气沙蓄能电站供气控沙系统的制作方法

本发明涉及一种蓄能电站的供气控沙的控制系统。

背景技术：

众所周知，光伏、风力发电的不确定性和不稳定性造成电网的波动，由此带来的是大面积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％之间，当前全球最大的处于运行中的抽水蓄能电站是位于美国佛吉尼亚州的巴斯康蒂抽水蓄能电站，容量达到3吉瓦，发电最大时长为10小时18分钟。抽水蓄能电站是电力系统重要的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电站的设计建设力度。目前抽水蓄能电站集中在南方水源充沛地区建造，然而急需要储能电站支撑的西北却是贫水地区，四季温度变化大，昼夜温差大，西北地区的建设成本、地质条件、环境因素、下游生态等都制约着抽水蓄能电站发展。

风沙大自然现象，气流将沙粒吹起形成了风沙，使沙子具有了一定的能量，而且温度对沙子没有影响。一般认为颗粒固体其实是一种处在流固边界的临界相，在非常小的外部微扰下就会流化，在很多时候表现得其实更像流体。在颗粒流中还存在另一种颗粒相互作用，即颗粒之间的半持续性接触，颗粒之间有相对滑动及相互挤压作用，相对滑动可以传递剪切应力，相互挤压则可传递正压力。

气体推动沙粒向前运动，是压缩空气克服气体在管路内推动沙粒流动的摩擦损失和阻力，推动沙粒向前运动搬运沙子。

压入式干喷砂机是以压缩空气作为磨流的加速动力，通过压缩空气将沙粒经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。在压入式干喷砂机中，压缩空气既是供料动力又是射流的加速动力。

流化床利用固体流态化原理，利用压缩空气将大量沙粒悬浮于运动的气流之中，此时沙粒呈现为悬浮和脉动两种状态，从而使沙粒具有流体的特征。而沙粒重量、气体流量和气压决定砂粒流动的关键因素。

水力发电利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动水轮机发电，由于水的压力连续传导，在南方环境温度因素对其影响较少，可连续做功发电对控水要求相对简单。而沙子的粘滞阻力、“粮仓效应”等，都制约着沙子的力的传导和连续做功，采用气体克服沙子之间的粘滞阻力，实现沙子的连续做功发电是一种好的方法。然而沙子的流化与气体的压力和流量有关气，而气体压力又与温度有关。为了高效利用能源，优化控温，实现气压和流量的最佳，同时优化控气保证沙子的连续流化，由此供气控沙方法是气沙蓄能电站发电的关键，在寒冷地区尤为重要。

气沙蓄能电站的建设成本、技术及地质条件相对要求低，可以利用山坡、废弃矿山、矿井等场地建造。并且，沙子来源丰富、无污染，对当地及下游生态不会造成破坏，特别适用于我国西北、东北、及其他高海拔等地区。

技术实现要素：

本发明的目的是针对贫水、高寒、高海拔、偏远地区和极昼极夜地区新能源发电波动性大、负荷特性不匹配等问题，同时避免由于兴修抽水蓄能电站带来下游生态破坏、化学储能后处理的污染，提出一种气沙蓄能电站供气控沙系统。

本发明气沙蓄能电站供气控沙系统依据沙子流化通过气体克服沙子之间的粘滞阻力，实现沙子的连续做功发电。沙子的流化与气体的压力和流量有关，气体压力又与温度有关。为了高效利用能源，气沙蓄能电站供气控沙系统的相变储热储气系统通过吸热或放热实现供气的稳定，本发明通过对气沙蓄能电站供气控沙系统蓄沙库的沙子和相变储热储气系统及供气系统的控制，使沙子的流化连续，形成气沙流，实现气沙流势能转换做功驱动发电机发电。

所述的气沙蓄能电站供气控沙系统由蓄沙库、相变储热储气系统、供气系统、控沙阀门ks、发电机和监控系统组成。相变储热储气系统置于蓄沙库中，位于控沙阀门ks的上部，供气系统由下至上垂直安装蓄沙库内。相变储热储气系统的上进出气口通过安装在供气系统中的柱状供气阀门与柱状供气管道连接；发电机位于控沙阀门ks的下部，控沙阀门ks位于蓄沙库底部，控沙阀门ks通过管道与发电机连接，气沙流经控沙阀门ks进入发电机，对发电机做功发电。蓄沙库、相变储热储气系统、供气系统、控沙阀门ks、发电机分别与监控系统连接；监控系统放置于监控室内，通过网络通讯接收局地数值天气预报，并通过有线或无线方式监控气沙蓄能电站供气控沙系统的所有传感器及设备数据，同时上传和接收上级数据。所述的相变储热储气系统包括空压机、储气罐、相变储热体、相变电加热器及换热器。相变储热体、相变电加热器和换热器置于储气罐中。

