CN112832865B - 一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，涉及压缩空气储能技术领域。具体包括由井道、大空间洞穴或巷道组成的地下洞穴和地面水池、浸没在水下的尼龙布管压缩空气储存体系。在地下洞穴中布置压缩空气输送管、分气管、集气管、尼龙布管和末端管件；尼龙布管分为并联的工作段和串联的末段，其出口连接固定在洞穴最低处的末端管件。在大空间洞穴中，每条尼龙布管都采用双层螺旋盘管的方式。本发明通过与地面水池配合，形成基本恒压的储气空间；使得压缩机和膨胀机都能在其设计工况附近高效工作，同样大小洞穴的蓄能量至少增大一倍，并且化解了对超高压地下洞穴的结构处理难题，可大大降低压缩空气储能系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统。
背景技术
由于用电需求峰谷差越来越大，加上太阳能、风能等可再生能源发电的间断性，要求大力发展蓄能装置系统，由于抽水蓄能电站受特殊地质条件限制，压缩空气储能系统是一种应用前景广阔的方案，由于超高压力的大容器的高成本无法付之实践，所以利用地下洞穴的压缩空气储能系统尤其受到重视。
但目前的压缩空气储能系统存在效率偏低的问题。主要原因是因为在地下洞穴的容积一定的情况下，随着充气或排气过程的进行，压力会相应变化，使得压缩机和膨胀机在非设计工况下运行，且不能充分利用地下洞穴的容积，有效容积利用率低于30％，使得稀缺的地下洞穴资源没有被充分利用。由于废弃的煤矿等洞穴比较脏，如果不进行过滤处理，将对压缩机和膨胀机的安全运行不利。此外，要使得地下洞穴耐受超高的压力，洞穴井口的结构处理是非常费钱的开支。
已有海底压缩空气储能系统的方案，即在岛屿附近几百米深的海底布置漏底的压缩空气储罐容器的报道。
发明内容
本发明提供了一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，目的在于通过对尼龙布管的排布，充气时气进水退，将管内的水排出，排气时则是气退水进，与地面水池配合，形成基本恒压的储气空间。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，包括洞穴、地面水池、压缩空气输送管、分气管、集气管、末端管件、尼龙布管和支撑架构；
所述洞穴包括井道和与井道相通的地下洞穴，所述地下洞穴内布有尼龙布管；
所述地面水池与井口连通；
所述压缩空气输送管插入井道内，将井道与地下洞穴连接处向下的部分设为分气管；
所述尼龙布管分为工作段和末段；工作段的尼龙布管一端连接分气管，另一端连接集气管；末段的尼龙布管一端连接集气管，另一端连接末端管件。
优选的，所述地下洞穴内排布方式有两种：
对于大空间的地下洞穴，每条尼龙布管都采用双层螺旋盘管的方式：分气管与集气管都布置在中心区域，工作段的各上层尼龙布管盘管的一端连接分气管的接口，尼龙布管盘旋到地下洞穴外缘后下降到下层，再盘旋到中心区域时尼龙布管盘管的另一端连接集气管的接口；末段尼龙布管盘管的上层端口连接集气管的接口，其下层端口连接中心区域的末端管件的进口，末端管件的出口管口斜切固定在地下洞穴的底部；
对于巷道型的地下洞穴，工作段上每条巷道的尼龙布管都采用U形排布的方式：U形尼龙布管的上端口连接分气管的接口，下端口连接集气管的接口；末段U形尼龙布管的进口连接集气管的接口，出口连接末端管件的进口，末端管件的出口管口斜切固定在地下洞穴的底部。
进一步优选的，所述U形排布是指在与分气管连接的直尼龙布管和与集气管连接的直尼龙布管的尾部用U形管件连通两根直尼龙布管。
优选的，所述尼龙布管的外面套有渔网护套管。
优选的，各层尼龙布管布置在按照其位置设计的支撑架构上；各尼龙布管与分气管、集气管或末端管件的连接均采用卡箍固定，管端口都设有无尖锐棱角的凸环。
优选的，地面上设有压缩机和膨胀机，所述压缩机和膨胀机都与压缩空气输送管连接；在压缩机工作时，压缩空气通过压缩空气输送管和分气管先后进入工作段和末段的尼龙布管内，将尼龙布管内等量容积的水通过末端管件排出，最终使地面水池液位上升；而在膨胀机工作时，等量容积的水填补所排出的压缩空气的空间，最终使地面水池液位下降。
进一步优选的，地面水池、井道、集气管内均设有液位计，当洞穴内水位下降到末段尼龙布管时，压缩机停止工作；当井道内的水位下降到预设的极限值时，膨胀机停止工作。
