气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的制作方法

本发明涉及一种蓄能电站的供气给水控沙的控制系统。

背景技术：

众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动，由此带来的是大面积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％之间，当前全球最大的处于运行中的抽水蓄能电站是位于美国佛吉尼亚州的巴斯康蒂抽水蓄能电站，容量达到3吉瓦，发电最大时长为10小时18分钟。抽水蓄能电站是电力系统重要的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电站的设计建设力度。由于中国南北气候特征明显，南方温度高水源充沛抽水蓄能电站集中兴建地区，然而急需要储能电站支撑的却是贫水、高海拔、环境温度低的地区，而抽水蓄能、压缩空气、化学储能受温度的影响很大，这类地区的建设成本、地质条件、环境因素、下游生态等都制约着压缩空气、化学、抽水蓄能电站发展。

由暴雨、冰雪融化等水源激发的泥石流含有大量泥沙石块，介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流，在自身重力势能转换成动能的作用下发生运动。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最高可达80％左右。当泥石流从山上冲下的过程中既有动能又有势能，势能减少动能增加，势能转化成动能，来势凶猛，因其高速前进，具有强大的能量。

受高含沙水的黄河启发，黄河高含沙水具记载，1953～1971年，黄河支流皇甫川河口断面日平均含沙量超过500kg/m³达109天，超过800kg/m³达33天，超过1000kg/m³达6天，最大日平均含沙量为1310kg/m³，属高含沙水流：含沙量达到每立方米数百千克以至一千千克以上的水流。由沙子堆积密度一般取1300–1600kg/m³(与含水率有关)，取高含水值为1600kg/m³，则每立方米沙水占比为：1310/1600*100％＝82％，也就是说利用20％的水克服沙子的粘滞阻力，使高沙水流动，形成水沙流。

风沙是一种大自然现象，气流将沙粒吹起形成了风沙，使沙子具有了一定的能量，而且温度对沙子没有影响。一般意义上认为，颗粒固体如沙粒其实是一种处在流固边界的临界相，在非常小的外部微扰下会流化，在很多时候其实更像流体。在颗粒流中还存在另一种颗粒相互作用,即颗粒之间的半持续性接触,颗粒之间有相对滑动及相互挤压作用,相对滑动可以传递剪切应力,相互挤压则可传递正压力。持续接触,即静态支撑接触.靠接触传递压力,靠内摩擦承受剪切应力。人类巧妙地利用这个自然现象，如利用压缩空气克服气体在管路内推动砂粒流动的摩擦损失和阻力，推动砂粒向前运动搬运沙子。又如压入式干喷砂机是以压缩空气作为磨流的加速动力，通过压缩空气将沙粒经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。在压入式干喷沙机中，压缩空气既是供料动力又是射流的加速动力。又如流化床，是利用固体流态化原理，利用压缩空气将大量沙粒悬浮于运动的气流之中，此时沙粒呈现为悬浮和脉动两种状态，从而使沙粒具有流体的特征形成气沙流。而沙粒重量、气体流量和气压决定沙粒流动的关键因素。

由此依据“泥石流”、“沙子流化”和“粮仓效应”机理，创建水沙流或气沙流条件，使水沙流或气沙流势能转换动能做功驱动发电机发电，由于沙子的粘滞系数造成“粮仓效应”和沙子下行受阻，给水沙流或气沙流连续发电带来困难，如何解决“粮仓效应”和沙子下行受阻问题，而供气、给水、控沙方法是保证水沙流或气沙流连续发电的关键。所述的“粮仓效应”为：粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径的二倍后，粮仓底部压力不再随高度增高而增加，压力基本保持为常数，此处的“粮”泛指颗粒状物体，如米、沙子等。

技术实现要素：

本发明提出一种气水沙蓄能电站供气给水控沙系统。本发明根据环境温度切换不同的发电模式：在环境温度≤0℃时采用气沙流发电，在环境温度>0℃时采用水沙流发电，因此可适应不同环境地区的储能发电需求，实现跨时间、跨季节储能。

本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统具有气沙流工作模式和水沙流工作模式。当有余电时，在气沙流工作模式下通过空压机将气体压缩存储到空气罐中。在水沙流工作模式下通过传送机、水泵将沙子和水分别回传送到蓄沙库和蓄水池中。气水沙蓄能电站发电时，本发明供气给水控沙系统在气沙流工作模式或水沙流工作模式下分别控制供气或给水，通过对沙子分层、分时供气驱动振捣棒或给水，避免发生“粮仓效应”，也避免沙子重力势能向下传导受阻，通过控制流化沙管道供气或给水，形成气沙流或水沙流，保证发电的连续性。

所述的水沙流为沙子含水量大于20％时沙子被流化流动形成。

所述的气沙流为压缩气体将沙子流化，使其沙子流动形成。

所述的“粮仓效应”是当粮仓高度大于其底部直径的2倍，粮仓底部的压力便不增加，即当容器内颗粒的高度超过-定值后，底部压力基本保持常数，不再随高度增加而增加。由于蓄沙库每层沙子承受的重量、含水量不同，由此蓄沙库每层沙子之间的摩擦阻力不同，造成计算沙子下泄速度复杂性增加，本发明在不考虑蓄沙库沙子含水量的条件下，采用以下相对宏观的压力分析方法，只考虑垂直于控沙阀门的截面积的重量、体积、高度的相关性，相对简单易行。

本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统由蓄沙库、蓄水池和监控系统组成。所述的蓄沙库和蓄水池位于气水沙蓄能电站的上部，蓄水池依地质条件建在蓄沙库的一侧，蓄水池的底部高于蓄沙库的顶部。蓄沙库、蓄水池分别与监控系统连接。

所述的蓄沙库由库体、储气系统、供气给水系统、控沙阀门ks和泄沙子管道组成。储气系统置于蓄沙库中控沙阀门ks的上部，储气系统的进出气口与供气给水系统中的柱状供气阀门连接；供气给水系统由下至上垂直安装蓄沙库内，供气给水系统通过安装在柱状供气给水管道上的柱状给水阀门与给水管道连接，给水管道与蓄水池底部连通；控沙阀门ks位于蓄沙库底部，并与泄沙子管道连接，泄沙子管道的出口与发电机连接，气沙流或水沙流经泄沙子管道对发电机做功发电。

所述的控沙阀门ks内部嵌有阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线方式与监控系统连接。

所述的储气系统由空压机和储气罐组成。空压机安装在储气罐的顶部，空压机的出气管道与安装在储气罐上部的压缩空气进气阀连接。供气给水系统中的供气给水管道上下垂直安装在储气罐内，储气罐的进出气口与安装在供气给水管道上柱状供气阀门连接。

