CN110057121B - 利用废弃井工煤矿地热进行高效压气储能的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用废弃井工煤矿地热进行高效压气储能的方法及装置，利用导热储气袋存储压缩气体，该储气袋具有较好的导热性能，低温气体可以高效吸收地热。每个导热储气袋装配有水压传感器和温度传感器，用于测试储气袋周围的水压力和储气袋内气体温度。利用控制器监测和控制***的充放气及存储过程，包括充气稳压控制和储气泄压控制，充气时实时读取每个导热储气袋所处的水压，伺服阀动态调节输气管的输出气压，使该气压略高于待充气储气袋处的水压；并通过温度传感器实时读取储气袋内气温，通过流量传感器监测输入气体体积，通过泄压阀开闭，控制是否排出气袋中的气体，保证储气袋内受热膨胀的气体体积恒小于气袋体积限值。
Description
技术领域
本发明涉及储能发电技术领域，尤其涉及回收压缩热并利用地热的恒压压缩空气储能装置、伺服稳压和泄压技术。
背景技术
电力行业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，关系国计民生，是国家经济发展中优先发展的重点。随着中国经济高速发展，电力需求愈来愈大，对电力行业的要求也由过去的简单产、输、变、配电，向资源的优化配置过渡。因此，建设一个绿色环保、安全高效、配置丰富、灵活多变的智能电网尤为重要。电力行业借助发电设施将煤炭、石油、天然气、核燃料、水能、海洋能、风能、太阳能、生物质能等一次能源转换为电能，但是，风力、太阳能、海洋能、生物能等新能源本身具有随机性、波动性和时限性，以及现有电网调节能力差的原因，致使很大部分电能无法并入电网，“弃风、弃光、弃水”等问题日益突出。并且，我国电力负荷很不均衡，季节和昼夜变化差异巨大，而电厂工作昼夜不停，导致电力供需极不平衡，常常带来用电高峰电力资源匮乏，电价骤升或大面积停止供电，用电低谷许多电力闲置、无处存储的问题。综上，建立一个安全可靠、投资低、***效率高及***响应快的电力储存***，削峰填谷、吸纳不稳定的新能源电力是非常有必要的。
当前，大规模电力储能技术只有抽水储能和压缩空气储能两种。抽水储能技术比较成熟，效率相对较高，由于需要高差建立上下水库，对地理条件要求极高，建造周期长达数十年，投资巨大。压缩空气储能的储能介质充足，投资相对小，不受地理因素限制，但是效率方面相对抽水储能有待提高。目前我国抽水储能已经发展的比较完善，压缩空气储能因起步较晚处于快速发展阶段。
我国存在大量的关闭煤矿，而这些煤矿地下存在大量的稳定巷道空间，如果能利用该空间进行压缩空气储能将产生很大的经济效益。煤矿关闭后，排水***和散热***会停止工作，煤矿的地下水位会逐渐恢复，水位恒定后，地下巷道空间中将充满地下水，在地热的作用下，巷道中的水温逐渐升高，有的深井温度可达60℃以上。因而，可考虑将一储气胶囊事先放置在巷道中，利用静水压力的作用保持存储的空气压力恒定，中国发明专利200810033801.2，一种利用矿井产生的水压力进行压缩空气蓄能的方法采用了该思路，如果采用导热性能佳的储能装置还能有效利用地热加温储存的气体，提高存储气体的内能，实现地热资源的开采，从而提高整个***的效率。然而鉴于煤矿井下巷道空间分布的特征，实现上述压气储能方法面临以下困难：①煤矿井下巷道深度不同，水压也不同，如何确保不同储气袋的压力与周围水压相适应；②存储于气袋中的气体受地热作用膨胀，如何确保膨胀后的气体体积不超过储气袋的体积限值。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种利用废弃井工煤矿地热进行高效压气储能的方法及装置，动态调控充气压力和实时泄压保障储气袋安全。
技术方案：一种利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的方法，将导热储气袋固定于不同深度的巷道内，各导热储气袋通过输气管连接充气压缩***以及排气发电***，所述输气管上设有流量传感器、用于充气稳压控制的伺服阀以及用于导热储气袋储气泄压控制的泄压阀；在导热储气袋内设置温度传感器，在导热储气袋外设置水压传感器，所述流量传感器、温度传感器以及水压传感器检测信号输入控制器；
所述充气稳压控制包括如下步骤：控制伺服阀输出压力Pg，若Pg≤Pw，则增大伺服阀输出压力Pg；若
则减小伺服阀输出压力Pg；若通过所述流量传感器检测到输入所述导热储气袋的气体流量
则继续充气，否则立即关闭伺服阀，储气完成；其中，Pw为所述水压传感器检测到的储气袋外部静水压力，δ为导热储气袋的抗拉强度，VM为导热储气袋可容纳气体体积限值；f和λ均为大于1的安全系数；