本发明的有益效果如下：
本发明具有能量密度高、效率高、工艺流程优、高效、成本低等优点。具体如下：
1、本发明的原理是采用在几百米至上千米的地下洞穴中布置浸没在水下的多管并列排布的尼龙布管工作段和单个尼龙布管末段相连接的尼龙布管体系。充气时气进水退，将管内的水排出，排气时则是气退水进，与地面水池配合，形成基本恒压的储气空间；
2、耐高压的地下洞穴洞口结构加固处理是现有地下洞穴压缩空气储能系统的主要支出项目之一，碾压所有其他设备投资。本发明方案化解了对地下洞穴的结构处理难题，极大地降低了压缩空气储能系统的总体初投资；也消除了地下洞穴压缩空气储能系统周围的安全隐患；
3、尼龙布管轻巧灵活，对洞穴环境的适应性强，且安装方法简单，可大大降低成本；设置了连通的尼龙布管末段，以防止压缩空气穿通末端管件到洞穴空间，确保尼龙布管储气体系的安全；
4、本发明方案通过形成恒压条件，大大增加了对洞穴的容积利用率，且使得压缩机和膨胀机都能在其设计工况附近高效工作，同样大小洞穴的蓄能量比传统方法可以至少增大一倍。
本发明方案仅适用于由井道和与之相通的大空间洞穴或巷道类地下洞穴，因为其井道直径较大，可以下到井底作业，且运行时对水侧不会引起过分的流动阻力；本方案不适合于油井类地下洞穴。
附图说明
图1是本发明实施例1在大空间地下洞穴布置的示意图；
图2是本发明实施例1在大空间地下洞穴上层尼龙布管盘管的示意图；
图3是本发明实施例1在大空间地下洞穴下层尼龙布管盘管的示意图；
图4是本发明实施例2在巷道型地下洞穴布置的示意图；
图中：1、洞穴，101、井道，102、地下洞穴；2、地面水池；3、压缩空气输送管；4、分气管；5、集气管；6、U形管件；7、末端管件；8、尼龙布管。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1至图3所示，一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，包括洞穴1、地面水池2、压缩空气输送管3、分气管4、集气管5、末端管件7、尼龙布管8和支撑架构；
所述洞穴1包括井道101和与井道相通的地下洞穴102，所述地下洞穴102内布有尼龙布管8；
所述地面水池2与井口连通；
所述压缩空气输送管3插入井道101内，将井道101与地下洞穴102连接处向下的部分设为分气管4；
所述尼龙布管8分为工作段和末段；工作段的尼龙布管8一端连接分气管4，另一端连接集气管5；末段的尼龙布管8一端连接集气管5，另一端连接末端管件7；其中，末段尼龙布管8的设置是为了保证压缩空气不被串通到地下洞穴102空间内；尼龙布管8的外面套有渔网护套管，以增强强度和方便固定。
地下洞穴102内的尼龙布管8的排布方式有两种：
实施例1，对于大空间的地下洞穴102，每条尼龙布管8都采用双层螺旋盘管的方式：分气管4与集气管5都布置在中心区域，工作段的各上层尼龙布管8盘管的一端连接分气管4的接口，尼龙布管8盘旋到地下洞穴102外缘后下降到下层，再盘旋到中心区域时尼龙布管8盘管的另一端连接集气管5的接口；末段尼龙布管8盘管的上层端口连接集气管5的接口，其下层端口连接中心区域的末端管件7的进口，末端管件7的出口管口斜切固定在地下洞穴102的底部；本实施例中的大空间是指洞穴又宽又深；
实施例2，对于巷道型的地下洞穴102，如图4所示，工作段上每条巷道的尼龙布管8都采用U形排布的方式：U形尼龙布管8的上端口连接分气管4的接口，下端口连接集气管5的接口；末段U形尼龙布管8的进口连接集气管5的接口，出口连接末端管件7的进口，末端管件7的出口管口斜切固定在地下洞穴102的底部；其中，所述U形排布是指在与分气管4连接的直尼龙布管8和与集气管5连接的直尼龙布管8的尾部用U形管件6连通两根直尼龙布管8。
在实施例中，各层尼龙布管8布置在按照其位置设计的支撑架构上；各尼龙布管8与分气管4、集气管5或末端管件7的连接均采用卡箍固定，管端口都设有无尖锐棱角的凸环，以防滑脱。
在实施例中，本系统的进口和出口是依据压缩机工作充气过程的流动方向而言，膨胀机工作的排气过程的流动方向与此相反；在压缩机工作时，压缩空气通过压缩空气输送管3和分气管4先后进入工作段和末段的尼龙布管8内，将尼龙布管8内等量容积的水通过末端管件7排出，最终使地面水池2液位上升；而在膨胀机工作时，等量容积的水填补所排出的压缩空气的空间，最终使地面水池2液位下降；其中，地面水池2的液位高度保证了洞穴内压缩空气在变化过程中基本恒压。