所述的供气给水系统由柱状供气给水管道、n个环形供气给水管道、梯级阀门k1～kn、流化沙供气给水阀门kq、流化沙管道和强排气给水阀门kp组成，n为正整数。

梯级阀门k1～kn由下至上按照1～n的顺序等距离排列，安装在柱状供气给水管道上；n个环形供气给水管道由下至上按照1～n的顺序等距离排列，通过连接管道穿过储气罐分别与梯级阀门k1～kn对应连接。强排气给水阀门kp安装在柱状供气给水管道的底部；流化沙供气给水阀门kp安装在柱状供气给水管道上，位于强排气给水阀门kp上部。蓄沙库以环形供气给水管道所在的水平面为分层断面，由下至上分层，即第一层为第一环形供气给水管道所在的水平面，所承受的压力为f1，与控沙阀门ks之间的高度为h1；第二层为第二环形供气给水管道所在的水平面，所承受的压力为f2，与第一层之间的高度为h2；以此类推第n-1层为第n-1环形供气给水管道所在的水平面，所承受的压力为fn-1；第n层为第n环形供气给水管道所在的水平面，所承受的压力为fn，与第n-1层之间的高度为hn；n为环形供气给水管所在水平面的序号，n为正整数。

第一环形供气给水管道上垂直安装有多个注气给水管，注气给水管上装有多个喷气给水头，其余的每个环形供气给水管道上都环形均布有多个排水阀门和多个气动振捣棒，其中每个气动振捣棒和排水阀门均内嵌阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线与监控管理系统连接。监控管理系统通过阀门控制器控制气动振捣棒或排水阀门对周边的沙子进行震动或给水，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。

所述的流化沙管道安装在蓄沙库靠近底部处、控沙阀门ks的上部；流化沙管道通过流化沙供气给水阀门kq与柱状供气给水管道连接，流化沙管道上排列有多个朝向控沙阀门ks方向的排气给水孔，通过此排气给水孔排气或注水，使控沙阀门ks与流化沙管道之间的沙子形成气沙流或水沙流，使气沙流或水沙流畅通地经控沙阀门ks流出。柱状供气给水管道的另一端为强排气给水阀门kp，强排气给水阀门kp布置于第一环形供气给水管道的中心位置。强排气给水阀门kp主要用于在控沙阀门ks处，沙子没有达到流化流动时的应急排气或注水。控沙阀门ks位于蓄沙库底部，并与泄沙子管道连接，气沙流或水沙流经泄沙子管道出口与发电机连接，气沙流或水沙流经泄沙子管道对发电机做功发电。所述发电机是指适用于本发明的沙子发电设备。

由于蓄沙库库体沿轴向剖面为漏斗形状，当需要沙子重力势能向下传递时，供气给水系统分时、分层对沙子扰动，破坏沙子与沙子之间的降低摩擦力，由此避免了“粮仓效应”发生。沙子在重力的作用下向半圆锥体底部移动，当沙子移动到第一环形供气给水管道处，第一环形供气给水管道上的注气给水管向沙子注入气体或给水，进一步克服沙子与沙子之间的粘滞阻力，使沙子趋近于流化。当沙子移动到流化沙管道时，控制器控制流化沙供气给水阀门kq对流化沙管道排气或给水，使沙子流动达到满足连续发电要求的气沙流或水沙流，提供稳定连续的重力势能。

当气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时，在控沙阀门ks的控制下，气沙流或水沙流下泄流量得到控制。当供气给水系统强排气给水阀门kp打开时，气沙流或水沙流在强排气或给水冲击作用下加速下行，提高发电快速响应时间。一定流量的气沙流或水沙流经泄沙管道到达发电机时，驱动发电机发电，气沙流或水沙流经发电机出口排放到下蓄沙库中。

所述的监控系统由环境监测仪、库体压力传感器、供气给水控制系统、储气控制系统、气沙流和水沙流量传感器组成。

监控系统放置于监控室内，通过网络通讯接收局地数值天气预报，并通过有线或无线方式监控气水沙蓄能电站的所有传感器及设备数据，同时上传和接收上级数据。所述监控系统的环境监测仪置于开阔处，监测环境温度、湿度、雨量、辐照度、风向、风速，并将数据上传到监控系统。

所述的库体压力传感器安装在蓄沙库库体上，实时监控蓄沙库库体各部位压力变化情况；所述的气沙流和水沙流流量传感器安装在控沙阀门ks的出口端。所有的传感器都具备有线或无线通讯输出接口。所述监控系统的供气给水控制系统由阀门控制器和n组综合监测探头组成；

阀门控制器嵌入在梯级阀门k1～kn、流化沙供气给水kq及强排气给水阀门kp上，通过无线或有线方式与监控系统连接。

n组综合监测探头由下至上排列，第一组综合监测探头安装在强排气给水阀门kp同一水平位置处，其余各组综合监测探头安装在每两个环形供气给水管道之间位置。n为正整数。

所述的储气控制系统是由压缩空气阀门控制器、柱状供气阀门控制器和空压机控制器组成。压缩空气阀门控制器嵌入在压缩空气阀门上；柱状供气阀门控制器嵌入在柱状供气阀门上；空压机控制器嵌入在空压机中。

其中，所有的阀门控制器内部集成有三合一探头、阀门驱动器和无线或有线通讯模块。阀门控制命令及包括第一组综合监测探头～第n组综合监测探头、三合一探头采集数据都通过组合编码经无线或有线与监控系统连接。

其中，三合一探头由流量、温度和压力传感器组成。

每一组综合监测探头由多个综合监测探头组成，多个综合监测探头等距离环绕排列在柱状供气给水管道周围。综合监测探头包括监测温度、压力、料位、流速的多个分监测探头，每个分监测探头监测到的数据经过编码后，通过有线、无线通讯接口传输到监控系统。

监控系统实时采集环境监测仪数据及历史同期数据，并依据数据分析控制切换工作模式，当连续10天环境温度t环＞0℃时切换成水沙流工作模式，当环境连续10天温度t环≤0℃时切换成“气沙流工作模式”。其中，水沙流工作模式采用水降低沙子的粘滞系数，形成水沙流发电；“气沙流工作模式”是采用气体对沙子进行降低粘滞系数，形成气沙流发电。

气水沙蓄能电站供气给水控沙系统在水沙流工作模式或气沙流工作模式时，监控系统实时采集压力和流量监测探头数据，分析每一层沙子的压力和下行流量，依据监控系统的数据及工作模式，监控系统控制梯级阀门分层、分时对气动振捣棒供气或对沙子给水流量控制，使被控层局部沙子之间的粘滞阻力降低或突破“粮仓效应”，控制沙子的下泄流量。当沙子移动到第一环形供气给水管道处时，通过控制梯级阀门k1和强排气给水阀门kp供气给水，使沙子趋势于流体，加速沙子下行，当沙子的到达流化沙管道时，由于流化沙供气给水阀门kq的供气给水，进一步降低沙子与沙子之间的粘滞阻力，满足形成气沙流或水沙流的条件，气沙流或水沙流的下泄流量通过流量传感器采集上传到监控系统。监控系统经数据分析提出对应控制策略，依据发电需求通过对沙控阀门ks的控制，稳定气沙流或水沙流的流量，形成连续的气沙流或水沙流，满足发电做功需求。在气沙流工作模式下通过第一环形供气给水管道向沙子注入气体，其余环形供气给水管道向气动振捣棒供气，气动振捣棒对周边的沙子震动，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。在水沙流工作模式下通过环形供气给水管道向沙子给水，降低沙子之间的粘滞系数，加速沙子的压力传递。通过流化沙管道向沙子注入气体或给水，创建气沙流或水沙流，将气沙流或水沙流的势能转换为驱动发电机发电的动能。具体步骤如下：

