1.本發(fā)明涉及儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

2.壓縮空氣儲(chǔ)能作為一種大規(guī)模清潔物理儲(chǔ)能技術(shù)，是當(dāng)前新型儲(chǔ)能的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，如何提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率，是影響壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.因此，如何合理的設(shè)計(jì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)，提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率，這是目前亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明的目的包括提供了一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其能夠合理的設(shè)計(jì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)，提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率。

5.本發(fā)明的實(shí)施例可以這樣實(shí)現(xiàn)：

6.本發(fā)明提供一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方法包括：

7.s1：統(tǒng)計(jì)礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)的礦洞個(gè)數(shù)n，將礦洞按照從地表往下依次編號(hào)；

8.s2：確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所在地電力系統(tǒng)的峰平谷時(shí)間段，確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行場(chǎng)景下的峰電時(shí)長(zhǎng)t1、平電時(shí)長(zhǎng)t2和谷電時(shí)長(zhǎng)t3；

9.s3：分析測(cè)量第1號(hào)礦洞頂部地層圍巖的最大承壓能力p1以及相鄰礦洞之間的地層圍巖的承壓能力，并篩選出最小承壓dp；

10.s4：計(jì)算壓縮注氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行壓縮子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)；

11.s5：計(jì)算儲(chǔ)氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化；

12.s6：計(jì)算透平釋氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行透平子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。

13.本發(fā)明實(shí)施例提供的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有益效果包括：

14.該設(shè)計(jì)方法的核心是基于梯次儲(chǔ)氣和梯次過(guò)程中礦洞的壓力溫度變化，確定壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)以及透平系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅充分結(jié)合了礦洞的在儲(chǔ)釋氣過(guò)程中的熱力學(xué)特性，還可以很好的利用典型運(yùn)行場(chǎng)景下電力系統(tǒng)的峰平谷電時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。這樣能夠提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率。

附圖說(shuō)明

15.為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對(duì)范圍的限定，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

16.圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的流程圖；

17.圖2為礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

18.圖3為壓縮子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)流程；

19.圖4為透平子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)流程。

20.圖標(biāo)：1-第1號(hào)礦洞；2-第2號(hào)礦洞；3-第3號(hào)礦洞；4-第4號(hào)礦洞；5-第5號(hào)礦洞。

具體實(shí)施方式

21.為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來(lái)布置和設(shè)計(jì)。

22.因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

23.應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

24.在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，若出現(xiàn)術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時(shí)慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

25.此外，若出現(xiàn)術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

26.需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明的實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

27.請(qǐng)參考圖1，本實(shí)施例提供了一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為便于區(qū)分，利用壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓狀態(tài)后注入礦洞的過(guò)程簡(jiǎn)稱為注氣過(guò)程，將壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)透平發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)稱為釋氣過(guò)程，將壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮儲(chǔ)氣和透平釋氣之間的過(guò)程簡(jiǎn)稱為儲(chǔ)氣過(guò)程。

28.礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體設(shè)計(jì)流程包括以下步驟：

29.s1：統(tǒng)計(jì)礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)的礦洞個(gè)數(shù)n，將礦洞按照從地表往下依次編號(hào)。

30.具體的，本實(shí)施例中，該設(shè)計(jì)方法以圖2所示礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)為例進(jìn)行說(shuō)明。由圖2可知，本實(shí)施例的礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)包括水平礦洞5個(gè)，即礦洞個(gè)數(shù)n＝5，且各礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)沿著地表從上往下豎直分布，從上至下依次為第1號(hào)礦洞1、第2號(hào)礦洞2、第3號(hào)礦洞3、第4號(hào)礦洞4和第5號(hào)礦洞5。

31.s2：確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所在地電力系統(tǒng)的峰平谷時(shí)間段，確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行場(chǎng)景下的峰電時(shí)長(zhǎng)t1、平電時(shí)長(zhǎng)t2和谷電時(shí)長(zhǎng)t3。

32.s3：分析測(cè)量第1號(hào)礦洞1頂部地層圍巖的最大承壓能力p1以及相鄰礦洞之間的地層圍巖的承壓能力，并篩選出最小承壓dp。

33.具體的，如第1號(hào)礦洞1和第2號(hào)礦洞2之間的圍巖最大承壓能力dp1；第2號(hào)礦洞2和第3號(hào)礦洞3之間的圍巖最大承壓能力dp2；第3號(hào)礦洞3和第4號(hào)礦洞4之間的圍巖最大承壓能力dp3；第4號(hào)礦洞4和第5號(hào)礦洞5之間的圍巖最大承壓能力dp4。對(duì)比不同礦洞之間承壓能

