一种废弃矿井蓄水储能实验系统及其实验方法

本发明涉及储能实验技术，属于矿井储能利用领域，具体涉及一种废弃矿井蓄水储能实验系统及其实验方法。

背景技术：

1、废弃矿井多为因资源枯竭、采矿成本过高、存在巨大安全隐患等原因不再进行采矿活动而关闭的矿井；对废弃矿井需要进行适当的管理和处置，比如填充、封闭、监测；而废弃矿井中蕴含丰富的矿井水资源、地热资源和空间资源，合理利用和开发废弃矿井中蕴藏的可利用能源，可提供持续的水资源的供应、减少对传统能源的依赖以及降低环境影响，对经济发展和环境保护具有重要意义；

2、废弃矿井蓄水储能是利用废弃矿井的有效方式，即一方面是利用矿井废弃空间将水资源存储在矿井地下空间内，通过与井下与水资源具有温差的岩体经过一定时间换热后形成储能矿井水并存储在井下矿井内，待一定时间后抽采至地面供社会生产生活使用，另一方面，可将地面电力资源通过与水资源的势能转换暂时存储于地面，在需要用电时将水资源储存于矿井中实现能量转换；

3、废弃矿井蓄水储能关键在于蓄水量和储能换热效率，而监测井下硐室的温度、水压和流速等数据是必不可少的，但因井下硐室往往报废已久，围岩支护能力差或已经丧失支护能力、且部分位置充满酸性矿井水和瓦斯等有毒有害气体，从现场原位尺度布置设备进行监测数据具有极大的挑战性和极高的经济维护成本，因此目前研究方法主要局限于数值模拟和理论计算，缺少对废弃矿井蓄水储能实验系统的模拟；

4、目前数值模拟和理论计算存在对实际矿井情况进行简化而导致模拟结果与实际情况存在偏差的问题，即缺乏实验和现场的数据支撑，比如往往假设废弃矿井空间或由废弃矿井洞室开挖引起的冒落区均被水资源完全充填，忽略实际过程中存在无法填充的区域，缺乏对蓄水与抽水过程中水储存状态的研究；比如在计算储能传热效率时，也假设蓄水资源与井下硐室壁面完全接触，然而实际储能过程中，频繁的储采水会使得井下空间充满大量气体，很难实现在每个出采水循环期间水资源完全充填井下空间。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种废弃矿井蓄水储能实验系统，结构简单紧凑，不仅对废弃矿井中蓄水与抽水时温度、流量、压力的监测，而且实现在蓄水与抽水状态下不同实验的模拟，计算结果可靠性与准确度更高，为废弃矿井蓄水储能提供支撑，避免传统采用数值模拟和理论计算而缺乏实验和现场的数据支撑。

2、为实现上述目的，本一种废弃矿井蓄水储能实验系统，包括：

3、水浴箱，密封箱体且用于模拟地层温度；

4、井下硐室模拟部件，具有进风井模拟管道、回风井模拟管道、巷道模拟管道、以及内部具有碎石的采空区模拟盒；

5、进风井模拟管道一端固定在注水箱上、另一端与多个巷道模拟管道连接；每个巷道模拟管道与相应的采空区模拟盒连接、且连接处设有透水垫片；采空区模拟盒以不同的角度与位置悬挂在水浴箱内部；

6、回风井模拟管道一端连接采空区模拟盒；

7、蓄抽水部件，具有模拟蓄水温度的注水箱、以及一端移动位于进风井模拟管道中用于蓄水与抽水的管组件；

8、注水箱与回风井模拟管道的另一端均通过提升组件进行高度调整；

9、监控部件，具有与控制器连接的温度监测器、流量监测器、以及水压监测器；

10、温度监测器设置在水浴箱、注水箱以及井下硐室模拟部件上，用于监测不同位置的水温；流量监测器设置在管组件上，用于监测蓄水与抽水的流量；水压监测器设置在井下硐室模拟部件上，用于监测不同位置的水压。