在实施例中，地面水池2、井道101、集气管5内均设有液位计，当洞穴1内水位下降到集气管5内即末段尼龙布管8时，压缩机停止工作，以免压缩空气穿通末段尼龙布管8；当井道101内的水位下降到预设极限值时，膨胀机停止工作；系统根据地面水池2内的液位和运行模式控制补水或排水。
本实施例的流程都是气进水退、气退水进，原路返回的模式，极大地简化了流程、提高了运行效率，同时极大地降低了相关设备和运行成本。
Claims (7)
1.一种基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，包括洞穴（1）、地面水池（2）、压缩空气输送管（3）、分气管（4）、集气管（5）、末端管件（7）、尼龙布管（8）和支撑架构；
所述洞穴（1）包括井道（101）和与井道相通的地下洞穴（102），所述地下洞穴（102）内布有尼龙布管（8）；
所述地面水池（2）与井口连通；
所述压缩空气输送管（3）插入井道（101）内，将在井道（101）与地下洞穴（102）连接处向下的部分设为分气管（4）；
所述尼龙布管（8）分为工作段和末段；工作段的尼龙布管（8）一端连接分气管，另一端连接集气管；末段的尼龙布管（8）一端连接集气管，另一端连接末端管件（7）。
2.根据权利要求1所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，所述地下洞穴（102）内排布方式有两种：
对于大空间的地下洞穴（102），每条尼龙布管（8）都采用双层螺旋盘管的方式：分气管（4）与集气管（5）都布置在中心区域，工作段的各上层尼龙布管（8）盘管的一端连接分气管（4）的接口，尼龙布管（8）盘旋到洞穴外缘后下降到下层，再盘旋到中心区域时尼龙布管（8）盘管的另一端连接集气管（5）的接口；末段尼龙布管（8）盘管的上层端口连接集气管的接口，其下层端口连接中心区域的末端管件（7）的进口，末端管件（7）的出口管口斜切固定在地下洞穴（102）的底部；
对于巷道型的地下洞穴（102），每条巷道的尼龙布管（8）都采用U型排布的方式：工作段上的U型尼龙布管（8）的上端口连接分气管（4）的接口，下端口连接集气管（5）的接口；末端U型尼龙布管（8）的上端口连接集气管（5）的接口，下端口连接末端管件（7）的进口，末端管件（7）的出口管口斜切固定在地下洞穴（102）的底部。
3.根据权利要求2所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，所述U型排布是指在与分气管（4）连接的直尼龙布管（8）和与集气管（5）连接的直尼龙布管（8）的尾部用U形管件（6）连通两根直尼龙布管（8）。
4.根据权利要求1所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，所述尼龙布管（8）的外面套有渔网护套管。
5.根据权利要求1所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，各层尼龙布管（8）布置在按照其位置设计的支撑架构上；各尼龙布管（8）与分气管（4）、集气管（5）或末端管件（7）的连接均采用卡箍固定，管端口都设有无尖锐棱角的凸环。
6.根据权利要求1至5任一所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，地面上设有压缩机和膨胀机，所述压缩机和膨胀机都与压缩空气输送管连接；在压缩机工作时，压缩空气通过压缩空气输送管（3）和分气管（4）先后进入工作段和末段的尼龙布管（8）内，将尼龙布管（8）内等量容积的水通过末端管件（7）排出；而在膨胀机工作时，等量容积的水填补所排出的压缩空气的空间。
7.根据权利要求6所述基于地下洞穴的恒压压缩空气储放系统，其特征在于，地面水池（2）、井道（101）、集气管（5）内均设有液位计，当洞穴（1）内水位下降到末端尼龙布管（8）时，压缩机停止工作；当井道（101）内的水位下降到预设的极限值时，膨胀机停止工作。
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