[发明专利]一种以废弃隧道或者防空洞作为储能容器的变工况无水坝抽水蓄能系统及方法

权利要求书

1.一种以废弃隧道或者防空洞作为储能容器的变工况无水坝抽水蓄能系统，其特征在于：包括水源(1)、水泵机组(3)、储能容器(5)、释能管路(7)、水轮机机组(8)和发电机(9)；所述的水源(1)通过管道与水泵机组(3)的进水接管相连通，水泵机组(3)的出水接管与储能容器(5)相连通；所述的储能容器(5)通过释能管路(7)与水轮机机组(8)的进水接管相连通，水轮机机组(8)的输出端与发电机(9)的输入端相连通，发电机(9)的供电端与外部的电网(10)并网连接；所述的水轮机机组(8)的出水接管通过管道与水源(1)连通；所述的水泵机组(3)的供电端连接外部电网(10)；所述的储能容器(5)还设置有与其内部连通的压缩机(11)；所述的储能容器(5)采用密封处理后的废弃隧道或者防空洞；

所述的水泵机组(3)包括第一级水泵(14)、第二级水泵(15)、第三级水泵(16)和第四级水泵(17)；所述的水源(1)和储能容器(5)之间设置有供水旁路和主供水管路，主供水管路上依次串联设置第一级水泵(14)、第二级水泵(15)、第三级水泵(16)和第四级水泵(17)；供水旁路经第五调节阀(18)分别与第一级水泵(14)、第二级水泵(15)、第三级水泵(16)和第四级水泵(17)进水接管连接；

所述的第一级水泵(14)和第二级水泵(15)之间的主供水管路上设置有第六调节阀(19)，第一级水泵(14)的输出端经设置第十调节阀(23)的第一级供水管路与储能容器(5)连通；所述的第二级水泵(15)和第三级水泵(16)之间的主供水管路上设置有第七调节阀(20)，第二级水泵(15)的输出端经设置第十一调节阀(24)的第二级供水管路与储能容器(5)连通；所述的第三级水泵(16)和第四级水泵(17)之间的主供水管路上设置有第八调节阀(21)，第三级水泵(16)的输出端经设置第十二调节阀(25)的第三级供水管路与储能容器(5)连通；所述的第四级水泵(17)与储能容器(5)之间的主供水管路上设置有第九调节阀(22)；

所述的释能管路(7)采用由粗到细的渐缩型圆管，其两端设置有法兰(26)，沿着侧壁安装有补偿器(27)；释能管路(7)的粗端为与储能容器(5)连通的进口端，细端为与水轮机机组(8)的进水接管连接的出口端；

所述的水源(1)和水泵机组(3)之间、水泵机组(3)和储能容器(5)之间、储能容器(5)和释能管路(7)之间的管道上还分别设置有第一调节阀(2)、第二调节阀(4)和第三调节阀(6)；

水泵机组(3)与储能容器(5)、释能管路(7)、水轮机机组(8)和水源(1)组成一个循环系统；释能管路最大限度的降低水进入水轮机这一过程的流动阻力损失；采用的水轮机机组为高效的变流量水轮机机组，根据释能管路流出流量进行调节，提高整个系统的工作效率；

所述压缩机(11)的动力输入端通过联轴器连接电动机(12)，排气管通过管道与储能容器(5)连通；在系统工作前期，通过压缩机(11)预先压缩有压力的空气进入储能容器(5)中；

所述的压缩机(11)与储能容器(5)连通的管道上还设置有第四调节阀(13)；

所述的水源(1)采用废弃隧道或者防空洞外的沟渠或蓄水池；

水泵机组(3)由多台不同工况的水泵组成，通过控制系统对水泵机组(3)的各个调节阀进行控制，使机组运行在不同的工况下；

当系统处于储能阶段时，开启第十调节阀(23)，通过第一级水泵(14)将沟渠或蓄水池内的水导入废弃隧道或者防空洞的洞穴中，洞穴内的空气被水不断压缩；当洞穴中的空气压力升高到第一级水泵(14)不足以满足系统的充能需要时，在这一时刻，通过控制系统关闭第十调节阀(23)并开启第六调节阀(19)和第十一调节阀(24)，通过第一级水泵(14)与第二级水泵(15)串联，将第一级水泵(14)与第二级水泵(15)进行组合，增大水泵机组(3)的扬程，继续对洞穴进行储水；

当废弃隧道或者防空洞洞穴内的空气被水继续压缩，第一级水泵(14)与第二级水泵(15)组合的水泵机组(3)无法满足系统储能时，通过控制系统关闭第十一调节阀(24)并开启第七调节阀(20)与第十二调节阀(25)；

