一种以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统

1.本发明涉及废弃矿井的改造以及地下水库的扩展利用技术领域,具体涉及一种以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统。


背景技术：

2.由于历史原因，我国的煤矿分布呈现出数量多、分布范围广等特点，且由于非法开采煤矿事件频出，导致煤炭开采资源分散、安全隐患较大。自2005年开始我国开展关闭整顿生产，累计关闭小煤矿9600余处，随着时间的推移，这个数量还在日益增长。这些废弃煤矿不仅是对矿区大量可利用资源的一种浪费，而且对于矿区的环境也是一种巨大的污染，例如：1)过度开采导致地下水位下降而导致地面沉陷，很难进行现代化城市和工业建设；2)开采煤矿过程中会导致地下水污染。针对废弃煤矿的增多和带来的危害，可以采用兴建地下水库来处理、储存及利用矿井水。目前将废弃矿井改造为抽水蓄能电站的系统并没有充分利用地下水库的优势，由于煤矿多位于北方，北方多是干旱与半干旱地区，城市夯实了路基路面，多采用水泥沥青等材料铺设路面，导致下渗减少，雨季城市排水压力大，易发生洪涝灾害，现有的技术对于废弃煤矿以及地下水库的整合利用不够全面，因此如何能够高效、合理地利用废弃煤矿广阔的地下空间和地下水库是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统，该系统改造废弃矿井为抽水蓄能电站并兼具城市排涝和地下水位调控功能。
4.本发明为了解决相关问题所采取的技术方案是：提供一种以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统，该系统包括地下上水库、引水隧道、水电站、尾水隧洞5、下水库，其中地下上水库与城市的排涝网路和河流的排汛管道19相连，且地下上水库通过地下水回补装置与地下的含水层相连；所述地下上水库位于原有煤矿的竖井位置，且位于弱透水性岩层；所述水电站位于地下矿洞位置，所述下水库位于废弃煤矿的采空区，下水库与通风井相连；水电站3设置交通井17与地面相连接；
5.所述地下上水库与水电站之间通过引水隧道连通，水电站与下水库通过尾水隧洞连通；
6.在水电站内设置可逆式水泵水轮机机组和污水处理系统，可逆式水泵水轮机机组的标高应低于下水库的水位标高；污水处理系统的入口连接可逆式水泵水轮机机组的出口；
7.在地下水库上方通过水管连接有水泵机组，水泵机组位于地表以上用于供水。
8.进一步地，所述抽水蓄能系统还包括风-太阳能电站7，设置在废弃煤矿上方，通过输电线与电网相连；水电站同时也通过输电线与电网11电连接。
9.进一步地，所述城市排涝网路布置在地下上水库的周围，地下上水库位于城市排涝网路的下方，通过重力势能将雨水输送至地下上水库，在城市排涝网路的入水口处设置
过滤网防止城市垃圾进入管道，在进入合流管之前联通城市排涝网路的管道的出水口处设置阀门，用来控制水流。
10.进一步地，所述地下上水库连接有硐室，在硐室内设置水质监测仪，监测地下上水库内的水质情况，当水质标准低于工农业用水水质标椎时，放水使地下上水库中的水经水电站进行发电和水质净化，硐室由地下上水库继续开挖形成，硐室与地下上水库之间设有封堵墙，地下水回补装置包括水质检测仪、阀门、流量计和渗水管，水质监测仪的探头位于地下上水库内，是可以实时的检测地下上水库中的水质情况。在渗水管上设置有阀门和流量计，通过阀门和流量计调节地下水的补充量，渗水管斜向插入蓄水层中，能够允许水到达潜水蓄水层。
11.进一步地，所述污水处理系统包括水处理装置主体，水处理装置主体上设置有进水口、出水口和排污口，水处理装置主体与电控箱电连接，进水口当地下上水库中的水被污染后，通过放水先经过可逆式水泵水轮机机组发电，再经过进水口进入污水处理系统进行水体净化，保证水质要求。
12.进一步地，所述引水隧道位于煤矿主井内，引水隧道4与水电站3之间设置封堵墙，在封堵墙上设置有阀门，通过阀门控制水流。
13.进一步地，所述下水库和地下上水库的内壁均设置有注浆防渗层。
