CN116358910A - 一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置和试验方法。该试验装置中，储气模拟硐室设置有多个不同的监测设备；加压系统与储能模拟硐室通过管道连接；发电系统与储能模拟硐室管道连接；换热系统与充气管道、放气管道连接；储气模拟硐室埋设于硬岩岩体或相似模拟材料中，沿径向由内向外依次包括：密封层、分块式混凝土层、回填混凝土层和灌浆层，分块式混凝土层的内侧铺设有气密性密封材料，灌浆层设有灌浆环；灌浆环铺设于硬岩岩体内壁，为规则衬砌结构；储气模拟硐室内沿径向设置灌浆孔，灌浆孔贯通灌浆环的外侧壁，灌浆混凝土经过灌浆孔进入灌浆层，压密回填混凝土层与灌浆环之间、以及压密灌浆环与硬岩岩体之间的裂隙。
Description
技术领域
本申请涉及压缩空气储能技术领域，特别涉及一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置及试验方法。
背景技术
压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、投资和运行费用少等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。而地下硐室压缩空气储能的基本原理是利用用电低估的富裕电力将空气压缩并储存在挖好的地下硐室中，在用电高峰期再将压缩空气从地下硐室中释放出来推动透平发电。
目前，地下压缩空气储能主要偏向于利用深部岩穴，盐岩属于软岩，且盐岩资源赋存条件有限，在有建库需求的地区可能根本不存在盐岩地层，极大程度上限制了选址的自由度。而利用硬岩洞穴储能模拟硐室的最大优点是适合建库的硬岩岩石类型多，且地层分布广泛，在有建库需求的地区一般都存在满足建库条件的各类硬岩地层，因此，硬岩洞穴储能模拟硐室的选址相对容易。
而随着地下空间开发技术进步及大量矿井废弃巷道的存在，使得大规模地下空间开挖成本大幅度降低、建设工期得以显著缩短，同时结合逐渐成熟的高压气体地下密封技术，因此，利用硬岩洞穴方案进行地下压缩空气储能越来越成为可能。目前，尚未有利用硬岩硐室进行地下压缩空气储能的案例，因而，开展地下空间的压缩空气储能模拟研究对于地下硬岩硐室的压缩空气储能建设的安全性评价具有积极意义。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置及方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请实施例提供一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，包括：储能模拟硐室、加压系统、发电系统和换热系统；所述储能模拟硐室中设置有多个不同的监测设备，以对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测；所述加压系统与所述储能模拟硐室通过管道连接，用于向所述储能模拟硐室进行压缩空气储能；所述发电系统与所述储能模拟硐室管道连接，用于将所述储能模拟硐室内的空气压缩能量转化为电能；所述换热系统所述加压系统、所述发电系统连接，用于在储气阶段、放气阶段进行热能量交换；所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中，沿径向由内向外依次包括：密封层、分块式混凝土层、回填混凝土层和灌浆层，所述分块式混凝土层的内侧为铺设有气密性密封材料的所述密封层，所述灌浆层设有灌浆环；所述灌浆环铺设于硬岩岩体内壁，为规则衬砌结构；所述储能模拟硐室内沿径向设置灌浆孔，所述灌浆孔贯通所述灌浆环的外侧壁，灌浆混凝土经过所述灌浆孔进入所述灌浆层，压密回填所述回填混凝土层与所述灌浆环之间、以及压密所述灌浆环与硬岩岩体之间的裂隙。
优选的，所述监测设备包括：无应力计、多点位移计、光纤传感器、压力传感器和测温仪；其中，所述无应力计安装于所述回填混凝土层，所述多点位移计埋设于所述灌浆环的规则衬砌结构与硬岩岩体之间，所述光纤传感器安装于所述气密性密封材料的内侧壁；所述压力传感器、所述测温仪均位于所述储能模拟硐室的腔体内。
优选的，所述光纤传感器在所述气密性密封层材料的内侧壁分别沿环向和轴向呈网格状布置。
