专利名称：利用废弃矿井的压缩空气蓄能发电站的制作方法
技术领域：
本发明是一种利用废弃矿井封闭后作为压缩空气贮存洞室，实现压缩空气蓄能发电的能源转换系统。主要用于电网的‘移峰填谷、调频、调相’等任务，以实现电网的安全高效和经济运行。并通过这种‘移峰填谷’运行获取电价的峰、谷差价收益。在最大限度满足社会用电消费的同时，节约大量的发电资源投资。属于能源转换技术领域。
背景技术：
电能是最方便的能源。也是当今人类使用最广泛的能源。电能能够以最简单的方式转化为其它能源形式，这使它成为人类对能源消费需求的首要选择。
然而电能除了以化学能形式保存的电池外，其它形式的电能都必须是发电、输电、用电同步完成的平衡工作体系。由于人类的生产和生活活动具有昼夜不同的特征，这使得电能的消费也就具有了波动非常大的峰、谷特征；在早上8点到晚上10点，是电能的消费高峰，需要发电厂满负荷发电，满足用电需求。在晚上10点到第二天早上8点，是电能消费的低谷时段，电量需求小，迫使许多发电机组甩负荷退出电网。而在实际的电网运行中，还有更加复杂的需求形态在一天当中，还存在多个用电波谷、存在星期六、星期日的周末低谷，存在节假日低谷、存在一年四季不同的季节波谷等。
电能消费的波谷特征是电网安全和经济运行的大敌，由于大型发电机组、特别是火电机组和核电机组的起动和并网是庞大的工程，其过程复杂又耗能巨大，需要时间长，同时严重影响发电机组的寿命和安全，因而在电网的运行中，发电机组的频繁并网与卸网是一种极力避免的行为。从安全与经济的角度来看，这类发电机组只适合带基本负荷持续平衡运行，与社会用电消费的波、谷特征存在较大差异。这种差异就成为电网运行的麻烦之‘源’。
同时，这种波、谷特性使电网必须按社会的最大用电量峰值配置发电能力，但在一天、一周、一年的很多用电低谷时间里发电能力又被大量闲置，造成非常大的发电资源失衡浪费。在发电能力建设跟不上社会用电需求时还会发生这样的尴尬现象白天电不够用，被迫拉闸限电；晚上电用不完，发电机组纷纷“下岗”。而在一年的夏、冬季也存在类似的现象。
从电力科学规律和电力界的愿望来说，电网最理想的运行状态当然是无波动状态。然而电能的社会消费规律是并不以电力界的主观愿望为转移的。而从生产与消费的关系角度看，显然只能是电网去适应用户，面对这种差异，为了尽力保证电网的安全经济运行，电力界采取了下面的方针；一是实行峰、谷差价电价，利用经济手段来鼓励公众尽量在谷段多用电，而在峰段少用电。以尽量减少电网的波动。实现‘削峰填谷’的调节功能。目前有的地方峰谷电价差价巳高达3-5倍。
二是采用蓄能发电的转换方式，利用专门的蓄能发电厂在低谷时段蓄能，而在用电高峰时段发电，在适应社会用电规律的同时，保障电网的平衡运行。
第一种方式在电网的‘削峰填谷’方面有一定的效果，然而也受到很大的限制，在生活用电方面，人们的‘昼出夜伏’的生活规律不可能因为电价的差价而有明显的改变。因而基本没有效果。在生产用电方面，虽然低电价表面上对用电企业有吸引力，但实际上，如果企业因为夜间电价便宜而多组织夜晚生产的话，则又需要额外支付加班费、夜晚交通费、夜餐费、夜班组织管理费等多项费用，还有管理难度加大等难题，总节约率有限，反而打乱正常的工作安排，因而实际上很少有企业单纯因为电价的原因而主动专门安排夜班生产。近年来随着工资水平和各种费用的上升，普通用电企业开夜班的兴趣更是急剧下降。因而，针对直接用电户的峰、谷差价电价方式在差价不太大时巳基本失去效用。除非继续拉大峰、谷电价差距，重新使用电企业明显有利可图，否则这一方式的效应将越加淡化。
随着社会经济的发展，用电量呈高速上升，并且是白天的峰值用电上升更快，使电网的峰、谷波动也急剧扩大，令电网的安全性和经济性都面临越来越大的挑战。为了在保障社会用电的同时，又保障电网的安全和经济运行，大力发展蓄能电站，巳成为电力界的高度共识和迫切需求。
