用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井及加固方法与流程

1.本发明涉及压力容器及空气储能技术领域，尤其涉及用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井及加固方法。


背景技术：

2.压缩空气储能系统通过压缩空气储存多余的电能，重力压块具有体积大、重量大等特点。在储能时，压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并存于储气室中，储气室顶板抬升，顶起重力压块；在释能时，高压空气从储气室释放，重力压块随储气室顶板下降。上部的巨大荷载会传递至地基垫层，因此该工程场地对竖井结构以及地基垫层承载力的要求更高。如何设计合理的竖井结构和采取有效的地基垫层处理方法来满足重力压缩空气储能系统安全运行是目前有待解决的难题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的目的在于提出用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井及加固方法，本发明提供的加固组件可加固竖井增强其对上部荷载的承载力，从而支持承受重力压缩空气储能系统运行时的所有荷载并保证重力压缩空气储能竖井结构的安全稳定运行。
5.为达到上述目的，本发明实施例提出一种适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井结构，包括：
6.竖井；所述竖井为具有一定壁厚且空心的结构，其顶部开放与所述重力压缩空气储能系统中重力组件活动插接；所述竖井的内壁设置竖井砌衬；和
7.加固组件；其中所述加固组件包括地基垫层和第一桩基群；其中所述第一桩基群包括至少一组第一桩基环；其中所述第一桩基环包括多个环设在所述竖井周侧的第一灌注桩；在竖直方向上，所述地基垫层设置在所述第一桩基群和所述竖井的下方。
8.在一些实施例中，所述加固组件包括第二桩基群；其中所述第二桩基群在竖直方向上设置在所述地基垫层的下方；其包括至少一组第二桩基环且任一所述第二桩基环的轴向延伸方向与所述第一桩基环的轴向延伸方向重合；其中所述第二桩基环包括多个周向布设的第二灌注桩。
9.在一些实施例中，本发明实施例提出一种适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统，其包括上述任一实施例中的竖井结构；所述重力组件外壁与所述竖井砌衬的内壁之间有间隙，所述间隙中设置有密封膜，所述密封膜与所述重力组件外壁和所述竖井砌衬的内壁之间密封连接，以使所述密封膜、所述竖井位于所述密封膜下方的空间、所述重力组件之间围成储气室。
10.在一些实施例中，所述重力组件包括重力块组和承压组件；其中所述重力块组设置在所述承压组件的顶部；所述承压组件的底部伸入所述竖井内且其外壁与所述密封膜相
连；所述承压组件的顶部位于所述竖井顶部的地面上。
11.在一些实施例中，所述承压组件包括承压筒、承压底座和缓冲组件；其中所述承压筒的底部伸入所述竖井内且其顶部设置承压底座；所述重力块组位于所述承压底座上方，以使所述承压筒向下移动至最低限位时通过所述承压底座支撑在所述竖井顶部的地面上；所述缓冲组件分布在所述竖井的周侧并位于竖井顶端外部的地面上，且所述缓冲组件的顶部与所述承压底座连接。
12.在一些实施例中，所述承压组件包括锁定平台；其设置在所述竖井的周侧并位于竖井顶端外部的地面上，且所述锁定平台与所述缓冲组件连接并位于所述缓冲组件的外侧；在竖直方向上所述第一桩基群位于所述锁定平台与所述地基垫层之间。
13.在一些实施例中，所述储能系统包括导向装置，其包括导槽和滚轮；其中所述导槽设置多个，多个所述导槽分布在所述重力组件周侧，所述导槽设置在所述竖井内壁或所述竖井外部；所述滚轮与所述导槽配合与所述导槽的槽底相接，以使所述重力组件上下移动时所述滚轮沿着所述导槽的槽底上下移动。