优选的，所述监测设备还包括：第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀位于充气管道上，所述充气管道为所述加压系统与所述储能模拟硐室的连接管道，所述第二控制阀位于放气管道上，所述放气管道为所述发电系统与所述储能模拟硐室的连接管道。
优选的，所述换热系统包括：换热器和冷热储罐，所述换热器分别与所述充气管道、所述放气管道、所述冷热储罐连接，用于将储气阶段压缩空气产生的热量储存进所述冷热储罐，并在放气阶段通过所述冷热储罐储存的热量对气体进行补热发电。
优选的，所述换热系统与所述充气管道的连接点位于所述第一控制阀和所述加压系统之间；所述换热系统与所述放气管道的连接点位于所述第二控制阀与所述发电系统之间。
本申请实施例还提供一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法，采用上述任一地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置进行试验，其中，所述地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置包括：储能模拟硐室、加压系统和发电系统；所述试验方法包括：将构建的所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中，仪器初始化完成后，T0时刻，启动所述加压系统，通过所述换热系统将所述加压系统提供的压缩气体进行热能量交换后，向所述储能模拟硐室内进行压缩空气储能；T1时刻，响应于监测到所述储能模拟硐室内的压力达到10兆帕，关闭所述加压系统，对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测；T2时刻，所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测，并释放所述储能模拟硐室内的压缩空气，通过所述换热系统对所述储能模拟硐室内的压缩空气进行补热后，由所述发电系统将所述压缩空气的能量转化为电能，并对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测；T3时刻，响应于所述储能模拟硐室内的压力达到7兆帕，停止放气，关闭所述发电系统，所述储能模拟硐室内的环境参数所述储能模拟硐室内的压力从7兆帕开始进行循环充放气压缩储能，并获取循环过程中所述储能模拟硐室内的环境参数。
优选的，所述将构建的所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中，包括：在地下硐室硬岩岩体内壁铺设灌浆环，并在所述灌浆环与硬岩岩体间埋设多点位移计，在灌浆环与硬岩岩体间沿径向设置灌浆孔，并在充气管道、放气管道与所述灌浆环之间设置密封环；通过所述灌浆孔将灌浆混凝土灌浆进所述灌浆环与硬岩岩体间的间隙，压密所述灌浆环与硬岩岩体间的裂隙；在所述灌浆环内壁铺设回填混凝土层，并在所述回填混凝土层中埋设无应力计，并通过所述灌浆孔灌浆混凝土压密所述灌浆环与所述胡天混凝土之间的裂隙；沿所述回填混凝土层内壁铺设分块式混凝土，形成分块式混凝土层；沿分块式混凝土层内壁铺设气密性密封材料以及光纤传感器，并在所述充气管道、放气管道与所述气密性密封材料连接处设置密封环；在所述储能模拟硐室的腔体内设置压力传感器和测温仪。
有益效果：
本申请实施例提供的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置中，在储能模拟硐室中设置多个不同的监测设备，对储能模拟硐室内的环境参数进行监测，通过监测到的环境参数控制加压系统、发电系统，使加压系统动作，通过连接管道向储能模拟硐室进行压缩空气储能；发电系统动作，通过连接管道将储能模拟硐室内的空气压缩能量转换为电能；在储气阶段、放气阶段通过与加压系统、发电系统连接的换热系统进行热能量交换，将储气阶段压缩空气产生的热量储存进所述冷热储罐，在放气阶段通过所述冷热储罐储存的热量对气体进行补热发电，提升发电稳定性。其中，储能模拟硐室埋设在岩体中，沿径向右内向外依次包括：密封层、分块式混凝土层、回填混凝土层和灌浆层，分块式混凝土层的内侧铺设有气密性密封材料，灌浆层设有灌浆环；灌浆环铺设于岩体内壁，为规则衬砌结构；储能模拟硐室内沿径向还设有灌浆孔，灌浆孔贯通所述灌浆环的外侧壁，灌浆混凝土经过灌浆孔进入灌浆层，压密回填混凝土层与灌浆环之间、以及压密灌浆环与岩体之间的裂隙，籍以实现了硬岩硐室埋设储能模拟硐室，通过硬岩硐室进行地下压缩空气储能，使压缩空气储能技术不再局限于软岩中，极大的提高了储气硐室的选址自由，提高了压缩空气储能的适用空间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置结构示意图；