蓄能电站是一种特殊的电站；它的发电动力不是火能、核能、水能等自然能源，而是取自电网上其它发电机发出的电能，在用电低谷时段，蓄能电站将电网上多出社会用电量的多余电能转变为其它能源形式如水能，空气压缩能、热能等可贮存能源的方式储备起来，而在用电高峰时段则反过来，将原先储存的水能等用来推动自己的发电机发电，并网后与电网上其它发电机组一起向用户供电，满足高峰时段的用电需求，从而使电网能够适应社会用电消费的规律，安全、经济地满足社会用电需要。从理论上看，当蓄能电站在电网中占到一个合适比例的时候，总电网就可以按社会的一定时间内的平均用电量配置发电资源，节约极为可观的发电资源投资，或者说同样的发电资源就可以支撑更多的社会用电量，创造更大的社会效益与经济效益。
蓄能电站的发电原理与普通电站不同，它需要建立可逆向工作的能源转换结构，这使得蓄能电站的建设成本相当高昂，因此尽管有多种方式可以实现蓄能发电，但目前具备相对商业可行性的仅有抽水蓄能电站一种，其它类型的蓄能电站由于建设成本和运行成本的原因，基本上没有能够进入实际应用。
我们以传统的抽水蓄能电站为例来观察它的建设成本；它除了要建设普通水电站的水库和发电厂以外，还需要装备将水从下游重新抽往上游的巨型管道(隧道)等设备，并且它装备的发电机通常是发电---电动两用同步机组，其造价高，运行工况和管理又比普通发电机组复杂。因而导致它的发电成本居高不下，经济效益不好。使其对电网的‘削峰填谷’效能的经济性大打折扣。它能够得到应用，更多是为了保障电网的安全和出于保障供电周波等供电质量，以及为火电、核电机组的负荷特性配套的需要。
其它类型的蓄能电站按建设造价来衡量就更加不经济，如常规思路的压缩空气蓄能电站要在山体或地下挖掘巨大的压缩空气贮存洞室，成本几乎是天文数字，要靠峰、谷电价差价进行正常经营几乎没有可能，因而这类蓄能电站尽管能源转换技术上毫无问题，但却长期束之高阁，无法投入实际应用。究其原因就是不具备经济合理性。
综上所述，阻碍蓄能电站大规模应用的原因是其高昂的建设成本，如果能够大幅度降低这个成本，蓄能电站就可以大规模推广，从而大大改善电网的运行安全和经济性，更好地满足社会用电需求，具有极为可观的经济效益和社会效益。因此，要大规模发展蓄能电站，并且要能经济地运行，就必须解决它的建设成本难题。
发明技术内容传统的蓄能电站由于建设成本的原因而没有经济优势，这限制了它的大规模应用，如果解决了成本难题，蓄能电站的前途则十分光明。
在蓄能电站的建设成本中，蓄能结构部分占据了全部成本的大头，而转换、发电、变电设备和厂房只占小部分。因此，降低蓄能结构这一部分的成本，是蓄能电站能够在峰、谷电价差价范围内实现良性正常经营的关键。
为了降低蓄能电站的成本，经过长期研究，我们提出了利用废弃矿井充当压缩空气蓄能电站的蓄能洞室的发明思路。并以此为基础，推出了本发明技术工程系统。
本发明的基本原理，就是利用己废弃的矿井，经过对矿井口的耐压密封处理后，直接充当贮存压缩空气的洞室，与空气压缩机组、气轮机组、发电机组一起，共同构成以压缩空气为蓄能介质的蓄能电站。
这种结构的蓄能电站由于省略了占大头的蓄能结构部分的建设成本，总造价非常低廉，仅为现有蓄能电站建设成本的几分之一。建设成本摊入单位发电成本也只是现有蓄能电站发电成本的几分之一。从而具备了十分理想的经济优势。
下面详细叙述发明的工程技术结构；本发明工程的主体结构由废弃矿井将井口封闭后形成的压缩空气贮存洞室，空气压缩机组、气轮机组、发电机组、厂房、压缩空气管道、控制阀、变电站等所组成。
系统的基本工作原理是A 蓄能在夜间的低电价时段，系统的空气压缩机组开动，向矿井洞室充气，实现以压缩空气为介质的蓄能B 发电在白天的用电高峰时段，系统贮存的压缩空气通过管道和阀门被送入气轮机，气轮机被压缩空气的释压膨胀能推动旋转，带动发电机组发电，所发的电经由变电站送入电网，向用户供电，由此即完成一个蓄能发电循环如果每天充入洞室的压缩空气多于发电消耗的压缩空气，则系统处于长周期的蓄能状态，这种状态主要是用于夏、冬季的跨季度‘峰、谷’调节；在夏季电网的电量充足时进行压缩空气贮存，而在冬季时用来发电。
