压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统及方法与流程

692 编辑：中冶有色技术网来源：中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司

2023-11-06 14:19:55

1.本发明属于硐库监测维修技术领域，具体地涉及一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统及方法。

背景技术：

2.随着新能源比例不断提高和电力交易市场逐渐健全完善，压缩空气储能技术迎来了更大的发展机遇。

3.压缩空气储能技术是一种大型、长时间储能发电技术，其技术原理：在用弃风、弃光及低谷电阶段，利用电能驱动压缩机压缩空气，将其送往地下储气库中储存；在用电高峰期到来时，储气库中的高压空气经过换热器或燃烧室加热，被送至膨胀机内膨胀做功，驱动发电机发电，从而实现能源的削峰填谷等功能。

4.压缩空气储地下储气库目前主要为盐穴储气库。它是利用水溶开采方式在地下较厚的盐层或盐丘中注入淡水，将盐岩层溶解，再将饱和或近饱和卤水排出，在地下形成盐穴。盐穴气库具有密封性好、稳定性高的优点。但盐穴气库受地理环境限制明显，需建设压缩空气储能电站的地区可能无盐岩分布，无法建设地下储气库。

5.除了盐穴储气库，近年来地下人工硐库也是压缩空气储能电站的一个重要选择。它是在地下硬质岩中人工开挖形成的具有一定体积的储气构筑物。根据气库形状，地下人工硐库可以分为如图5所示的大罐式和隧道式两种形式。

6.不管是何种形式的地下人工硐库，其硐壁结构如图2所示，从内向外主要由密封层、混凝土衬砌和围岩三部分组成。这种形式的储气库气密性由密封材料，如钢材提供，硐库稳定性和变形由混凝土衬砌提供。

7.人工硐库的优势主要体现在工程可控性强，可根据建设需求灵活布置。地下人工硐库是现阶段压缩空气储能工程项目的重点研发和示范方向。因此，从储气库方式来看，未来压缩空气储能电站储气方式将以人工硐库为主，其他储气方式为辅。

8.压缩空气储能电站经过5kw～1.5mw的实验性电站建设的验证，目前已投产项目基本达到了60mw～100mw等级，300mw等级项目也已在规划设计过程中。这些工程储气库工作压力变动幅度一般为数兆帕，储气库内基本压力也一般为数兆帕，甚至高达十兆帕以上。

9.基本压力是储气库正常工作时的常存压力。为了检修或是定期检测，需要人员、设备和材料进入气库，从而要放空气库，将硐库内的压力降至大气压力。

10.从技术角度分析，硐库内压力减至大气压力，硐壁内压对围岩的支撑消除，围岩向内收敛变形，反复充放气作用下将增加硐库的变形，对密封层和混凝土衬砌变形和长期工作性能不利。

11.从经济角度分析，一次放空费用巨大。以10万m3硐库例，假定其工作压力变化范围为10～16mpa，则检修时需将硐库内的气压从基本压力10mpa减至大气压，检修完成，再减充气至10mpa，其直接电费约为60万元，耗资巨大。

12.因此工程实践中需要一种人工硐库监测与维修系统，实时对硐库内的情况进行监

测，测量硐壁位移，检测漏气点，并能进行简单的漏气处理，以减少频繁开闭库问题，保障人工硐库的安全运行，节约电站维护费用。

技术实现要素：

13.本发明提供一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统及方法，通过在硐库内设置轨道及运行的机器人，实时监测硐库的变形及漏点情况，并提供相应漏点维修功能，可以在保障人工硐库安全运行的情况下，减少硐库的充放气过程，节省电费和维修等费用。

14.本发明所采用的技术手段如下所述：

15.一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，在硐库内设置有轨道，轨道上设置有机器人，以及在硐库内还设置有无线信息交互基站，该机器人通过该无线信息交互基站与外部控制系统无线连接；以及，该机器人至少设置有移动模块、监测模块和抓取模块。

