CN114086600B - 一种储能轮及其真空室的建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力储能工程领域，涉及一种利用混凝土材料在地下建造储能轮和真空室的方法。真空室井壁内外侧进行防水隔气处理。采用磁力轴承，水平设置储能轮，通过底部环形永磁体和支座上环形永磁体作用实行悬浮。储能轮转轴上焊接加强构件，其上面焊接钢筋作为储能轮的骨架。设有调整偏心的竖向预埋管，浇筑储能轮采用高强高密度混凝土，储能轮外缘通过束固材料张拉加固，以保证设备在较高转速下的安全运行。本发明的有益效果是：1、极大拓展了设备空间，可建造超大容量储能电场。2、地下土体对真空室形变进行约束，保证设备运行安全。3、可大幅度降低工程造价。4、布置灵活，对环境影响小。

Description

一种储能轮及其真空室的建造方法

技术领域

本发明属于电力储能技术领域，具体涉及一种储能轮及真空室的建造方法。

背景技术

日间电力生产和消费矛盾由来已久，减碳政策的实施使矛盾进一步加剧。利用风能和光能发电已经成为电力生产发展的主流方向。光能发电受昼夜和阴晴条件制约，风电输出受制于大气流动强弱变化，二者突出特点是输出波动大且大多时段不能与社会需求保持一致，解决上述问题的最主要方法是对电站生产的过剩电能进行储存，按照社会需求进行动态释放，满足用电峰谷的荷载变化。

目前常规电能储存技术主要采用机械储能和电化学储能两种方法，机械储能方法主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。电化学储能即平常所述的超级电容和蓄电池。相比之下，电化学储能所需材料的生产环节和报废后的处理过程对环境造成较大的不利影响，机械储能在势能、动能、压缩能与电力转化过程没有污染物产生，对环境影响较小。

就机械储能而言，抽水储能需要建造高、低位储水库和输水管道，安装抽水和发电设备，项目建设受地理条件限制，投资巨大且破坏区域植被，能量转换率较低，大约在70％左右。压缩空气储能效率低至60％左右，缺乏竞争力。飞轮储能构造简单，在采用磁悬浮技术和真空技术后极大地降低了轴转动摩擦和储能轮气动摩擦，其综合能效可以达到95％以上，是最有前景的主流储能方式。

由储能轮机械能计算公式E＝Jω²/2可知，储能轮容量大小与转轮质量和转速正相关，增大飞轮储存能量的方法一是尽量增加飞轮转速，这也是目前采用的主要技术方案，但受飞轮材料力学性能限制，如果其转速所需向心力超过所对应材料的最大强度将使飞轮崩溃，造成严重的运行事故，所以目前大多采用如碳纤维或其他高强材料制作小型高转速的储能轮，单台飞轮发电设备一般能量较小，建造MW级飞轮储能电场需要并联多台KW级设备，造价高昂，目前仅限于应急电源或进行局部电网电压调节，或应用于小范围能量回收。采用储能轮建造与抽水储能电站规模相当的储能电站难以实现。增大储能轮机械能第二个途径是增加储能轮质量，但制造大型储能轮不但受到储能轮材料强度制约，也受到飞轮所处的真空室空间限制，因为处于常压下的真空容器在强大的空气压力作用下将使大型真空室壳体变形失稳，轻者使内部真空度降低，增大储能轮风阻，导致能量转换效率降低，壳体变形严重时导致储能轮与壳体接触，诱发极为严重的运行事故。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出一种大型储能轮及真空室的建造方法。主要技术方案是在地下建造密闭的混凝土井室并进行隔气处理，以此作为储能轮外壳，装配有磁力轴承的储能轮轴竖直安放在井室内，用高强混凝土浇筑储能轮。为适应较高转速工况下储能轮安全工作，在储能轮外缘采用张拉的钢缆或其它高强抗拉材料制作的缆进行加固(简称束固)，通过预先施加的径向压力降低或抵消转轮质点因高速旋转所产生的强大离心力。储能轮内沿同心圆预留间隔的调整偏心的竖向空洞，以便在储能轮偏心时进行调节。在位于井底的储能轮底座内安装磁力轴承，飞轮轴置于磁力轴承中。储能轮底座上面设置钕铁硼永磁材料制作的磁环，该磁环与储能轮下端面安装的钕铁硼永磁材料磁环位置相对应且极性相同，使储能轮悬浮在底座上。井室上部水平设置固定飞轮轴的上部支座并安装磁力轴承，储能轮转轴穿过磁力轴承，轴上端留有电动-发电机安装高度，井口以上设有钢质井盖，超大型储能装置井盖上留有人孔，作为常压下工作人员进入井室内部的出入通道。下部装置建造完成后安装井盖并密封，井外安装真空设备及电站值守操作系统。真空管道及电力线路穿过井盖并密封处理。