下面结合附图进一步详细阐述系统的结构与工作过程
图1是系统的总体结构图。
图2是系统工作在蓄能状态时电能向空气压缩能转换的能量流向图。
图3是系统工作在发电状态时空气压缩能向电能转换的能量流向图。
图4是多矿井组合成的蓄能洞室群结构图。
由图1可见；整套系统由矿井洞室1、空气压缩机组2、发电机组3、气轮机组4、充气控制阀5、发电控制阀6、变电站7、厂房8、控制台9、单向离合器10、11、总阀门12、变电开关13、输电线路14、压缩空气输送总管15所构成。充气控制阀5的一端连接到空气压缩机2的压缩空气输出管上，另一端连接到压缩空气进出洞室的总管15。发电控制阀6的一端连接到气轮机4的进气管上，另一端也连接到压缩空气总管15上。
系统的工作过程如下由图2可见；当系统工作于蓄能状态时，电能是由电网流向本系统，驱动电机3带动空气压缩机2工作，向洞室1充气，实现蓄能。
由图3可见；当系统工作于发电状态时，压缩空气被从洞室1释放，通过管道15和阀门12、阀门6送入气轮机4，驱动气轮机4带动电机3发电，电能的流向是由本系统流向电网，向用户供电。
系统在蓄能与发电两种工况之间的转换由充气控制阀5与发电控制阀6的分别开闭来实现；当充气控制阀5打开而发电控制阀6关闭时，系统工作于蓄能工况，压缩空气是由空压机2流向洞室1。当充气控制阀5关闭而发电控制阀6打开时，系统工作于发电工况，压缩空气是由洞室1流向气轮机4。同时，控制台9要对电机电路和变电站输、配电电路分别进行相应的配合操作来实现工况的转换。
系统的工况转换可以按蓄能电站与电网公司商定的时间进行。也可以由电网调度员根据电网的需求采用远动方式直接遥控。以实现为电网配套的最佳状态运行。
系统的发电能力由洞室的贮存能力决定。大型系统由多个洞室组成洞室群，以得到大规模的压缩空气贮存能力，相应的蓄能发电规模就可以同比例扩大(见图4)。
除了大型电站，本系统也同样适用于小型电站、乃至通过一个小矿井封闭的小洞室为单家独户供电的微型发电机也同样适用。适应性非常广。
系统的空气压缩机驱动电机可以采用单独的电动机，也可以采用发电---电动两用同步电机。采用两用机时，发电--电动机通过两个单向离合器10、11分别与空气压缩机和气轮机连接，这种连接的功能结构是；当系统工作于蓄能工况时，两用机组是工作于电动机状态，单向离合器使电机与气轮机脱开。而当系统处于发电状态时，气轮机带动电机发电，单向离合器使电机与空气压缩机脱开。
对于小型的蓄能电站，以及单个小矿井构成的微型电站，空压机也可以采用空气驱动、压缩两用机，这样可以降低原始投资成本(可以省去气轮机)。
发明技术的优点本发明系统具备了技术、经济、社会等三个方面的重大优点。
在技术层面上；本系统具有能源转换效率高，结构简单，操作方便，工况转换迅速，发电工况从启动到并网速度快，可实现自动化运行等多项优点。
压缩空气的加压贮存单纯通过空气压缩机和控制阀门就可以实现，没有中间环节，因而它的能量转换损失小。转换效率高。
空气压缩机是一种简单机械，结构坚固，操作极为简单，需要的操作人员很少，维护工作量也很少，运行成本低。
气轮机的结构与现有的发电用蒸汽轮机是类似的，但它是在常温下工作，结构要求低得多，相应的成本也要低得多。
系统工况从充气状态转换到发电状态只需开、闭控制阀5和6即可快速转换。同时，发电机启动转换到发电状态时，贮存的压缩空气是压力最高状态。高压空气能量巨大，启动快速，加速度好，驱动气轮发电机从启动到达规定转速的时间非常短，比起火电站、核电站等发电系统需要一个锅炉逐步加温升压的较长时间过程来说，这个时间短得多。系统能够以极快的速度并网，具备了适应快速陡峭的用电量负荷上升曲线的优异性能。特别是在电网的应急调频、调相和承载尖峰负荷冲击方面可以达到对蓄能调峰电站的最高要求。甚至可以远远超过目前并网速度最快的燃气轮机电站，为电网在最大限度适应社会的用电消费规律的同时安全、经济地运行提供反应最灵敏的最佳保障。
