一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法与流程

1.本发明涉及地储能技术领域，具体涉及一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法。


背景技术：

2.作为可再生能源的主力，风电与光伏都具有很强的波动性，必须依赖储能才能实现效率发电。目前能够商用运行的大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能是目前比较成熟的储能技术，但存在着水资源制约、电站选址条件困难等诸多问题，限制了这种技术的应用。而压缩空气储能被视为最有前途的大规模储能技术之一，是不稳定的可再生能源与常规电网之间的纽带，能避免抽水蓄能在应用中出现的相关问题，同时具有启动时间短、系统性能好等优点。压缩空气蓄能技术是一种能实现大规模储存电能的新技术，其原理是：利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，用电动机来带动压缩机，将空气直接压入大容量的储气室，从而将不能储存的电能以压缩空气气压势能的形式存于储气室中。当电网负荷达到高峰、电力系统发电量不能满足要求时，压缩空气经换热器预热后与天然气或油混合燃烧，烟气被导入燃气轮机进行做功发电，进而满足系统的调峰需求。对整个电力系统起到了移峰填谷的作用。但规模压缩气体存储空间的选取是制约压缩空气储能发展的主要问题之一，目前的应用主要集中于地下盐穴，可供选址空间有限。目前能源结构的转型使得煤炭消费需求下降，国家制定了煤炭行业去产能目标，而未来一段时间将成为我国大中型煤矿矿井闭坑的集中期。煤矿开采过程中由于地质条件、开采方式等因素的影响，形成了大小形态不一的各种巷道、硐室及采空区等地下空间，且废弃矿井数量众多分布广泛，可为压缩空气储能建立新的选址点，实现压缩空气规模储能。将煤矿废弃的巷道变成有用的资源，压缩空气储能可以有效促进新能源的消纳，提高新能源利用率，实现煤矿高端转型。
3.现有技术中公开了一种利用煤矿井下巷道进行压缩空气储能的方法，首先对巷道断面进行改造，具体包括：对巷道围岩的岩体进行高压注浆加固，形成大范围稳定的承力层；根据巷道断面形状施工圆形钢筋混凝土衬砌，并对衬砌内表面进行光滑处理后粘贴橡胶或钢衬层；对巷道原断面与钢筋混凝土衬砌之间的空间进行注浆充填；然后，对巷道两端面进行封堵；最后，将柔性储气袋放入处理后的巷道内。工作过程中，通过连接于柔性储气袋的进气管和出气管进行压缩空气的存储和调用。上述技术的不足在于，煤矿井下巷道在开掘时由于没有坐标参考系，因此井下巷道本身存在高程变化，在压缩空气电站运行时，柔性储气袋在巷道中高程变化容易局部受力过大导致破损；当巷道由于某种原因出现部分区域破损且不易修复时，整个压缩空气储能系统由于安全性考虑会导致废弃。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，通过将同一巷道分割为多个储气库，相邻巷道也分割为多个储气库，储气库之间通过输气通道与地下厂房压缩空气储能设备连接。
5.为实现上述目的，本发明的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，包括如下步骤：
6.步骤s1、对巷道围岩改造，对围岩岩体进行注浆加固，形成稳定纵深的围岩承压层；在所述巷道内壁进行环形钢筋混凝土衬砌，形成围岩加固层；通过注浆，进一步填充围岩加固层与围岩承压层之间的空间；对所述巷道内壁采用高分子弹性材料进行铺设，形成围岩柔性层；采用防水隔气材料对围岩柔性层最内侧进行加工，形成防水隔气膜；
7.步骤s2、对所述巷道进行分布式储气库建设，沿巷道长度设置多个封堵壁，将所述巷道划分为多个隔断式储气库，相邻的两个储气库之间设有两个封堵壁；
8.步骤s3、建设地下厂房，在地下厂房内布设压缩空气储能机组，通过井筒与地表相连接入电网；地下厂房设有输气主管道；
9.步骤s4、每个所述储气库通过输气支管道与所述输气主管道连接，在所述输气支管道上设有双向阀门。
10.进一步地，所述巷道有多条，每条巷道均按步骤s1和步骤s2建设所述储气库，每个所述储气库均通过所述输气支管道与所述输气主管道连通。