步骤一，确定气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式

监控系统实时采集环境监测仪的数据及历史同期数据，并依据数据分析结果切换气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式：

当连续10天环境温度t环＞0℃时，气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为水沙流工作模式。

当连续10天环境温度t环≤0℃时，气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为气沙流工作模式。

所述的水沙流工作模式采用水降低沙子的粘滞系数，形成水沙流发电。

所述的气沙流工作模式采用气体对降低沙子的粘滞系数，形成气沙流发电。

步骤二，确定气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的发电功率曲线

结合局地气候特点、依据现有蓄水池的容量、蓄沙库的容量、储气罐的储气容量、储气压力以及用电需求，分别计算出在气沙流工作模式、水沙流工作模式以及最大发电做功功率pmax条件下满发电所用的时长tm，并上传调度。调度依据最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线，并发给监控系统。

步骤三，在不考虑水的质量的条件下，计算气沙流或水沙流流过控沙阀门ks处的最小压力。

步骤四，气水沙蓄能电站发电前，供气给水控沙系统分析蓄沙库沙子静止状态时的受力状态。

步骤五，启动电站发电，气沙流或水沙流在控沙阀门ks处的流速v沙一定的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk，保证气沙流或水沙连续流恒定做功功率p沙发电。

步骤六，随着沙子做功发电时间t的增加，蓄沙库的现有沙子高度hu降低，当hu＞4r沙时，蓄沙库沙子具有“粮仓效应”，确定在此条件下的供气或给水方法。

步骤七，当监控系统判断h1＜hu≤4r沙时，蓄沙库沙子不具备“粮仓效应”，确定在此条件下的供气或给水方法。

步骤八，确定在fs-fmin＜fsε或fmin＞fs条件下的供气或给水方法；

其中，hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；h1为蓄沙库的第一层的层高；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力；r沙为蓄沙库的半径。

进一步的，所述步骤一，确定气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式的方法如下：

由于气体密度效率低于水的密度，所以水沙流工作模式发电效率相对高于气沙流工作模式发电效率，由于环境温度t环≤0℃时水由液态转化为固态，无法利用水沙流工作模式储能发电，而低温环境下气体密度增加有利于气沙流工作模式。监控系统接收局地数值预报、监测环境监测仪数据，并依据数值预报、采集数据，并通过局地气候特点及历史同期数据分析，依据数据分析结果切换气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式：

当连续10天环境温度t环＞0℃时，本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为水沙流工作模式；

当连续10天环境温度t环≤0℃时，本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为气沙流工作模式。

其中，水沙流工作模式采用水降低沙子的粘滞系数，形成水沙流发电；气沙流工作模式采用气体降低沙子的粘滞系数，形成气沙流发电。

进一步的，所述步骤二，确定气水沙蓄能电站的发电功率曲线的方法如下：

气沙流或水沙流发电的关键是在一定的流量下，如何保证沙子形成气沙流或水沙流下泄的连续性，而满足气沙流或水沙流发电与沙子质量、气体或水的流量配比有关，如当沙水比例为80％/20％时，水克服沙子之间的粘滞系数，使沙子形成水沙流，满足发电要求。由此依据满足气与沙形成气沙流、水与沙形成水沙流的比值为定值时，结合局地气候特点、现有储气或蓄水容量、储气压力、现有蓄沙容量、用电需求、综合监测探头采集对应位置的沙子压力、料位和下泄速度数据分析，计算出在最大发电做功功率pmax条件下，上传调度满发电所用时长tm：

考虑对沙子的供气或给水形成气沙流或水沙流所获得最大发电做功功率pmax用气或用水需求，取在柱状供气给水管道排出气体或水的最大流量为qmax，

1)在气沙流工作模式下计算最大发电做功功率pmax条件下满发电时长tm：依据波义耳-马略特定律在等温过程中，p1v1＝p2v2和得到，储气罐在满足最大发电做功功率pmax条件下，经柱状供气给水管道排出最大流量qmax的气体所用的时长t排气：

其中，体积v1压力p1与体积v2压力p2为波义耳-马略特定律在等温过程中关系表达式的变量；v储气为储气系统中的储气罐气体的体积；p储气为储气系统中的储气罐内的压力；qmax为柱状供气给水管道排出气体或水的最大流量；t排气为经柱状供气给水管道排出气体的时间长度；p流化为振动棒、强制排气和沙子形成气沙流的的气体压力。

由于蓄沙库现有沙子的体积为：

依据蓄沙库现有沙子的体积v沙，和满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，可计算出经控沙阀门ks所排出的气沙流所用的时长t输沙为：

由此通过蓄沙库现有沙子的体积v沙，满足最大发电做功功率pmax条件下，气沙流下泄流量q沙时，经控沙阀门ks排出的气沙流所用时长t输沙，与储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用的时长t排气比较，得到相对短的排出气沙流或气的时长tm：

tm＝min[t输沙,t排气](4)

其中，t输沙为气沙流经控沙阀门ks所排出沙子的时长；v沙为蓄沙库的沙子体积，q沙为排出沙子流量；vn为蓄沙库任意一层沙子的体积。

2)在水沙流工作模式下，在满足发电需求的沙水80％/20％比值关系条件下和最大发电做功功率pmax条件下计算气水沙蓄能电站满发电时长tm：

依据蓄沙库现有蓄沙质量和蓄水池的库存蓄水质量，计算出实际的用沙质量和用水质量，为上级调度发电功率曲线提供依据。

·当前蓄沙库现存的蓄沙质量m沙为：

当前蓄水池库存的蓄水质量m水为：

m水＝ρ水v水(6)

当前沙和水的总质量为：

m总＝m沙+m水(7)

·分析当前蓄沙库和蓄水池的沙与水占比：

判断当前沙子质量m沙与沙水总质量m总之比是否满足并判断当前水质量m水与沙水总质量m总之比是否满足

如则m输沙＝m沙

如则m输水＝m水

如并则m输沙＝m沙和m输水＝m水

·计算蓄沙库沙子和蓄水池水的重力势能：

e输水＝m输水g·(h水重+h沙库)(10)

和

e输沙＝m输沙g·h沙重(11)

蓄沙库沙子和蓄水池水总的重力势能为：

e输总＝e输水+e输沙(12)

其中，v水为当前蓄水池容量；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库现存沙子的层数；hn为蓄沙库的任意一层的层高，n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数，n为蓄沙库沙子的最大层数；h沙库为蓄沙库的高度；h沙重为蓄沙库沙子的重心高度；h水重为蓄水库水体的重心高度；m水为蓄水池水的质量；e水为蓄水池水的重力势能；m沙为蓄沙库当前沙子质量；e沙为蓄沙库沙子的重力势能。

m输沙为依据沙与水比值计算得到的蓄沙库沙子的质量，e输沙为依据沙与水比值计算得到的蓄沙库沙子重力势能；m输水为依据沙与水比值计算得到的蓄水池水的质量，e输水为依据沙与水比值计算得到的蓄水池水的重力势能；e输总为依据沙与水比值计算得到的沙与水重力势能之和的总重力势能。

