通过重力势能进入第一水轮机机组5发电，通过地下采空区3的高压空气推动水平巷道2内的水进入第二水轮机机组6进行发电，通过内燃机11燃烧燃料瓦斯气或者其他燃料发电，并利用高温尾气加热地下采空区3的高压气体进入膨胀机组9进行发电。充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现能源最大化利用。
本发明一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统及方法，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。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。

Claims (6)

1.一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，其特征在于，包括废弃矿井、地上水库（7）、水泵机组（4）、第一水轮机机组（5）、第二水轮机机组（6）和压气机机组（8）；
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），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；水平巷道（2）连通地下回水库（1）和地下采空区（3）；所述水平巷道（2）与地下采空区（3）之间设置有封堵墙（15），所述封堵墙（15）上设置控制阀门；
所述水平巷道（2）的水入口通过第一水轮机机组（5）和地上水库（7）的水出口连通，所述地上水库（7）的水入口通过水泵机组（4）与地下回水库（1）的水出口连通；
所述地下回水库（1）的水入口通过第二水轮机机组（6）连通水平巷道（2）的水出口；所述压气机机组（8）设置在地上，压气机机组（8）的气体出口通过管道连接地下采空区（3）的气体入口；水平巷道（2）中的水与地下采空区（3）通过封堵墙（15）和智能调节阀连接；发电时，通过智能调节阀控制，将地下采空区（3）与水平巷道（2）连接，通过高压空气将水平巷道（2）中的水压入第二水轮机机组发电；
所述地下回水库（1）低于地下采空区（3），水平巷道（2）中的流体通道呈倾斜设置；其中连接地下回水库（1）的一端为地势较低的一端，连接地下采空区（3）一端为地势较高的一端，地下采空区（3）为倾斜的巷道，地势高于水平巷道（2）与地下回水库（1），地下采空区（3）的最低地势为水平巷道（2）的最高地势点；
所述水平巷道（2）通过井筒（12）与地面连通，水平巷道（2）与井筒（12）的连接部位设置有中央机房（14），所述水泵机组（4）、第一水轮机机组（5）和第二水轮机机组（6）均设置在中央机房（14）中，通过井筒（12）设置与地面连通的管道；
所述地下回水库（1）与水平巷道（2）之间通过回水槽（13）连通；
储能阶段：
通过水泵机组（4）将地下回水库（1）的水输送至地上水库（7）进行储能；通过压气机机组（8）将空气压入地下采空区（3）中形成高压空气空间，进行储能；
释能阶段：
地上水库（7）中的水在重力作用下经过第一水轮机机组（5）流入水平巷道（2），水推动第一水轮机机组（5）运转发电；在地下采空区（3）中高压气体的作用下，水平巷道（2）中的水通过第二水轮机机组（6）进行发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，其特征在于，还包括设置在地面上的膨胀机组（9），所述膨胀机组（9）的气体入口连通地下采空区（3）的气体出口。
3.根据权利要求2所述的一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，其特征在于，还包括设置在地面上的热交换器（10）和内燃机机组（11），所述热交换器（10）的吸热侧入口连通地下采空区（3）的气体出口，热交换器（10）的吸热侧出口连通膨胀机组（9）的气体入口，内燃机机组（11）的尾气通道连通热交换器（10）的放热侧入口。
4.根据权利要求1所述的一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，其特征在于，所述井筒（12）内部设置通风井（17）和检修井（16），通风井（17）和检修井（16）均与地面连通。
5.一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，其特征在于，基于权利要求1-4任意一项所述的一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能系统，释能阶段中，地下采空区（3）中的空气在高压作用下向外排出，进入膨胀机组（9）进行发电。
6.根据权利要求5所述的一种基于废弃矿井的地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，其特征在于，释能阶段中，内燃机机组（11）采用矿井中的剩余瓦斯气体和天然气做为燃料进行燃烧发电，同时内燃机机组（11）的高温尾气通过热交换器（10），加热进入热交换器（10）的地下采空区（3）中的高压空气，并进入膨胀机组（9）进行发电。
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