为便于表述，本说明书中所述的井、井室、真空室均指储能轮所处的地下同一空间；飞轮、转轮均指储能轮；混凝土指采用硅酸盐水泥作为胶结材料，相应骨料配制成的混凝土，束固指在储能轮外缘为约束其变形所采取的加固措施及构件。

本发明提出的储能轮建造方法具有以下显而易见的效果：一、储能轮外壳为混凝土井室浇筑而成，充分利用混凝土的抗压强度和周边土体对井室形成的约束，限制了高真空条件下的井壁变形，以确保系统在上述真空空间内处于持久且安全有效的工作状态。二、井室基础和储能轮支座嵌固于地下且可一次浇筑，便于承受飞轮巨大的重力。转轴上端支座为设置于与井壁相连接的构件，保证了支撑系统的稳定性。三、与电磁悬浮技术相比采用永久强磁体作为磁悬浮材料，可节省系统投资和运行费用。四、在提高能量密度同时提高了设备的安全系数，因为整个系统位于地下且在储能轮外围设置束固构件，系统可在较高转速工况下运行，不仅储存能量得以提高，即使发生飞轮崩溃的严重事故也不会危及人身安全和地面建筑物。五、混凝土材料的运用使井室空间高度及空间截面不受严格限制，为建造GW级超大型储能轮提供了可靠的运行空间。六、与现实技术相比，因为飞轮的下支座采用钢筋混凝土材料，上支座可采用钢、混凝土组合材料进行设计，充分利用了各种材料的力学特能，节省大量的金属结构材料。在采用束固措施条件下，储能轮可采用较低力学性能的材料，例如钢筋混凝土或钢纤维混凝土，使建造大型、超大型储能轮施得以实现，不但便于施工，也大幅度降低了工程造价。七、储能电场位置布置灵活，不受自然条件限制。八、占用土地资源少，破坏植被少，利于环境保护。

附图说明

如图所示：图1：大型储能轮的建筑剖面示意图。其中1为混凝土基础和储能轮底座、2为井室壁、3为储能轮体、32为储能轮外缘环形束固件组合、4为井室端盖、5为储能轮上支座、6为人孔、7为储能轮轴、81为储能轮下部环形永磁体、9为储能轮底座上部环形永磁体、10和11为磁力轴承、12为电动/发电一体机、13为基层土体、14为真空设备。

图2：储能轮A_A水平剖面加强骨架示意图。其中2为井室壁、7为储能轮轴、71为焊接在轴上的环形加强板、72为焊接在环形加强板上的水平加强筋。

图3：储能轮体3的加强骨架竖向示意图。7为储能轮轴、70为储能轮底部托板、8为环状永磁体底座、71为沿轴向分层设置的环形加强版，72为水平加强筋，16为外围钢模板。