图2为根据本申请的一些实施了提供的储能模拟硐室的结构示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法的流程示意图。
附图标记说明：
100、储能模拟硐室；200、加压系统；300、发电系统；400、换热系统；500、压气储能控制阀；600、储能释放控制阀；
101、密封层；102、分块式混凝土层；103、回填混凝土层；104、灌浆环；105、灌浆层；106、灌浆孔；107、充气管道；108、放气管道；109、密封环；
401、换热器；402、冷热储罐。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
目前，地下压缩空气储能主要偏向于利用深部岩穴，盐岩属于软岩，赋存条件有限，在有建库需求的地区可能根本不存在盐岩地层，选址自由度受到制约，极大程度上限制了压缩空气储能技术的发展应用。基于此，申请人提出了一种地下硬岩硐室压缩空气储能拟试验装置和方法，将储能模拟硐室埋设在硬岩岩体中，利用加压、控制、发电系统实现硬岩硐室的地下压缩空气储能，使压缩空气储能技术不再局限于软岩中，极大的提高了储气硐室的选址自由，提高了压缩空气储能的适用空间。
如图1、图2所示，该地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置包括：储能模拟硐室100、加压系统200、发电系统300和换热系统400。在储能模拟硐室100内设置有多个不同的监测设备，对储能模拟硐室100内的环境参数(温度、变形、渗漏等)进行监测；加压系统200与储能模拟硐室100通过管道连接，用于向储能模拟硐室100进行压缩空气储能；发电系统300与储能模拟硐室100管道连接，用于将储能模拟硐室100内的空气压缩能量转化为电能；换热系统400与加压系统200、发电系统300连接，用于在储气阶段、放气阶段进行热能量交换。
申请人研究发现，利用硬岩硐室进行地下压缩空气储能需要考虑硐室在循环荷载下围岩的变形、密封性能，温度变化等众多因素对透平发电效率的影响。在储能模拟硐室100的设计中，将储能模拟硐室100埋设于硬岩岩体中，沿径向由内向外依次包括：密封层101、分块式混凝土层102、回填混凝土层103和灌浆层105，分块式混凝土层102的内侧为铺设气密性密封材料的密封层101，灌浆层105设有灌浆环104；灌浆环104铺设于硬岩岩体内壁，为规则衬砌结构；储能模拟硐室100内沿径向设置灌浆孔106，灌浆孔106贯通灌浆环104的外侧壁，灌浆混凝土经过灌浆孔106进入预留灌浆管道，压密回填混凝土层103与灌浆环104之间的裂隙(或缝隙)，以及压密灌浆环104与硬岩岩体之间的裂隙。
具体的，在选择的硬岩岩体中，将规则衬砌结构的灌浆环104在硬岩岩体内壁进行铺设，并通过灌浆孔106进行高压灌浆，压密灌浆环104与硬岩岩体之间的裂隙，形成灌浆层105；然后，在灌浆层105的内壁回填混凝土，形成回填混凝土层103；接着，在回填混凝土层103的内壁铺设分块式混凝土，其中，分块式混凝土为预制混凝土块，在地面加工后直接进行铺设，相邻的分块式混凝土之间通过钢筋连接，形成分块式混凝土层102；在完成分块式混凝土的铺设后，利用灌浆孔106将高压灌浆混凝土将灌浆混凝土打入灌浆层105，对回填混凝土层103与灌浆环104之间的缝隙(或裂隙)进行压密回填，以及对灌浆环104与硬岩岩体之间的裂隙、微裂隙进行压密回填；最后，在分块式混凝土的内侧铺设气密性密封材料。其中，气密性密封材料可以采用钢衬密封结构，也可以采用薄膜密封结构。籍此，使硐室能够在反复充、放气条件下保证足够的密封性，提高压缩空气储能的转化效率。
本申请中的储能模拟硐室100为筒状结构，筒状结构的两端分别采用密封性钢衬结构进行密封，且在钢衬结构的轴向进行加固限位，具体的，通过固定杆沿轴向分别连接两端的钢衬结构，避免两端的钢衬结构的轴向位移，使筒状结构内的高压气体沿径向作用于储能模拟硐室100，以监测储能模拟硐室100在高压气体作用下的变化。