所述储气泄压控制包括如下步骤：所述控制器根据温度传感器检测到的气体温度值Tg，计算导热储气袋中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积
若
则打开泄压阀泄压，直至
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数。
进一步的，在通过压缩机压缩充气时，利用换热装置回收压缩热，所回收的压缩热用于排气发电时对压缩气体预热，然后再通过透平膨胀机膨胀做工，带动发电机发电。
利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的方法的装置，包括若干导热储气袋、充气压缩***、排气发电***，导热储气袋通过固定桩固定在巷道内，各导热储气袋随不同深度的巷道而分布；各导热储气袋内设置温度传感器，各导热储气袋外设置水压传感器；所述充气压缩***包括压缩机，所述排气发电***包括发电机以及透平膨胀机，各导热储气袋通过输气管以及电动阀连接充气压缩***以及排气发电***；在输气管上设有流量传感器、伺服阀以及泄压阀；所述流量传感器、温度传感器以及水压传感器检测信号输入控制器。
进一步的，还包括连接所述充气压缩***和排气发电***的换热装置。
有益效果：本发明利用导热储气袋存储压缩气体，该储气袋具有较好的导热性能，低温气体可以高效吸收地热。每个导热储气袋装配有水压传感器和温度传感器，用于测试储气袋周围的水压力和储气袋内气体温度。利用控制器监测和控制***的充放气及存储过程，包括充气稳压控制和储气泄压控制，充气时实时读取每个导热储气袋所处的水压，伺服阀动态调节输气管的输出气压，使该气压略高于待充气储气袋处的水压；并通过温度传感器实时读取储气袋内气温，通过流量传感器监测输入气体体积，通过泄压阀开闭，控制是否排出气袋中的气体，保证储气袋内受热膨胀的气体体积恒小于气袋体积限值。
附图说明
图1是本发明实施例的利用废弃井工煤矿地热进行压气储能装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的装置，包括若干导热储气袋15、充气压缩***12、排气发电***13。导热储气袋15通过固定桩14固定在巷道18内，各导热储气袋15随不同深度的巷道18而分布，且导热储气袋15的尺寸也根据巷道18尺寸进行调整。导热储气袋15具有较好的导热和密封性能，存储于气袋的低温高压气体可以高效吸收地热，从而增加存储空气的内能。
各导热储气袋15内设置温度传感器16，各导热储气袋15外设置水压传感器19。充气压缩***12包括压缩机1，排气发电***13包括发电机2以及透平膨胀机3，还包括换热装置4。各导热储气袋15通过输气管17以及电动阀6连接充气压缩***12以及排气发电***13，在输气管17上依次设置流量传感器9、泄压阀8以及伺服阀7，伺服阀7的入口分为两路，分别通过电动阀6连接压缩机1以及透平膨胀机3，透平膨胀机3与发电机2连接。换热装置4连接充气压缩***12以及排气发电***13。流量传感器9、温度传感器16以及水压传感器19检测信号输入控制器11。
在储能环节，打开压缩机1产生高压气体，换热装置4回收压缩热，通过等压放热将压缩空气降温至室温左右。压缩机输出的压缩空气的压力大于最深处储气袋附近的水压力，确保压缩空气能顺利进入所有的储气袋。在发电环节，打开发电管路13的透平膨胀机3、导热储气袋15中的压缩气体经过换热装置4，换热装置4将回收的压缩热预热压缩空气，预热后的高温压缩气体在透平机3中膨胀做功，带动发电机2输出电力。排气发电过程中导热储气袋15受周围静水压力作用，压力基本保持恒定，等于井筒20内巷道内液面与导热储气袋15之间的水头差产生的压力。放气发电时，可以逐个导热储气袋放气，也可以多个导热储气袋同时放气。储气完成后，如果导热储气袋里的气体气压持续降低，说明储气袋已破损，关闭该储气袋的伺服阀，弃用该储气袋。
由于各巷道18深度不同，当巷道18内充满水以后，导热储气袋15受到的水压也不同，各导热储气袋15充气压力要与其周围的水压相适应，另外，由于地热对导热储气袋15中的气体起到了加热作用，气体受地热加热而体积膨胀，则需要确保储气过程中是否需要及时泄压以确保储气安全。
本发明包括利用控制器11进行充气稳压控制以及储气泄压控制。其中，充气稳压控制包括如下步骤：在对导热储气袋15充入压缩气体时，通过水压传感器19检测到储气袋外部静水压力Pw，通过伺服阀7调节充气输出压力Pg，使充气输出压力略高于水压，具体压力可根据储气袋的抗拉强度确定；具体的：若Pg≤Pw，则增大伺服阀输出压力Pg；若
则减小伺服阀输出压力Pg；δ为导热储气袋15的抗拉强度，f为大于1的安全系数，一般可取1.1。