16.作为优选，该轨道包括带状轨道和/或固定轨道，该带状轨道沿硐库内侧壁从上到下呈螺旋状铺设，机器人移动设置在该带状轨道上；该固定轨道包括与硐库内侧壁连接的支撑架和支撑架上的固定点，机器人设置在该固定点上，其中该固定点的位置至少包括分布在整个硐库内空间的上部、中部和下部的三个位置。

17.作为优选，机器人的移动模块的移动方式包括机器人在轨道上自动移动方式和机器人在外部控制系统控制下被动移动方式中的一种或两种的结合。

18.作为优选，机器人的监测模块包括拍摄单元和距离测量单元，以及包括可接收拍摄单元和距离测量单元数据传输的第一处理单元。

19.作为优选，该第一处理单元的处理方式为根据距离测量单元提供的硐库内一位置处的两次硐壁和机器人之间的距离测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，并绘制位移云图。

20.作为优选，该监测模块还包括声音检测单元和有色物质释放单元，及包括可接收声音检测单元数据传输、并控制有色物质释放单元和拍摄单元的第二处理单元。

21.作为优选、在硐库内还设置有密封层补块，该密封层补块位于机器人可抓取的位置，该机器人的抓取模块可控制抓取密封层补块并移至硐库漏点位置。

22.作为优选，还设置有驱动机器人移动的动力装置，该动力装置为铺设于轨道上的供能装置、安装于机器人上的机械传动装置、安装于机器人上的可充电的供能装置中的一种或多种的组合。

23.以及，一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修方法，包括以下步骤：

24.s1：在硐库内侧壁上设置轨道和无线信息交互基站，并在轨道上设置机器人；

25.s2：进行硐壁变形情况监测：由机器人监测模块的距离测量单元测量硐壁与机器人所在位置的距离，根据两次测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，进一步由监测模块的第一处理单元绘制对应的位移云图，并将该位移云图和监测模块的拍摄单元实时拍摄数据传输至外部控制系统，由人工或控制系统自动判断需要硐壁变形检修的部位；

26.s3：进行硐壁漏点监测：先通过监测模块的声音检测单元监测并接收硐壁漏点声

音，确定初定漏点位置，进一步由监测模块的第二处理单元控制监测模块的有色物质释放单元在初定漏点位置处释放有色物质，并将拍摄单元实时拍摄的数据传输至控制系统，由人工辅助确定准确漏点；

27.s4：进行硐壁漏点修补：在经过s3的步骤确定漏点后，控制机器人抓取模块携带硐库内储备的密封层补块放至漏点处，借助硐库内部气压作用，通过密封层补块堵住漏点。

28.作为优选，s2中至少包括以下两种监测方式：

29.s2.1：移动式监测：沿硐库内侧壁从上至下铺设螺旋状的轨道，机器人移动设置在该轨道上，机器人移动过程中对硐库内侧壁进行距离监测和拍摄；

30.s2.2：固定式监测：在硐库内侧壁上搭设支撑架及设置在支撑架上的固定点，将机器人设置在该固定点上，并对硐库内侧壁进行距离监测和拍摄。

31.与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

32.本方案首次提出了人工硐库的监测及维修方案，通过设置在硐库内的机器人与外部操作控制系统进行信息交互，对硐库变形和漏点情况进行监测，省去了需要对硐库充放气进行人工检修的过程，避免了因多次充放气对硐库的危害，也降低了成本；以及本方案还提供了漏点检修方案，以便在出现漏点时可以实时快速修补，减低损失，且无需放气让人工来修补，也大大减低了充放气给硐库带来的危害和充放气过程中产生的电费、人工费等费用。