力的大小，選擇其中最小承壓值為dp。

34.s4：計(jì)算壓縮注氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行壓縮子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。

35.具體的，該階段主要確定壓縮子系統(tǒng)的級(jí)數(shù)、各級(jí)增壓比、額定質(zhì)量流量，以及儲(chǔ)氣階段結(jié)束后，各礦洞的溫度和壓力值。請(qǐng)查閱圖3，壓縮子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)流程包括以下步驟：

36.s41：確定壓縮子系統(tǒng)中壓縮機(jī)級(jí)數(shù)nc＝n，第n號(hào)礦洞的儲(chǔ)氣壓力為p1+(n-1)dp。

37.具體的，為提高系統(tǒng)儲(chǔ)能密度，采用梯次增壓的方法，充分利用相連礦洞之間圍巖的承壓能力，增加各礦的儲(chǔ)能儲(chǔ)氣壓力。確定第1號(hào)礦洞1的最大儲(chǔ)氣壓力為p1；第2號(hào)礦洞2的最大儲(chǔ)氣壓力為p1+dp；第3號(hào)礦洞3的最大儲(chǔ)氣壓力為p1+2dp，第n號(hào)礦洞的儲(chǔ)氣壓力為p1+(n-1)dp。

38.s42：假設(shè)礦洞的初始儲(chǔ)氣壓力為p

t

，則第1級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為p1/p0；第n級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為[p1+(n-1)dp]/[p1+(n-2)dp]，其中，n≥2。

[0039]

具體的，假設(shè)礦洞的初始儲(chǔ)氣壓力為p

t

，則第1級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為p1/p0；第2級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為(p1+dp)/p1；第3級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為(p1+2dp)/(p1+dp)；第n級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為[p1+(n-1)dp]/[p1+(n-2)dp]。

[0040]

s43：假設(shè)壓縮機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qc。

[0041]

s44：以i＝1開始遍歷各梯壓儲(chǔ)氣階段；當(dāng)i＝1時(shí)，壓縮階段用時(shí)tc＝0。

[0042]

s451：確定當(dāng)前第i注氣階段中進(jìn)行壓縮注氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：i～n；此時(shí)各礦洞注氣質(zhì)量流量mc＝qc/(n-i+1)，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與壓縮注氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0043]

其中，確定投入的壓縮機(jī)級(jí)數(shù)為：1～i級(jí)；采用如下式(1)～式(3)以時(shí)間步長(zhǎng)ts為步進(jìn)值，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與壓縮注氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化，t

max

應(yīng)該選擇一個(gè)足夠大的值。

[0044][0045]

其中，ρ

cav,0

是初始注氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的密度；ρ

cav

(t

max

)是注氣t

max

時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的密度；mc為當(dāng)前礦洞的注氣質(zhì)量流量；m0為初始時(shí)刻礦洞的空氣質(zhì)量；t

max

為注氣時(shí)間；ρ

cav

(t

max

)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣密度。

[0046][0047]

其中，t

cav,0

是初始注氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的溫度；h是礦洞內(nèi)空氣與壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)；a

cav

礦洞表面積；t

t,c

為空氣注氣溫度；tw為礦洞壁面溫度；cv為空氣的定容比熱容；t

cav

(t

max

)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣密度。

[0048]

p

cav

(t

max

)＝ρ

cav

(t

max

)rgt

cav

(t

max

)

???????????????????

(3)

[0049]

其中，p

cav

(t)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣壓力；rg為空氣氣體常數(shù)。

[0050]

s452：確定當(dāng)前i階段，進(jìn)行儲(chǔ)氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：1～(i-1)；當(dāng)i＝1時(shí)，無(wú)礦洞

參與儲(chǔ)氣過(guò)程；計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0051]

具體的，令mc＝0；采用式(1)～式(3)計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0052]

s46：在t

max

時(shí)段內(nèi)找到，第i～n號(hào)礦洞的壓力首次達(dá)到p1+(n-1)dp時(shí)的時(shí)刻ti，記錄ti時(shí)間段內(nèi)1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度變化過(guò)程。

[0053]

s47：判斷ti時(shí)間段內(nèi)，各相鄰礦洞之間的壓差是否大于dp。

[0054]

