地下浅埋硐室压缩空气储能监测预警云平台研究

地下浅埋硐室压缩空气储能监测预警云平台研究

李毅凡1,宁佳瑞1,张程1

西安科技大学 能源学院 陕西西安 710054

摘要：本文以西安科技大学能源学院赴陕甘宁矿区调研专项实践团前往西部矿区进行大量调研为切入点，以地下浅埋硐室压缩空气储能工程实践为依托，开发一种地下压缩空气储能硐室运行状态下的智能监测预警云平台。基于实际工况所需采集的数据种类分别设置温度控制、围岩应力变形、流速流量、设备运行状态等不同特征的模块；利用工业物联网信息技术（设备兼容技术）、人工智能（机器学习）、大数据理论分析（数据挖掘算法）等方法形成为集“采集监测-预警分析-灾变防控”功能为一体的综合监测管控云平台系统，实时监测整个压缩空气储能实践工程所处的物理环境，为地下浅埋硐室压缩空气储能工程正常运行状态下储库的密闭性和稳定性提供智能预警及灾变防控方案指导。该智能监测预警云平台的研发亦可为地下硐室压缩空气储能这一新兴工程领域提供一个智能化监测样本。

关键词：浅埋硐室；压缩空气；储能技术；监测预警；云平台

Abstract:This paper takes the special practice group of energy College of Xi'an University of Science and Technology to the Shaanxi-Gansu-Ningxia mining area to conduct a lot of research in the western mining area as the starting point, based on the practice of compressed air energy storage engineering in the underground shallow buried chamber, and develops an intelligent monitoring and early warning cloud platform under the operation state of the underground compressed air energy storage chamber. Based on the types of data collected by actual working conditions, modules with different characteristics such as temperature control, surrounding rock stress deformation, flow rate and flow, and equipment operation state; Using industrial Internet of Things information technology (equipment compatibility technology), artificial intelligence (machine learning), big data theoretical analysis (data mining algorithm) and other methods to form a comprehensive monitoring and control cloud platform system integrating the functions of "collection and monitoring, early warning analysis and analysis-disaster prevention and control", Real-time monitoring of the physical environment of the entire compressed air energy storage practice project, It provides intelligent early warning and disaster prevention and control scheme guidance for the airtightness and stability of the storage in the underground shallow buried chamber compressed air energy storage project. The development of the intelligent monitoring and early warning cloud platform can also provide an intelligent monitoring sample for the emerging engineering field of compressed air energy storage in underground chambers.

Key words:shallow buried chamber; compressed air; energy storage technology; monitoring and early warning; cloud platform

针对压缩空气储能及监测预警云平台，国内外研究人员广泛深入地开展了层状盐岩的孔渗特性、风险灾害监测预警云平台等方面的试验与理论研究，为我国压缩空气储能事业的顺利推进奠定了重要基础。

压缩空气储能具备大规模、低成本、高效率的长时效物理储能能力，将其集成于大规模可再生能源系统，可以有效解决清洁能源发电并网困难的问题，能够有效提升其发电质量及并网率，具有十分广阔的应用前景。压缩空气储能技术的技术原理为：在电网用电低谷时，利用电能驱动压缩机工作，将空气由大气压力压缩到预定高压值并储存于可承受高压空气的储气空间内；在用电高峰时，再将压缩的高压空气通过透平做功，驱动发电机发电。而地下硐室压气蓄能的基本原理是利用用电低谷的富裕电力将空气压缩并储存在开挖好的地下硐室中，在用电高峰期再将压缩空气从地下硐室中释放出来推动透平发电。

目前国内地下压缩空气储能主要偏向于利用深部盐穴和硬岩地层，硬岩洞穴储气库主要为浅埋硐室和废弃采空区等，地下浅埋硐室较盐穴具有选址容易、稳定性好等优点。目前，国内尚未有大规模利用硬岩硐室开展压气蓄能的工程案例，但相关的可行性论证工作正在迅速展开，这其中需要考虑硐室在循环荷载下围岩的变形、密封性能等众多因素对储气空间承载能力和透平发电效率的影响程度。人工智能、工业物联网、大数据融合分析方法等新一代信息技术给开展地下空间压缩空气储能工程智能监测与预警提供了可行性途径，因此，开展地下空间的压缩空气储能监测预警系统及方法的研究对于促进我国地下空间压缩空气储能工程建设具有积极意义。