14.在一些实施例中，所述竖井顶端外部的地面设置有多个塔楼结构，多个所述塔楼结构分布在所述竖井周侧且位于所述锁定平台的外侧；多个所述导槽分别安装在多个所述塔楼结构上。
15.在一些实施例中，本发明实施例提出适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井加固方法，其包括上述任一实施例中的加固组件对竖井进行加固。
16.在一些实施例中，多组第一桩基环的水平截面构成等间距同心圆；多组第二桩基环的水平截面构成等间距同心圆；且最外侧所述第二桩基环的布设半径大于最外侧的所述第一桩基环的布设半径。
17.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是本发明一实施例提出的竖井的结构示意图；
20.图2是本发明一实施例提出的第一桩基群的布设示意图；
21.图3是本发明一实施例提出的第二桩基群的布设示意图；
22.图4是本发明一实施例提出的适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统；
23.图5是本发明一实施例提出的导向装置的结构示意图；
24.图6是本发明一实施例提出的缓冲组件的结构示意图；
25.图中，1、重力压块；2、塔楼结构；3、导向装置；4、承压底座；5、锁定平台；51、弹性垫；6、缓冲组件；61、顶托；62、底托；63、压力弹簧；64、角钢；65、上中心连杆；66、下中心连杆；67、上环形保护圈；68、下环形保护圈；6、缓冲组件；7、黄土层；8、密封膜；9、第一灌注桩；10、承压筒；11、储气室；12、竖井；13、竖井砌衬；14、第二灌注桩；15、地基垫层。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
27.为达到上述目的，如图1-图3本发明实施例提出一种适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井结构包括竖井12和加固组件；其中竖井12为具有一定壁厚且空心的结构，其顶部开放与重力压缩空气储能系统中重力组件活动插接；竖井12的内壁设置竖井砌衬13。
28.便于理解的，其中竖井12常规情况下为具有一定壁厚的空心圆柱形结构，为在黄土层7中向下挖制而成，竖井12中用于活动插接重力压缩空气储能系统的重力组件。本实施例中以竖井12为上端开放的空心圆柱形结构为例进行示例性说明。
29.具体的如图1所示，竖井12为上端开放的空心圆柱形结构，其具有一定的壁厚，在松散富水的黄土层7中需要对设置竖井12的周围的黄土层7进行加固，从而提高竖井12以及其地基垫层15的承载力，用于应对重力压缩空气储能系统上部的巨大荷载会传递至竖井12地基垫层15的情况。因此本实施例通过设计合理的竖井12和采取有效的加固组件来满足重力压缩空气储能系统安全运行。本实施例中在竖井12的内壁设置竖井砌衬13，通过竖井砌衬13能够保障竖井12内壁为光滑壁面，便于密封膜8的安装，进而实现密封膜8固定在竖井砌衬13上时能够提高密封性能。
30.示例性的，本实施例中加固组件包括地基垫层15和第一桩基群；其中地基垫层15为混凝土浇筑而成的圆柱形实心结构，且具有一定的厚度和强度，可立即为混凝土圆柱台用于替换现有技术中竖井12的黄土层7地基，支撑上部的竖井砌衬13和竖井12周边的第一桩基群，承受储气室11内的高压气体荷载，同时也支撑重力压缩空气储能系统上部的配重等，从而支持承受重力压缩空气储能系统运行时的所有荷载。
31.本实施例中的第一桩基群至少一组第一桩基环，如图2所示；其中每一第一桩基环的轴向延伸方向均重合，本领域技术人员可进一步理解为多组第一桩基环横截面为多个等间距同心圆。其中第一桩基环包括多个第一灌注桩9；多个第一灌注桩9均匀设置在竖井12的周侧；且第一灌注桩9的深度与竖井12的深度相同，在竖直方向上，地基垫层15设置在第一桩基群和竖井12的下方。