若是，則返回s43，調(diào)整壓縮機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qc，重新進(jìn)行迭代計(jì)算；

[0055]

若否，則進(jìn)行s48。

[0056]

s48：判斷tc是否大于t1；其中，采用tc＝tc+ti疊加計(jì)算當(dāng)前壓縮耗時(shí)。

[0057]

若是，則返回s43，調(diào)整壓縮機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qc，重新進(jìn)行迭代計(jì)算；

[0058]

若否，則進(jìn)行s49。

[0059]

s49：判斷i是否為n。

[0060]

若否，則進(jìn)行s491。

[0061]

s491：記錄ti時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為i＝i+1注氣階段的初始參數(shù)，并返回s44。

[0062]

若是，則進(jìn)行s492。

[0063]

s492：注氣階段結(jié)束，記錄ti時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為儲(chǔ)氣階段的初始參數(shù)。此外，還可以記錄壓縮機(jī)級(jí)數(shù)和各級(jí)增壓比、壓縮機(jī)額定質(zhì)量流量qc。

[0064]

s5：計(jì)算儲(chǔ)氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化。

[0065]

具體的，該階段主要計(jì)算儲(chǔ)氣結(jié)束后各礦洞的溫度和壓力值。

[0066]

在儲(chǔ)氣階段，第1～n號(hào)礦洞均處于儲(chǔ)氣過(guò)程，具體儲(chǔ)氣時(shí)間為t

1-tc+t2；令mc＝0；采用式(1)～式(3)計(jì)算t

1-tc+t2時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；記錄儲(chǔ)氣階段結(jié)束后各礦洞的溫度和壓力，作為下階段透平發(fā)電釋氣過(guò)程的初始值。

[0067]

s6：計(jì)算透平釋氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行透平子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。

[0068]

具體的，該階段主要確定透平子系統(tǒng)的級(jí)數(shù)、各級(jí)膨脹比、膨脹機(jī)額定質(zhì)量流量。請(qǐng)查閱圖4，透平子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)流程包括以下步驟：

[0069]

s61：確定透平子系統(tǒng)中透平機(jī)級(jí)數(shù)ne＝n。

[0070]

s62：假設(shè)透平機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qe。

[0071]

s63：以j＝1開始遍歷各梯壓釋氣階段；當(dāng)j＝1時(shí)，透平階段用時(shí)te＝0，第n號(hào)礦洞的壓力為pj。

[0072]

s641：確定當(dāng)前第j注氣階段中進(jìn)行透平釋氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：(n-j+1)～n；此時(shí)各礦洞注氣質(zhì)量流量md＝qe/j，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與透平釋氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0073]

其中，投入的透平機(jī)級(jí)數(shù)為：1～j級(jí)；采用如下式(4)～式(6)以時(shí)間步長(zhǎng)ts為步進(jìn)值，其中，t

max

應(yīng)該選擇一個(gè)足夠大的值。

[0074][0075]

其中，ρ

cav,0

是初始釋氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的密度；ρ

cav

(t

max

)是釋氣t

max

時(shí)刻，礦洞的內(nèi)空氣的密度；md為當(dāng)前礦洞的釋氣質(zhì)量流量；m0為初始時(shí)刻礦洞的空氣質(zhì)量；t

max

為釋氣時(shí)

間。

[0076][0077]

其中，t

cav,0

是初始釋氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的溫度；h是礦洞內(nèi)空氣與壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)；a

cav

礦洞表面積；tw為礦洞壁面溫度；cv為空氣的定容比熱容；t

cav

(t

max

)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣密度。

[0078]

p

cav

(t

max

)＝ρ

cav

(t

max

)rgt

cav

(t

max

)

???????????????????

(6)

[0079]

其中，p

cav

(t)是釋氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣壓力；rg為空氣氣體常數(shù)。

[0080]

s642：確定當(dāng)前j階段，進(jìn)行儲(chǔ)氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：1～(n-j)；當(dāng)j＝n時(shí)，無(wú)礦洞參與儲(chǔ)氣過(guò)程，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0081]