11、进一步的，所述管组件具有蓄水管、抽水管、以及受控制器控制的三通电磁阀与真空泵；

12、蓄水管一端位于进风井模拟管道中、另一端通过三通电磁阀后与注水箱连通；

13、三通电磁阀上另一端口通过抽水管回流至注水箱内，且抽水管上设有真空泵。

14、进一步的，所述采空区模拟盒中部通过调节支座角度调整的位于伸缩支架下端；

15、调节支座为带阻尼结构的球铰接结构；

16、伸缩支架上端安装在水浴箱上部的透明盖板内侧。

17、进一步的，所述调节支座具有安装在采空区模拟盒上的球杆、以及位于伸缩支架下端的支撑座；

18、支撑座上设有放置弹簧盲孔、以及螺纹安装的调节螺杆；

19、球杆的球头转动位于支撑座内，并在调节螺杆作用下，弹簧挤压作用在球头上。

20、进一步的，所述透明盖板内侧设有多个横向导轨、纵向导轨；

21、横向导轨、纵向导轨的截面均为t型结构的滑槽；伸缩支架上端的支撑块相匹配的滑动位于横向导轨或纵向导轨内。

22、进一步的，所述透明盖板内侧设有多个内螺纹孔；

23、伸缩支架上端的支撑块与内螺纹孔螺纹安装。

24、进一步的，所述碎石为砂岩碎块、且外部涂抹酚酞液体；

25、注水箱内为酸性蓄水溶液；水浴箱的一侧为透明板、且相应外侧设有用于记录不同蓄水参数条件下碎石变色分布特征的相机。

26、进一步的，所述提升组件具有竖直布置的吊杆、转动位于吊杆上端的滑轮、以及吊绳；

27、吊绳一端与回风井模拟管道或者注水箱连接、另一端绕设在滑轮外侧后连接在吊杆上。

28、本发明目的还在于提供一种废弃矿井蓄水储能实验方法，通过水浴箱用于模拟地层温度，井下硐室模拟部件用于模拟井下巷道、进风井、回风井及采空区的结构，蓄抽水部件用于模拟不同蓄抽水工况，并且监测部件中温度监测器、水压监测器、流量监测器相应监测不同地点的温度、水压和流量，实现对废弃矿井蓄水储能实验系统的模拟，计算结果可靠性与准确度更高，为废弃矿井蓄水储能提供实验数据支撑。

29、一种废弃矿井蓄水储能实验方法，具体包括以下步骤：

30、s1，清洗并烘干井下硐室模拟部件与蓄抽水部件，在采空区模拟盒内的碎石上涂抹石蕊溶液、并进行干燥处理；

31、s2，分析废弃矿井生产地质信息，确定矿井各采矿硐室尺寸、空间几何位置及硐室破坏状况，布置井下硐室模拟部件，包括采空区模拟盒的大小、位置与角度、以及内部碎石的级配、数量；巷道模拟管道的高度、角度；

32、安装监控部件中的温度监测器、流量监测器、以及水压监测器，以监测不同位置的温度、流量、以及水压，并将监测的实时数据传递至控制器中；

33、s3，将偏酸性溶液存储于注水箱中；

34、提升组件将注水箱、回风井模拟管道另一端提升至合适位置，并记录水浴箱与巷道模拟管路的平均高差为h；

35、s4，当进行蓄水时，三通电磁阀启动，以目标流速、时间为第一次蓄水，进行废弃矿井蓄水模拟，并实时监测各监测点的水压、温度、流速；

36、则实时蓄水量的计算公式为：；

37、注水箱内的水从管组件、进入多个巷道模拟管道、以及相应的采空区模拟盒中，酸性蓄水溶液在采空区模拟盒中与碎石接触时，碎石会变成红色，通过相机记录不同蓄水参数条件下碎石变色分布特征；

38、当巷道模拟管道的蓄水压力满足后，停止蓄水，待稳定一定时间后，控制器控制三通电磁阀位于抽水管的端口打开，再以目标流速为、时间为第一次抽水，进行废弃矿井抽水模拟，记录抽水过程中各监测点的水压、水温、流速；