11.进一步地，在所述地下厂房内设有储热库，在空气压缩储能环节，产生的热量输送至储热库保存，并通过输热管路送往地表使用；在采用压缩空气发电环节，发电机组热量由围岩地热进行补充，并计算围岩地热补充热量所需时间。
12.进一步地，所述围岩地热热量通过管道先输送到所述储热库中。
13.进一步地，通过围岩传递压缩热量公式，计算单位时间内围岩向压缩空气系统传递热量值q：
14.q＝krul(z
r-z)
15.通压缩空气机组发电所需热量m除以单位时间内围岩向压缩空气系统传递热量值q得出系统补充热量所需时间t；
16.其中，u——压缩空气储气库截面周长，l——压缩空气储气库长度，zr——压缩空气储气库始末两端平均围岩原始岩温，z——流经压缩空气储气库两端平均气温，kr——围岩与压缩空气储气库的不稳定换热系数。
17.进一步地，其特征在于，所述封堵壁最外层为混泥土封堵承压层，中间层为钢板加固层，内层为采用高分子弹性材料的封堵柔性层，在封堵柔性层上设置防水隔气膜。
18.进一步地，在所述封堵壁上设置有检修门。
19.本发明的有益效果是：
20.(1)本发明没有采用现有技术中的储气袋，选择将巷道改建为储气库，兼顾强度与柔性，避免巷道自身表面凹凸不平属性与空间高差起伏结构对于储气安全性的影响；
21.(2)对于每一条巷道，采用分布式建设储气库形式，避免部分区域无法修复时系统无法使用的问题，有效保证系统服务年限；
22.(3)地下厂房既能执行压缩空气储能及发电的功能，同时也具备储热的功能，对整个地下储能布局进行充分利用。
23.(4)本发明可以对围岩周围地热进行有效利用，可持续不断地用于地上供热或发电。
附图说明
24.图1是本发明所实施的储能总体布置示意图；
25.图2是储气库的截面图；
26.图3是地下厂房的布置图；
27.图4是空气压缩及发电环节热量传递示意图；
28.图5是本发明的一个实施例的地下储能布局图；
29.图中，1-巷道，2-储气库，21-封堵壁，22-输气支管道，23-围岩承压层，24-围岩加固层，25-围岩柔性层，26-防水隔气膜，27-原巷道内壁，3-地下厂房，31-输气主管道，32-压缩机，33-膨胀机，34-冷却器，35-燃料室，36-储热库，37-输热管路，38-围岩地热，a-东翼轨道大巷，b-西翼轨道大巷，c-主井，d-装载胶带机联络巷，e-连通巷道，f-新掘进巷道。
具体实施方式
30.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
31.实施例一
32.图1是本发明所实施的储能总体布置示意图，图2是储气库的截面图，本发明的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法包括如下步骤：
33.步骤s1，对一条巷道1围岩改造，对围岩岩体进行注浆加固，形成稳定纵深的围岩承压层23。表1为围岩承压层的改造等级规范表，在本实施例中，由于采用压缩空气储能，为适应高压气体，围岩承压层的改造应参照表1中的等级i和等级ii的参数要求执行。
34.围岩承压层改造等级iiiiiiivv井口断面直径(m)》97-95-74-5《4岩体完整性系数kv》0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15《0.15节理粗糙度系数jr》44-33-22-1《1节理蚀变系数ja》22-44-88-12》12软化系数kr》0.950.95-0.800.80-0.650.65-0.40》0.40地应力影响系数srf《22-55-1010-20》20正常地下涌水量(m3/h)《300300-500500-700700-900》900有害气体浓度(％)《0.10.1-0.20.2-0.30.4-0.5》0.5地下巷道温度(℃)20-2525-3030-3232-36》36
35.表1
36.在巷道1内壁进行环形钢筋混凝土衬砌，形成围岩加固层24。通过注浆，进一步填充加固层23与承压层24之间的空间；对巷道1内壁采用高分子弹性材料(如橡胶)进行铺设，形成围岩柔性层25。采用防水隔气材料对柔性层最内侧进行加工，形成防水隔气膜26。原巷道内壁27位于围岩承压层23与围岩加固层24之间。通过对单个的储气库进行加固及建设，使其可以成为单独的具备一定承压能力的储气空间，这种储气空间外形规范，承压能力强，便于检修。