附图说明

33.图1为本发明硐库内的机器人运行轨道示意图。

34.图2为图1中a-a’的硐壁结构示意图。

35.图3为本方案的机器人进行移动式监测的示意图。

36.图4为本方案的机器人进行固定式监测的示意图。

37.图5为大罐式储气库(a)和隧道式储气库(b)的结构示意图。

38.其中：

39.1硐库，11密封层，12混凝土衬砌，13围岩，14交通洞；2轨道，3机器人，4无线信息交互基站，5支撑架，6固定点。

具体实施方式

40.本发明提供一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，如图2所示，以大罐式储气库为例，其硐库1由外层围岩13、中间层混凝土衬砌12、内层密封层11组成，如图1和图3所示，在硐库1内设置有轨道2，轨道2上设置有机器人3，以及在硐库1内还设置有无线信息交互基站4，该机器人3通过该无线信息交互基站4与外部控制系统无线连接，可以实现机器人3与外部操作控制系统的信息沟通，向外传输内部照片、视频及其他测试数据，接收外部的操作命令。该机器人3为针对硐库1内部监测和事故处理开发，应至少具有如下功能：(1)在硐库1内自主或在外部操控下移动，可以到达硐库1的每一点；(2)实时传输清晰照片和视频；(3)能对硐库1内壁位移进行扫描监测；(4)发现漏点，对漏点进行定位和检测；(5)能与外部操作系统交互信息，能在外部操作下，对小型漏点进行修补；(6)具有稳定的工作性能，能在循环高压力、高低温循环条件下超长待机和工作。

41.其中，该轨道2包括带状轨道2和/或固定轨道2，如图3所示，该带状轨道2沿硐库1内侧壁从上到下呈螺旋状铺设，机器人3移动设置在该带状轨道2上，优选机器人3在该带状轨道2上从上至下或从下至上移动完一轮后，可以扫描硐库1内侧壁的所有位置；机器人3在该带状轨道2上可以进行移动式监测，进行近距离带状扫描，其不受内部构架遮挡影响，精度较高，需要对机器人3的位置进行精确定位。如图4所示，该固定轨道2包括与硐库1内侧壁连接的支撑架5和支撑架5上的固定点6，机器人3设置在该固定点6上，其中该固定点6的位置至少包括分布在整个硐库1内空间的上部(a点)、中部(b点)和下部(c点)的三个位置，也可根据实际需要增设更多位置，优选是机器人3扫描面可以覆盖整个硐库1内侧壁，机器人3在固定点6上进行固定式监测，图中示出了中部b固定点处的机器人扫描范围，为远距离分片扫描，固定位置精度高，架设方便，易于实现。

42.以及，该机器人3至少设置有移动模块、监测模块和抓取模块。

43.其中，机器人3的移动模块的移动方式包括机器人3在轨道2上自动移动方式和机器人3在外部控制系统控制下被动移动方式中的一种或两种的结合。

44.其中，机器人3的监测模块包括拍摄单元和距离测量单元，以及包括可接收拍摄单元和距离测量单元数据传输的第一处理单元。该第一处理单元的处理方式为根据距离测量单元提供的硐库1内一位置处的两次硐壁和机器人3之间的距离测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，并绘制位移云图，以实现对硐壁位移的监测，了解硐库1的运行状态，保障硐库1的安全。

45.以及，该监测模块还包括声音检测单元和有色物质释放单元，及包括可接收声音检测单元数据传输、并控制有色物质释放单元和拍摄单元的第二处理单元，其中有色物质包括有色气体或微粉。

46.优选的，在硐库1内还设置有不同规格的密封层补块，该密封层补块位于机器人3可抓取的位置，在外部操作系统的指令安排下，该机器人3的抓取模块可控制抓取密封层补块并移至硐库1漏点位置，并将补块放置漏点上面。优选机器人3抓取密封层补块之后可以放置在硐库1内侧壁的任意位置，其可通过带状轨道2的铺设和机器人3上的机械抓手共同实现。