14.一种以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统，适宜北方干旱与半干旱地区的矿区的水循环过程，包括地下上水库、引水隧道、水电站、尾水隧洞、下水库，其中地下上水库与城市的排涝水网和河流的排汛管道相连且通过注水管与蓄水层相连从而达到调节地下水位的目的，其特征是：1)通过挖掘地下上水库可以避免小倾角煤层中上部采掘系统不适宜做上水库的缺点，利用水的重力势能发电，可以调节因昼夜负荷不均衡和废弃矿井地表建设的风力和太阳能发电的波动性对电网稳定性的干扰，同时利用水泵可以实现水库间水的自循环；2)地下上水库不占用地表资源，同时可以减少蒸发以及地表工农业生产所带来的污染；3)将地下上水库与城市的排涝及河流防汛管网相连，利用巨大的地下空间进行汛期储水；4)地下上水库可以作为地表供水水源，并与地下蓄水层通过地下水回补装置相连，从而调蓄地下水水位；5)地下上水库中设置水质监测仪，水电站中设有污水处理系统，两者协同作用，以保证地下水库的水质。
15.具体运行方式为：
16.在汛期时，河流水位升高，当达到危险水位时通过排汛管道流入合流管，同时城市雨水经过排涝网路、雨水管流入合流管，然后统一流入地下上水库；地下上水库水位上升，流入的雨水可能会受到污染，此时打开地下上水库出水口的阀门，地下上水库中的水在重力的作用下流入可逆式水泵水轮机机组，可逆式水泵水轮机机组正向转动进行发电，而后流过污水处理系统净化水体，最后流入下水库，同时可利用下水库库容防汛；待汛期过后，通过可逆式水泵水轮机机组逆向转动将下水库中的水抽入地下上水库进行储能；
17.在冬季枯水期时，通过水泵机组将地下上水库中的水抽出，用于工农业生产，此时地下上水库水位下降，储能发电的作用将有所降低；
18.在其它时期，在用电低谷时，通过可逆式水泵水轮机机组逆向转动将下水库中的水抽入地下上水库进行储能；在用电高峰时，地下上水库中的水在重力的作用下流入水泵水轮机机组进行释能发电，重复上述步骤实现抽水蓄能发电。
太阳能电站7、地下水回补装置8、水泵机组10、电网11、污水处理系统12。
37.所述可逆式水泵水轮机机组6位于水电站3中，位置要低于下水库2水位的位置(下水库在运行时是有水的，在工作时，保证地下下水库水位高于水泵水轮机机组位置)，地下上水库1的位置低于地面，且可逆式水泵水轮机机组6的最大工作水头不小于地下上水库1与下水库2之间的高度差，确保机组充满水；
38.所述风-太阳能发电站7位于废弃煤矿上方，通过输电线与电网11相连。
39.所述地下上水库1通过利用原有煤矿的竖井横向开挖形成，开挖岩层为弱透水性岩层，表面进行锚喷支护，再进行注浆防渗处理；通过挖掘地下上水库可以避免小倾角煤层中上部采掘系统不适宜做地下上水库的缺点，利用水的重力势能发电，可以调节因昼夜负荷不均衡和废弃矿井地表建设的风力和太阳能发电的波动性对电网稳定性的干扰，同时利用水泵可以实现水库间水的自循环。小倾角煤层上下部采掘系统的标高差异较小，不适宜在其中建立地下上水库，而在近地表区域重新掘进地下上水库，布置相对灵活，对浅部地层进行勘探，选择合适的层位进行挖掘，并进行注浆防渗和混凝土衬砌处理。
40.利用废弃煤矿的采空区形成下水库2。
41.所述引水隧道4可由废弃煤矿主井改建，在煤矿主井内进行开挖并布置压力钢管形成引水隧道。
42.所述水电站3由地下矿洞改扩建形成。
43.所述引水隧道4与水电站3之间设置封堵墙，并通过阀门控制水流，水电站3设置交通井17与地面相连接，交通井(用于交通检修的通道)可兼做通风井，确保水电站的正常运行；通风井18与下水库2相连，防止下水库中的空气压力过高。测定整个废弃矿井的岩石结构及其特性，下水库2中的最高压力不超过其所能承受的最大压力。
44.所述风-太阳能电站7包括太阳能电池板15和风力发电机16，二者所发的电均由风-太阳能电站7收集，通过相应输电线连接电网11，水电站3也与电网电连接，风-太阳能电站7和水电站发的电通过电网11供给用户。
45.所述地下水回补装置8与地下上水库1相连接，调节地下水水位，可补充地下水，减少地面的沉降。
46.所述水泵机组10与地下上水库1连通，且位于地表以上，在冬季可为附近地区供水，如抽取地下上水库中的水为工农业生产提供水源；水泵机组10可利用原有矿井中的排水设备，以降低初期投资。
47.如图3所示，地下上水库1与城市的排涝网路20和河流的排汛管道19相连，且地下上水库1通过地下水回补装置8与地下的蓄水层9相连，通过地下水回补装置能够为地下蓄水层进行补水，从而达到调节地下水位的目的。具体是，城市的排涝网路20通过地下的雨水管21连接到合流管22上，河流的排汛管道19一端连接在河床的危险水位23的上部，一端连接在合流管22上，合流管22将雨水管21和排汛管道19的水流进行汇聚，合流管22的另一端连接地下上水库的上部进口，地下上水库的下部通过主水管连接位于地下上水库下部的蓄水层9。发生洪涝灾害时，一方面雨水通过城市的排涝网路20、雨水管、合流管流入地下上水库1；另一方面，当河流13水位达到危险水位后通过排汛管道19汇入地下上水库1，在排汛管道19的出水口处设置阀门控制水流量。图3中排汛管道19位于危险水位23附近，危险水位23位于河流的正常水位24的上方。