具體的，令md＝0；采用式(4)～式(6)計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。

[0082]

s65：假設(shè)礦洞的初始儲(chǔ)氣壓力為p

t

，對(duì)比t

max

時(shí)間段內(nèi)，第n號(hào)礦洞壓力和第n-j號(hào)礦洞壓力相差小于0.1的時(shí)刻tj；當(dāng)j＝n時(shí)，對(duì)比t

max

時(shí)間段內(nèi)，第n號(hào)礦洞壓力與p

t

相差小于0.1的時(shí)刻tj。

[0083]

s66：記錄ti時(shí)間段內(nèi)1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度變化過(guò)程，記錄tj時(shí)刻第n號(hào)礦洞的壓力為p

tj

。

[0084]

s67：判斷tj時(shí)間段內(nèi)，各相鄰礦洞之間的壓差是否大于dp。

[0085]

若是，則返回s62，調(diào)整透平機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qe，重新進(jìn)行迭代計(jì)算。

[0086]

若否，則進(jìn)行s68。

[0087]

s68：判斷te是否大于t3；其中，采用te＝te+tj疊加計(jì)算當(dāng)前透平耗時(shí)。

[0088]

若是，則返回s62，調(diào)整透平機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為qe，重新進(jìn)行迭代計(jì)算；

[0089]

若否，則進(jìn)行s69。

[0090]

s69：判斷j是否為n。

[0091]

若否，則進(jìn)行s691。

[0092]

s691：記錄tj時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為j＝j(luò)+1釋氣階段的初始參數(shù)，并返回s63。

[0093]

若是，則進(jìn)行s692。

[0094]

s692：注氣階段結(jié)束，沿空氣流動(dòng)方向第1～(n-1)級(jí)透平機(jī)的膨脹比依次為p

tj

/p

tj+1

，第n級(jí)透平機(jī)的膨脹比為p0/p

t

。具體的，第1級(jí)透平機(jī)是自儲(chǔ)氣庫(kù)出口后空氣進(jìn)入的首個(gè)透平機(jī)，第2級(jí)次之，第n級(jí)是最末級(jí)的透平機(jī)、且自n級(jí)透平機(jī)出口的空氣直接排向環(huán)境。這樣，第1級(jí)透平機(jī)的膨脹比是p

j2

/p

j1

；第2級(jí)透平機(jī)的膨脹比是p

j3

/p

j2

；第3級(jí)透平機(jī)的膨脹比是p

j4

/p

j3

，第n級(jí)透平機(jī)的膨脹比p0/p

t

。

[0095]

本發(fā)明實(shí)施例提供的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有益效果包括：

[0096]

該設(shè)計(jì)方法結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景下谷電時(shí)間段，通過(guò)計(jì)算梯次注氣過(guò)程中礦洞的溫度及壓力變化趨勢(shì)，確定壓縮子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能系

統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景下平電時(shí)間段，通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)氣過(guò)程中礦洞的溫度及壓力變化趨勢(shì)；結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景下峰電時(shí)間段，通過(guò)計(jì)算梯次釋氣過(guò)程中礦洞的溫度及壓力變化趨勢(shì)，確定壓縮子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)方法的核心是基于梯次儲(chǔ)氣和梯次過(guò)程中礦洞的壓力溫度變化，確定壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)以及透平系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅充分結(jié)合了礦洞的在儲(chǔ)釋氣過(guò)程中的熱力學(xué)特性，還可以很好的利用典型運(yùn)行場(chǎng)景下電力系統(tǒng)的峰平谷電時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。這樣能夠提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率。

[0097]

以上，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。技術(shù)特征：

1.一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法包括：s1：統(tǒng)計(jì)礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)的礦洞個(gè)數(shù)n，將礦洞按照從地表往下依次編號(hào)；s2：確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)所在地電力系統(tǒng)的峰平谷時(shí)間段，確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行場(chǎng)景下的峰電時(shí)長(zhǎng)t1、平電時(shí)長(zhǎng)t2和谷電時(shí)長(zhǎng)t3；s3：分析測(cè)量第1號(hào)礦洞頂部地層圍巖的最大承壓能力p1以及相鄰礦洞之間的地層圍巖的承壓能力，并篩選出最小承壓dp；s4：計(jì)算壓縮注氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行壓縮子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)；s5：計(jì)算儲(chǔ)氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化；s6：計(jì)算透平釋氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行透平子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在s1中，礦洞個(gè)數(shù)n＝5，從上至下依次為第1號(hào)礦洞、第2號(hào)礦洞、第3號(hào)礦洞、第4號(hào)礦洞和第5號(hào)礦洞。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在s3中，所述第1號(hào)礦洞和所述第2號(hào)礦洞之間的圍巖最大承壓能力dp1；所述第2號(hào)礦洞和所述第3號(hào)礦洞之間的圍巖最大承壓能力dp2；所述第3號(hào)礦洞和所述第4號(hào)礦洞之間的圍巖最大承壓能力dp3；所述第4號(hào)礦洞和所述第5號(hào)礦洞之間的圍巖最大承壓能力dp4；對(duì)比不同礦洞之間承壓能力的大小，選擇其中最小承壓值為dp。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s4包括：s41：確定壓縮子系統(tǒng)中壓縮機(jī)級(jí)數(shù)n