本申请中，通过对储能模拟硐室100内不同位置处的压力、温度、湿度、位移变化等环境参数进行实时监测，通过储能模拟硐室100内在充气、放气过程中的参数变化，为不同压力、时长下的电能转化效率奠定基础，进而实现储能模拟硐室100密闭性能的评估。
实现对储能模拟硐室100内的环境参数实时监测的监测设备主要包括：无应力计、多点位移计、光纤传感器和压力传感器；其中，无应力计安装于回填混凝土层103，在回填混凝土层103铺设时，直接将无应力计埋设在回填混凝土层103中，此外，还可以在其他水工结构物或混凝土结构物内埋设无应力计，对混凝土结构自身体积变化的应变量进行长期的实时监测。
在铺设灌浆环104时，将多点位移计埋设在灌浆环104的规则衬砌结构与硬岩岩体之间，在储能模拟硐室100完成后，长期实时监测灌浆环104的衬砌结构外的硬岩岩体的位移变化；压力传感器位于储能模拟硐室100的腔体内，用于对储能模拟硐室100内充、放气的实时压力进行监测。进而，结合储能模拟硐室100内的压力、温度、位移等参数变化，对储能模拟硐室100的长期充气、放气下的电能转化效率、密闭性能进行评估。
在气密性密封材料铺设后，气密性密封材料在分块式混凝土层102的内壁形成均匀、光滑的密封层101，一方面可以保证储能模拟硐室100的密闭性能，提高电能转化效率；另一方面，便于将储能模拟硐室100内充气后的高压压力沿径向均匀的向外传递至硬岩岩体。在该密封层101(气密性密封材料)的内侧壁沿环向、轴向分别铺设光纤传感器，使光纤传感器在密封层101内壁呈网格状布置，且光纤传感器在密封层101内壁沿环向、轴向均均匀布置，对储能模拟硐室100内侧的压力、温度、湿度、和位移变化进行长期实时监测。同时，还可以利用不同监测设备之间的监测数据的相互映照、对比，进一步提高储能模拟硐室100的数据监测精度和准确性。
本申请中，利用储能模拟硐室100的充气、放气实现压缩空气储能转化，其中，通过空气压缩机(加压系统200)对储能模拟硐室100进行压缩空气储能，在空气压缩机与储能模拟硐室100的连接管道(充气管道107)上设置有压气储能控制阀500(第一控制阀)，结合储能模拟硐室100内的实时压力，利用压气储能控制阀500对充气压力进行实时控制。通过空气透平膨胀机(发电系统300)对储能模拟硐室100释放压缩气体进行能量转换，将储能模拟硐室100内的空气压缩能量转化为电能，在空气透平膨胀机与储能模拟硐室100的连接管道(放气管道108)上设置有储能释放控制阀600(第二控制阀)，结合储能模拟硐室100内的实时环境参数，保证储能模拟硐室100安全放气。
为了进一步提高储能模拟硐室100在放气发电过程中的安全性，还通过设置换热系统400对储能模拟硐室100的充放气时的热能量进行交换，即将储气阶段压缩空气产生的热量储存进所述冷热储罐，并在放气阶段通过所述冷热储罐储存的热量对气体进行补热发电。其中，换热系统分别与充气管道107、放气管道108连接；换热系统与充气管道107的连接点位于第一控制阀和加压系统之间；换热系统与放气管道108的连接点位于第二控制阀与发电系统之间。
换热系统包括：换热器401和冷热储罐402，换热器401和冷热储罐402均位于储能模拟硐室100外，换热器401与冷热储罐402之间通过热交换管道连接。同时，换热器401分别连接充气管道107和放气管道108，即换热器401与充气管道107的连接点位于第一控制阀和加压系统200之间；换热器401与放气管道108的连接点位于第二控制阀与发电系统400之间。在放气阶段，储能模拟硐室100内的气体通过换热器401进行补热升温后，进入空气透平膨胀机并带动发电机进行透平发电。
本申请还提供一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法，采用上述任一实施例的地下硐室压缩空气储能模拟试验装置进行试验，如图3所示，该地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法包括：
步骤S101、将构建的所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中。需要说明的是，在实验环境下，硬岩岩体可采用模拟材料代替。