图4：储能轮外缘束固件组合32剖面示意图。321为环形束固支座、322为钢缆或碳纤维束固带、323为环形束固支座锚拉筋。

具体实施方式

方案设计：首先确定所建储能电场的设计容量、储能轮采用的固强措施、储能轮材料密度、总质量、设计转速等参数确定储能轮3的半径和高度，计算底部基础和支座基础1深度、上部支座5高度、轴7总长度和安装维修作业面等之后确定井室直径和深度，计算土体13侧压力和大气压力综合作用下的混凝土井壁2的厚度和基础承载力，必要时采取底部基础加强处理措施，依据井径计算真空状态下的钢质端盖4厚度。必要时应先行搭建模型进行试验，之后确定设计方案。优选地采用高品位铁矿石和级配铁矿砂作为配置浇筑储能轮混凝土的粗、细骨料。

步骤1：井室施工，井室包括井室基础和储能轮底座1、井壁2和上部转轴支撑架5。在确定井室深度和直径后首先在地面放样，根据井室设计深度可采用开挖或沉井方案施工井室，井室壁采用混凝土浇筑，特殊地质条件下可采用沉井作业法替代浇筑作业。在井室上端沿周边分布吊环，便于后期储能轮3的吊装作业。两种施工方法完成后都必须保证在包括端盖的井室外表面、井底部混凝土垫层上表面涂覆有连续封闭的、耐候性良好的防水层和阻汽层。优选地防水层选用聚氨酯防水涂料，隔汽层选用常温固化环氧树脂涂料。施工完成后封闭端盖和所有与外界联通部位，进行预抽真空试验，如果真空度达不到设计要求进行检漏，在发生空气泄漏部位采用常温固化树脂注浆处理，优选地采用常温固化环氧树脂，达到设计真空度要求后再在井室混凝土内表面喷涂连续的封闭层，优选地采用与混凝土具有良好粘接强度的常温固化环氧树脂涂层，用以消除混凝土材料的吸气和解吸作用。

储能轮底座1施工时按照设计厚度绑扎钢筋骨架，预埋环形永磁支座、预留磁力轴承安装位置并校准后浇筑钢筋混凝土底座。

步骤2：储能轮3施工 吊装储能轮转轴7并校准，在储能轮底座平面以上部位的转轴上设置储能轮钢质托板70并与转轴固定，托板70上预留有环形永磁体安装位置8，托板周边均布吊耳并与井壁2上端埋设的吊环相对应。转轴托板70以上分层设置环形加强板71，在环形加强板71上焊接储能轮水平钢筋骨架72，超大直径储能轮需在轴上沿轴向焊接加强肋，作为焊接竖向钢筋的锚固端。之后安装储能轮外周模板16并固定，在模板16内侧预埋水平连续的带凹槽弧形束固座321，模板钢筋骨架内沿环形设置均布竖向预埋钢管，对模板外形尺寸校核无误后浇筑混凝土。优先采用高强混凝土或钢纤维混凝土，优选地采用高标号硅酸盐水泥作为胶结材料，优选地采用高强度大密度材料如高品位铁矿石作为混凝土粗骨料，级配铁矿砂作为细骨料。依据储能轮直径和高度不同，大型储能轮采用现场一次浇筑成型，超大型储能轮沿高度分层浇筑，混凝土浇筑作业必须振捣密实。混凝土达到设计强度后沿束固座凹槽安装束固钢缆或碳纤维缆并张拉固定。特别地可用外侧钢模板作为储能轮束固构件，此种状况下应考虑混凝土干缩和钢模板的应力松弛作用对储能轮外缘约束失效，对钢模板外侧仍需采取紧固加强措施。

步骤3：安装作业 起吊储能轮脱离支座到安装高度后安装磁力轴承和相对应的永磁支撑环，回落至正常工作位置，储能轮处于悬浮状态。之后在设计转速下进行动平衡试验，偏心度超过设计的精度等级时可通过设置在竖向预埋钢管中填料的密度进行调整，完成后对预留管口进行封闭。依照上述作业顺序完成储能轮施工后进行电气系统安装作业、调试合格后封闭端盖。优选地，端盖用钢质材料制作，与真空井室上平面接触部位焊接法兰，法兰下面留有环形凹槽，内嵌橡胶类弹性密封材料并突出于凹槽，真空井室上水平面与端盖法兰对应部位预埋有直径相同的、平面光滑的钢法兰用于对接触面的密封。如果设置人孔，同样按照上述方法对接触部位采取密封措施，两法兰闭合后用螺栓压紧。

