论文题目：废弃矿井抽水蓄能电站流体动力学分析与结构优化设计
摘要：风能、太阳能等可再生能源具有间歇性和波动性的特征,利用其发电并入电网后不能稳定的提供电能,需要建设抽水蓄能电站等储能措施进行调峰调频调相,而抽蓄电站选址标准以及电站水工建筑安全性要求均较高,合适的选址地点逐渐减少。针对以上问题,国内外学者提出利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的思路,废弃矿井具备巨大的地下空间资源、大量矿井水资源以及天然高度差等,为抽水蓄能电站提供了良好的建设基础,并且此系统还具备节约地表土地资源、避免库内水体蒸发损失、对周围居民及环境影响较小等优势。本文以已关闭的淮北市岱河煤矿为研究基地,基于矿区地层煤层结构、水文地质环境及井下开拓系统构造等信息,结合抽水蓄能电站建设技术,设计了岱河煤矿废弃矿井抽水蓄能电站。利用Fluent软件对电站不同工况进行模拟,探究电站不同几何设计的运行安全性以及电站综合效率,结合淮北市电网分时电价计算了废弃矿井抽水蓄能电站年利润,根据电站的经济效益、减碳效益和淮北市能源发展政策综合评估岱河煤矿废弃矿井抽水蓄能电站建设可行性。主要内容有:（1）基于煤矿典型井下开拓系统布置,提出废弃矿井抽水蓄能电站的三种设计形式:地上式、半地下式、全地下式。基于巷道、立井、采空区的单独地下空间及综合地下空间,对电站储水库进行设计并分类:巷道式可分为单巷道式、倾斜分支巷道式、走向分支巷道式及人工扩建巷道式;立井式可分为“U型”立井式、人工扩建立井式;采空区一般会设计与其他空间联合储水。（2）基于淮北市岱河煤矿水文地质环境及井下构造信息,设计岱河煤矿抽水蓄能电站结构与装机容量;利用矿井遗留设施改建为抽水蓄能电站主要水工建筑;基于矿井已有高度差及设计库容,并参考国内外抽蓄电站机组信息,设计本文电站机组主要参数和电站发电时间。（3）基于废弃矿井抽水蓄能电站不同运行工况下空气、水的流动方程,利用Fluent软件进行数值模拟,并分析各工况下不同几何设计对水-空气流动特性的影响以及水能利用率。（1）水轮机工况下机组性能及通风井直径为主要影响因素。通风井尺寸越小,尾水道内水体静压力越大,单巷道式下水库的各电站尾水道静压力差值最大约为120k Pa,最小约为0.35k Pa。在下水库巷道和通风井交界处,由于几何面积突变,空气静压分布也因通风井尺寸不同而有所差异,不同电站该交界处的最大静压力差值约110k Pa,最小约0.3k Pa;分支巷道式下水库的电站由于结构较复杂,进水过程中的水、空气流动行为等变化较多。约在38min时,水位高于巷道交界处,两巷道内的空气不再连通,由于两个通风井尺寸存在差异导致空气排出速度不同,两个巷道内气压值和尾水道水体静压力也随之发生变化,电站水轮机工况前、后半段的尾水道内水体静压力和进水速度也具有明显差异,当水轮机工况模拟结束后,各电站尾水道水平段静压力最大约为610k Pa。（2）水泵工况下尾水道设计为主要影响因素。在导叶关闭之前,下水库内水体流动由管流转化为了明渠流,在此转化过程中,不同电站的尾水道内水体静压力均会出现压力脉动现象,波动幅值最大为1.5k Pa。但随着倾斜段个数和间距的增加,压力脉动现象逐渐消失。当倾斜段个数增加时,各电站下水库和倾斜段交界处出现涡流现象,水平段和水平延长段的水流速度呈现阶跃性变化。当倾斜段个数为3个时,尾水道水平段和倾斜段Ⅰ处的流速分布最为稳定;当倾斜段间距增加时,电站下水库和倾斜段交界处仍存在涡流,当间距为150m时,尾水道水平段和倾斜段Ⅰ处的流速分布最为稳定。（3）导叶关闭运行工况阶段,由于水体未被完全排出,基于水锤效应的影响,不同设计的尾水道内水体静压力具有明显差异。当倾斜段个数为1～3个时,尾水道压力变化趋势为先增加到峰值后缓慢下降,最后变得平稳。当个数超过3个后,尾水道压力变化趋势为缓慢增加到最大值后稳定;当倾斜段间距在100m及以下时,尾水道压力变化趋势为先快速增加到峰值压力,然后缓慢下降到稳定数值;当倾斜段间距超过100m后,两倾斜段内水流方向改变,尾水道和下水库内水体的循环流动方向也发生转变,导致水泵关闭后尾水道静压力出现剧烈波动,峰值压力共有三次。（4）根据筛选出的主要水工结构参数,设计岱河煤矿抽水蓄能电站优化模型,模拟不同工况的发电、储能量,并计算出电站综合效率为76.14%。基于淮北市电网电价及其他废弃矿井抽蓄电站设计成本,计算出本文抽蓄电站年费用约为473.22万元,年利润约为514.18万元。年减碳效益约为136.04万元。根据淮北市能源发展政策,提出废弃矿井水面漂浮光伏-抽水蓄能电站系统构想。综合评估了岱河煤矿抽水蓄能电站可行性。该论文有图102幅,表29个,参考文献108篇。
关键词：废弃矿井;抽水蓄能电站;通风井;尾水道;综合效率
学科专业：工程力学
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究内容和技术路线
2 废弃矿井抽水蓄能电站运行原理和结构组成
2.1 引言
2.2 废弃矿井抽水蓄能电站基本原理和优势
2.3 废弃矿井抽水蓄能电站分类和主要结构组成
2.4 废弃矿井抽水蓄能电站装机容量选择
2.5 废弃矿井抽水蓄能电站水库可能设计形式
2.6 本章小结
3 岱河煤矿抽水蓄能电站结构和水轮机参数设计
3.1 引言
3.2 淮北岱河煤矿概况
3.3 废弃矿井抽水蓄能电站主要结构及参数设计
3.4 废弃矿井抽水蓄能电站装机容量设计
3.5 废弃矿井抽水蓄能电站水泵水轮机选型和发电时间
3.6 本章小结
4 水轮机工况(发电)井下空间内水-空气两相流动特性
4.1 引言
4.2 数值模拟方案
4.3 单巷道式水库电站井下空间内水-空气两相流动特性
4.4 分支巷道式水库电站井下空间内水-空气两相流动特性
4.5 本章小结
5 水泵工况(蓄能)井下空间内水-空气两相流动特性
5.1 引言
5.2 数值模拟方案
5.3 导叶正常运行阶段井下空间内水-空气两相流动特性
5.4 导叶关闭运行阶段井下空间内水-空气两相流动特性
5.5 本章小结
6 岱河煤矿抽水蓄能电站综合效率及运行效益评估
6.1 引言
6.2 岱河煤矿抽水蓄能电站优化设计
6.3 岱河煤矿抽水蓄能电站综合效率计算
6.4 岱河煤矿抽水蓄能电站运行效益评估
6.5 “水面漂浮光伏+抽水蓄能电站系统”构想
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
作者简历