39、则实时抽水量的计算公式为：

40、s5，当进行废弃矿井抽水蓄能电站模拟实验时，蓄水前水浴箱保持干燥；

41、废弃矿井蓄水量的实时势能减少量的计算公式为：

42、其中，为蓄水过程中注水箱（50）中水的密度，为重力加速度；

43、蓄水实时产生电能的计算公式为：

44、其中，为蓄水过程中重力势能与电能的转换率；

45、废弃矿井抽水量的实时势能增加量的计算公式为：

46、抽水消耗电能的计算公式为：

47、其中，为抽水过程中抽水用电量与水的势能增加量比值；

48、则废弃矿井蓄水储电能效率的计算公式为：

49、当模拟废弃矿井蓄水储热/冷实验时，蓄水前水浴箱内蓄满自来水，水浴箱温度、注水箱温度均以一定温度变化相应模拟地层温度、蓄水初始温度；

50、废弃矿井实时蓄水热/冷量的计算公式为：

51、其中，为重力加速度；、分别为时刻对应温度为注水箱中水的比热容和密度；

52、废弃矿井实时抽水热/冷量的计算公式为：

53、其中，、分别为时刻对应温度为注水箱中水的比热容和密度；

54、则废弃矿井蓄水量在抽水时间段的环境下利用后的热/冷量的计算公式为：

55、废弃矿井抽水量在抽水时间段的环境下利用后的热/冷量的计算公式为：

56、其中，为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均气温；

57、为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均水比热容；

58、为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均水密度；

59、则废弃矿井蓄水量在抽水时间段环境下可利用的热/冷量的计算公式为：

60、废弃矿井抽水量在抽水时间段环境下可利用的热/冷量的计算公式为：

61、废弃矿井蓄水效率的计算公式为：

62、废弃矿井蓄水储能效率的计算公式为：

63、废弃矿井蓄水储能利用效率的计算公式为：

64、当模拟废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征实验时，蓄水前水浴箱内蓄满自来水，水浴箱温度、注水箱温度均以一定温度变化相应模拟地层温度、蓄水初始温度；

65、风井模拟管道温度为、水压为，回风井模拟管道温度为、水压为，巷道模拟管道温度为、水压为，采空区模拟盒温度为、水压为；

66、对测量温度、水压、流速进行采集，得到废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征观测实验；

67、s6，重复步骤s1-s5，完成多次循环下完成多次模拟实验；

68、s7，当模拟废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征实验时，排出水浴箱、注水箱、井下硐室模拟部件内所有液体，改变注水箱内的温度和注水流速，重复步骤s1-s6，完成不同注水温度和注水流速条件下废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征观测实验。

69、进一步的，步骤s5中，水浴箱温度以+ 5℃/h或者-5℃/h的温度变化模拟在目标地层温度，并保持恒温一小时；

70、注水箱温度以+5℃/h或者-5℃/h的温度变化模拟在目标蓄水初始温度，并保持恒温一小时。

71、与现有技术相比，本一种废弃矿井蓄水储能实验系统通过水浴箱用于模拟地层温度，井下硐室模拟部件用于模拟井下巷道、进风井、回风井及采空区的结构，蓄抽水部件用于模拟不同蓄抽水工况，并且监测部件中温度监测器、水压监测器、流量监测器相应监测不同地点的温度、水压和流量，实现对废弃矿井蓄水储能实验系统的模拟，计算结果可靠性与准确度更高，为废弃矿井蓄水储能提供实验数据支撑；

72、通过监测蓄水与抽水状态下流量，以及模拟相应温度、水压，实现废弃矿井抽水蓄能电站实验模拟、废弃矿井蓄水储热/冷实验模拟、以及蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征实验模拟，避免传统方法缺乏实验和现场的数据支撑；

73、蓄水管连接在注水箱与采空区模拟盒之间，其一端移动位于进风井模拟管道中，能够通过改变管组件末端在进风井模拟管道或巷道模拟管道的位置用于模拟不同蓄水点对蓄水储能的影响；另外将偏酸性溶液存储于注水箱中，在采空区模拟盒内的碎石上涂抹石蕊溶液，注水箱内的水从管组件、进入多个巷道模拟管道、以及相应的采空区模拟盒中与碎石接触时，碎石会变成红色，通过相机记录不同蓄水参数条件下碎石变色分布特征。