具体的，在地下硐室硬岩岩体内壁铺设灌浆环104，并在灌浆环104与硬岩岩体间埋设多点位移计，在灌浆环104与硬岩岩体间沿径向设置灌浆孔106，并在充气管道107、放气管道108与灌浆环104之间设置密封环(第一密封环)；灌浆环104、灌浆孔106以及第一密封环铺设完毕后，通过灌浆孔106将灌浆混凝土灌浆进灌浆环104与硬岩岩体间的间隙，压密灌浆环104与硬岩岩体间的裂隙；灌浆结束后，在灌浆环104内壁铺设回填混凝土层103，并在回填混凝土层103中埋设无应力计；回填混凝土层103铺设完毕后，沿回填混凝土层103内壁铺设分块式混凝土，相邻分块式混凝土间由钢筋连接，形成分块式混凝土层102；分块式混凝土层102铺设完毕后，沿分块式混凝土层102内壁铺设气密性密封材料以及光纤传感器，并在充气管道107、放气管道108与气密性密封材料连接处设置密封环109(第二密封环)；在储能模拟硐室100建设完毕后，在储能模拟硐室100腔体内设置测温仪与压力传感器，并将无应力计、压力传感器、测温仪、多点位移计和光纤传感器与外接设备连接，并对外接设备进行检测，以确认无应力计、压力传感器、测温仪、多点位移计和光纤传感器与外接设备正常。
步骤S102、仪器初始化完成后，T0时刻，启动加压系统200，通过换热系统400将加压系统200提供的压缩气体进行热能量交换后，向储能模拟硐室100内进行压缩空气储能。具体的，在确认无应力计、压力传感器、测温仪、多点位移计和光纤传感器正常，并校准归零后，打开空气压缩机压缩空气，同时打开压气储能控制阀500，关闭储能释放控制阀600，打开设置在压气储能控制阀500旁边的第一流量监测器以及设置在储能释放控制阀600旁边的第二流量监测器，并启动换热系统将压缩空气产生的热量由换热器401储存进冷热储罐402。
步骤S103、T1时刻，响应于检测到储能模拟硐室100内的压力达到10兆帕，关闭加压系统200，对储能模拟硐室100内的环境参数进行监测。具体的，T1时刻充气结束后，关闭压气储能控制阀500，记录无应力计的应力变化，多点位移计监测到的储气模拟硐室100的位移变化、储气模拟硐室100的腔体内的压力变化，测温仪监测到的储气模拟硐室100内的温度变化，以及光纤传感器监测到的储气模拟硐室100内的压力、温度、湿度和衬砌位移等变化。
步骤S104、T2时刻后，对储能模拟硐室100内的环境参数进行监测，并释放储能模拟硐室100内的压缩空气，由发电系统300将压缩空气的能量转化为电能。具体的，在储气模拟硐室100储存压缩空气一段时间后(T2时刻后)，对环境参数进行监测记录，并打开储能释放控制阀600以及空气透平膨胀机，将储气模拟硐室100内的高压气体由换热器401补热后进行发电。
步骤S105、T3时刻，响应于储能模拟硐室100内的压力达到7兆帕，停止放气，关闭发电系统300，并获取储能模拟硐室100内的环境参数。具体的，在储能模拟硐室100内的压力达到7兆帕时(T3时刻)，关闭储能释放控制阀600，记录无应力计的应力变化、多点位移计监测到的储气模拟硐室100内的位移变化，储气模拟硐室100的腔体内的压力变化，测温仪监测到的储气模拟硐室100内的温度变化，以及光纤传感器监测到的储气模拟硐室100内的压力、温度、湿度和衬砌位移等变化。
步骤S106、储能模拟硐室100内的压力从7兆帕开始进行循环充放气压缩储能，并获取循环过程中储能模拟硐室100内的环境参数。具体的，在第一次放气时当储能模拟硐室100内压力达到7兆帕时，即停止放气，并重复步骤S103至步骤S105，对储能模拟硐室100进行循环充放气，分析循环充放气过程中硐室衬砌应力、位移、结构变化和硐室内温度变化等。
在本申请中，在充放气模拟前，先对监测设备进行校正检验，采集储能模拟硐室100内的环境参数，以确保监测设备工作正常；然后，打开数据处理设备，并关闭储能释放控制阀600，打开压气储能控制阀500，启动压缩机，向储能模拟硐室100进行充气模拟。在此，充气模拟至少包括：试验性充气、短时储气试验和长时储气试验。
通过对储能模拟硐室100进行试验性充气，验证试验装置的可靠性。在试验性充气后，对储能模拟硐室100进行短时储气试验，通过储能模拟硐室100内监测设备获取的环境参数判断储能模拟硐室100的密封性，衬砌、围岩结构的力学响应特性。在短时储气试验完成后，再次对储能模拟硐室100进行储气试验(长时储气试验)，并通过储能模拟硐室100内监测设备获取的环境参数对储能模拟硐室100在高压条件下密封层101的渗漏性进行评估。