47.以及，还设置有驱动机器人3移动的动力装置，该动力装置为铺设于轨道2上的供能装置、安装于机器人3上的机械传动装置、安装于机器人3上的可充电的供能装置中的一种或多种的组合。其中，铺设于轨道2上的功能装置，也即通过将及机器人3的运动轨道2作为电动系统，为机器人3提供电力；安装于机器人3上的机械传动装置，也即在机器人3身上安装机械传动装置，利用气库在充放气过程中，内部巨大的气压变化范围，通过机械传动装置，将压力势能转化为机器人3移动的动能和电能；安装于机器人3上的可充电的功能装置，也即在机器人3内部安装适用于大压差循环气压、循环高低温环境的可充电电池作为供电系统。目前工程项目，基本压力为数兆帕，最大压力为十兆帕左右，变幅数兆帕。硐库1内空气温度随充气温度和库内压力变化，最高温度可达80℃左右，抽气时最低温度可能低至0℃以下，充电电池在以上环境中应具有良好而稳定的性能。

48.以及，提供一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修方法，包括以下步骤：

49.s1：在硐库1内侧壁上设置轨道2和无线信息交互基站4，并在轨道2上设置机器人3，实现机器人3与外部操作系统的信息沟通；该轨道2优选是硐库1内侧壁从上至下铺设的

螺旋状轨道2。

50.s2：进行硐壁变形情况监测：由机器人3监测模块的距离测量单元测量硐壁与机器人3所在位置的距离，根据两次测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，进一步由监测模块的第一处理单元绘制对应的位移云图，并将该位移云图和监测模块的拍摄单元实时拍摄数据传输至外部控制系统，结合硐库1内拍摄的照片或视频等数据，由人工或控制系统自动判断需要硐壁变形检修的部位。

51.优选的，s2中至少包括以下两种监测方式：

52.s2.1：移动式监测：沿硐库1内侧壁从上至下铺设螺旋状的轨道2，机器人3移动设置在该轨道2上，机器人3移动过程中对硐库1内侧壁进行距离监测和拍摄。

53.s2.2：固定式监测：在硐库1内侧壁上搭设支撑架5及设置在支撑架5上的固定点6，将机器人3设置在该固定点6上，并对硐库1内侧壁进行距离监测和拍摄。

54.s3：进行硐壁漏点监测：先通过监测模块的声音检测单元监测并接收硐壁漏点声音，确定初定漏点位置，进一步自动或在外部控制系统的控制下，由监测模块的第二处理单元控制监测模块的有色物质释放单元在初定漏点位置处释放有色气体或微粉等有色物质，并将拍摄单元实时拍摄的照片、视频等数据传输至控制系统，由人工辅助确定准确漏点，方法为在硐库1内密封层绘制网格，形成定位坐标系，根据拍摄照片等数据确定准确漏点坐标。

55.s4：进行硐壁漏点修补：在经过s3的步骤确定漏点后，在外部操作控制系统的指令安排下，控制机器人3抓取模块携带硐库1内储备的密封层补块放至漏点处，借助硐库1内部气压作用，通过密封层补块堵住漏点。技术特征：