由于设备单纯，工况转换简单，本系统可以方便地实行自动控制的无人化运行。可以实现由电网总调度员直接调度控制的高级模式。这又可以显著降低成本。
在发电能力上，本系统可适应非常宽广的功率范围，从单个村办小矿井的几百瓦功率的微型发电机到大型矿山城市的全部作废矿井联网运行的几十万、甚至上百万千瓦的大型蓄能电站，都可以运作。
在‘峰、谷’调节能力的灵活性上，本系统特别优越可以同时具备单日、周末、跨季度等‘多工况、跨工况运行’能力，既可以对昼夜用电峰、谷进行调节；也可以对一个星期内的用电波、谷进行调节；还能够对一年内的冬、夏用电波、谷实施调节。由于压缩空气在矿井内的贮存并不受时间限制，只要矿井的密封性好，可以长期贮存，因此，在夏季水电充裕时，系统可以采用单日、周、季度进行工况曲线(每天蓄大于发)组合方式大量贮存，而在冬天时，进行反向组合(每天发大于蓄)方式发电以弥补水电出力下降，减轻电网的不平衡度。当然，这需要贮气矿井群具有足够大的容量，和足够坚固的地质结构，能够贮存大数量的超高压压缩空气。也可以采用多个矿山城市合并运行的方法扩大容量。
从技术结构上来说，这种可以跨季度蓄能的蓄能电站可以与水电站发电能力的季度特征配套。实现一定程度的“夏电冬用”，如果得以实现的话，这将是电力运行技术的一大创新，可以节约十分可观的发电资源投资。并且改善了水电站在夏天丰水时弃水浪费，而冬季枯水时又不能满负荷出力、甚至无法出力的窘状。从而也有效改善了电网供电的季度平衡性。
本系统的这种跨季度蓄能能力比抽水蓄能电站优越，在夏季由于受到库容的限制，抽水蓄能电站很难进行长周期性的蓄能。而在冬季，则又因来水枯竭而难以运作。相比之下，空气的来源是无限供应的。因此在洞室容积充足的情况下，本系统能够进行长周期性的电网峰、谷调节。
在经济层面上；本系统由于省掉了占大头的能源转换结构部分的建设成本，总造价仅是现有任何同功率电站(包括现有的任何蓄能电站)的几分之一，分摊到发电成本上，其单位发电量的成本也就仅是其它类型电站发电成本的几分之一，具有极好的经济效益。
在社会层面上；本系统可以产生优异的社会效益。
众所周知，矿产资源的开采是人类物质财富和物质文明的前提，在人类漫长的物质文明历史中，矿藏的开采伴随着人类的文明进程。而每个具体矿井的矿藏资源总是有限的，随着开采时间的流逝，大量矿藏被采尽的矿井被人们废弃，成为弃井。
弃井在人们过去的观念中，是典型的废物，并且还因对地下水的污染、造成地面沉降，进而威胁城镇地质安全等负面作用遭到人们的抨击。同时还是对人们生命安全的潜在危险物，在矿业安全规程中，就对弃井有专门的最后封井处理规定。
在人类的城市发展进步历史中，有两种脉络特征，一种是依托河流水源，另一种就是依托矿藏。时至今日，我们仍然可以看见许多城市是围绕矿山的开采而建立起来的。在我国如萍乡市、大同市、攀枝花市等均是典型的矿山城市。这些城市是所谓的单一资源依赖型城市，矿藏资源的开采是其经济龙头产业，其它的经济活动基本上都是围绕、依附于采矿业而形成的。
任何地方的矿藏资源总是有限的。随着资源的枯竭，这些矿山城市、矿山企业的发展及其公众的生存都面临着巨大的挑战。在我国，这类矿藏资源枯竭城市数量不少，国家每年都要耗费巨资协助这些城市进行产业转型和公众救济，但时至今日，由于难度大，贫困人口多，收效甚微。在世界上这也是一个公认的难题，是各国经济发展的一大包袱。
因此我们在矿藏资源枯竭城市(镇)就看见这样的现象；一方面是地下大量纵横交措，总长达几十、上百、甚至数百公里的作废矿井被作为废物而抛弃，另一方面是城市的衰败和人口的日益贫困。并且这一现象还正在加速严重化。
本发明系统的实施将为这些城市和矿山企业开创资源再造的新曙光。
本系统的第一个社会效益功能就是将大量的作废矿井重新转变成为了资源，而且是永远不再枯竭的二次发电资源。