32.在一些实施例中具体的如图3所示，加固组件包括第二桩基群；其中第二桩基群在竖直方向上设置在地基垫层15的下方；其包括至少一组第二桩基环，且任一第二桩基环的轴向延伸方向与第一桩基环的轴向延伸方向重合，本领域技术人员可进一步理解为多组第二桩基环横截面为多个等间距同心圆。此外第二桩基环的圆心与第一桩基环的圆心相同，两者均与重力压缩空气储能系统的重心在竖直方向上在同一铅直方向。
33.需要解释的是，第二桩基群包括多组第二桩基环，优选的在其圆心处可设置一组个数为1的第二灌注桩14，其可以理解为圆心灌注桩，具体的如图3所示。同时为保证第二桩基群对第一桩基群的支撑作用，且最外侧第二桩基环的布设半径大于最外侧第一桩基环的布设半径；此外在一些实施例中第二灌注桩14的深度不小于第一灌注桩9。
34.在一些实施例中，提出了适用于黄土地质的重力压缩空气储能系统的竖井12加固
方法，即利用上述任一实施例中的加固组件对竖井12进行加固。示例性的，第一桩基群和第二桩基群的布设中，先采用潜水钻机对进行布设第一灌注桩9和第二灌注桩14的位置钻孔，钻孔完成后通过注浆管自底部向上在钻孔内注浆，直至注浆高度达到预设高度后待其固结。其中进行注浆固结，注浆时先用稀浆，而后逐步加大浆液的稠度，此外考虑土体为黄地层，注浆压力一般为0.2-0.4mpa。
35.在一些实施例中，本发明提出了一种用于松散地层的重力压缩空气储能系统如图4所示，包括上述实施例中的竖井12和重力组件；其中重力组件外壁与竖井砌衬13的内壁之间有间隙，间隙中设置有密封膜8，密封膜8与重力组件外壁和竖井砌衬13的内壁之间密封连接，以使密封膜8、竖井12位于密封膜8下方的空间、重力组件之间围成储气室11。
36.具体的如图4所示，用于松散地层的重力压缩空气储能系统包括竖井12和重力组件；其中重力组件包括重力块组和承压组件；其中重力块组设置在承压组件的顶部；承压组件的底部伸入竖井12内且其外壁与密封膜8相连；承压组件的顶部位于竖井12顶部的地面上；其中重力块组包括多个在竖直方向上层层叠加设置的重力压块1，重力压块1由数级独立长方体压块组成，且所有重力压块1的形式以及厚度均一致，其作用是为重力储气室11提供一定的重力势能，多个重力压块1重心始终在同一铅直方向。可理解的将重力组件分成地上重力块组和承压组件两部分，其中承压组件底端伸入竖井12的内部并且密封膜8直接与承压组件外壁的底端相连，而重力块组位于竖井12的外部，在实现大能量存储时，无需将所有重力块都集中在竖井12中，可以减少竖井12的高度，大大减少竖井12的开挖工程量和工程难度。
37.此外，重力块组包括多个在竖直方向上层层叠加设置的重力压块1，通过将重力块组设置成多个叠加的重力压块1，进而减少了每个重力压块1的重量，在满足大能量存储的同时减低吊装难度，使得吊装施工过程中，先将承压组件吊装至竖井12中，承压组件上端支撑在竖井12周侧的地面上，然后在承压组件的顶部层层吊装重力压块1。
38.在一些实施例中，承压组件包括承压筒10和承压底座4；其中承压筒10的底部伸入竖井12内且其顶部设置承压底座4；重力块组位于承压底座4上方，当承压筒10向下移动至最低限位时承压底座4支撑在竖井12顶部的地面上。
39.具体的，如图4所示，承压组件包括承压筒10和承压底座4，其中承压筒10的底端伸入竖井12内部，并且密封膜8直接与承压筒10外壁底端相连，承压筒10的顶部位于竖井12顶部的地面上且与承压底座4连接，多个在竖直方向上层层叠加设置的重力压块1设置在承压底座4上方，实现多个重力压块1重心始终在同一铅直方向。
40.在一些实施例中如图4所示，承压组件包括缓冲组件6；缓冲组件6包括压力弹簧63，多个压力弹簧63分布在竖井12的周侧并位于竖井12顶端外部的地面上，且压力弹簧63的顶部与承压底座4的底部连接，本实施例中缓冲组件6的设置减缓重力组件上升或下降过程中的颠簸，并且可对重力组件下降的位移进行限制。