相变储热体内部中心处垂直安装有供气系统的柱状供气管道，在柱状供气管道外围环绕安装有相变电加热器，利用余电为相变储热体补充加热。在相变储热体外围环绕安装有换热器的管道，换热器管道置于压缩空气中，当气体通过换热器的管道流动时吸收或放出相变储热体的热量。空压机安装在蓄沙库的顶部，空压机的压缩空气出口通过管道与相变储热储气系统连接。

储气罐的下部开有下储气罐进出气口，并经安装在换热器下端的下进出气阀与换热器连接。换热器上端的相变储热储气系统上进出气口通过安装在供气系统中的柱状供气阀门与柱状供气管道连接。供气系统还包含有n个环形供气管道、梯级阀门k1～kn、流化沙供气阀门、流化沙供气管道和强排气阀门，n为正整数。k1梯级阀门～kn、流化沙供气阀门kq及强排气阀门kp内部都嵌有阀门控制器。

其中，梯级阀门k1～kn由下至上等距离排列，安装在柱状供气管道上。强排气阀门kp安装在柱状供气管道的底部。流化沙供气阀门kq安装在柱状供气管道靠近底部、排气阀门kp的上部，与流化沙供气管道连接。n个环形供气管道由下至上按照1～n的顺序等距离排列，穿过储气罐相变储热体、相变电加热器及换热器，分别与安装在柱状供气管道体上的n个梯级阀门k对应连接，即第一环形供气管道～第n个环形供气管道分别与安装在柱状供气管道上的梯级阀门k1～kn对应连接。

蓄沙库以n个环形供气管道所在的水平面为分层断面，由下至上分层，即第一层为第一环形供气管道所在的水平面与控沙阀门ks之间的高度为h1，第一层所承受的压力为f1；第二层为第二环形供气管道所在的水平面，与第一层之间的高度为h2，第二层所承受的压力为f2，以此类推，第n层为第n环形供气管道所在的水平面，与第n-1层之间的高度为hn，第n层所承受的压力为fn。

其中第一环形供气管道上垂直安装多个注气管，在注气管上装有多个喷气头，其余的每个环形供气管道上都环形排列安装有多个气动振捣棒。

流化沙供气管道位于蓄沙库靠近底部处、控沙阀门ks的上部，通过此排气孔排气使控沙阀门ks与流化沙供气管道之间的沙子流化，降低沙子之间摩擦力，强排气阀门kp用于在沙子没有达到气沙流时控沙阀门ks的应急排气。

所述的监控系统由环境监测仪、库体压力传感器、供气控制系统、相变储热储气控制系统，以及气沙流量传感器组成。

所述的环境监测仪置于开阔处，监测环境温度、湿度、雨量、辐照度、风向、风速，并将数据上传到监控系统。

所述监控系统的库体压力传感器安装在蓄沙库体上，实时监控蓄沙库体各部位压力变化情况。所述的气沙流流量传感器安装在控沙阀门ks的出口端。所有的传感器都具备有线或无线通讯输出接口。

所述监控系统的供气控制系统由阀门控制器和n组综合监测探头组成；阀门控制器内嵌在每个梯级阀门和强排气阀门kp上，通过无线或有线方式与监控系统连接。

n组综合监测探头由下至上排列，第一组综合监测探头安装在与强排气阀门kp同一水平位置处，其余各组综合监测探头安装在每两个环形供气管道之间位置。n为正整数。

每一组综合监测探头由多个综合监测探头组成，多个综合监测探头等距离环绕排列在柱状供气管道周围。综合监测探头包括监测温度、压力、料位、流速的多个分监测探头，每个分监测探头监测到的数据通过有线、无线通讯接口传输到监控系统。

所述的相变储热储气控制系统由三合一探头、阀门控制器、空压机控制器和相变电加热器组成。其中多个三合一探头由流量、温度和压力传感器组成，均匀布置在储气罐和相变储热体内，以及换热器的输入输出端。相变电加热器由电加热器、温度传感器、功率计组成。