37.步骤s2，对巷道1进行分布式储气库1建设，沿巷道1长度设置多个封堵壁21，将巷道划分为多个隔断式储气库2，相邻的两个储气库2之间设有两个封堵壁21，也就是每个储气库2的两端都设有封堵壁21，两个储气库2之间不共用封堵壁21。上述设置可以将所有的
储气库形成独立的储气空气，互不影响，其优点是，由于沉陷区残余变形对储气空间影响与储能系统长时间运行围岩稳定性衰减，会导致运行时部分围岩形成裂缝产生气体外渗，如果是一个统一的大的储气空间，因为裂缝的影响，很可能导致整个大的储气空气不能使用，这样会大大缩短储能空气的使用寿命，而将一个巷道1分隔成多个储气库2，每个巷道均独立设置，即使有其中一个或几个储气库2存在问题，也不会影响整个巷道的储能功能，其使用年限也很得到加长。
38.步骤s3，建设地下厂房3，地下厂房设有输气主管道31。如图3所示，在地下厂房3中设置有电动机m和发电机g，以及压缩机32、膨胀机33、冷却器34、燃料室35、储热库36，地下厂房3的功能用于空气储能、发电和储热。
39.在用电低谷时段，利用电能将空气压缩至高压，通过冷却机34将多余热量导入储热库36，高压空气存于巷道分布式储气库中，使电能转化为空气的内能存储起来。
40.在用电高峰时段，将巷道分布式储气库2中的高压空气通过输气主管道31释放到膨胀机33内，同时储热库36热量通过围岩地热38补充的热量也导入到膨胀机33，用高压高热气体驱动发电机g发电，如图4所示。围岩地热38始终处于一种恒温状态，一般温度可达40-50摄氏度，而且地层越深，则温度更高，因此，其热量非常可观，通过持续不断地输送到储库36中，可以对围岩地热能量加以有效利用，。
41.遇到特殊情况热量不足时，可通过燃料室35加热补充。电动机m连接电力输入电路，发电机g连接电力输出电路，线路通过井筒连接地表电网，储热库36连接输热管路37，通过井筒至地面进行热能利用。
42.由于地下巷道受地热影响，温度较恒定，可以比地表压缩空气系统更好的保持储热库36的储热时常，进行热能合理利用。
43.本发明可以通过公式计算出围岩地热38补充热量所需时间，分成两步：
44.第一步，估算巷道围岩传递压缩热量公式，计算单位时间内围岩向压缩空气系统传递热量值q：
45.q＝krul(z
r-z)
46.第二步，发电所需热量m除以单位时间内围岩向储气库36传递热量值q得出系统补充热量所需时间t。可以通过加大围岩地热38的输送量缩短输送时间t。
47.其中，u——压缩空气储气库截面周长，l——压缩空气储气库长度，zr——压缩空气储气库始末两端平均围岩原始岩温，z——流经压缩空气储气库两端平均气温，kr——围岩与压缩空气储气库的不稳定换热系数。
48.其中，λ——围岩导热系数，w/(m
·
℃)；α——围岩导温系数，
49.τ——换热时间，β——换热时间系数，一般取0.27，f0——傅里叶准数，
50.ξ——围岩与储气库的对流换热系数。
51.步骤s4，每个储气库2通过输气支管道22与输气主管道31连接，并且在输气支管道22上设有双向阀门23。另外，封堵壁21也采用类似加固的方法，即储气库外层为混泥土封堵承压层，中间层钢板封堵加固层，内层采用橡胶设置封堵柔性层，最内侧用防水隔气材料建设防水隔气膜。为了对储气库进行检修，在各封堵壁21上开设有检修门。
52.实施例二
53.为了充分利用地下的储能空间，可以在设计时多利用几条废弃巷道进行空气储能，在具体布局时，应根据地下具体情况对地下厂房3进行合理建设。如图5所示，为淮南矿区的某个地下废弃矿井的储能布置图，东翼轨道大巷a与西翼轨道大巷b为废弃巷道，地下厂房3布置在主井的下方，也可以布置于副井或风井的下方，有利于压缩空气系统与地表电网之间连接并将热能导出利用。采用装载胶带机联络巷布设输气主管道，东西两翼轨道大巷建设储气库，利用连通巷道建设输气支管道。同时根据地下空间需求，为了拓展压缩空气系统发电功率，建设多储气库运用，地下厂房新掘进一个巷道对连通巷道进行对接布设输气管道。根据东西两翼巷道地下空间拓扑特征，储气库的大小即长度划分可大小不一致，储气库不要建设在巷道转角处，以防止电站运行过程储气库受力不均影响服务年限。