依据能量计算公式，在气水沙蓄能电站的最大发电做功功率pmax条件下计算出气水沙蓄能电站的满发电时长tm：

在气沙流工作模式或水沙流工作模式下获得有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线；

将分析得到的在气沙流工作模式或气沙流工作模式下，在气水沙蓄能电站满足最大发电做功功率pmax的条件下，相对短的工作时间作为满发电时长tm，满发电时长tm传送至调度。调度依据最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线，并发给监控系统，监控系统依据接收到的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线执行发电任务。

其中，pmax为气水沙蓄能电站的最大发电做功功率；tm为气水沙蓄能电站最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长。

进一步的，所述的步骤三计算气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的最小压力fmin方法中，由于p沙＝gμ·ρ沙hu·q沙，当hu＝h1时，气沙流或水沙流发电做功功率为：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙(14)

蓄沙库第一层的沙子在第一环形供气给水管道排出气流或水流的作用下趋近于流体连续流动，沙子到达控沙阀门ks处，在流化沙管道排出气体或水的进一步作用下，沙子形成气沙流或水沙流。由流量公式得到：

q沙＝sk·v沙(15)

式(15)中，q沙是气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流量。

当气沙流或水沙流流速v沙一定时，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，保证气沙流或水沙流流量q沙稳定。由于气沙流或水沙流流过控沙阀门ks的流量q沙与控沙阀门ks开度面积sk有关，由压力公式可知：

fs＝ρ沙gh1·sk(16)

由式(16)可知，气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs与气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk成正比。当压力fs增大或减小时，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，使气沙流或水沙流通过控沙阀门ks流量q沙稳定，由此得到气沙流或水沙流稳定的发电做功功率为：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙＝μ·fs·v沙(17)

当q沙、ρ沙、g、第一环形供气给水管道排出气体或水和流化沙管道排出气体或水都是定值，hu＝h1，控沙阀门ks开度面积sk最大时，此时的压力定义为最小压力fmin。

fmin＝fs＝ρ沙gh1·sk(18)

由此得到最小发电做功功率为：

pmin＝μ·fmin·v沙(19)

上述式中，sk为控沙阀门ks的开度面积；q沙为气沙流或水沙流流过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；pmin为气沙流或水沙流发电的最小做功功率；fε为蓄沙库第二层沙子底部压力常数；r沙为蓄沙库的半径；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库现存沙子的层数，n为蓄沙库沙子的最大层数；g为重力加速度；μ为发电效率。

进一步的，所述的步骤四供气给水控沙系统分析蓄沙库沙子静止状态时的受力状态如下：

发电前，供气给水系统的控沙阀门ks、强排气给水阀门kp、流化沙供气给水阀门kq和梯级阀门k1～kn均处于关闭状态，当前蓄沙库中沙子最高层为u，沙子的高度hu远大于蓄沙库的2倍直径4r沙，即hu＞＞4r沙，其中r沙为蓄沙库的半径。计算控沙阀门ks时的压力fs方法如下：

1)首先计算重力势能e沙：

其中，e沙为蓄沙库沙子的重力势能；ρ沙为蓄沙库沙子的密度；h沙重为蓄沙库沙子的重心高度；vn为蓄沙库的任意一层的体积；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，hn为蓄沙库的任意一层的层高，n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数；n为蓄沙库沙子的最大层数。

由于沙子之间的粘滞阻力，使蓄沙库中沙子产生“粮仓效应”，一部分沙子的重量分散到山体和库体，使库底的承重大大降低。为保证气水沙蓄能电站供气给水控沙系统快速启动正常发电，必须保证在控沙阀门ks打开的瞬间，控沙阀门ks处的沙子处于连续的气沙流或水沙流的准备状态，并且控沙阀门ks处的压力应要大于保证发电的最小压力fmin，即fs≥fmin。

2)分析蓄沙库当前沙子的最上层高度和压力

发电之前，监控系统首先通过综合监测探头依次读取蓄沙库每层沙子的高度h1～hn和压力f1～fu，并分析蓄沙库当前沙子的最上层高度和压力，判断是否：hu＞h1，fs≥fmin，

其中，h1为蓄沙库第一层沙子的高度；f1～fu为蓄沙库第一层沙子所承受压力、第二层沙子所承受压力，……,当前最上层沙子所承受压力；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；

当蓄沙库当前顶部沙子的高度h1＜hu＞4r沙时，监控系统计算蓄沙库第一层所承受沙子的压力f1，并依据“粮仓效应”，蓄沙库第一层所承受沙子的压力f1为常数fε，即f1＝fε；

由此通过重力公式f＝m·g＝v·ρ·g和“粮仓效应”可知，第一层沙子面积所承受沙子的压力f1为：

其中，vn为蓄沙库任意一层的体积；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；u＝1,2,…,n，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；hn为蓄沙库的任意一层的层高度，n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数；n为蓄沙库沙子的最大层数。

此时气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs为：控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力fsε与气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，由于压力与受力面积成正比，依据“粮仓效应”，当hu＞4r沙，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的压力f1等于常数fε，即f1＝fε，所以蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1与控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks开度面积sk之比，由此fsε为：

此时气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力为：

fs＝ρ沙gh1·sk+fsε＞fmin(23)

当气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力大于气沙流或水沙流发电的最小做功压力时，同时监控系统发出具备发电条件的信息提示。

其中，fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力；f1为蓄沙库第一层即第一环形供气给水管道所在的水平面承受沙子的压力；s1为蓄沙库第一层沙子面积；sk为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积；h1为第一环形供气给水管道与控沙阀门ks之间的高度；f2为蓄沙库第二层即第二环形供气给水管道所在的水平面承受沙子的压力；h2为第二环形供气给水管道与第三层之间的高度；以此类推，fn-1为蓄沙库第n-1层，即第n-1环形供气给水管道所在的水平面承受沙子的压力；hn为第n-1环形供气给水管道与第n层之间的高度；fn为第n层即第n环形供气给水管道所在的水平面承受沙子的压力；k1为第一层梯级阀门；kn为第n层梯级阀门；其中u＝1,2,…,n，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数，n为蓄沙库沙子的最大层数。

进一步的，所述的步骤五，启动电站发电过程中，监控系统控制控沙阀门ks的开度面积sk，保证气沙流或水沙连续流恒定做功功率p沙发电，具体如下：

当发电条件已具备时，监控系统控制梯级阀门k1、流化沙供气给水阀门kq、控沙阀门ks和强排气给水阀门kp同时打开。监控系统根据控沙阀门ks处的流量传感器反馈的数据，在流速v沙一定的条件下，依据式(17)和式(23)得到气沙流或水沙流发电做功功率与气沙流或水沙流经过控沙阀门ks压力关系式为：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ沙gh1·sk+fsε)(24)

依据式(24)计算出式中控沙阀门ks的开度面积sk的大小，并通过调节控沙阀门ks的开度大小，保证气沙流或水沙流发电做功的功率p沙恒定，之后关闭或减小强排气给水阀门kp的供气或给水流量；