41.具体的如图6所示，缓冲组件6包括相对设置的顶托61和底托62以及连接在顶托61和底托62之间的压力弹簧63，压力弹簧63的顶端和底端分别连接在顶托61和底托62上，顶托61的底面中部设置有上中心连杆65，底托62顶面中部设置有下中心连杆66，上中心连杆65和下中心连杆66均位于压力弹簧63中部，下中心连杆66的顶端面中部开有沿竖直方向设置的滑孔，上中心连杆65的底端位于滑孔中能够沿着滑孔上下移动。
42.可以理解的是，通过上中心连杆65在下中心连杆66中的滑孔中上下移动，实现下中心连杆66对上中心连杆65的限位，由于压力弹簧63的顶端和低端分别连接在顶托61和底托62上，使得压力弹簧63在弹力作用下能够将顶托61向上顶起，在重力组件向下作用下，对顶托61施加一定的作用力，压力弹簧63压缩进行缓冲，通过上中心连杆65在下中心连杆66中的滑孔中向下滑动，直至压力弹簧63压缩到极限，本实施例通过多个缓冲组件6实现对重力组件的缓冲作用。
43.在一些实施例中，顶托61的底面设置有上环形保护圈67，底托62的表面上设置有下环形保护圈68，下环形保护圈68套设在上环形保护圈67内，压力弹簧63位于下环形保护圈68内，下环形保护圈68的外径等于上环形保护圈67的内径。可以理解的是，在压力弹簧63将顶托61顶至最高时，此时下环形保护圈68顶端一部分位于上环形保护圈67的内部，使得压力弹簧63向下压缩时，上环形保护圈67随着顶托61向下移动过程中保障上环形保护圈67套设在下环形保护圈68外部，并与下环形保护圈68内壁相接移动，上环形保护圈67无法再向下移动，本实施例通过下环形保护圈68的限位作用能够约束压力弹簧63的压缩方向，并防止异物进入缓冲组件6内部导致其不能正常工作。
44.在一些实施例中如图4所示，承压组件包括还锁定平台5；其中锁定平台5为环状固定在竖井12的周侧并位于竖井12顶端外部的地面上，且锁定平台5的内侧与缓冲组件6固定连接，其位于缓冲组件6的外侧，且在竖直方向上位于承压底座4的下方。
45.具体的如图6所示，本实施例中锁定平台5通过设置角钢64与缓冲组件6固定连接；角钢64一端设置在锁定平台5的内壁上，另一端固定在缓冲组件6的底部。可以理解的是，在事故工况下，重力组件自由下落产生的冲击荷载均匀的分散传递至各缓冲组件6，最大限度的发挥缓冲组件6的缓冲效果，缓冲组件6发挥至极限状态后，重力组件与锁定平台5的顶部抵触能够实现缓冲减震的效果。优选的，可在锁定平台5的顶部设置弹性垫51，通过弹性垫51可再次起到一定的缓冲减振作用。本实施例中的锁定平台5用于对缓冲组件6进行固定，保证缓冲组件6在竖直方向上对重力组件进行减震和缓冲，同时在竖直方向上对重力组件的下降位移进行限制，重力组件向下运动的最低处即承压底座4与锁定平台5的上端接触。
46.在一些实施例中，储能系统包括导向装置3，其包括导槽和滚轮如图5所示；其中导槽设置多个，多个导槽分布在重力组件周侧，导槽设置在竖井12的内壁或竖井12的外部；滚轮与导槽配合与导槽的槽底相接，以使重力组件上下移动时滚轮沿着导槽的槽底上下移动。
47.具体的导槽设置多个，多个导槽分布在重力组件周侧，导槽设置在竖井12的内壁或竖井的12外部，也就是说或，导槽可以设置在竖井12内部，也可以设置在竖井12外部。滚轮设置多个，多个滚轮分别通过转轴安装在重力组件周侧，滚轮与导槽的槽底相接，以使重力组件上下移动时滚轮沿着导槽的槽底上下移动。
48.可以理解的是，当储能过程中重力组件均位于竖井12内移动时，此时可以在竖井12的内壁周侧设置多个导槽，例如，可以设置四个导槽,4个导槽可以等角度设置在竖井12的内壁上，由于重力组件上的滚轮通过转轴安装在重力组件周侧，因此滚轮可以在重力组件上转动，当滚轮与导槽的槽底相接时，不仅能够通过导槽进行限位，导槽配合滚轮约束重力组件运动方向，同时重力组件以一定的速率沿着导槽方向竖直向上或向下运动，定期向导槽与滚轮接触的位置添加润滑剂，如黄油、石墨，从而减小摩擦，提高重力势能的转化率。