本系统的第二个功能就是为这些城市的产业转型创造条件，原来的资源枯竭矿山企业可以部分或者全部转换成为二次发电企业。依托低廉的谷底电价电力，可以创办其它类型的新兴产业。为当地公众的就业和生活改善创造新机会。也为当地城市创造新的税源和发展的新机会。一些矿产资源枯竭的城市有可能重新焕发青春，在大型矿山城市，甚至可以形成相当大规模的二次发电能力，由过去的矿藏资源枯竭城市转变成为新兴的二次电力供应城市。由于电力是最方便于远距离输送的能源，这就为跨大区域优化配置能源建立了一个新的良好平台。有望在一个比较大的范围内实现一个基本是平衡运行的大电网。
从供电电网的平衡运行需求来看，这一优点还可以采用‘错时供电’的方式来实现即矿山城市在建设具备了足够规模的二次发电能力后，大电网对这类矿山城市只在夜间谷底时供电供其贮存，白天的用电则由其蓄能电站承担。达到这类矿山城市‘谷段电网远供，峰段就近使用’的供、用电模式，这样的供、用电模式可以减少蓄能电站发电时向电网回送电力的线路损耗和大电网上主力机组的波动冲击，将使电网的运行更加经济和安全。也大为减轻了这类经济困难城市及其公众的电费总支出(相当于这些城市常年使用谷段的低价电)，为其产业转型和普通公众的生活改善创造一定的条件。
此外，在弃井改造为贮气洞室后，由于洞室今后将长期处于高压空气的压力抵抗作用下，地下水对矿井的渗入和地面的塌陷都将得到控制，使环境质量得到改善。也改善了这些城市的地质安全。
实施方式本发明的实施并不复杂，甚至比建设一座同规模的普通电站还要简单只需将废弃矿井作好地质检查和相应处理，然后将洞口用水泥、钢材等作好耐压封闭。在封闭体上安装一根压缩空气进出洞室的主管道15，管道上再安装好一个总阀门12后将管道引入发电机厂房8，引进厂房8后管道分为两路，一路连接充气控制阀5后与空气压缩机2连接好、另一路连接发电控制阀6后与气轮机4连接好，即完成了电能与空气压缩能两种能源之间转换结构的建设实施。
发电与输电部分的建设与普通电站是一样的。
权利要求
1一种利用废弃矿井作为压缩空气贮存洞室的压缩空气蓄能发电站，由将废充矿井的井口进行耐压封闭后形成的洞室作为压缩空气贮存洞室，并与空气压缩机、发电机、气轮机、压缩空气输送管道、压缩空气控制阀门、变电换流站、厂房所共同组成，其特征是作为蓄能介质的压缩空气是被贮存在由废弃的矿井封闭后形成的洞室内。
2根据权利要求1的压缩空气蓄能洞室，其特征是矿井口的封闭是采用耐压封闭结构，封闭体要达到足够的厚度，在封闭体中间埋有一根供压缩空气进出洞室的输送管道，管道上装有一个控制压缩空气进出洞室的总阀门。
3根据权利要求1和权利要求2的压缩空气贮存洞室群，其特征是每个作废的矿井可以单独进行封闭，然后在洞外将各个洞室的压缩空气输送管道连接起来。
4根据权利要求1的压缩空气蓄能发电站，其特征是电站的空气压缩机出气管通过一个控制阀门连接到洞室的输送管道上，形成一个蓄能气体通道，电站在蓄能工况时生产的压缩空气由此通道进入洞室贮存。
5根据权利要求1和权利要求4的压缩空气蓄能发电站，其特征是电站的气轮机的进气管通过一个控制阀门连接到洞室的输送管道上，形成一个发电气体通道，电站在发电工况时贮存在洞室内的压缩空气经由此通道进入气轮机，推动气轮机旋转带动发电机发电向用户供电。
全文摘要
本发明是一种利用废弃矿井的压缩空气蓄能发电站。其最大特点是将废弃矿井的井口进行耐压封闭后形成的洞室作为压缩空气贮存洞室，在电网用电低谷时段时，从电网上取多出社会用电量的富余电能驱动空气压缩机向洞室内充气进行蓄能，而在社会用电高峰时段时，则将压缩空气从洞室释放用于驱动气轮机带动发电机发电向用户供电，实现了对电网的峰、谷调节。发明的优点是将废弃矿井这种有害废物重新转化为了用于二次发电的有用资源，并由此节约大部分的蓄能电站建设成本。创造出非常可观的经济与社会效益。
文档编号F03G7/00GK1707098SQ20041002274
公开日2005年12月14日 申请日期2004年6月8日 优先权日2004年6月8日
发明者申朗 申请人:申朗