式(24)中，sk为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积；v沙为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受沙子的压力；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；μ为发电效率。

进一步的，所述的步骤六中，在h1＜hu＞4r沙条件下，即在蓄沙库沙子的层高大于第一层沙子的高度，并大于2倍蓄沙库直径时的供气或给水的方法如下：

随着气沙流或水沙流发电做功时间t的增加，蓄沙库的沙子高度降低，气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力fs也在改变。依据式(15)q沙＝sk·v沙和气沙流或水沙流下泄速度得到蓄沙库已排出的用于发电的沙子高度ht为：

蓄沙库初始高度h减去蓄沙库已排出的沙子的高度ht，得到蓄沙库排出沙子后的沙子高度为hu：

其中，h为蓄沙库初始沙子高度；t为做功发电时间；sk为控沙阀门ks的开度面积；q沙为气沙流或水沙流的流量；ht为在发电时间t内蓄沙库沙子下降的高度，hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度。

由此通过蓄沙库现存沙子的体积求和，得到当前蓄沙库的重力势能为：

当hu＞4r沙时依据“粮仓效应”得到：

由式(28)可知，第一层沙子面积s1上所承受沙子的压力f1为常数fε，即f1＝fε，由式(22)依据常数fε压力与控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，得到控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力fsε为：

由此得到气沙流或水沙流发电做功功率与气沙流或水沙流经过控沙阀门ks压力关系式为：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ沙gh1·sk+fsε)(30)

其中，p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；h1～hn分别为蓄沙库第一层、第二层，……，第n层的沙子的高度，n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数，n为蓄沙库沙子的最大层数，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，n＞1为整数；sk为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积；s1为蓄沙库第一层面积；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受沙子的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力。

气沙流或水沙流经过控沙阀门ks处的压力fs≥fsε，fsε为常数，当气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速v沙为定值的条件下，由式(30)可知，通过改变控沙阀门ks的开度面积sk，并通过控制梯级阀门k1对第一层环形供气给水管的排气或给水，控制流化沙供气给水阀门kq对流化沙管道的排气或给水，实现气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)。

具体步骤如下：首先监控系统实时采集综合检测探头的数据，依次分析第一层沙子的压力fs，是否fs→(fmin+fsε)，并判断当前蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu是否hu≥h1，如判断hu＜h1则停止发电。如判断hu≥h1且hu＞4r沙此时第一层所承受沙子的压力f1等于常数fε：

然后判断是否fs-fmin≥fsε，如fs-fmin≥fsε，监控系统控制梯级阀门k1的开度，向第一环形供气给水管道供气或给水，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄；监控系统控制流化沙供气给水阀门kq排气或给水，使控沙阀门ks进口处沙子形成气沙流或水沙流。与此同时监控系统在保证气沙流或水沙流的流速v沙为定值的条件下，依据式(30)通过调节气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流或水沙流对发电机做功满足发电需求。

如fs-fmin＜fsε，说明气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的压力fs传导受阻，此时监控系统读取气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力fs，如判断fs＜fmin，监控系统控制强排气给水阀门kp打开，使气沙流或水沙流通过控沙阀门ks压力fs达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

进一步的，所述的步骤七，如监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时不具备粮仓效应条件，其中，h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；依据式(21)和式(27)得到蓄沙库第一层所承受沙子的压力f1为：

此时气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力为：气沙流或水沙流通过的控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的沙子压力fsε，与气沙流或水沙流通过控沙阀门ks最小压力fmin之和。由于当hu≤4r沙时不具有“粮仓效应”发生的条件，蓄沙库第一层所承受沙子的压力f1不等于常数fε，即f1≠fε。

依据压力与受力面积成正比的原理，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1与气沙流或水沙流通过控沙阀门的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks开度面积sk之比，因此控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受沙子的压力fsε为：

由此气沙流或水沙流通过开度面积为sk的控沙阀门ks处时的压力fs为：

fs＝fsε+fmin(34)

据此判断是否fs≥fmin，确定是否满足发电要求。

如判断fs≥fmin，监控系统控制梯级阀门k1提供第一环形供气给水管道供气或给水，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，并且监控系统控制流化沙供气给水阀门kq排气或给水，使控沙阀门ks处沙子形成气沙流或水沙流。与此同时监控系统依据式(14)、式(15)和式(18)得到气沙流或水沙流发电做功功率：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ1gh1·sk+fsε)(35)

其中，sk为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积；v沙为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受沙子的压力；s1为蓄沙库第一层沙子面积；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；ρ沙为沙子的密度；h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；r沙为蓄沙库的半径；μ为发电效率。

由式(35)可知，在保证气沙流或水沙流的流速v沙为定值的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)，气沙流或水沙流做功满足发电需求。

当h1＜hu≤4r沙时，如判断气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力fs＜fmin，说明气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的压力fs传导受阻，此时监控系统控制强排气给水阀门kp打开，使气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

进一步的，所述的步骤八，在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下的供气或给水方法具体为：

当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监控系统通过综合监测探头监测蓄沙库除第一层外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，得到沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层：

vmin＝min(v2、v3、…、vu-1、vu)，如vmin＝vn

则筛选出第n层沙子制约着沙子下行速度。

监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气给水管道供气或给水，在气沙流工作模式下供气驱动振捣棒震动，降低第n层沙子的下滑阻力，在水沙流工作模式下给水，克服沙子之间的粘滞系数，减小第n层沙子的下滑阻力，使沙子下泄流动连续，保证沙子压力传导到控沙阀门ks处的压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

其中，v2为蓄沙库第二层沙子的流速，v3为蓄沙库第三层沙子的流速，以此类推，vu-1为蓄沙库第u-1层沙子的流速；vu为蓄沙库第u层沙子的流速，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，u＝1,2,…,n；vn为第一层～第u层沙子的流速，n＝1,2,…,u，n为蓄沙库沙子的层数；vmin为沙子下行最慢速度；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；

如vmin＝v3，则说明蓄沙库第三层的沙子下行受阻，需要打开该层的梯级阀门k3，对第三层环形供气给水管道供气或给水，在气沙流工作模式下驱动振捣棒震动，降低沙子的下滑阻力，在水沙流工作模式下给水，克服沙子之间的粘滞系数，减小第三层沙子的下滑阻力，使沙子下泄流动连续。由于沙子力的传导时间的滞后性，为满足发电做功的连续性，监控系统控制梯级阀门k2对第二沙子层环形供气给水管道供气或给水，在气沙流工作模式下驱动振捣棒震动，降低沙子的下滑阻力，在水沙流工作模式下给水，克服沙子之间的粘滞系数，加速第二层沙子的流动。

监控系统读取蓄沙库第一层承受的沙子的压力f1，当h1＜hu＞4r沙时，分析是否fs-fmin≥fsε，或当h1＜hu≤4r沙时，分析是否fs≥fmin，如fs≥fmin则关闭强排气给水阀门kp，减小梯级阀门k2和梯级阀门k3的开度，使第二环形供气给水管道和第三环形供气给水管道排气或给水量减少。