c

＝n，第n號(hào)礦洞的儲(chǔ)氣壓力為p1+(n-1)dp；s42：假設(shè)環(huán)境空氣壓力為p0，則第1級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為p1/p0；第n級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為[p1+(n-1)dp]/[p1+(n-2)dp]，其中，n≥2；s43：假設(shè)壓縮機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為q

c

；s44：以i＝1開始遍歷各梯壓儲(chǔ)氣階段；當(dāng)i＝1時(shí)，壓縮階段用時(shí)t

c

＝0；s451：確定當(dāng)前第i注氣階段中進(jìn)行壓縮注氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：i～n；此時(shí)各礦洞注氣質(zhì)量流量m

c

＝q

c

/(n-i+1)，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與壓縮注氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；s452：確定當(dāng)前i階段，進(jìn)行儲(chǔ)氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：1～(i-1)；當(dāng)i＝1時(shí)，無(wú)礦洞參與儲(chǔ)氣過(guò)程；計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；s46：在t

max

時(shí)段內(nèi)找到，第i～n號(hào)礦洞的壓力首次達(dá)到p1+(n-1)dp時(shí)的時(shí)刻t

i

，記錄t

i

時(shí)間段內(nèi)1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度變化過(guò)程；s47：判斷t

i

時(shí)間段內(nèi)，各相鄰礦洞之間的壓差是否大于dp；若是，則返回s43，若否，則進(jìn)行s48；s48：判斷t

c

是否大于t1；其中，采用t

c

＝t

c

+t

i

疊加計(jì)算當(dāng)前壓縮耗時(shí)；若是，則返回s43，若否，則進(jìn)行s49；s49：判斷i是否為n；若否，則進(jìn)行s491，若是，則進(jìn)行s492；s491：記錄t

i

時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為i＝i+1注氣階段的初始參數(shù)，并返回s44；s492：注氣階段結(jié)束，記錄t

i

時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為儲(chǔ)氣階段的初始參數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s41包括：確定所述第1號(hào)礦洞的最大儲(chǔ)氣壓力為p1；所述第2號(hào)礦洞的最大儲(chǔ)氣壓力為p1+dp；所

述第3號(hào)礦洞的最大儲(chǔ)氣壓力為p1+2dp，所述第n號(hào)礦洞的儲(chǔ)氣壓力為p1+(n-1)dp。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s42包括：假設(shè)環(huán)境空氣壓力為p0，則第1級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為p1/p0；第2級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為(p1+dp)/p1；第3級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為(p1+2dp)/(p1+dp)；第n級(jí)壓縮機(jī)的增壓比為[p1+(n-1)d

p

]/[p1+(n-2)dp]。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s451包括：確定投入的壓縮機(jī)級(jí)數(shù)為：1～i級(jí)；采用如下式(1)～式(3)以時(shí)間步長(zhǎng)ts為步進(jìn)值，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與壓縮注氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；其中，ρ

cav,0

是初始注氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的密度；ρ

cav

(t

max

)是注氣t

max

時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的密度；m

c

為當(dāng)前礦洞的注氣質(zhì)量流量；m0為初始時(shí)刻礦洞的空氣質(zhì)量；t

max

為注氣時(shí)間；ρ

cav

(t

max

)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣密度；其中，t

cav,0

是初始注氣時(shí)刻，礦洞內(nèi)空氣的溫度；h是礦洞內(nèi)空氣與壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)；a

cav

礦洞表面積；t

t,c

為空氣注氣溫度；t

w

為礦洞壁面溫度；c

v

為空氣的定容比熱容；t

cav

(t

max

)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣密度；p

cav

(t

max

)＝ρ

cav

(t

max

)r

g

t

cav

(t

max

)

???????????????????