在充气过程中，若通过流量传感器9检测到输入导热储气袋15的气体流量
则继续充气，否则立即关闭伺服阀7，储气完成。其中，VM为导热储气袋15可容纳气体最大体积VM；λ为大于1的安全系数，一般可取1.1。
储气泄压控制包括如下步骤：控制器根据温度传感器16检测到的气体温度值Tg，控制器11计算导热储气袋15中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积
若
则打开泄压阀8泄压，直至
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数，可取1.1。
本发明中，由于巷道中的静水压力，能维持导热储气袋的恒定压力，同时利用矿井水温度，可以保持排气发电时气体恒温。在恒压恒温条件下，发电***的设计比较简单，可以让***尽可能在额定功率附近运行，从而提高***效率。由于每个导热储气袋所处深度不同，周围的水压也不同，对于每个导热储气袋，当输入的气压小于导热储气袋周围水压时，气体无法进入导热储气袋；而当气体压力比水压高较多时，极易造成导热储气袋的拉伸破坏，本发明基于监测水压实时控制充气压力小于导热储气袋所能承受的拉力限值。同时监测充气流量和导热储气袋气体的温度，决定是否泄压，保障气体体积小于气袋体积限值，确保储气袋的安全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的方法，其特征在于，将导热储气袋(15)固定于不同深度的巷道(18)内，各导热储气袋(15)通过输气管(17)连接充气压缩***(12)以及排气发电***(13)，所述输气管(17)上设有流量传感器(9)、用于充气稳压控制的伺服阀(7)以及用于导热储气袋(15)储气泄压控制的泄压阀(8)；在导热储气袋(15)内设置温度传感器(16)，在导热储气袋(15)外设置水压传感器(19)，所述流量传感器(9)、温度传感器(16)以及水压传感器(19)检测信号输入控制器(11)；
所述充气稳压控制包括如下步骤：控制伺服阀(7)输出压力Pg，若Pg≤Pw，则增大伺服阀输出压力Pg；若
则减小伺服阀输出压力Pg；若通过所述流量传感器(9)检测到输入所述导热储气袋(15)的气体流量
则继续充气，否则立即关闭伺服阀(7)，储气完成；其中，Pw为所述水压传感器(19)检测到的储气袋外部静水压力，δ为导热储气袋(15)的抗拉强度，VM为导热储气袋(15)可容纳气体体积限值；f和λ均为大于1的安全系数；
所述储气泄压控制包括如下步骤：所述控制器根据温度传感器(16)检测到的气体温度值Tg，计算导热储气袋(15)中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积若
则打开泄压阀(8)泄压，直至
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数。
2.根据权利要求1所述利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的方法，其特征在于，在通过压缩机(1)压缩充气时，利用换热装置(4)回收压缩热，所回收的压缩热用于排气发电时对压缩气体预热，然后再通过透平膨胀机(3)膨胀做工，带动发电机(2)发电。
3.一种利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的装置，其根据权利要求1所述利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的方法，其特征在于，包括若干导热储气袋(15)、充气压缩***(12)、排气发电***(13)，导热储气袋(15)通过固定桩(14)固定在巷道(18)内，各导热储气袋(15)随不同深度的巷道(18)而分布；各导热储气袋(15)内设置温度传感器(16)，各导热储气袋(15)外设置水压传感器(19)；所述充气压缩***(12)包括压缩机(1)，所述排气发电***(13)包括发电机(2)以及透平膨胀机(3)，各导热储气袋(15)通过输气管(17)以及电动阀(6)连接充气压缩***(12)以及排气发电***(13)；在输气管(17)上设有流量传感器(9)、伺服阀(7)以及泄压阀(8)；所述流量传感器(9)、温度传感器(16)以及水压传感器(19)检测信号输入控制器(11)。
4.根据权利要3所述的利用废弃井工煤矿地热进行压气储能的装置，其特征在于，还包括连接所述充气压缩***(12)和排气发电***(13)的换热装置(4)。
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