1.一种废弃矿井蓄水储能实验系统,其特征在于,包括:水浴箱(10),密封箱体且用于模拟地层温度;
井下硐室模拟部件,具有进风井模拟管道(21)、回风井模拟管道(25)、巷道模拟管道(24)、以及内部具有碎石(31)的采空区模拟盒(30);
进风井模拟管道(21)一端固定在注水箱(50)上、另一端与多个巷道模拟管道(24)连接;每个巷道模拟管道(24)与相应的采空区模拟盒(30)连接、且连接处设有透水垫片(32);
采空区模拟盒(30)以不同的角度与位置悬挂在水浴箱(10)内部;
回风井模拟管道(25)一端连接采空区模拟盒(30);
蓄抽水部件,具有模拟蓄水温度的注水箱(50)、以及一端移动位于进风井模拟管道(21)中用于蓄水与抽水的管组件;
注水箱(50)与回风井模拟管道(25)的另一端均通过提升组件进行高度调整;
监控部件,具有与控制器(70)连接的温度监测器(61)、流量监测器(62)、以及水压监测器(63);
温度监测器(61)设置在水浴箱(10)、注水箱(50)以及井下硐室模拟部件上,用于监测不同位置的水温;流量监测器(62)设置在管组件上,用于监测蓄水与抽水的流量;水压监测器(63)设置在井下硐室模拟部件上,用于监测不同位置的水压;
所述管组件具有蓄水管(22)、抽水管(54)、以及受控制器(70)控制的三通电磁阀与真空泵(53);
蓄水管(22)一端位于进风井模拟管道(21)中、另一端通过三通电磁阀后与注水箱(50)连通;
三通电磁阀上另一端口通过抽水管(54)回流至注水箱(50)内,且抽水管(54)上设有真空泵(53);
所述采空区模拟盒(30)中部通过调节支座(17)角度调整的位于伸缩支架(16)下端;
调节支座(17)为带阻尼结构的球铰接结构;
伸缩支架(16)上端安装在水浴箱(10)上部的透明盖板(13)内侧;
所述调节支座(17)具有安装在采空区模拟盒(30)上的球杆(171)、以及位于伸缩支架(16)下端的支撑座(172);
支撑座(172)上设有放置弹簧(174)盲孔、以及螺纹安装的调节螺杆(173);
球杆(171)的球头转动位于支撑座(172)内,并在调节螺杆(173)作用下,弹簧(174)挤压作用在球头上。
2.根据权利要求1所述的一种废弃矿井蓄水储能实验系统,其特征在于,所述透明盖板(13)内侧设有多个横向导轨(14)、纵向导轨(15);
横向导轨(14)、纵向导轨(15)的截面均为T型结构的滑槽;伸缩支架(16)上端设有支撑块(18),支撑块(18)滑动于横向导轨(14)或纵向导轨(15)内。
3.根据权利要求1所述的一种废弃矿井蓄水储能实验系统,其特征在于,所述透明盖板(13)内侧设有多个内螺纹孔;
伸缩支架(16)上端的支撑块(18)与内螺纹孔螺纹安装。
4.根据权利要求1所述的一种废弃矿井蓄水储能实验系统,其特征在于,所述碎石(31)为砂岩碎块、且外部涂抹石蕊液体;
注水箱(50)内为酸性蓄水溶液;水浴箱(10)的一侧为透明板、且相应外侧设有用于记录不同蓄水参数条件下碎石(31)变色分布特征的相机。
5.根据权利要求1所述的一种废弃矿井蓄水储能实验系统,其特征在于,所述提升组件具有竖直布置的吊杆(41)、转动位于吊杆(41)上端的滑轮(43)、以及吊绳(42);
吊绳(42)一端与回风井模拟管道(25)或者注水箱(50)连接、另一端绕设在滑轮(43)外侧后连接在吊杆(41)上。
6.一种根据权利要求4所述的废弃矿井蓄水储能实验方法,其特征在于,具体包括以下步骤:S1,清洗并烘干井下硐室模拟部件与蓄抽水部件,在采空区模拟盒(30)内的碎石(31)上涂抹石蕊溶液、并进行干燥处理;
S2,分析废弃矿井生产地质信息,确定矿井各采矿硐室尺寸、空间几何位置及硐室破坏状况,布置井下硐室模拟部件,包括采空区模拟盒(30)的大小、位置与角度、以及内部碎石(31)的级配、数量;巷道模拟管道(24)的高度、角度;
安装监控部件中的温度监测器(61)、流量监测器(62)、以及水压监测器(63),以监测不同位置的温度、流量、以及水压,并将监测的实时数据传递至控制器(70)中;
S3,将偏酸性溶液存储于注水箱(50)中;
