CN112065635A - 一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法 - Google Patents

一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法，系统包括废弃矿井、地上水库、压气机机组和膨胀机组；废弃矿井包括水平巷道和地下采空区，水平巷道连通地下采空区；地上水库通过管道连通水平巷道；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，地下采空区的气体出口连通设置在地上的膨胀机组的气体入口。方法包括储能阶段：通过压气机机组将空气压入地下采空区中形成高压空气，高压空气将水压入地上水库，保持空气压力恒定，实现恒压储能；释能阶段：空气在高压作用下向外排出，进行发电，地上水库中的水补充流出地下采空区的空气体积，实现水平巷道和地下采空区的空气压力恒定，实现恒压释能发电。

Description

一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统及 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恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法。
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。并且传统的压缩空气储能技术(CAES)中储气容器都是容积固定不变的，压缩空气在储能和释能阶段的压力都是变化的，大大降低了系统的发电效率。
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恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法，充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现储能系统储能和发电过程中恒压运行，将能源最大化利用，提高了能源利用率。
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恒压压缩空气复合抽水储能系统，包括废弃矿井、地上水库、压气机机组和膨胀机组；
所述废弃矿井包括水平巷道和地下采空区，水平巷道连通地下采空区；
所述地上水库通过管道连通水平巷道；
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，地下采空区的气体出口连通设置在地上的膨胀机组的气体入口。
优选的，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，还包括设置在地面上的第二水轮机机组，所述地上水库的水入口之间通过第二水轮机机组连通水平巷道的水出口。
优选的，所述废弃矿井还包括地下回水库，所述水平巷道设置在地下回水库和地下采空区之间；
所述地下回水库的水入口通过第一水轮机机组连通地上水库的水出口，所述地下回水库的水出口通过水泵机组与地上水库的水入口连通。
进一步的，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；
所述水泵机组和第一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。
一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，基于上述任意一项所述的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，包括，
储能阶段：
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，地下采空区中的高压空气将水平巷道中的水压入地上水库，保持地下采空区和水平巷道中的空气压力保持恒定，实现恒压储能；
释能阶段：
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，同时地上水库中的水通过重力势能克服水平巷道和地下采空区中的空气压力势能流入水平巷道，补充流出地下采空区的空气体积，实现水平巷道和地下采空区的空气压力恒定，实现恒压释能发电。
优选的，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。
优选的，储能阶段中，地下采空区的高压空气压力克服水平巷道与地上水库之间重力势能后，所剩余的空气压力推动水进入第二水轮机机组进行发电。
优选的，储能阶段中还包括通过水泵机组将地下回水库中的水输送至地上水库进行储能；
释能阶段还包括地上水库中的水在重力作用下经过第一水轮机机组流入地下回水库，水推动第一水轮机机组运转发电。
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恒压压缩空气复合抽水储能系统，采用废弃矿井中的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；采用压缩机机组作为系统储能阶段的工作机，并根据电网的峰谷变化情况对压气机机组进行做功调节，在电网低谷期时压气机机组处于满负荷运转，降低了系统运行成本；通过将地上水库和水平巷道直接连通，水平巷道中的水与地下采空区中形成水气共容环境，保持地下采空区和水平巷道中的空气压力保持恒定，实现恒压储能释能。充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现储能系统储能和发电过程恒压运行，并将能源最大化利用，提高了能源利用率。
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，还包括设置在地面上的第二水轮机机组，所述地上水库的水入口之间通过第二水轮机机组连通水平巷道的水出口。通过设置第二水轮机机组将地下采空区中的高压空气推动水进入第二水轮机机组进行发电，提高能源的利用效率。
进一步的，废弃矿井还包括地下回水库，所述水平巷道设置在地下回水库和地下采空区之间；地下回水库的水入口通过第一水轮机机组连通地上水库的水出口，所述地下回水库的水出口通过水泵机组与地上水库的水入口连通。通过利用废弃矿井的地下回水库进行抽水蓄能，增加了能源利用方式，提高了储能系统的利用效率。
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；水泵机组和第一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。
本发明一种地下抽水蓄能复合压缩空气储能方法，储能阶段，通过压气机机组进行空气储能，通过将地上水库和水平巷道直接连通，水平巷道中的水与地下采空区中形成水气共容环境，保持地下采空区和水平巷道中的空气压力保持恒定，实现恒压储能，同时高压空气将水输送至第二水轮机机组进行发电，提升了能源的利用率。
释能阶段，水平巷道和地下采空区中的空气在高压作用下向外排出，经过热交换器进入膨胀机组进行发电，同时地上水库的水直接流入水平巷道中，补充流出地下采空区的空气体积，实现水平巷道和地下采空区的空气压力恒定，实现恒压释能发电，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，提高了整个系统的能源利用率。
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。