49.另外，还有一种可能，竖井12顶端外部的地面设置有多个塔楼结构2，如图4所示，多个塔楼结构2分布在竖井12周侧且位于锁定平台5的外侧，多个导槽分别安装在多个塔楼结构2上，即可以设置4个塔楼结构2，然后将4个导槽设置在竖井12外部的4个塔楼结构2上，在储能过程中，重力组件一部分位于竖井12的外部，一部分位于竖井12的内部，位于竖井12内部的重力组件外壁和竖井12内壁之间通过密封膜8密封连接。
50.在一些实施例中，多个重力压块1的周侧均设置有导向装置3，如图4和5所示，导向装置3安装在重力压块1的周侧，并位于重力压块1和与重力压块1相对的塔楼结构2之间。其中重力压块1外侧壁与塔楼内侧壁预留间隙，多个滚轮分别设置在重力块组的周侧和承压筒10顶端外壁的周侧，以使地上重力块组和承压筒10上下移动过程中通过滚轮沿着导槽上下移动。
51.具体的如图5所示，每个重力压块1的周侧均开有安装槽，安装槽中安装有钢板槽，滚轮位于钢板槽中，滚轮上连接的转轴安装在钢板槽相对两侧的侧壁之间，此处为常见结构设置不再赘述。
52.另外，还需要说明的是，承压筒10中填充有沙子。
53.可以理解的是，承压筒10可以为由钢板围成的筒状结构，内部为空心结构，降低的重量方便吊装，另外在承压筒10内部填充沙子能够增大储能的重力。
54.此外，重力压缩空气储能系统还包括空气压缩单元、空气膨胀单元和发电机；空气压缩单元进口连接有进气装置，空气压缩单元的出口通过储能管路与储气室11的进口连接，储气室11的出口通过释能管路与空气膨胀单元的进口连接，空气膨胀单元的出口与发电机连接；储能管路与释能管路之间设有热交换单元。示例性的空气压缩单元可以根据实际需要设置若干级空气压缩机；空气膨胀单元可以根据实际需要设置若干级膨胀机。
55.释能管路上设有流量检测装置、压力检测装置和调节阀，流量检测装置、压力检测装置和调节阀均分别与重力压缩空气储能系统的控制单元连接能够对系统的关键参数进行实时监测和控制。
56.本实施例中的重力压缩空气储能系统在工作时：
57.电网用电低谷期重力压缩空气储能系统进行储能，关闭释能管路，开启储能管路，空气通过进气装置进入空气压缩单元压缩后成为压缩空气，产生的热量存储在热交换单元，压缩空气经储能管路进入储气室11，储气室11体积增大，重力压块1被压缩空气恒压抬升，直到重力组件向上移动至最高限位处停止，此时储气室11中存储有压缩空气，将电能转化为压缩空气能和重力压块1的重力势能；
58.电网用电高峰期，压缩空气储能系统进行释能，开启释能管路，关闭储能管路，重力压块1下降，储气室11体积减小，储气室11中的压缩空气经热交换单元加热后，再经释能管路进入空气膨胀单元恒压做功并带动发电机发电，将压缩空气能和重力压块1的重力势能转化为电能。当储气室11中的压缩空气通入空气膨胀单元的过程中，重力组件向下移动，直到重力组件与缓冲组件6抵触后，实现对重力组件有一定的缓冲作用，实现对重力组件的防护，在事故工况下，重力组件自由下落接触到缓冲组件6顶部时，将重力组件产生的冲击荷载均匀的分散传递至周侧的多个缓冲组件6，最大限度的发挥缓冲组件6的缓冲效果。
59.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义
是两个或两个以上。
60.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
61.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
62.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。