一种水气稳压双重循环储电系统

1.本实用新型涉及一种水气稳压双重循环储电系统，适用于废弃煤矿等地下废弃矿井及地面储水池组成的储电系统。


背景技术：

2.已有利用地下废弃矿井空间及地面储水池形成的发电储能系统方案，地下矿井巷道大多承压能力在500m~700m水柱高，且为倾斜向上巷道，当高差在100~200m时，水位高差已超出水泵、水轮机正常运行允许变化范围。在该发电储能系统的储能阶段（既利用水泵向地面供水阶段），由于地下废弃矿洞的封闭性，气侧受气体拉空影响压强不断降低，同时水位下降，此时水泵进口的压力不断下降，导致水泵运行工况偏离正常工况较大，设备运行效率较低，能量损失较大；反之，水轮机发电机组受变工况影响，效率也相对比较低。由于地下废弃矿洞的气侧空间长期处于不大于1个大气压的环境下，造成地下能承受较高压力的空间设施闲置，地下空间未能高效利用，导致储电容量相对降低，运行发电成本相对较高。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型的目的是利用地下废弃矿洞气侧空间，以空气压缩机对空气加压进行储电和维持水侧压力，利用气侧设备高效运行时变工况范围远大于水侧设备原理，维持恒定空间水侧压力稳定，气侧压力在一定范围内波动，保证机械设备高效率运行。在废弃矿井空间及地面储水池形成的发电储能系统储电阶段，当地下空间排水时充气，维持恒定空间内的水侧压力稳定，允许气侧空间压力波动100~200m水柱高，减少水泵工作运行时的能量损失，并且有效利用地下废弃矿洞气侧空间的压缩空气压力升高加大对电能的储存；在地下废弃矿井及地面储水池发电储能系统的发电阶段（既将地面储水池中储水通过水轮发电机向地下废弃矿洞排水阶段），具有压力的压缩空气推动透平做功，在空间泄气时充水，水轮发电机组和空气透平发电机组同时发电，维持地下废弃矿井空间水侧、气侧压力在合理空间内，保证水轮发电机、空气透平设备高效率运行，压缩空气循环储电发电增加了水侧的储电发电功率和电量，大幅度降低了单一发电模式的成本。
4.本实用新型的技术方案具体为：
5.一种水气稳压双重循环储电系统，包括埋于地下的地下废弃巷道水库，地下废弃巷道水库通过输气管道分别与空气透平发电机组、空气压缩机直接连接，在地下废弃巷道水库的顶部或连接的空气管道上设置地下废弃巷道水库空气侧测压装置；另一方面，地下废弃巷道水库通过输水管道依次与升压水泵、地面储水池和水轮发电机组相连，在地下废弃巷道水库底部或连接的水管道上设置地下废弃巷道水库水侧测压装置。
6.在地下废弃巷道水库与空气透平发电机组之间的输气管道上装设有空气透平进口电动阀门，在地下废弃巷道水库与空气压缩机之间的输气管道上装设有空气压缩机出口电动阀门。
7.在水轮发电机组的进口管道上设置水轮机进口电动阀门，在升压水泵进口管道上设置水泵进口电动阀门，在升压水泵出口管道上分别设置逆止阀和水泵出口电动阀门。
8.本实用新型的有益效果为：本实用新型利用压缩空气可压缩特性和水的不可压缩特性,维持恒定空间内的水侧压力稳定，减少水泵水轮机在能源转换过程中的损失。同时由于空气的储能密度远高于水的储能密度，合理利用空间的原有承压能力，通过气侧循环提高了单一水侧循环的储电功率和储电量，降低了储电系统运行成本。可广泛应用于利用废弃煤矿井、金属矿井的储电领域。
附图说明
9.图1为本实用新型的原理图。
具体实施方式
10.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
11.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
12.如图1所示，一种水气稳压双重循环储电系统，包括埋于地下的地下废弃巷道水库2，地下废弃巷道水库2通过输气管道分别与空气透平发电机组5、空气压缩机6直接连接，在地下废弃巷道水库2与空气透平发电机组5之间的输气管道上装设有空气透平进口电动阀门13，在地下废弃巷道水库2与空气压缩机6之间的输气管道上装设有空气压缩机出口电动阀门14，在地下废弃巷道水库2的顶部或连接的空气管道上设置地下废弃巷道水库空气侧测压装置12。上述地下废弃巷道水库2、空气透平发电机组5、空气压缩机6、地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、空气透平进口电动阀门13和空气压缩机出口电动阀门14构成气侧储电发电系统。其中，空气透平进口电动阀门13、空气压缩机出口电动阀门14用于充放气时的切换，空气透平进口电动阀门13、空气压缩机出口电动阀门14具有调节功能可以根据地下废弃巷道水库空气侧测压装置12测得的压强值调整空气透平发电机组5、空气压缩机6的运行状态。
13.另一方面，地下废弃巷道水库2通过输水管道依次与升压水泵3、地面储水池1和水轮发电机组4相连。进一步地，在水轮发电机组4的进口管道上设置水轮机进口电动阀门7，在升压水泵3进口管道上设置水泵进口电动阀门10，在升压水泵3出口管道上分别设置逆止阀9和水泵出口电动阀门8，在地下废弃巷道水库2底部或连接的水管道上设置地下废弃巷道水库水侧测压装置11。上述地下废弃巷道水库2、升压水泵3、地面储水池1、水轮发电机组4、水轮机进口电动阀门7、水泵进口电动阀门10、逆止阀9、水泵出口电动阀门8和地下废弃巷道水库水侧测压装置11构成水侧储电发电系统。其中，水轮机进口电动阀门7、水泵出口电动阀门8用于充放水时的切换，水轮机进口电动阀门7、水泵出口电动阀门8具有调节功能