监控系统实时采集压力和流量监测探头数据，分析每一层沙子的压力和下行流量，并依据相变储热储气控制系统的数据分析，控制梯级阀门分层、分时对气动振捣棒和沙子供气流量的控制，使被控层局部的沙子之间的粘滞阻力降低或突破“粮仓效应”，控制沙子的下泄流量。当沙子移动到第一环形供气管道处时，通过控制梯级阀门k1和强排气阀门kp供气，使沙子趋势于流体，加速沙子下行，当沙子到达流化沙供气管道时，流化沙供气阀门kq供气，沙子被气体流化，形成气沙流，当气沙流通过控沙阀门ks时，气沙流下泄流量通过流量传感器实时将数据上传到监控系统中。监控系统经数据分析提出对应控制策略，依据发电需求控制控沙阀门ks的开度大小，以提供稳定的气沙流流量，满足发电做功需求。

所述的气沙蓄能电站供气控沙系统依据沙子流化机理，通过对气沙蓄能电站供气控沙系统的蓄沙库沙子、相变储热储气系统及供气系统的控制，实现第一环形供气管道向沙子注入气体，利用气体的作用克服沙子之间的粘滞阻力；并通过其余环形供气管道向气动振捣棒供气，气动振捣棒振动周边的沙子，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递，还通过流化沙供气管道向沙子注入气体，使沙子流化，形成连续的气沙流，将气沙流的势能转换为驱动发电机发电的动能。具体步骤如下：

步骤一，确定气沙蓄能电站发电功率曲线

气沙流发电的沙子流化与沙子的质量、气体的流速、气体压力与沙子的配比有关，而气体的流量与压力有关，依据理想气体状态方程：pv＝nrt，气体的压力与温度成正比，当相变储热储气系统的气体经换热器进行热交换，再由柱状供气管道排出的气体温度为t储气+η相/气·t相，同时使气体压力增加，取在柱状供气管道排出的最大气体流量为q气max，依据波义耳-马略特定律和储气罐气体经柱状供气管道排出气体所用时长等于储气罐气体体积与最大气体流量之比的关系，得到储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用时长t排气；

通过对每层体积求和计算得到蓄沙库现有沙子的体积v沙，由此得到满足气沙蓄能电站最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙为蓄沙库现有沙子的体积v沙与满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙之比；

当气体压力、流量与沙子的配比为定值时，通过经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙，与储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用时长t排气进行比较，取用时短的作为气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm，并将时长tm上传调度，调度依据气沙蓄能电站最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线；

其中，t储气为相变储热储气系统的储气罐内的温度；r为储气罐内气体常数；n表示气体物质的量，单位摩尔；q气max为柱状供气管道排出的最大气体流量；t排气为储气罐气体经柱状供气管道排出气体所用时长；t相为储气罐气体吸收相变材料储热的温度，该温度值为相变材料储热温度溶程的平均值；η相/气为相变储热储气系统中的换热器转换效率；v沙为蓄沙库现有沙子的体积；q沙为满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量；pmax为气沙蓄能电站的最大发电做功功率；t输沙为经控沙阀门ks排出气沙流所用时长；tm为储气罐排出沙子或气体所用的最短时长，也即气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax下计算得到的满发电时长；

在满足形成气沙流的沙子与气配比为定值时，以下步骤二至步骤七中的分析计算均以蓄沙库的沙子的储存量少于储气罐的储气容量为前提进行，即：tm＝min[t输沙,t排气]＝t输沙。

步骤二，确定气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin

由于气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin与蓄沙库现有的沙子高度、气沙流流量和控沙阀门ks的开度面积sk有关，当hu＝h1，ρ沙、q沙、g、v沙为定值，且控沙阀门ks的开度面积sk最大，为smax时，此时的压力定义为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin；其中，ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，u＝1,2,…n，n为蓄沙库沙子的最大层数；g为重力加速度；q沙是气沙流通过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流流速。

步骤三，分析蓄沙库沙子静止状态下的受力状态

气沙蓄能电站发电前，蓄沙库现有最高层沙子的高度hu远大于蓄沙库的2倍直径4r沙，即hu＞4r沙；依据重力和“粮仓效应”对每层沙子做重力分析，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力为常数f1＝fε；

再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs；

步骤四，启动电站发电

当发电条件已具备时，监控系统同时控制对应的阀门打开，在气沙流通过控沙阀门ks处的流速v沙一定的条件下时，通过控制气沙流流过控沙阀门ks的开度面积sk实现发电做功的连续性；

步骤五，确定蓄沙库当前顶部沙子高度在h1＜hu＞4r沙条件下供气控沙方法

随着气沙流发电做功时间t的增加，蓄沙库的沙面高度hu随之降低，当监控系统判断hu＞4r沙时，依据“粮仓效应”得到蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1为常数fε，即f1＝fε，再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks的压力fs：fs＝fmin+fsε；