进一步的，储能阶段中，地下采空区的高压空气压力克服水平巷道与地上水库之间重力势能后，所剩余的空气压力推动水进入第二水轮机机组进行发电。通过设置第二水轮机机组，在高压空气压力过高的情况下，可以将剩余的压力能转换为电能，提高了能源的利用率。
进一步的，储能阶段中还包括通过水泵机组将地下回水库和水平巷道中的水输送至地上水库进行储能；释能阶段还包括地上水库中的水在重力作用下经过第一水轮机机组流入地下回水库，水推动第一水轮机机组运转发电。通过水泵机组进行空气与水的复合储能，地上水库和地下回水库之间的高度差通过重力势能进入水轮机发电，增加了储能方式，提高了能源利用率。
附图说明
图1为一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统结构图；
图2为一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统水平巷道的剖面图；
图3为一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储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为水泵机组；5为第一水轮机机组；6为地上水库；7为第二水轮机机组；8为压气机机组；9为膨胀机组；10为热交换器；11为内燃机；12为井筒；13为封堵墙；14为中央机房；15为检修井；16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恒压压缩空气复合抽水储能系统，包括：
地下回水库1、水平巷道2、地下采空区3、地上水库6和中央机房；输水通道连通地下回水库1和地上水库6，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设置于地下回水库1和地上水库6之间，利用第一水轮机机组5经过输水通道发电。第二水轮机机组7设置于地上，连接地上水库6和水平巷道2，利用地下采空区3空气压力克服水平巷道2与地上水库6之间重力势能后，所剩余空气压力推动水进入第二水轮机机组7进行发电。水平巷道2中保留一部分水与地下采空区3中形成水气共容环境，当压气机机组8将空气压入地下采空区3中，地下采空区3中的高压空气将水平巷道2中的水压入地上水库6，来保持地下采空区3和水平巷道2中的空气压力保持恒定，实现等压储能。
水泵机组4设置于地下回水库1和地上水库6之间，将地下回水库1和水平巷道2中的水抽入地上水库6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，地下采空区3中的高压空气将水平巷道2中的水压入地上水库6，来保持地下采空区3和水平巷道2中的空气压力保持恒定，实现恒压储能。
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。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。
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进行膨胀发电。地上水库6中的水通过重力势能克服水平巷道2和地下采空区3中的空气压力势能流入水平巷道2，补充流出地下采空区3的空气体积，实现水平巷道2和地下采空区3的空气压力恒定，实现恒压发电。
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。
如图2所示，其中水平巷道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地势高于水平巷道2与地下回水库1。
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，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。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。
地下回水库1与水平巷道2之间设置封堵墙13，封堵墙13通过阀门控制。中央机房14与水平巷道2之间设置封堵墙13，并通过阀门控制，中央机房14设置通风井16与地面连接，保证中央机房通风。水平巷道2与地下采矿区之间设置封堵墙13，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7设置于地上，连接地上水库6和水平巷道2，利用地下采空区3空气压力克服水平巷道2与地上水库6之间重力势能后，所剩余空气压力推动水进入第二水轮机机组7进行发电。地下采空区3中的高压空气的最大压力头等于地下回水库1与地上水库6的位势差。发电时，地上水库6中的水通过重力势能克服水平巷道2和地下采空区3中的空气压力势能流入水平巷道2，补充流出地下采空区3的空气体积，实现水平巷道2和地下采空区3的空气压力恒定，实现恒压发电。
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。
本发明一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，包括以下步骤：
储能阶段：
设置于地下回水库1和地上水库6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6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，地下采空区3中的高压空气将水平巷道2中的水压入地上水库6，来保持地下采空区3和水平巷道2中的空气压力保持恒定，实现恒压储能。第二水轮机机组7设置于地上，连接地上水库6和水平巷道2，利用地下采空区3空气压力克服水平巷道2与地上水库6之间重力势能后，所剩余空气压力推动水进入水轮机进行发电。
释能阶段：
第一水轮机机组5设置于地下回水库1和地上水库6之间，利用第一水轮机机组5经过输水通道发电。
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的高压空气通过交换机10进入膨胀机组9进行膨胀发电。地上水库6中的水通过重力势能克服水平巷道2和地下采空区3中的空气压力势能流入水平巷道2，补充流出地下采空区3的空气体积，实现水平巷道2和地下采空区3的空气压力恒定，实现恒压发电。
本发明一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统及方法，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。利用废弃矿井的地下空间作为储能系统的工作容器，充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现储能系统储能和发电过程恒压运行，并将能源最大化利用，能够充分避免了筑坝和高压容器所造成的经济成本过高等问题。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。
储能系统中利用压气机机组8将空气压入地下采空区3中形成高压空气空间，地下采空区3中的高压空气将水平巷道2中的水压入地上水库6，来保持地下采空区3和水平巷道2中的空气压力保持恒定，实现恒压储能。使用燃气内燃机机组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进行膨胀发电。地上水库6中的水通过重力势能克服水平巷道2和地下采空区3中的空气压力势能流入水平巷道2，补充流出地下采空区3的空气体积，实现水平巷道2和地下采空区3的空气压力恒定，实现恒压发电。充分利用了废弃矿井的全部可利用空间，实现储能系统储能和发电过程恒压运行，并将能源最大化利用。

