CN115493440A - 一种压缩空气储能盐穴恒温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压缩空气储能盐穴恒温系统，该系统用于压缩空气储能地下盐穴或洞穴系统中，包含盐穴热管恒温单元和盐穴蠕变监测单元。本发明利用热管恒温技术解决了压缩空气储能在充气和排气过程中因气体热力学性能产生的盐穴热应力，而引起的盐穴结构蠕变性破坏的技术难题，为盐穴及矿洞储能提供了恒温工作环境，提高了盐穴及矿洞的安全性，延长了盐穴使用寿命。此外，本发明技术新颖，制造容易，实用性强，有很好的经济效益和推广价值。

Description

一种压缩空气储能盐穴恒温系统

技术领域

本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体为一种压缩空气储能盐穴恒温系统。

背景技术

随着太阳能、风能装机规模飞速发展，受太阳能和风能等清洁能源不稳定性和随机性影响，电网对大规模储能的需求越来越大，要求也越来越高。国家电网专家认为“抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能是大规模发展储能技术的首选”。压缩空气储能作为一种可以实现大容量和长时间电能存储的储能系统，将低谷、风能、太阳能等不容易储藏的电力用于压缩空气储能系统，将压缩后的高压空气密封在储气设备中，在需要时给释放转化为电能。压缩空气储能具有装机容量大、站址布局灵活、建设周期短、环境友好、具有交流同步发电机特性等优势，是可以与抽水蓄能相媲美的新型储能技术。在我国广泛不具备设备抽水蓄能电站自然条件的一些地区，及远离消费中心的大型风电场和太阳能发电厂，压缩空气储能优势尤为突出。在新型电力系统中，压缩空气储能电站扮演调峰、调频、提供转动惯量和旋转备用的重要角色。

目前我国压缩空气储能正处于高速发展阶段，盐穴或矿洞压缩空气储能是其中一种方式。盐穴或矿洞作为其储能的基础条件，洞穴结构的稳定性和生命期的长短直接制约了压缩空气储能系统运行的稳定性和可靠性。试验数据显示：储能充气过程中，盐穴内空气的平均温度由29.3℃逐渐升高至54.2℃，单位时间的平均温升为24.9℃；充气过程结束后，盐穴内空气的平均温度高于盐穴储气库壁面处围岩层的温度平均温度23℃，由于盐穴储气库壁面存在对流换热，稳定后盐穴内平均温度为32.5℃；储能发电过程中，盐穴内空气的平均温度由32.5℃逐渐降低至27.8℃，单位时间的平均降温为4.7℃；发电过程结束后，盐穴内空气的平均温度低于盐穴储气库壁面处盐岩层的温度，此后，盐穴内空气的平均温度逐渐升高至29.3℃。压缩空气储能在充、放、储过程中，盐穴内空气的温度变化幅度为24.9℃，盐穴内温度频繁波动引起盐穴腔体结构的热应力变化，引起盐穴出现裂纹，承压能力下降，漏气率增加，更甚者导致盐穴的坍塌。因此，控制盐穴内温度是提高压缩空气储能系统安全稳定运行的关键措施。

发明内容

本发明的目的是为解决盐穴内温度频繁波动引起洞穴腔体结构的热应力变化这一难题，而提供一种盐穴恒温系统。为此，本发明采用以下技术方案：

一种压缩空气储能盐穴恒温系统，所述盐穴内部包括洞颈和盐穴腔体，其特征在于所述盐穴恒温系统包括盐穴热管恒温单元和盐穴蠕变监测单元；所述盐穴热管恒温单元采用盐穴热管组，盐穴中设置传热介质，盐穴热管一部分斜插入盐穴内部不规则围岩中，一部分暴露在围岩之外的盐穴中，平衡盐穴围岩与盐穴腔体、洞颈空气的温差，在盐穴洞颈围岩的盐穴热管布置密度大于在盐穴腔体围岩的布置密度；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管既作为传热单元，亦作为盐穴围岩稳定加固结构；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管围岩侧设有与盐穴蠕变监测单元连锁的热管传热介质流量调节结构；所述流量调节结构采用热敏感应材料调节换热介质流通面积；所述盐穴热管内设有多组微型开式毛细热管，微型毛细热管加强端部换热效果并给末端换热介质增加循环动力；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管采用非线性布局；所述盐穴蠕变测量单元采用区块化检测手段，检测围岩的温度梯度和微变形量。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案或对这些进一步的技术方案组合使用：