附图说明

图1本发明气水沙蓄能电站供气给水控制系统的供气给水控制系统图；

图2本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统结构图；

图3本发明气水沙蓄能电站供气给水系统结构图；

图4本发明优化供气给水控制方法流程图；

图5本发明提供上级调度发电依据的分析方法流程图；

图6本发明h1＜hu＞4r沙优化供气给水控制方法流程图；

图7本发明h1＜hu≤4r沙优化供气给水控制方法流程图；

图8本发明在fs-fmin＜fsε或fmin＜fs供气给水控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明气水沙蓄能电站供气给水控沙系统由蓄沙库32、蓄水池23和监控系统组成。所述的蓄沙库32和蓄水池23位于气水沙蓄能电站的上部，蓄水池23依地质条件建在蓄沙库32的一侧，蓄水池23的底部高于蓄沙库32的顶部。蓄沙库32、蓄水池23与监控系统连接。

所述的蓄沙库32由库体、储气系统、供气给水系统、控沙阀门ks和泄沙子管27道组成。储气系统置于蓄沙库32中，位于控沙阀门ks的上部，储气系统的进出气口与供气给水系统中的柱状供气阀门20连接。供气给水系统由下至上垂直安装蓄沙库32内，供气给水系统通过安装在供气给水管道8上的柱状给水阀门9’与给水管道9连接，给水管道9与蓄水池23底部连通；控沙阀门ks位于蓄沙库32底部，并与泄沙子管道27连接，泄沙子管道27出口与发电机28连接，气沙流或水沙流经泄沙子管道27对发电机28做功发电。

所述的控沙阀门ks内部嵌有阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线方式与监控系统连接。

所述的储气系统由空压机21和储气罐10组成。空压机21安装在储气罐10的顶部，空压机21的出气管道7与安装在储气罐10上部的压缩空气进气阀7’连接。供气给水系统中的供气给水管道8上下垂直安装在储气罐10内，储气罐10的进出气口与安装在供气给水管道8上柱状供气阀门20连接。

所述的供气给水系统由柱状供气给水管道8、第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n环形供气给水管道5、梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn、流化沙供气给水阀门kq、流化沙管道6和强排气给水阀门kp组成，n为正整数。

梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn由下至上按照1～n的顺序等距离排列，安装在柱状供气给水管道8上；第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n环形供气给水管道5由下至上按照1～n的顺序等距离排列，通过连接管道穿过储气罐10，分别与安装在柱状供气给水管道8上的梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn对应连接。强排气给水阀门kp安装在柱状供气给水管道8的底部。流化沙供气给水阀门kp安装在柱状供气给水管道8上，位于强排气给水阀门kp上部。

蓄沙库内，以第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n环形供气给水管道5所在的水平面为分层断面，由下至上分层，即第一层为第一环形供气给水管道1所在的水平面，所承受的压力为f1，与控沙阀门ks之间的高度为h1；第二层为第二环形供气给水管道2所在的水平面，所承受的压力为f2，与第一层之间的高度为h2；第三层为第三环形供气给水管道3所在的水平面，所承受的压力为f3，与第二层之间的高度为h3，以此类推，第n-1层为第n-1环形供气给水管道4所在的水平面，所承受的压力为fn-1；第n层为第n环形供气给水管道5所在的水平面，所承受的压力为fn，与第n-1层之间的高度为hn，n为环形供气给水管所在水平面的序号，n为正整数。

第一环形供气给水管道1上垂直安装多个注气给水管18，注气给水管18上装有多个喷气给水头，在第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n环形供气给水管道5上都环形均布有多个排水阀门17和多个气动振捣棒19，每个气动振捣棒19和排水阀门17均内嵌阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线与监控管理系统连接。监控管理系统通过阀门控制器控制气动振捣棒19或排水阀门17对周边的沙子进行震动或给水，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。

所述的流化沙管道6安装在蓄沙库32靠近底部处，控沙阀门ks的上部，流化沙管道6通过流化沙供气给水阀门kq与柱状供气给水管道8连接，流化沙管道6上排列有多个朝向控沙阀门ks方向的排气给水孔，通过此排气给水孔排气或注水，使控沙阀门ks与流化沙管道6之间的沙子形成气沙流或水沙流，使气沙流或水沙流畅通地经控沙阀门ks流出。柱状供气给水管道8的另一端为强排气给水阀门kp，强排气给水阀门kp布置于第一环形供气给水管道8的中心位置。

控沙阀门ks位于蓄沙库32底部，并与泄沙子管道27连接，泄沙子管道27的出口与发电机28连接，气沙流或水沙流经泄沙子管道27排出，对发电机28做功发电。所述发电机28是指适用于本发明沙子的发电设备。所述的控沙阀门ks内部嵌有阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线方式与监控系统连接。

由于蓄沙库32库体的沿轴向剖面为漏斗形状，当需要沙子重力势能向下传递时，供气给水系统分时、分层对沙子扰动，破坏沙子与沙子之间的降低摩擦力，避免“粮仓效应”发生。沙子在重力的作用下向半圆锥体底部移动，当沙子移动到第一环形供气给水管道1处，第一环形供气给水管道1上的注气给水管18向沙子注入气体或给水，进一步克服沙子与沙子之间的粘滞阻力，使沙子趋近于流化。当沙子移动到流化沙管道6时，监控系统控制流化沙供气给水阀门kq对流化沙管道6排气或给水，使沙子流动达到满足连续发电要求的气沙流或水沙流，提供稳定连续的重力势能。

当气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时，监控系统控制控沙阀门ks的开度，使气沙流或水沙流下泄流量得到控制。当供气给水系统强排气给水阀门kp打开时，气沙流或水沙流在强排气或给水冲击作用下加速下行，提高发电快速响应时间。一定流量的气沙流或水沙流经泄沙子管道27到达发电机28时，驱动发电机28发电，气沙流或水沙流经发电机28的出口排放到下蓄沙库29中。

所述的监控系统由环境监测仪、库体压力传感器、供气给水控制系统、储气控制系统、气沙流和水沙流流量传感器组成。

监控系统放置于监控室内，通过网络通讯接收局地数值天气预报，通过有线或无线方式，监控气水沙蓄能电站的所有传感器及设备数据，同时上传和接收上级数据。所述的环境监测仪置于开阔处，监测环境温度、湿度、雨量、辐照度、风向、风速，并将数据上传到监控系统。

所述的库体压力传感器安装在蓄沙库32库体上，实时监控蓄沙库32库体各部位压力变化情况；所述的气沙流和水沙流流量传感器安装在控沙阀门ks的出口端。所有的传感器都具备有线或无线通讯输出接口。

所述的供气给水控制系统由阀门控制器、第一组综合监测探头11、第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14和第n组综合监测探头15组成；

阀门控制器嵌入梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn、流化沙供气给水kq及强排气给水阀门kp上，通过无线或有线方式与监控系统连接。

第一组综合监测探头11安装在与强排气给水阀门kp同一水平位置处，第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14、第n组综合监测探头15由下至上顺序排列，第一组综合监测探头11安装在与强排气给水阀门kp同一水平位置处，第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14、第n组综合监测探头15安装在每两个环形供气给水管道之间，n为正整数。