可以根据地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强值调整水轮发电机组4、升压水泵3的运行状态。
14.本实用新型的工作原理如下：
15.首次启动阶段：系统安装建设完成后，地下废弃巷道水库2处于没有水的状态，在建设过程中的地下矿井渗透出的水被建设期的升压水泵3抽出储存于地面储水池1内。在外部电网需要用电时，开启水轮机进口电动阀门7并进行调节控制，地面储水池1内的水通过管道推动水轮发电机组4发电，排入地下废弃巷道水库2中，此时空气透平进口电动阀门13、空气压缩机出口电动阀门14处于关闭状态，随着地下废弃巷道水库2的水位上升，地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强值在上升，气侧压强值上升到设定值时，开启空气透平进口电动阀门13并进行调节控制，地下废弃巷道水库2气侧的高压压缩空气推动空气透平发电机组5发电后排入大气，空气透平进口电动阀门13的开度调节保证地下废弃巷道水库空气侧测压装置12测得的压强稳定在一定范围。当地面储水池1内的水排完后至地下废弃巷道水库2，关闭水轮机进口电动阀门7、空气透平进口电动阀门13，停运水轮发电机组4、空气透平发电机组5，启动阶段的发电过程结束，记录此时地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强值为最终设定值。
16.储电阶段：在外部电网电量富余需要储电时，开启水泵进口电动阀门10、水泵出口电动阀门8，启动升压水泵3，将地下废弃巷道水库2内的水提升至地面储水池1，此时地下废弃巷道水库2的水位下降，地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强值在降低，打开空气压缩机出口电动阀门14，空气压缩机6投入运行，空气压缩机出口电动阀门14的开度受地下废弃巷道水库空气侧测压装置12控制，当地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强与地下废弃巷道水库空气侧测压装置12测得值之差低于一定值时，说明地下废弃巷道水库2的水位无法保证升压水泵3的正常运行，依次关闭水泵出口电动阀门8、水泵进口电动阀门10，停运升压水泵3，停运空气压缩机6，关闭空气压缩机出口电动阀门14，完成储电过程。由于通过地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、地下废弃巷道水库水侧测压装置11监控数据维持了地下废弃巷道水库2的水侧压力稳定，气侧压力在一定范围内波动，保证了升压水泵3、空气压缩机6的设备高效运行，减少了储电过程中的能源损失。由于空气压缩机6加压压缩空气至地下废弃巷道水库2内，提高了地下废弃巷道水库2在基本无水状态下的压力，利用了空间的承压能力，水泵将电能转换为水的高位势能，空气压缩机6将电能转换为空气的压缩势能，增加了储电的功率和储电量。
17.发电阶段：在外部电网需要用电时，开启空气透平进口电动阀门13并进行调节控制，地下废弃巷道水库2气侧的高压压缩空气推动空气透平发电机组5发电后排入大气，由于空气泄压，地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强值在降低，开启水轮机进口电动阀门7并进行调节控制，地面储水池1内的水通过管道推动水轮发电机组4发电，排入地下废弃巷道水库2中，空气透平进口电动阀门13的开度受地下废弃巷道水库空气侧测压装置12测得的压强值控制。当地下废弃巷道水库水侧测压装置11测得的压强与地下废弃巷道水库空气侧测压装置12测得值之差高于一定值时，说明地下废弃巷道水库2的承压已达到设计值附近，依次关闭水轮机进口电动阀门7、停运水轮发电机组4，关闭空气透平进口电动阀门13，停运空气透平发电机组5，发电过程结束。由于通过地下废弃巷道水库空气侧测压装置12、地下废弃巷道水库水侧测压装置11监控数据
维持了地下废弃巷道水库2的水侧压力稳定，气侧压力在一定范围内波动，保证了水轮发电机组4、空气透平发电机组5的设备高效运行，减少了发电过程中的能源损失。在发电过程中水轮机将水的高位势能转换为电能，空气透平发电机组空气的压缩势能转换为电能，增加了发电的功率和发电量。
18.本实用新型在储电时，升压水泵3将地下废弃巷道水库2内的水提升至地面储水池1储存，电能转换为水的高位势能；同时空气压缩机6将空气加压，储存于地下废弃巷道水库2内，将电能转换为空气的压力势能；发电时，储存于地下废弃巷道水库2内的带压压缩空气冲转空气透平发电机组5，将空气的压力势能转换为电能，同时地面储水池1储存的水冲转水轮发电机组4，将水的高位势能转换为电能，实现水侧、气侧双重循环储电功能，增加储电功率和储电量。
19.在地下废弃巷道水库2底部或连接的水管道上设置地下废弃巷道水库水侧测压装置11、在地下废弃巷道水库2顶部或连接的空气管道上设置地下废弃巷道水库空气侧测压装置12，运行时监视压力波动，控制相连的电动阀门和设备维持地下废弃巷道水库11的水侧压力稳定，保证水侧设备高效率运行，允许气侧压力在一定范围内波动，保持气侧设备的高效率运行。
20.以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。