(3)其中，p

cav

(t)是注氣時(shí)間t后礦洞內(nèi)的空氣壓力；r

g

為空氣氣體常數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s452包括：令m

c

＝0；采用式(1)～式(3)計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s5包括：在儲(chǔ)氣階段，第1～n號(hào)礦洞均處于儲(chǔ)氣過(guò)程，儲(chǔ)氣時(shí)間為t

1-t

c

+t2；令m

c

＝0；采用式(1)～式(3)計(jì)算t

1-t

c

+t2時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；記錄儲(chǔ)氣階段結(jié)束后各礦洞的溫度和壓力，作為下階段透平發(fā)電釋氣過(guò)程的初始值。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，s6包括：s61：確定透平子系統(tǒng)中透平機(jī)級(jí)數(shù)n

e

＝n；s62：假設(shè)透平機(jī)的額定進(jìn)氣質(zhì)量流量為q

e

；s63：以j＝1開始遍歷各梯壓釋氣階段；當(dāng)j＝1時(shí)，透平階段用時(shí)t

e

＝0，第n號(hào)礦洞的壓力為p

j

；s641：確定當(dāng)前第j注氣階段中進(jìn)行透平釋氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：(n-j+1)～n；此時(shí)各礦洞注氣質(zhì)量流量m

d

＝q

e

/j，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與透平釋氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；s642：確定當(dāng)前j階段，進(jìn)行儲(chǔ)氣過(guò)程的礦洞編號(hào)為：1～(n-j)；當(dāng)j＝n時(shí)，無(wú)礦洞參與

儲(chǔ)氣過(guò)程，計(jì)算t

max

時(shí)間段內(nèi)，參與儲(chǔ)氣過(guò)程的各礦洞壓力和溫度變化；s65：假設(shè)礦洞的初始儲(chǔ)氣壓力為p

t

，對(duì)比t

max

時(shí)間段內(nèi)，第n號(hào)礦洞壓力和第n-j號(hào)礦洞壓力相差小于0.1的時(shí)刻t

j

；當(dāng)j＝n時(shí)，對(duì)比t

max

時(shí)間段內(nèi)，第n號(hào)礦洞壓力與p

t

相差小于0.1的時(shí)刻t

j

；s66：記錄t

i

時(shí)間段內(nèi)1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度變化過(guò)程，記錄t

j

時(shí)刻第n號(hào)礦洞的壓力為p

tj

；s67：判斷t

j

時(shí)間段內(nèi)，各相鄰礦洞之間的壓差是否大于dp；若是，則返回s62，若否，則進(jìn)行s68；s68：判斷t

e

是否大于t3；其中，采用t

e

＝t

e

+t

j

疊加計(jì)算當(dāng)前透平耗時(shí)；若是，則返回s62，若否，則進(jìn)行s69；s69：判斷j是否為n；若否，則進(jìn)行s691，若是，則進(jìn)行s692；s691：記錄t

j

時(shí)刻1～n號(hào)礦洞的壓力和溫度，作為j＝j(luò)+1釋氣階段的初始參數(shù)，并返回s63；s692：注氣階段結(jié)束，沿空氣流動(dòng)方向第1～(n-1)級(jí)透平機(jī)的膨脹比依次為p

tj

/p

tj+1

,第n級(jí)透平機(jī)的膨脹比為p0/p

t

。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供一種礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，涉及儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)方法包括：將礦洞儲(chǔ)氣庫(kù)的n個(gè)礦洞按照從地表往下依次編號(hào)；確定礦洞壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行場(chǎng)景下的峰電時(shí)長(zhǎng)t1、平電時(shí)長(zhǎng)t2和谷電時(shí)長(zhǎng)t3；分析測(cè)量第1號(hào)礦洞頂部地層圍巖的最大承壓能力P1以及相鄰礦洞之間的地層圍巖的承壓能力，并篩選出最小承壓dP；計(jì)算壓縮注氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行壓縮子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)；計(jì)算儲(chǔ)氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化；計(jì)算透平釋氣過(guò)程中礦洞壓力及溫度變化，并進(jìn)行透平子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法能夠合理的設(shè)計(jì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)，提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度和發(fā)電效率。密度和發(fā)電效率。密度和發(fā)電效率。

技術(shù)研發(fā)人員：朱江峰 王華慧 胡大棟 鄭天文 陳俊 張躍 李勇 徐千 胡志廣 高乾恒

受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院

技術(shù)研發(fā)日：2022.10.11

技術(shù)公布日：2022/12/30