在向储能模拟硐室100内正式充气时，若储能模拟硐室100内的压力达到预设压力，则关闭空气压缩机以及压气储能控制阀500；利用监测设备对储能模拟硐室100内的压力、温度、湿度以及衬砌位移进行监测，得到储能模拟硐室100在压缩空气储能时的原始数据。经过T1时刻后，打开储能释放控制阀600及空气透平膨胀机，进行电能转化，监测并记录储能模拟硐室100内环境参数的变化；放气结束后，关闭储能释放控制阀600及空气透平膨胀机，再次记录储能模拟硐室100内的环境参数。通过充气模拟、正式充气、放气三个不同阶段储能模拟硐室100内环境参数的变化，对储能模拟硐室100的密闭性、电能转化率进行评估。
然后，通过试验装置进行不同类别、不同时长的充气、放气试验，获取多组试验数据，通过多组试验数据的对比，为确定不同储存时长以及不同各类别的储存方法的温度变化，进一步对储能模拟硐室100的密闭性、衬砌层的影响、以及电能转化率进行多维度评估。
通过本申请的试验装置、方法，实现了硬岩硐室埋设储能模拟硐室100，通过对硬岩硐室进行地下压缩空气储能，为压缩空气储能工程提供包括密封性、渗漏性和可行性等安全评价。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，包括：储能模拟硐室、加压系统、发电系统和换热系统；
所述储能模拟硐室中设置有多个不同的监测设备，以对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测；所述加压系统与所述储能模拟硐室通过管道连接，用于向所述储能模拟硐室进行压缩空气储能；所述发电系统与所述储能模拟硐室管道连接，用于将所述储能模拟硐室内的空气压缩能量转化为电能；所述换热系统与所述加压系统、所述发电系统连接，用于在储气阶段、放气阶段进行热能量交换；
所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中，沿径向由内向外依次包括：密封层、分块式混凝土层、回填混凝土层和灌浆层，所述分块式混凝土层的内侧为铺设气密性密封材料的所述密封层，所述灌浆层设有灌浆环；所述灌浆环铺设于硬岩岩体内壁，为规则衬砌结构；所述储能模拟硐室内沿径向设置灌浆孔，所述灌浆孔贯通所述灌浆环的外侧壁，灌浆混凝土经过所述灌浆孔进入所述灌浆层，压密回填所述回填混凝土层与所述灌浆环之间、以及压密所述灌浆环与硬岩岩体之间的裂隙。
2.根据权利要求1所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，所述监测设备包括：无应力计、多点位移计、光纤传感器、压力传感器和测温仪；
其中，所述无应力计安装于所述回填混凝土层，所述多点位移计埋设于所述灌浆环的规则衬砌结构与硬岩岩体之间，所述光纤传感器安装于所述气密性密封材料的内侧壁；所述压力传感器、所述测温仪均位于所述储能模拟硐室的腔体内。
3.根据权利要求2所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，所述光纤传感器在所述气密性密封层材料的内侧壁分别沿环向和轴向呈网格状布置。
4.根据权利要求2所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，所述监测设备还包括：第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀位于充气管道上，所述充气管道为所述加压系统与所述储能模拟硐室的连接管道，所述第二控制阀位于放气管道上，所述放气管道为所述发电系统与所述储能模拟硐室的连接管道。
5.根据权利要求4所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，所述换热系统包括：换热器和冷热储罐，所述换热器分别与所述充气管道、所述放气管道、所述冷热储罐连接，用于将储气阶段压缩空气产生的热量储存进所述冷热储罐，并在放气阶段通过所述冷热储罐储存的热量对气体进行补热发电。
6.根据权利要求5所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置，其特征在于，所述换热系统与所述充气管道的连接点位于所述第一控制阀和所述加压系统之间；所述换热系统与所述放气管道的连接点位于所述第二控制阀与所述发电系统之间。
7.一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置进行试验，其中，所述地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置包括：储能模拟硐室、加压系统、发电系统和换热系统；所述试验方法包括：