电场作业流程如下：1、确认井下人员全部撤出并关闭人孔；2、对系统抽气并达到设计真空度；3、适时启动飞轮，达到设定转速时停电保速；4、适时启动发电系统装置，向外输出电力至申网。

Claims (2)

1.一种储能轮及其真空室的建造方法，其特征在于，利用混凝土或钢筋混凝土材料在地下建造真空室和储能轮，建造过程包括真空井室基础施工、真空井室壁浇筑和密闭处理、位于井室内的储能轮浇筑、储能轮加固、磁力轴承安装、悬浮永磁体安装、储能轮转轴上端设置的电动/发电装置安装、偏心校正和端盖安装施工；

所述的真空室壁外表面涂刷全封闭的环氧树脂隔汽层和聚氨酯防水层，内表面喷涂环氧树脂隔汽层；

所述的储能轮外缘预埋带凹槽的环形束固支座，沿凹槽内敷设钢缆并张拉锚固，对储能轮进行水平向加固；

真空井室壁密闭处理的过程，具体包括：

在包括端盖的井室外表面、井底部混凝土垫层上表面涂覆有连续封闭的、耐候性良好的防水层和阻汽层；

施工完成后封闭端盖和所有与外界联通部位，进行预抽真空试验，如果真空度达不到设计要求进行检漏，在发生空气泄漏部位采用常温固化树脂注浆处理，采用常温固化环氧树脂，达到设计真空度要求后再在井室混凝土内表面喷涂连续的封闭层，采用与混凝土具有良好粘接强度的常温固化环氧树脂涂层，用以消除混凝土材料的吸气和解吸作用；

所述位于井室内的储能轮浇筑的过程和所述储能轮加固的过程，具体包括：

吊装储能轮转轴并校准，在储能轮底座平面以上部位的转轴上设置储能轮钢质托板并与转轴固定，托板上预留有环形永磁体安装位置，托板周边均布吊耳并与井壁上端埋设的吊环相对应；转轴托板以上分层设置环形加强板，在环形加强板上焊接储能轮水平钢筋骨架，超大直径储能轮需在轴上沿轴向焊接加强肋，作为焊接竖向钢筋的锚固端；之后安装储能轮外周模板并固定，在模板内侧预埋水平连续的带凹槽弧形束固座，模板钢筋骨架内沿环形设置均布竖向预埋钢管，对模板外形尺寸校核无误后浇筑混凝土；依据储能轮直径和高度不同，大型储能轮采用现场一次浇筑成型，超大型储能轮沿高度分层浇筑，混凝土浇筑作业必须振捣密实；混凝土达到设计强度后沿束固座凹槽安装束固钢缆或碳纤维缆并张拉固定；

所述磁力轴承安装的过程、所述悬浮永磁体安装的过程、所述储能轮转轴上端设置的电动/发电装置安装的过程和所述的偏心校正和端盖安装施工的过程，具体包括：

起吊储能轮脱离支座到安装高度后安装磁力轴承和相对应的永磁支撑环，回落至正常工作位置，储能轮处于悬浮状态；之后在设计转速下进行动平衡试验，偏心度超过设计的精度等级时通过设置在竖向预埋钢管中填料的密度进行调整，完成后对预留管口进行封闭；依照上述作业顺序完成储能轮施工后进行电气系统安装作业、调试合格后封闭端盖；其中，端盖与真空井室上平面接触部位焊接法兰，法兰下面留有环形凹槽，内嵌橡胶类弹性密封材料并突出于凹槽，真空井室上水平面与端盖法兰对应部位预埋有直径相同的、平面光滑的钢法兰用于对接触面的密封。

2.根据权利要求1所述的储能轮及其真空室的建造方法，其特征在于，储能轮浇筑后竖向留有均布的孔，在出现偏心时通过填充不同密度材料对重心进行调整。