盐穴热管传热介质优选采用五氟丙烷和氯丙烷组成的恒沸混合物。其中恒沸混合物中的五氟丙烷和氯丙烷体积分数比优选为86：14，可迅速平衡盐穴和围岩之间的温差，将盐穴调控至恒温环境。

所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管可应用于各类不同盐穴的腐蚀性复杂环境。

所述盐穴热管恒温单元采用特殊结构的快速、均衡导热盐穴热管组，热管盐穴内部侧为圆形加肋板结构可充分接触盐穴内储能的空气，将气体与与热管传热介质充分交换热量。

盐穴热管的围岩侧的主体部分设置为圆锥形结构，将热管顺利以>60°斜插植入不规则的围岩中，亦可为热管工质传热提供了良好的接触环境。

盐穴热管内设置的传热介质流量调节结构与盐穴蠕变监测单元连接，控制热管内传热介质流量。传热介质流量调节结构设置于热管内管盐穴侧端部，为类鸭嘴型结构，上下由两组近半圆管状结构组成，其中下部结构固定于热管内管的内端，上端采用热敏感应材料镍铁基合金材料Ni40Fe制造，接受盐穴蠕变监测单元传递的电信号后，通过热敏材料的形变而调整张口角度变化，从而调节换热介质流通面积，控制换热介质流量。接受盐穴蠕变监测单元传递的电讯号越强，张角越大，换热介质流量越大；反之，当盐穴温度趋于稳定，上下结构组成圆形，换热介质流量趋于恒定。

所述盐穴热管内设有多组微型开式毛细热管，微型毛细热管通过热管支架固定于热管内管中，用于加强端部换热效果并给末端换热介质增加循环动力。

所述盐穴热管恒温单元的各单体热管外表面介质采用6061铝合金材料。

恒沸混合物中的五氟丙烷和氯丙烷体积分数比为86：14，可迅速平衡盐穴和围岩之间的温差，将盐穴调控至恒温环境。

所述盐穴蠕变监测单元根据盐穴腔体的空间形状划分为若干监测区块，每个检测区块设置蠕变测量仪，盐穴热管恒温单元对应每个监测区块设置一组热管，蠕变测量仪将区块温度传感信号或与温度对应的控制信号引至所控制区块的一组热管的信号接受器，接收器收到信号后调节热敏感应材料的张角，控制换热介质流通量。

所述盐穴蠕变监测单元设置蠕变测量仪，蠕变测量仪内置红外测温模块和声呐模块，红外测温模块用于检测围岩的温度梯度，声呐模块用于检测围岩的微变形。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明采用盐穴热管技术，加强末端换热和调节换热工质流量的结构，与盐穴内壁温度和蠕变量连锁，减小压缩空气储能充、放、储过程中盐穴内温度波动，解决了温度变化造成的盐穴的热应力变化，及引发的盐穴出现裂纹，承压能力下降，漏气率增加等问题。

其次，本发明设计的盐穴热管既是平衡温度装置，又为盐穴提供了结构性支撑。

第三、本发明采用特殊的盐穴热管技术，选择换热工质为五氟丙烷和氯丙烷组成的恒沸混合物，满足运行温度控制要求。

第四、本发明设计的热管采用了抗腐蚀技术，解决了各种盐穴离子对热管腐蚀、传热介质泄露的难题。

第五、本发明的技术方案的热平衡方案和抗腐蚀技术也可适用于不同种类盐穴、矿洞的复杂环境。

附图说明

图1是本发明一种压缩空气储能盐穴恒温系统的安装示意图。

图2是一个盐穴热管恒温单元的结构示意图。

图3是一个盐穴蠕变监测单元的示意图。

具体实施方式

参照附图。盐穴为类似细颈梅瓶结构，盐穴覆盖层厚度不同，造成洞颈长度不同，在附图中，标号100为洞口的固水泥套管，附图标号200为覆盖层。本发明的压缩空气储能盐穴恒温系统包括盐穴热管恒温单元和盐穴蠕变监测单元；所述盐穴热管恒温单元采用盐穴热管组，热管1中设置传热介质，盐穴热管围岩侧32插入盐穴的围岩中，热管盐穴腔侧31暴露在围岩之外的盐穴中，平衡盐穴围岩与盐穴腔体、洞颈空气的温差。