所述的储气控制系统由压缩空气阀门控制器、柱状供气阀门控制器和空压机控制器组成。压缩空气阀门控制器嵌入在压缩空气阀门7’上；柱状供气阀门控制器嵌入在柱状供气阀门20上；空压机控制器嵌入在空压机21中。

所有的阀门控制器内部集成有由流量、温度和压力传感器组成的三合一探头、阀门驱动器和无线或有线通讯模块。所有的阀门控制命令，n组综合监测探头和三合一探头采集的数据都经无线或有线方式传送至监控系统。每组综合监测探头由多个综合监测探头组成，多个综合监测探头等距离环绕布置在柱状供气给水管道8周围。综合监测探头包括监测温度、压力、料位、流速的多个分监测探头，每个分监测探头监测到的数据经过编码后，通过有线、无线通讯接口传输到监控系统。

监控系统实时采集环境监测仪数据及历史同期数据，并依据数据分析控制切换工作模式，当环境温度连续10天t环＞0℃时，切换成水沙流工作模式，当环境温度连续10天t环≤0℃时切换成气沙流工作模式。水沙流工作模式采用水降低沙子的粘滞系数，形成水沙流发电。气沙流工作模式采用气体降低沙子的粘滞系数，形成气沙流发电。

监控系统实时采集压力和流量监测探头数据，分析每一层沙子的压力和下行流量，并依据监控系统的数据及工作模式，控制梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn分层、分时对气动振捣棒19供气或控制沙子的给水流量，使被控层的沙子之间的粘滞阻力降低或突破“粮仓效应”，控制沙子的下泄流量。当沙子流动到第一环形供气给水管道1处时，通过控制梯级阀门k1和强排气给水阀门kp供气给水，使沙子趋近于流体，加速沙子下行。当沙子到达流化沙管道6时，由于流化沙供气给水阀门kq的供气给水，进一步降低沙子与沙子之间的粘滞阻力，满足形成气沙流或水沙流的条件，此时气沙流或水沙流通过气控阀门ks时，流量传感器采集气沙流或水沙流下泄流量，上传到监控系统。监控系统经数据分析，依据发电需求提出对应控制策略，通过对控制沙控阀门ks的控制，稳定气沙流或水沙流的流量，形成连续的气沙流或水沙流，满足发电做功需求。

在气沙流工作模式下监控系统通过第一环形供气给水管道1向沙子注入气体，通过第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n层环形供气给水管道5向气动振捣棒19供气，使气动振捣棒19对周边的沙子震动，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。

在水沙流工作模式下监控系统通过第一环形供气给水管道1、通过第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第n-1环形供气给水管道4、第n层环形供气给水管道5向沙子给水，降低沙子之间的粘滞系数，加速沙子的压力传递。

下泄的沙子通过流化沙管道6向沙子注入气体或给水，创建气沙流或水沙流，气沙流或水沙流驱动发电机28发电。

具体步骤如图4所示：

步骤一，确定气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式

监控系统实时采集环境监测仪的数据及历史同期数据，并依据数据分析结果控制切换气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的工作模式：

当连续10天环境温度t环＞0℃时，气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为水沙流工作模式，采用水降低沙子的粘滞系数，形成水沙流发电

当连续10天环境温度t环≤0℃时，气水沙蓄能电站供气给水控沙系统为气沙流工作模式，采用气体对降低沙子的粘滞系数，形成气沙流发电。

步骤二，确定气水沙蓄能电站供气给水控沙系统的发电功率曲线；监控系统结合局地气候特点、依据现有蓄水池23的容量、蓄沙库32的容量、储气罐10的储气容量、储气压力，以及用电需求，计算气水沙蓄能电站在气沙流工作模式和水沙流工作模式下，以及气水沙蓄能电站最大发电功率pmax条件下满发电所用的时长tm并上传调度。调度依据最大发电功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线并发给监控系统；

步骤三，在不考虑水的质量的条件下，计算气沙流或水沙流流过控沙阀门ks处的最小压力；

步骤四，供气给水控沙系统分析蓄沙库沙子静止状态时的受力状态；

步骤五，启动电站发电，在气沙流或水沙流在控沙阀门ks处的流速v沙一定的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk的大小，保证气沙流或水沙连续流恒定做功p沙发电；

步骤六，随着沙子做功发电时间t的增加，蓄沙库的沙子层高度hu降低，当hu＞4r沙时，蓄沙库沙子具有“粮仓效应”，确定此条件下的供气或给水方法；

步骤七，当监控系统判断h1＜hu≤4r沙时，蓄沙库沙子不具备“粮仓效应”，确定此条件下的供气或给水方法；

步骤八，确定在fs-fmin＜fsε或fmin＞fs条件下的供气或给水方法；

其中，hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；h1为蓄沙库的第一层的层高；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受的压力；r沙为蓄沙库的半径。

进一步的，如图5所示，所述步骤二中，满足气与沙形成气沙流、水与沙形成水沙流的比值为定值时，监控系统结合局地气候特点、现有储气或蓄水容量、储气压力、现有蓄沙容量、用电需求、综合监测探头采集对应位置的沙子压力、料位和下泄速度数据分析，计算在最大功率pmax条件下达到满发电所用的时长tm的方法为：

考虑气水沙蓄能电站获得最大发电做功功率pmax的沙子用气或用水需求，取在柱状供气给水管道排出气体或水的最大流量为qmax，

1)在气沙流工作模式下计算最大发电做功功率pmax条件下满发电时长tm：依据波义耳-马略特定律，在等温过程中p1v1＝p2v2和得到：储气罐在满足最大发电做功功率pmax条件下，经柱状供气给水管道排出最大流量qmax的气体所用的时长t排气：

其中，v储气为储气系统中的储气罐气体的体积；p储气为储气系统中的储气罐内的压力；qmax为柱状供气给水管道排出气体或水的最大流量；t排气为经柱状供气给水管道排出气体的用时时长；p流化为气沙流的气体压力。

由于蓄沙库现有沙子的体积为：

依据蓄沙库现有沙子的体积v沙和满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，计算出经控沙阀门ks所排出的气沙流所用的时长t输沙为：

将式(3)得到的经控沙阀门ks排出的气沙流所用时长t输沙与储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用时长t排气比较，得到相对时间短的排出气沙流或排水时长tm为：

tm＝min[t输沙,t排气](4)

其中，t输沙为气沙流经控沙阀门ks所排出沙子的时间，v沙为蓄沙库的沙子体积，q沙为气沙流下泄流量；vn为蓄沙库任意一层沙子的体积。

2)在水沙流工作模式下，在满足发电需求的沙水80％/20％比值关系条件下和最大发电做功功率pmax条件下，计算气水沙蓄能电站的满发电时长tm：

监控系统依据现有蓄沙库蓄沙的质量和蓄水池蓄水的质量，计算实际的用沙和用水质量。

·计算当前蓄沙库的质量m沙为：

计算当前蓄水池的质量m水为：

m水＝ρ水v水(6)

由于当前沙和水的总的质量m总为：

m总＝m沙+m水(7)

