(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211241837.6 (22)申请日 2022.10.11 (71)申请人 国网浙江省电力有限公司绍兴供电 公司 地址 312000 浙江省绍兴 市越城区胜利东 路58号 申请人 清华四川能源互联网研究院 (72)发明人 朱江峰　王华慧　胡大栋　郑天文　 陈俊　张跃　李勇　徐千　胡志广　 高乾恒　 (74)专利代理 机构 北京超凡宏宇专利代理事务 所(特殊普通 合伙) 11463 专利代理师 周宇 (51)Int.Cl. F04B 41/02(2006.01)F04B 35/04(2006.01) B65G 5/00(2006.01) F01K 3/08(2006.01) F01K 3/02(2006.01) H02J 15/00(2006.01) G06F 30/17(2020.01) (54)发明名称 矿洞压缩空气储能系统设计方法 (57)摘要 本发明提供一种矿洞压缩空气储能系统设 计方法， 涉及储能技术领域。 设计方法包括： 将矿 洞储气库的n个矿洞按照从地表往下依次编号； 确定矿洞压缩空气储能系统峰谷套利运行场景 下的峰电时长t1、 平电时长t2和谷电时长t3； 分析 测量第1号矿洞顶部地层围岩的最大承压能力P1 以及相邻矿洞之间的地层围岩的承压能力， 并筛 选出最小承压dP； 计算压缩注气过程中矿洞压力 及温度变化， 并进行压缩子系统参数设计； 计算 储气过程中矿洞压力及温度变化； 计算透平释气 过程中矿洞压力及温度变化， 并进行透平子系统 参数设计。 该设计方法能够合理的设计压缩空气 储能系统的参数， 提高压缩空气 储能系统的储能 密度和发电效率。 权利要求书3页 说明书6页 附图4页 CN 115539359 A 2022.12.30 CN 115539359 A 1.一种矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， 所述设计方法包括： S1： 统计矿洞储气库的矿洞个数n， 将矿洞按照从地表往下依次编号； S2： 确定矿洞压缩空气储能系统所在地电力系统的峰平谷时间段， 确定矿洞压缩空气 储能系统峰谷套利运行场景 下的峰电时长t1、 平电时长t2和谷电时长t3； S3： 分析测量第1号矿洞顶 部地层围岩的最大承压能力P1以及相邻矿洞之间的地层围岩 的承压能力， 并筛 选出最小承压dP； S4： 计算压缩注气过程中矿洞压力及温度变化， 并进行压缩子系统参数设计； S5： 计算储气过程中矿洞压力及温度变化； S6： 计算透平释气过程中矿洞压力及温度变化， 并进行透平子系统参数设计。 2.根据权利要求1所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特征在于， 在S1中， 矿洞 个数n＝5， 从上至下依次为第1号矿洞、 第2号矿洞、 第3号矿洞、 第4 号矿洞和第5号矿洞。 3.根据权利要求2所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特征在于， 在S3中， 所述 第1号矿洞和 所述第2号矿洞之间的围岩最大承压能力dP1； 所述第2号矿洞和 所述第3号矿 洞之间的围岩最大承压能力dP2； 所述第3号矿洞和所述第4号矿洞之间的围岩最大承压能 力dP3； 所述第4号矿洞和所述第5 号矿洞之间的围岩最 大承压能力dP4； 对比不同矿洞之间承 压能力的大小， 选择其中最小承压值 为dP。 4.根据权利要求3所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S4包括： S41： 确定 压缩子系统中压缩机级数Nc＝n， 第n号矿洞的储气压力为P1+(n‑1)dP； S42： 假设环境空气压力为P0， 则第1级压缩机的增压比为P1/P0； 第n级压缩机 的增压比 为[P1+(n‑1)dP]/[P1+(n‑2)dP]， 其中， n≥2； S43： 假设压缩机的额定进气质量 流量为Qc； S44： 以i＝1开始遍历各梯压储气阶段； 当i ＝1时， 压缩阶段用时tc＝0； S451： 确定当前第i注气阶段中进行压缩注气过程的矿洞编号为： i～n； 此时各矿洞注 气质量流量mc＝Qc/(n‑i+1)， 计算tmax时间段内， 参与压缩注气过程的各矿洞压力和温度变 化； S452： 确定当前i阶段， 进行储气过程的矿洞编号为： 1～(i ‑1)； 当i＝1时， 无矿洞参与 储气过程； 计算tmax时间段内， 参与储气过程的各矿洞压力和温度变化； S46： 