将构建的所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中；
仪器初始化完成后，T0时刻，启动所述加压系统，通过所述换热系统将所述加压系统提供的压缩气体进行热能量交换后，向所述储能模拟硐室内进行压缩空气储能；
T1时刻，响应于监测到所述储能模拟硐室内的压力达到10兆帕，关闭所述加压系统，对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测；
T2时刻，对所述储能模拟硐室内的环境参数进行监测，并释放所述储能模拟硐室内的压缩空气，通过所述换热系统对所述储能模拟硐室内的压缩空气进行补热后，由所述发电系统将所述压缩空气的能量转化为电能；
T3时刻，响应于所述储能模拟硐室内的压力达到7兆帕，停止放气，关闭所述发电系统，并获取所述储能模拟硐室内的环境参数；
所述储能模拟硐室内的压力从7兆帕开始进行循环充放气压缩储能，并获取循环过程中所述储能模拟硐室内的环境参数。
8.根据权利要求7所述的地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验方法，其特征在于，所述将构建的所述储能模拟硐室埋设于硬岩岩体中，包括：
在地下硐室硬岩岩体内壁铺设灌浆环，并在所述灌浆环与硬岩岩体间埋设多点位移计，在灌浆环与硬岩岩体间沿径向设置灌浆孔，并在充气管道、放气管道与所述灌浆环之间设置密封环；
通过所述灌浆孔将灌浆混凝土灌浆进所述灌浆环与硬岩岩体间的间隙，压密所述灌浆环与硬岩岩体间的裂隙；
在所述灌浆环内壁铺设回填混凝土层，并在所述回填混凝土层中埋设无应力计，并通过所述灌浆孔灌浆混凝土压密所述灌浆环与所述胡天混凝土之间的裂隙；
沿所述回填混凝土层内壁铺设分块式混凝土，形成分块式混凝土层；
沿分块式混凝土层内壁铺设气密性密封材料以及光纤传感器，并在所述充气管道、放气管道与所述气密性密封材料连接处设置密封环；
在所述储能模拟硐室的腔体内设置压力传感器和测温仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310307391.0A CN116358910A (zh) | 2023-03-27 | 2023-03-27 | 一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置及试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310307391.0A CN116358910A (zh) | 2023-03-27 | 2023-03-27 | 一种地下硬岩硐室压缩空气储能模拟试验装置及试验方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116358910A true CN116358910A (zh) | 2023-06-30 |
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ID=86935075
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN (1) | CN116358910A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117782664A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-29 | 中国矿业大学 | 一种适用于关闭煤矿地下空间进行压气储能的模型实验系统 |
| CN118442121A (zh) * | 2024-05-23 | 2024-08-06 | 中能建数字科技集团有限公司 | 一种用于压气储能的地下人工硐室储热系统及工作方法 |
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2023
- 2023-03-27 CN CN202310307391.0A patent/CN116358910A/zh active Pending
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