提升组件将注水箱(50)、回风井模拟管道(25)另一端提升至合适位置,并记录水浴箱(10)与巷道模拟管路的平均高差为h;
S4,当进行蓄水时,三通电磁阀启动,以目标流速 时间为 第一次蓄水,进行废弃矿井蓄水模拟,并实时监测各监测点的水压、温度、流速;
则实时蓄水量的计算公式为:
注水箱(50)内的水从蓄水管(22)、进入多个巷道模拟管道(24)、以及相应的采空区模拟盒(30)中,酸性蓄水溶液在采空区模拟盒(30)中与碎石(31)接触时,碎石(31)会变成红色,通过相机记录不同蓄水参数条件下碎石(31)变色分布特征;
当巷道模拟管道(24)的蓄水压力满足 后,停止蓄水,待稳定一定时间后,控制器(70)控制三通电磁阀位于抽水管(54)的端口打开,再以目标流速为 时间为 第一次抽水,进行废弃矿井抽水模拟,记录抽水过程中各监测点的水压、水温、流速;
则实时抽水量的计算公式为:
S5,当进行废弃矿井抽水蓄能电站模拟实验时,蓄水前水浴箱(10)保持干燥;
废弃矿井蓄水量的实时势能减少量的计算公式为:
其中,ρ为蓄水过程中注水箱(50)中水的密度,g为重力加速度;
蓄水实时产生电能的计算公式为:
其中,ηQE为蓄水过程中重力势能与电能的转换率;
废弃矿井抽水量的实时势能增加量的计算公式为:
抽水消耗电能的计算公式为:
其中,ηEQ为抽水过程中抽水用电量与水的势能增加量比值;
则废弃矿井蓄水储电能效率的计算公式为:
当模拟废弃矿井蓄水储热/冷实验时,蓄水前水浴箱(10)内蓄满自来水,水浴箱(10)温度、注水箱(50)温度均以一定温度变化相应模拟地层温度、蓄水初始温度;
废弃矿井实时蓄水热/冷量的计算公式为:
其中,g为重力加速度;
分别为 时刻对应温度为 注水箱(50)中水的比热容和密度;
废弃矿井实时抽水热/冷量的计算公式为:
其中, 分别为 时刻对应温度为 注水箱(50)中水的比热容和密度;
则废弃矿井蓄水量在抽水时间段的环境下利用后的热/冷量的计算公式为:废弃矿井抽水量在抽水时间段的环境下利用后的热/冷量的计算公式为:其中, 为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均气温;
为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均水比热容;
为抽水后利用废弃矿井热/冷量时的当地季节的平均水密度;
则废弃矿井蓄水量在抽水时间段环境下可利用的热/冷量的计算公式为:废弃矿井抽水量在抽水时间段环境下可利用的热/冷量的计算公式为:废弃矿井蓄水效率的计算公式为:
废弃矿井蓄水储能效率的计算公式为:
废弃矿井蓄水储能利用效率的计算公式为:
当模拟废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征实验时,蓄水前水浴箱(10)内蓄满自来水,水浴箱(10)温度、注水箱(50)温度均以一定温度变化相应模拟地层温度、蓄水初始温度;
风井模拟管道温度为 水压为 回风井模拟管道(25)温度为 水压为 巷道模拟管道(24)温度为 水压为 采空区模拟盒(30)温度为 水压为对测量温度、水压、流速进行采集,得到废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征观测实验;
S6,重复步骤S1‑S5,完成多次循环下完成多次模拟实验;
S7,当模拟废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征实验时,排出水浴箱(10)、注水箱(50)、井下硐室模拟部件内所有液体,改变注水箱(50)内的温度和注水流速,重复步骤S1‑S6,完成不同注水温度和注水流速条件下废弃矿井蓄水储能过程中井下硐室中水压、流速及温度的变化特征观测实验。
7.根据权利要求6所述的一种废弃矿井蓄水储能实验方法,其特征在于,步骤S5中,水浴箱(10)温度以+5℃/h或者‑5℃/h的温度变化模拟在目标地层温度,并保持恒温一小时;
注水箱(50)温度以+5℃/h或者‑5℃/h的温度变化模拟在目标蓄水初始温度,并保持恒温一小时。