54.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、对巷道(1)围岩改造，对围岩岩体进行注浆加固，形成稳定纵深的围岩承压层(23)；在所述巷道(1)内壁进行环形钢筋混凝土衬砌，形成围岩加固层(24)；通过注浆，进一步填充所述围岩加固层(24)与所述围岩承压层(23)之间的空间；对所述巷道(1)内壁采用高分子弹性材料进行铺设，形成围岩柔性层(25)；采用防水隔气材料对所述围岩柔性层(25)内侧进行加工，形成防水隔气膜(26)；步骤s2，对所述巷道(1)进行分布式储气库建设，沿所述巷道(1)长度设置多个封堵壁(21)，将所述巷道(1)划分为多个隔断式储气库(2)，相邻的两个储气库所述(2)之间设有两个所述封堵壁(21)；步骤s3，建设地下厂房(3)，在所述地下厂房(3)内布设压缩空气储能机组，通过井筒与地表相连接入电网；所述地下厂房(3)设有输气主管道(31)；步骤s4，每个储气库所述(2)通过输气支管道(22)与所述输气主管道(31)连接，在所述输气支管道(22)上设有双向阀门。2.根据权利要求1所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，所述巷道(1)有多条，每条所述巷道(1)均按步骤s1和步骤s2建设所述储气库(1)，每个所述储气库(1)均通过所述输气支管道(22)与所述输气主管道(31)连通。3.根据权利要求1所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，在所述地下厂房(3)内设有储热库(36)，在空气压缩储能环节，产生的热量输送至所述储热库(36)保存，并通过输热管路送往地表使用；在采用压缩空气发电环节，发电机组热量由所述围岩地热(38)进行补充，并计算所述围岩地热(38)补充热量所需时间。4.根据权利要求3所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，所述围岩地热(38)热量通过管道先输送到所述储热库(36)中。5.根据权利要求3所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，通过围岩传递压缩热量公式，计算单位时间内围岩向压缩空气系统传递热量值q：q＝k
r
ul(z
r-z)发电所需热量m除以单位时间内围岩向压缩空气系统传递热量值q得出系统补充热量所需时间t；其中，u—压缩空气储气库截面周长，l—压缩空气储气库长度，z
r
—压缩空气储气库始末两端平均围岩原始岩温，z—流经压缩空气储气库两端平均气温，k
r
—围岩与压缩空气储气库的不稳定换热系数。6.根据权利要求1所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，所述封堵壁(21)最外层为混泥土封堵承压层，中间层为钢板加固层，内层为采用高分子弹性材料的封堵柔性层，在封堵柔性层上设置防水隔气膜(26)。7.根据权利要求4所述的一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，其特征在于，在所述封堵壁(21)上设置有检修门。

技术总结
本发明公开了一种分布式废弃矿井压缩空气储能方法，通过围岩改造分级标准在一条或几条巷道内选择建设多个独立的储气库，并在地下建设地下厂房，具备储能、发电、储热功能。压缩空气储能过程中将热量存储在储热库后导出地表利用，发电过程中所需热量由深部岩体地热进行补充。每个储气库均通过输气支管道与地下厂房的输气主管道相连通，从而形成巨大的地下储气网络，每个储气库为独立式布置，在其中一个或几个存在问题无法储气的情况下，整个巷道的储能受到的影响很小，从而增加了储能的使用年限；同时每个独立的储气库内储气空间形状规范，承压能力强，且便于检修。且便于检修。且便于检修。


技术研发人员：周跃进 朱超斌 周鑫 徐晓鼎 徐雨农 曾春林 肖雨航 陈哲 蔡承政 尚晓吉 王建国 张彦龙
受保护的技术使用者：江苏中矿华瑞能源科技有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/18