其中，盐穴热管1包含：热管的管壳11、传热介质12、热管的内管13、微型开式毛细热管14、毛细热管固定支架15，传热介质流量调节结构16、信号接受器17。传热介质流量调节结构16设置于热管的内管13盐穴侧端部，为类鸭嘴型结构，上下由两组近半圆管状结构组成，其中下部结构固定于热管内管，上端采用热敏感应材料镍铁基合金材料Ni40Fe制造，信号接受器17接受盐穴蠕变监测单元传递的电信号后，通过热敏材料的形变而调整张口角度变化，从而调节换热介质流通面积，控制换热介质流量。接受盐穴蠕变监测单元2传递的电讯号越强，张角越大，换热介质流量越大；反之，当盐穴温度趋于稳定，上下结构组成圆形，换热介质流量趋于恒定。

在管壳11上设置换热加强肋板18，热管的内管13中设置毛细热管固定支架15，用于固定微型开式毛细热管14，微型开式毛细热管14用于加强端部换热效果并给末端换热介质提供动力。

盐穴蠕监测单元2包含：蠕变测量仪21、反馈元件22、开关触发单元23和信号传输导线24。蠕变测量仪21内置红外测温模块和声呐模块，红外测温模块用于检测围岩的温度梯度，声呐模块用于检测围岩的微变形。反馈元件22收到蠕变测量仪21电信号后，反馈给开关触发单元23输出条件，开关触发单元23通过信号传输导线24将电信号传递给信号接受器17，从而调节传热介质流量调节结构16张口角度，从而调节传热介质12流量。

所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管即作为传热单元，亦作为盐穴围岩稳定加固结构。

所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管采用非线性布局；试验数据显示，受洞穴内壁结构形状差异制约，单组盐穴热管恒温单元可覆盖约80㎡的面积，因此结合盐穴矿洞内腔结构形式，非线性布局热管可确保盐穴每个结构单元都可以均衡交换热量。

所述盐穴蠕变测量单元采用区块化检测手段，根据盐穴腔体的空间形状划分为若干监测区块，检测围岩的温度梯度和微变形量。每个检测区块设置蠕变测量仪，盐穴热管恒温单元对应每个监测区块设置一组热管，蠕变测量仪将区块温度传感信号或与温度对应的控制信号引至所控制区块的一组热管的电机17。

洞颈是充、放气体进口，数值模拟显示：也是温度变化最为频繁的区域，在盐穴洞颈围岩的盐穴热管布置密度大于在盐穴腔体围岩的布置密度；此区域内沿长度方向，每隔5米设置一根盐穴热管1，形成多列盐穴热管1，相邻列的盐穴热管1错位设置。在盐穴腔体内的布置密度比洞颈低，水平方向每隔10米设置一根盐穴热管，竖直方向每隔10米设置一根盐穴热管1，相邻两层热管水平向错位7米。

所述盐穴热管恒温单元采用特殊结构的快速、均衡导热盐穴热管组，热管盐穴腔侧长度为1米，设有4组外缘尺寸为¢200mm的换热加强肋板19，每组肋板间隙为20mm，确保热管暴露在围岩之外的热管部分31可充分接触盐穴内储能的空气，提高平衡盐穴围岩与盐穴腔体、洞颈空气的温差的效果。热管围岩侧为锥型结构也即前述标号为32的部分植入围岩内长度为4m，为热管工质传热提供了良好的接触环境，同时加强支撑盐穴整体结构。

所述盐穴热管恒温单元的各单体热管的导热介质采用五氟丙烷和氯丙烷组成的恒沸混合物，恒沸混合物中的五氟丙烷和氯丙烷体积分数比优选为86：14，恒沸混合物不同于常规热管传热介质，可迅速平衡盐穴和围岩之间的温差，将盐穴调控至恒温环境。