·分析当前蓄沙库和蓄水池的沙水占比：

判断当前沙子的质量m沙与沙水总质量m总之比是否满足当前蓄水的质量m水与沙水总质量m总之比是否满足

如判断则m输沙＝m沙

如判断则m输水＝m水

如判断并则m输沙＝m沙和m输水＝m水

·计算蓄沙库沙子和蓄水池水的重力势能：

e输水＝m输水g·(h水重+h沙库)(10)

和e输沙＝m输沙g·h沙重(11)

蓄沙库沙子和蓄水池水总的重力势能为：

e输总＝e输水+e输沙(12)

其中，v水为当前蓄水池容量；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；hn为蓄沙库的任意一层的层高，n＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的层数，n为蓄沙库沙子的最大层数；h沙库为蓄沙库的高度；h沙重为蓄沙库沙子的重心高度；h水重为蓄水库水体的重心高度；m水为蓄水池水的质量；e水为蓄水池水的重力势能；m沙为蓄沙库当前沙子的质量；e沙为蓄沙库沙子的重力势能。

m输沙为依据沙与水比值计算得到的蓄沙库沙子的质量，e输沙为依据沙与水比值计算得到的蓄沙库沙子重力势能；m输水为依据沙与水比值计算得到的蓄水池水的质量，e输水为依据沙与水比值计算得到的蓄水池水的重力势能。e输总为依据沙与水比值计算得到的沙与水重力势能之和的总重力势能。

计算气水沙蓄能电站的在最大功率pmax条件下气水沙蓄能电站的满发电时间tm：

将式(13)得到的最大发电做功功率pmax条件下，气水沙电站工作时间相对短的作为满发电时长tm上传至调度。调度给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线并发给监控系统，监控系统依据接收到的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线执行发电任务。

其中，pmax为气水沙蓄能电站的最大发电做功功率；tm为气水沙蓄能电站的最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长。

进一步的，所述的步骤三计算气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的最小压力fmin的方法中，由于p沙＝gμ·ρ沙hu·q沙，当hu＝h1时，气沙流或水沙流发电做功功率为：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙(14)

气沙流或水沙流流经控沙阀门ks处的流量为：

q沙＝sk·v沙(15)

式(15)中，q沙是气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流量。

由于气沙流或水沙流流过控沙阀门ks的流量q沙与控沙阀门ks开度面积sk成正比。当气沙流或水沙流流速v沙一定，压力fs增大或减小时，通过控制控沙阀门ks开度面积sk的大小，使得气沙流或水沙流的流量q沙稳定，确保气沙流或水沙流发电做功功率的稳定。

当q沙、ρ沙、g、第一环形供气给水管道排出气体或水和流化沙管道排出气体或水都是定值，hu＝h1，控沙阀门ks的开度面积sk最大时，定义此时的压力为最小做功压力fmin。

fmin＝fs＝ρ沙gh1·sk(18)

由此得到最小发电做功功率为：

pmin＝μ·fmin·v沙(19)

上述式中，sk为控沙阀门ks的开度面积；q沙为气沙流或水沙流流过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；pmin为气沙流或水沙流的最小发电做功功率；ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度，u＝1,2,…,n，u为蓄沙库现存沙子的层数；n为蓄沙库沙子的最大层数；g为重力加速度；μ为发电效率。

进一步的，如图6所示，所述的步骤六在h1＜hu＞4r沙条件下供气或给水的方法具体如下：

首先监控系统实时采集综合检测探头的数据，依次分析第一层沙子的压力fs是否趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)，并判断当前蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu是否hu≥h1，如判断hu＜h1则停止发电。如判断hu≥h1且hu＞4r沙此时蓄沙库第一层所承受沙子的压力f1等于常数fε：

然后判断是否fs-fmin≥fsε，如fs-fmin≥fsε，监控系统控制梯级阀门k1的开度，提供第一环形供气给水管道供气或给水，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气给水阀门kq排气或给水，使控沙阀门ks进口处沙子形成气沙流或水沙流。与此同时监控系统在保证气沙流或水沙流的流速v沙为定值的条件下，通过调节气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流或水沙流对发电机做功，满足发电需求。

如fs-fmin＜fsε，说明气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的压力fs传导受阻，此时监控系统根据气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力fs分析判断，如判断fs＜fmin时，监控系统控制强排气给水阀门kp打开，使气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

进一步的，如图7所示，所述的步骤七，在h1＜hu≤4r沙条件下的控气或控水方法具体如下：

如监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时不具备粮仓效应条件，其中，h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；通过判断是否fs≥fmin确定是否满足发电要求。

如判断fs≥fmin，监控系统控制梯级阀门k1，提供第一环形供气给水管道供气或给水，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气给水阀门kq排气或给水，使控沙阀门ks处沙子形成气沙流或水沙流。与此同时监控系统依据式(14)、式(15)和式(18)得到气沙流或水沙流发电做功功率：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ1gh1·sk+fsε)(35)

其中，sk为气沙流或水沙流通过的控沙阀门ks的开度面积；v沙为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影面积所承受沙子的压力；s1为蓄沙库第一层沙子面积；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；vn为蓄沙库任意一层沙子体积；ρ沙为沙子的密度；h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；μ为发电效率。

依据式(35)可知，在保证气沙流或水沙流定值流速v沙的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的压力fs趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)气沙流或水沙流做功满足发电需求。

当h1＜hu≤4r沙时，如判断气沙流或水沙流通过控沙阀门ks处的压力fs＜fmin，说明气沙流或水沙流通过控沙阀门ks的压力fs传导受阻，此时监控系统控制强排气给水阀门kp打开，使压力达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。上式中，r沙为蓄沙库的半径。

进一步的，如图8所示，所述的步骤八，在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下的供气或给水方法如下：

当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监控系统通过综合监测探头，监测蓄沙库除第一层外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，得到沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层：

vmin＝min(v2、v3、…、vu-1、vu)

其中，v2为蓄沙库第二层沙子的流速；v3为蓄沙库第三层沙子的流速；依此类推，vu-1为蓄沙库第u-1层沙子的流速；vmin为沙子下行最慢速度；vu为蓄沙库第u层沙子的流速；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数u＝1,2,...，n；vn为第一层～第u层沙子层得流速，n＝1,2,...,u，n为蓄沙库沙子的层数；fs为气沙流或水沙流通过开度面积sk的控沙阀门ks时的压力；fmin为气沙流或水沙流通过控沙阀门ks时的最小压力。

如vmin＝vn，则筛选出第n层沙子制约着沙子下行速度。

由此监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气给水管道供气或给水，在气沙流工作模式下供气驱动振捣棒震动降低n层沙子的下滑阻力，在水沙流工作模式下给水克服沙子之间的粘滞系数，减小第n层沙子的下滑阻力，使沙子下泄流动连续，保证沙子压力传导到控沙阀门ks处压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

当h1＜hu＞4r沙时，分析是否fs-fmin≥fsε，或当h1＜hu≤4r沙时，分析是否fs≥fmin，如fs≥fmin则关闭强排气给水阀门kp，减小梯级阀门k2和梯级阀门k3的开度，使第二环形供气给水管道和第三环形供气给水管道排气或给水量减少。