本文研究内容旨在提供一种浅埋硐室压缩空气储能综合监测预警平台及控制方法，能够采集并监测整个压缩空气储能实践工程中包括空气压力、气体流速、温度变化、载荷围岩变形程度、地下应力分布和各部位工作效率等数据，根据采集数据的种类设置温度控制、压力变形、流速流量、机器功效等不同特征的模块，利用新一代工业物联网信息技术、人工智能、大数据理论分析等方法将不同模块整合为集“采集监测-预警分析-处理防治”功能为一体的综合监测管控云平台系统，实时监测整个压缩空气储能实践工程所处的物理环境，为保证整个压缩空气储能工程实践的密闭性和稳定性提供支撑，进一步提高地下空间压缩空气储能工程的发电效率和安全性评价提供基础。

针对压缩空气储能过程所处环境，通过现场测定或室内试验室测定获得的空气压缩机进出口温度、储气库内高压气体温度、储气库围岩温度换热器温度数据试验参数，将数据结果通过光纤传输至温度控制监测与预警模块，并与预警标准值进行对比判定；获得的空气压缩机进出口压力、透平机排气压力、衬砌结构位移变化、围岩变形的形变量、储气库围岩应力数据试验参数，将数据结果通过光纤传输至压力变形监测与预警模块，并与预警标准值进行对比判定；获得的空气进出压缩机的流速流量、储气库内气体流速流量、透平机进气口流速流量、换热器流速流量数据试验参数，将数据结果通过光纤传输至流速流量监测与预警模块，并与预警标准值进行对比判定；获得空气压缩机工作功率、透平机工作功率、换热器工作功率数据试验参数，将数据结果通过光纤传输至机器功效监测与预警模块，并与预警标准值进行对比判定；

若未超过预警标准值则按照原有方案继续长期监测；若超过预警标准值则预警并通过压缩空气储能空间综合监测预警云平台分析各项数据之间的相关性，确定发生异常变化的机理；

温度控制监测与预警模块将所采集的空气压缩机进出口温度、空气压缩机绕组温度、储气库内高压气体温度、储气库围岩温度等数据进行综合分析与处理，将分析与预警结果传输至温度异常处置措施模块；压力变形监测与预警模块将所采集的空气压缩机进出口压力、储气库高压气体压力、衬砌结构位移变化、储气库围岩应力等数据进行综合分析与处理，将分析与预警结果传输至排气降压处置措施模块；流速流量监测与预警模块将所采集的空气进出压缩机的流速流量、储气库内气体流速流量等数据进行综合分析与处理，将分析与预警结果传输至功速量异常处置措施模块；机器功效监测与预警模块将所采集的空气压缩机工作功率等数据进行综合分析与处理，将分析与预警结果传输至功效异常处置措施模块；

温度异常处置措施模块、排气降压处置措施模块、速量异常处置措施模块、功效异常处置措施模块分别根据预警结果给出相应的处置措施后再将数据传输至压缩空气储能综合监测预警云平台；

压缩空气储能综合监测预警云平台根据温度控制监测与预警模块、压力变形监测与预警模块、流速流量监测与预警模块、机器功效监测与预警模块数据结果与系统设定的标准值进行比较，若未超过预警标准值，则按照原有方案继续长期监测，若超过预警标准值则分别采取相应控制措施，由压缩空气储能综合监测预警云平台给出异常变化的发生机理及综合预警结果；

压缩空气储能综合防治模块根据压缩空气储能空间监测预警云平台分析结果，分析各项数据发生异常变化的相关性，提出压缩空气储能综合防治施工方案，保证压缩空气储能过程中气密性和稳定性完好。

本发明压缩空气储能空间监测预警系统，该系统具有以下优点：

（1）采用数字化监测，通过监测系统终端实时监测压缩空气储能工程实践过程中包括空气压力、气体流速流量、温度变化、载荷围岩变形程度、地下应力分布和各部位工作效率等数据，避免了误差累计，使监测工作安全性更高；

（2）可实时采集空气压缩机进出口温度、储气库内高压气体温度、储气库高压气体压力、衬砌结构位移变化储气库内气体流速流量、透平机进气口流速流量、空气压缩机工作功率、透平机工作功率等数据，并通过压缩空气储能综合监测预警云平台进行综合分析判定，掌握地下压缩空气储能空间中各项异常数据发生突变前兆信息并进行预警，最大限度避免异常事故的发生；

（3）通过压缩空气储能综合监测预警云平台综合分析与处理，给出异常变化发生的机理与相关性，并由压缩空气储能综合防治模块提出相应处治措施，保障地下压缩空气储能安全高效进行；

本研究内容技术先进，设计合理，可操作性强，可实时、高效、科学便捷地实现地下空间的压缩空气储能监测及预警。