1.一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，在硐库(1)内设置有轨道(2)，轨道(2)上设置有机器人(3)，以及在硐库(1)内还设置有无线信息交互基站(4)，该机器人(3)通过该无线信息交互基站(4)与外部控制系统无线连接；以及，该机器人(3)至少设置有移动模块、监测模块和抓取模块。2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，该轨道(2)包括带状轨道(2)和/或固定轨道(2)，该带状轨道(2)沿硐库(1)内侧壁从上到下呈螺旋状铺设，机器人(3)移动设置在该带状轨道(2)上；该固定轨道(2)包括与硐库(1)内侧壁连接的支撑架(5)和支撑架(5)上的固定点(6)，机器人(3)设置在该固定点(6)上，其中该固定点(6)的位置至少包括分布在整个硐库(1)内空间的上部、中部和下部的三个位置。3.根据权利要求2所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，机器人(3)的移动模块的移动方式包括机器人(3)在轨道(2)上自动移动方式和机器人(3)在外部控制系统控制下被动移动方式中的一种或两种的结合。4.根据权利要求2所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，机器人(3)的监测模块包括拍摄单元和距离测量单元，以及包括可接收拍摄单元和距离测量单元数据传输的第一处理单元。5.根据权利要求4所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，该第一处理单元的处理方式为根据距离测量单元提供的硐库(1)内一位置处的两次硐壁和机器人(3)之间的距离测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，并绘制位移云图。6.根据权利要求4所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，该监测模块还包括声音检测单元和有色物质释放单元，及包括可接收声音检测单元数据传输、并控制有色物质释放单元和拍摄单元的第二处理单元。7.根据权利要求6所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于、在硐库(1)内还设置有密封层补块，该密封层补块位于机器人(3)可抓取的位置，该机器人(3)的抓取模块可控制抓取密封层补块并移至硐库(1)漏点位置。8.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统，其特征在于，还设置有驱动机器人(3)移动的动力装置，该动力装置为铺设于轨道(2)上的供能装置、安装于机器人(3)上的机械传动装置、安装于机器人(3)上的可充电的供能装置中的一种或多种的组合。9.一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在硐库(1)内侧壁上设置轨道(2)和无线信息交互基站(4)，并在轨道(2)上设置机器人(3)；s2：进行硐壁变形情况监测：由机器人(3)监测模块的距离测量单元测量硐壁与机器人(3)所在位置的距离，根据两次测量结果，计算得到两次测量时差内产生的硐壁相对位移，进一步由监测模块的第一处理单元绘制对应的位移云图，并将该位移云图和监测模块的拍摄单元实时拍摄数据传输至外部控制系统，由人工或控制系统自动判断需要硐壁变形检修的部位；s3：进行硐壁漏点监测：先通过监测模块的声音检测单元监测并接收硐壁漏点声音，确

定初定漏点位置，进一步由监测模块的第二处理单元控制监测模块的有色物质释放单元在初定漏点位置处释放有色物质，并将拍摄单元实时拍摄的数据传输至控制系统，由人工辅助确定准确漏点；s4：进行硐壁漏点修补：在经过s3的步骤确定漏点后，控制机器人(3)抓取模块携带硐库(1)内储备的密封层补块放至漏点处，借助硐库(1)内部气压作用，通过密封层补块堵住漏点。10.根据权利要求9所述的一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修方法，其特征在于，s2中至少包括以下两种监测方式：s2.1：移动式监测：沿硐库(1)内侧壁从上至下铺设螺旋状的轨道(2)，机器人(3)移动设置在该轨道(2)上，机器人(3)移动过程中对硐库(1)内侧壁进行距离监测和拍摄；s2.2：固定式监测：在硐库(1)内侧壁上搭设支撑架(5)及设置在支撑架(5)上的固定点(6)，将机器人(3)设置在该固定点(6)上，并对硐库(1)内侧壁进行距离监测和拍摄。

技术总结

本发明涉及一种压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统及方法，在硐库内设置有轨道，轨道上设置有机器人，以及在硐库内还设置有无线信息交互基站，该机器人通过该无线信息交互基站与外部控制系统无线连接；以及，该机器人至少设置有控制机器人在轨道上移动的移动模块、用于监测硐壁变形和漏点情况的监测模块和用于抓取密封层补块以填补硐壁漏点的抓取模块。通过本方案，可以实现对硐壁变形情况和漏点情况的实时监控，并可对漏点进行修补，免去了需要对硐库充放气后进行人工检修的过程，降低了反复充放气对硐库的损耗，也节约了充放气成本和人工等成本。充放气成本和人工等成本。充放气成本和人工等成本。

技术研发人员：贾宁孙永斌李彦利刘顺韦思亮聂会建张国龙

受保护的技术使用者：中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司

技术研发日：2023.02.08

技术公布日：2023/5/16

声明：

“压缩空气储能电站地下人工硐库监测维修系统及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

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