最终当第一级水泵(14)、第二级水泵(15)、第三级水泵(16)和第四级水泵(17)进行串联组合时，关闭第十调节阀(23)、第十一调节阀(24)和第十二调节阀(25)，开启第六调节阀(19)、第七调节阀(20)、第八调节阀(21)和第九调节阀(22)；

当选择不同工况的水泵时，除了上述的组合情况外，还能够同时开启第六调节阀(19)、第七调节阀(20)、第八调节阀(21)、第九调节阀(22)、第十调节阀(23)、第十一调节阀(24)和第十二调节阀(25)，水泵机组(3)通过管路将水进行分流，一部分水通过上级水泵直接冲入洞穴，另一部分水通过管路引入下一级水泵；以此类推组成四台水泵同时工作的变工况水泵机组(3)；或者通过开启第五调节阀(18)、第九调节阀(22)、第十调节阀(23)、第十一调节阀(24)和第十二调节阀(25)，组成有四台独立工作的变工况水泵机组(3)；

废弃隧道或者防空洞与压缩机(11)通过管路连接；在水不断送入废弃隧道或者防空洞这一过程中，由于洞穴内已经存在一定压力的空气，因此水泵机组(3)的压力头要高于废弃隧道或者防空洞内的压力；在水不断压入废弃隧道或者防空洞时，水推动废弃隧道或者防空洞内的气体进行压缩，洞内的空气压力随着压缩过程不断升高；当废弃隧道或者防空洞内压缩空气的压力与废弃隧道或者防空洞内水的压力相等时，气液相处于平衡状态，储能过程结束，关闭第二调节阀(4)；

当电网(10)处于峰值时，需要对电网(10)进行调节，系统开始进行释能发电；在释能发电阶段，打开第三调节阀(6)，在这一过程中，废弃隧道或者防空洞内的水与空气具有一定的压力，相当于同等压力的水坝水头，洞穴内的水将通过重力作用以压力作用压入释能管路(7)；释能管路(7)由一系列横截面积不断变化的圆面组成的渐缩型圆管，洞穴内的水通过压缩机(11)二次压缩过的空气压力以及自重的作用，流入释能管路(7)内的水流量是变化的，通过释能管路(7)后水具有不同的水头，采用水轮机机组(3)是由不同水头的水轮机机组合而成，通过释能管路(7)进口流量变化范围对水轮机机组(3)运行进行调节，并通过联轴器驱动发电机(9)发电；当废弃隧道或者防空洞内的水处于设计要求的最低水位时，释能发电过程结束，关闭第三调节阀(6)；其中，发电机(9)将所发出的电能并入电网(10)进行调峰。

2.一种以废弃隧道或者防空洞作为储能容器的变工况无水坝抽水蓄能方法，其特征在于：基于如权利要求1所述的系统，包括如下步骤，

a.压缩阶段：采用密封处理后的废弃隧道或者防空洞作为储能容器(5)，在系统工作前期，通过压缩机(11)预先压缩有压力的空气进入储能容器(5)中；

b.储能阶段：沟渠或蓄水池与水泵机组(3)之间的第一调节阀(2)处于开启状态，沟渠或蓄水池与水泵机组(3)之间的连接管路处于沟渠或蓄水池底部位置，沟渠或蓄水池内的水靠重力和压力作用导入水泵，使水泵机组(3)在运行时叶轮内处于非空载状态；

当外部电网(10)处于低谷时期时，通过水泵机组(3)将水源(1)内的水压入储能容器(5)中，在水不断压入储能容器(5)内部时，水推动储能容器(5)中的有压力的空气并进行压缩，储能容器(5)内的空气压力随着压缩过程不断升高；当储能容器(5)中压缩空气的压力和水的压力相等时，达到气液平衡状态，关闭水泵机组(3)；

c.释能发电阶段：当外部电网(10)处于峰值时期时，储能容器(5)中的水通过重力作用和压力作用压入释能管路(7)中，通过释能管路(7)进口流量变化范围对水轮机机组(8)进行调节，并通过驱动发电机(9)发电；当储能容器(5)中的水处于设计要求的最低水位时，释能发电过程结束；循环步骤b和c；

当系统处于储能阶段时，第一级水泵(14)、第二级水泵(15)、第三级水泵(16)和第四级水泵(17)依次打开加压，或者同时打开通过并联或串联加压；

压缩阶段通过压缩机(11)预先压缩有压力的空气进入储能容器(5)中，使其内部压力不小于3Mpa。