48.图5是地下水回补装置的示意图；地下水回补装置包括水质检测仪26、阀门27、流量计28，地下水回补装置位于硐室25内，水质检测仪26与地下上水库的补水口相连，水质检测仪同时连接渗水管，渗水管上设置有阀门和流量计，通过阀门和流量计调节地下水的补充量，渗水管斜向插入蓄水层中；硐室位置也设置有一个交通井，通过该交通井连接硐室和地面。
49.图4是污水处理系统的结构示意图，污水处理系统包括水处理装置主体，水处理装置主体上设置有进水口31、出水口33和排污口34，水处理装置主体30与电控箱31电连接，通过电控箱31控制污水处理系统各部件的开、关、运行，方便检修和控制。
50.图6为地下上水库的剖面结构示意图，地下上水库为拱形，开挖后，锚固，均匀布置锚杆36，再在内壁注浆防渗层37，之后浇筑混凝土层，形成拱形的地下上水库。
51.图7是下水库的剖面结构示意图，下水库利用采空区形成，在原有巷道位置建立钢筋混凝土挡水墙39，采空区内设置底板40和顶板41，靠近煤柱一侧的钢筋混凝土挡水墙39也设置注浆防渗层，采空区内壁均设置注浆防渗层，形成下水库，在钢筋混凝土挡水墙39上设置有供水进出的开孔。
52.以废弃矿井作为抽水储能容器的抽水蓄能系统的施工方式是：
53.第一步：对废弃煤矿周围岩层进行勘探，考察当地洪涝灾害发生情况，确定地下上水库的开挖位置和库容。
54.第二步：通过利用原有煤矿的竖井横向开挖形成地下上水库，地下上水库置于蓄水层的上方，开挖岩层为低透水性岩层，开挖后表面进行锚喷支护,同时在内壁注浆防渗；将城市的排涝网路和河流的排汛管道与地下上水库连通，并在城市的排涝网路和河流的排汛管道汇入时的出水口处设置阀门，控制水流量；通过向斜下方远离矿井处钻孔布置地下水回补装置，以此来补充地下水。
55.第三步：在煤矿主井中布置压力管道，将其改造为引水隧道，降低建设成本。
56.第四步：改建地下矿洞为水电站，内置可逆式水泵水轮机机组和污水处理系统，可逆式水泵水轮机机组位置不能低于储水后下水库的水位。
57.第五步：利用原有煤矿采空区建设下水库，在原有巷道位置建立钢筋混凝土挡水墙39，并利用原有煤柱38进行注浆加固防渗，防止下水库渗水漏水。
58.第六步：在地下上水库上方设置水泵机组，为冬季工农业用水提供水源。
59.第七步：在废弃煤矿上方修建风能和太阳能发电装置与电网相连，在用电高峰时协同水电站为用户供电，同时最大化利用土地资源。
60.具体运行方式为：
61.在汛期时，河流水位升高，当达到危险水位时通过排汛管道流入合流管，同时城市雨水经过排涝网路、雨水管流入合流管，然后统一流入地下上水库。地下上水库水位上升，流入的雨水可能会受到污染，此时打开地下上水库出水口的阀门，地下上水库中的水在重力的作用下流入可逆式水泵水轮机机组，可逆式水泵水轮机机组正向转动进行发电，而后流过污水处理系统净化水体，最后流入下水库，同时可利用下水库库容防汛；待汛期过后，通过可逆式水泵水轮机机组逆向转动将下水库中的水抽入地下上水库进行储能。
62.在冬季枯水期时，通过水泵机组将地下上水库中的水抽出，用于工农业生产，此时地下上水库水位下降，储能发电的作用将有所降低。因此在冬季时，本系统更多的作用是为
工农业生产提供水源。
63.在其它时期，在用电低谷时，通过可逆式水泵水轮机机组逆向转动将下水库中的水抽入地下上水库进行储能；在用电高峰时，地下上水库中的水在重力的作用下流入水泵水轮机机组进行释能发电，重复上述步骤实现抽水蓄能发电。
64.本发明是改造废弃矿井为抽水蓄能电站及地下水库的拓展，整个系统利用原有废弃矿井的部分构造，扩建掘进了地下上水库和水电站，通过利用原有的矿井水可以基本实现水库间水的自循环，并且在用电低谷时，通过可逆式水泵水轮机机组6逆向转动将下水库2中的水抽入地下上水库1进行储能，在用电高峰时，地下上水库1中的水在重力的作用下流入可逆式水泵水轮机机组6进行释能发电，可以有效的对电网进行调峰，还能够与太阳能和风能相结合，有效的利用土地资源和绿色能源，实现经济转型。在北方地区，夏季常多雨，容易发生洪涝灾害，冬季又比较干燥，且地下水过度开采，导致地下水位下降及地面沉降等不利影响，通过将城市的排涝网路和河流的排汛管道与地下上水库连接，在解决洪涝问题的同时，还能调节水资源时空分布不均的问题，同时设置地下水回补装置，可以有效的补充地下水，实现对地下上水库的最大化利用。整个发明充分利用了废弃矿井广阔的地下空间和原有的设备，减少初期投资，将资源最大化利用。
65.本发明未述及之处适用于现有技术。