Claims (10)

1.一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，其特征在于，包括废弃矿井、地上水库(6)、压气机机组(8)和膨胀机组(9)；
所述废弃矿井包括水平巷道(2)和地下采空区(3)，水平巷道(2)连通地下采空区(3)；
所述地上水库(6)通过管道连通水平巷道(2)；
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，地下采空区(3)的气体出口连通设置在地上的膨胀机组(9)的气体入口。
2.根据权利要求1所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，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。
3.根据权利要求1所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，其特征在于，还包括设置在地面上的第二水轮机机组(7)，所述地上水库(6)的水入口之间通过第二水轮机机组(7)连通水平巷道(2)的水出口。
4.根据权利要求1所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，其特征在于，所述废弃矿井还包括地下回水库(1)，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)的水入口通过第一水轮机机组(5)连通地上水库(6)的水出口，所述地下回水库(1)的水出口通过水泵机组(4)与地上水库(6)的水入口连通。
5.根据权利要求4所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，其特征在于，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)和第一水轮机机组(5)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。
6.根据权利要求5所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，其特征在于，所述中央机房(14)与水平巷道(2)之间设置封堵墙(13)，所述封堵墙(13)上设置控制阀门。
7.一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，其特征在于，基于权利要求1-6任意一项所述的地下恒压压缩空气复合抽水储能系统，包括，
储能阶段：
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，地下采空区(3)中的高压空气将水平巷道(2)中的水压入地上水库(6)，保持地下采空区(3)和水平巷道(2)中的空气压力保持恒定，实现恒压储能；
释能阶段：
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，同时地上水库(6)中的水通过重力势能克服水平巷道(2)和地下采空区(3)中的空气压力势能流入水平巷道(2)，补充流出地下采空区(3)的空气体积，实现水平巷道(2)和地下采空区(3)的空气压力恒定，实现恒压释能发电。
8.根据权利要求7所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，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(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。
9.根据权利要求7所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，其特征在于，储能阶段中，地下采空区(3)的高压空气压力克服水平巷道(2)与地上水库(6)之间重力势能后，所剩余的空气压力推动水进入第二水轮机机组(7)进行发电。
10.根据权利要求7所述的一种基于废弃矿井的地下恒压压缩空气复合抽水储能方法，其特征在于，储能阶段中还包括通过水泵机组(4)将地下回水库(1)中的水输送至地上水库(6)进行储能；
释能阶段还包括地上水库(6)中的水在重力作用下经过第一水轮机机组(5)流入地下回水库(1)，水推动第一水轮机机组(5)运转发电。
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