所述盐穴热管恒温单元的各单体热管外表面介质采用6061铝合金材料，拥有良好的导热性能和结构强度，在实现盐穴恒温环境同时，拥有绝佳的抗腐蚀性能，可阻挡盐穴中各种盐离子对热管外表面的腐蚀，试验数据测算，应用于洞穴环境20年腐蚀量小于0.3mm；各热管能据此作为盐穴加固支撑材料植入围岩中，确保盐穴的结构稳定性。

热管设置后可迅速平衡盐穴内温度差，充气过程中，将空气热量传递给围岩中，发电过程中将盐穴的热量传递给空气，压缩空气储能在充、放、储过程中，盐穴内空气的温度变化幅度为3.2℃。具体的，在本实施例中，储能充气过程中，压缩空气进气温度约为54.2℃，通过熔盐热管导热，盐穴内腔迅速平衡温度至32.5℃；储能发电过程中，熔盐热管将围岩的热量传导至盐穴内空气，确保盐穴内空气温度保持在29.3℃。热管设置后可迅速平衡盐穴内温度差，充气过程中，将空气热量传递给围岩中，发电过程中将盐穴的热量传递给空气，压缩空气储能在充、放、储过程中，盐穴内空气的温度变化幅度为3.2℃。

凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能盐穴恒温系统，所述盐穴内部包括洞颈和盐穴腔体，其特征在于所述盐穴恒温系统包括盐穴热管恒温单元和盐穴蠕变监测单元；所述盐穴热管恒温单元采用盐穴热管组，盐穴中设置传热介质，盐穴热管一部分斜插入盐穴内部不规则围岩中，一部分暴露在围岩之外的盐穴中，平衡盐穴围岩与盐穴腔体、洞颈空气的温差，在盐穴洞颈围岩的盐穴热管布置密度大于在盐穴腔体围岩的布置密度；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管既作为传热单元，亦作为盐穴围岩稳定加固结构；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管围岩侧设有与盐穴蠕变监测单元连锁的热管传热介质流量调节结构；所述流量调节结构采用热敏感应材料调节换热介质流通面积；所述盐穴热管内设有多组微型开式毛细热管，微型毛细热管加强端部换热效果并给末端换热介质增加循环动力；所述盐穴热管恒温单元采用的盐穴热管采用非线性布局；所述盐穴蠕变测量单元采用区块化检测手段，检测围岩的温度梯度和微变形量。

2.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于盐穴热管传热介质采用五氟丙烷和氯丙烷组成的恒沸混合物。

3.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于盐穴热管的盐穴内部侧为圆形加肋板结构可充分接触盐穴内储能的空气，将气体与与热管传热介质充分交换热量。

4.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于盐穴热管的围岩侧的主体部分设置为圆锥形结构，将热管顺利以>60°斜插植入不规则的围岩中，亦可为热管工质传热提供了良好的接触环境。

5.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于盐穴热管内设置的传热介质流量调节结构与盐穴蠕变监测单元连接，控制热管内、传热介质流量。

6.如权利要求5所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于内管尾端设置传热介质流量调节结构，采用热敏感应材料镍铁基合金材料Ni40Fe，接受盐穴蠕变监测单元传递的电信号，通过张口角度变化调节换热介质流通面积。

7.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于所述盐穴热管恒温单元的各单体热管外腔表面介质采用6061铝合金材料，抵抗盐穴复杂离子成分的腐蚀。

8.如权利要求2所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于恒沸混合物中的五氟丙烷和氯丙烷体积分数比为86：14，可迅速平衡盐穴和围岩之间的温差，将盐穴调控至恒温环境。

9.如权利要求6所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于所述盐穴蠕变监测单元根据盐穴腔体的空间形状划分为若干监测区块，每个检测区块设置蠕变测量仪，盐穴热管恒温单元对应每个监测区块设置一组热管，蠕变测量仪将区块温度传感信号或与温度对应的控制信号引至所控制区块的一组热管的信号接受器，接收器收到信号后调节热敏感应材料的张角，控制换热介质流通量。

10.如权利要求1所述的一种压缩空气储能盐穴恒温系统，其特征在于所述盐穴蠕变监测单元设置蠕变测量仪，蠕变测量仪内置红外测温模块和声呐模块，红外测温模块用于检测围岩的温度梯度，声呐模块用于检测围岩的微变形。

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