在tmax时段内找到， 第i～n号矿洞的压力首次达到P1+(n‑1)dP时的时刻ti， 记录ti 时间段内1～n 号矿洞的压力和温度变化过程； S47： 判断ti时间段内， 各相邻矿洞之间的压差是否 大于dP； 若是， 则返回S43， 若否， 则进 行S48； S48： 判断tc是否大于t1； 其中， 采用tc＝tc+ti叠加计算当前压缩耗时； 若是， 则返回S43， 若否， 则进行S49； S49： 判断i是否为 n； 若否， 则进行S491， 若是， 则进行S49 2； S491： 记录ti时刻1～n号矿洞的压力和温度， 作为i＝i+1注气阶段的初始参数， 并返回 S44； S492： 注气阶段 结束， 记录ti时刻1～n 号矿洞的压力和温度， 作为储气阶段的初始参数。 5.根据权利要求 4所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S41包括： 确定所述第1号矿洞的最大储气压力为P1； 所述第2号矿洞的最大储气压力为P1+dP； 所权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115539359 A 2述第3号矿洞的最大储气压力为P1+2dP， 所述第n 号矿洞的储气压力为P1+(n‑1)dP。 6.根据权利要求5所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S42包括： 假设环境空气压力为P0， 则第1级压缩机的增压比为P1/P0； 第2级压缩机的增压比为(P1+ dP)/P1； 第3级压缩 机的增压比为(P1+2dP)/(P1+dP)； 第n级压缩机的增压比为[P1+(n‑1)dp]/ [P1+(n‑2)dP]。 7.根据权利要求6所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S451包括： 确定投入的压缩机级数为： 1～i级； 采用如 下式(1)～式(3)以时间步长ts为步进值， 计 算tmax时间段内， 参与压缩注气过程的各矿洞压力和温度变化； 其中， ρcav,0是初始注气时刻， 矿洞内空气的密度； ρcav(tmax)是注气tmax时刻， 矿洞内空气 的密度； mc为当前矿洞的注气质量流量； M0为初始时刻矿洞的空气质量； tmax为注气时间； ρcav (tmax)是注气时间t后矿洞内的空气密度； 其中， Tcav,0是初始注气时刻， 矿洞内空气的温度； h是矿洞内空气与壁面的对流传热系 数； Acav矿洞表面积； Tt,c为空气注气温度； Tw为矿洞壁面温度； cv为空气的定容比热容； Tcav(tmax)是注气时间t后矿洞内的空气密度； Pcav(tmax)＝ρcav(tmax)RgTcav(tmax)                   (3) 其中， Pcav(t)是注气时间t后矿洞内的空气压力； Rg为空气气体常数。 8.根据权利要求7 所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S452包括： 令mc＝0； 采用式(1)～式(3)计算tmax时间段内， 参与储气过程的各矿洞压力和温度变 化。 9.根据权利要求8所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S5包括： 在储气阶段， 第1～n号矿洞均处于储气过程， 储气时间为t1‑tc+t2； 令mc＝0； 采用式(1) ～式(3)计算t1‑tc+t2时间段内， 参与储气过程的各矿洞压力和温度变化； 记录储气阶段结 束后各矿洞的温度和压力， 作为下阶段透平发电释气过程的初始值。 10.根据权利要求9所述的矿洞压缩空气储能系统设计方法， 其特 征在于， S6包括： S61： 确定 透平子系统中透平机级数Ne＝n； S62： 假设透平机的额定进气质量 流量为Qe； S63： 以j＝1开始遍历各梯压释气阶段； 当j＝1时， 透平阶段用时te＝0， 第n号矿洞的压 力为Pj； S641： 确定当前第j注气阶段中进行透平释气过程的矿洞编号为： (n ‑j+1)～n； 此时各 矿洞注气质量流量md＝Qe/j， 计算tmax时间段内， 参与透平释气过程的各矿洞压力和温度变 化； S642： 确定当前j阶段， 进行储气过程的矿洞编号为： 1～(n ‑j)； 当j＝n时， 无矿洞参与权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115539359 A 3