由于气沙流发电做功功率p沙与气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs有关，而气沙流通过控沙阀门ks的压力fs与控沙阀门ks的开度面积sk有关，因此通过控制控沙阀门ks的开度面积大小，使气沙流发电做功功率p沙稳定；

步骤六，确定蓄沙库当前顶部沙子高度在h1＜hu≤4r沙条件下供气控沙方法

当监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时蓄沙库沙子不具备“粮仓效应”的条件，f1≠fε，由此通过对蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1计算，再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks的压力fs：

fs＝fsε+fmin

并依据气沙流发电做功功率与气沙流通过控沙阀门ks时处的压力fs正比的关系，而压力fs与控沙阀门ks的开度面积sk有关，由此通过控制控沙阀门ks的开度面积sk的大小，使气沙流发电做功功率p沙连续稳定；

其中，smax为控沙阀门ks的最大开度面积；q沙为气沙流通过控沙阀门ks的流量；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；f1为蓄沙库第一层即第一环形供气管道所在的水平面承受的沙子的压力；fε为在hu＞4r沙条件下，依据“粮仓效应”，沙子作用在蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的沙子压力，为常数；fsε为控制阀门ks的开度面积sk在第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；s1为蓄沙库第一层沙子的面积；sk为控沙阀门ks的开度面积；p沙为气沙流发电做功功率，v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，u＝1,2,…n，n为蓄沙库沙子的最大层数；μ为发电效率；

步骤七，确定在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下供气控沙方法

当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监测系统分析蓄沙库除第一层沙子外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，并经最小值筛选出沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层，如得到vmin＝vn，可知第n层沙子制约着沙子下行速度；监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气管道供气，驱动振捣棒震动，降低第n层沙子的下滑阻力，使沙子压力传导到控沙阀门ks处压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，以满足稳定连续的发电需求；

其中，vmin为沙子下行的最慢速度；vn为第一层～第u层沙子的流速，n为蓄沙库沙子的层数，n＝1,2,…,u，fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；

监控系统读取蓄沙库第一层承受沙子的压力f1数据分析判断，并依据fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，控制强排气阀门kp关闭，减小梯级阀门k1的开度，使第一环形供气管排气量减少。

由于蓄沙库每层沙子承受的重量不同，及蓄沙库库体坡度不同，由此产生的摩擦阻力造成沙子下泄速度计算很复杂，本发明采用如下的压力分析方法，只考虑蓄沙库沙子垂直于控沙阀门ks的开度面积为sk的重量、体积、高度的相关性，相对简单易行。

进一步的，所述步骤一确定气沙蓄能电站发电功率曲线中，由于满足气沙流发电的沙子流化与沙子质量、气体流速、气体压力配比有关。当气与沙子配比是定值时，依据理想气体状态方程：pv＝nrt，气体压力与温度成正比，由于局地的气候变化直接影响电站的供气配置，尤其温差变化造成气体的压力变化，给控制带来了复杂性。由此监控系统将依据接收到的局地数值预报、监测到的环境监测仪数据、相变储热储气控制系统的压力、温度数据，结合局地气候特点、现有储气容量、储气压力、相变储热温度、现有蓄沙容量、用电需求、综合监测探头采集对应位置的沙子压力、料位、下泄速度和温度数据，通过当前蓄沙库库容量、相变储热储气容量、压力和温度，计算出气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm，并上传调度：

1.计算气体排出所用的时长t排气

考虑气沙蓄能电站为获得最大发电做功功率pmax时，为振动棒、强制排气和沙子被流化提供总的用气需求，取在柱状供气管道排出的最大气体流量为q气max，依据波义耳-马略特定律，在等温过程中：p1v1＝p2v2和得到：

依据理想气体状态方程：pv＝nrt得到：

将式(2)代入式(1)得到：

由此可知当储气罐气体经换热器换热柱状供气管道排出的气体流量q气max一定时，储气罐气体经换热器柱状供气管道排出最大流量q气max气体所用时长t排气与储气罐内气体温度t储气和排出的气体压力p流化之比有关；由于储气罐排出的气体，首先经换热器将相变材料储热的温度吸热交换后再排出，相变材料的储热温度随着储气罐气体吸热排出而逐步降低，因此取相变材料储热温度溶程的平均值为储气罐气体吸热温度t相，相变储热储气系统中换热器热交换效率为η相/气，经柱状供气管道排出的气体温度t排气为：

t排气＝t储气+η相/气·t相(4)

由此经柱状供气管道排出的气体在最大流量为q气max、压力为p流化、气体温度为t排气时，气体排出所用时长t排气为：

其中，v储气为相变储热储气系统中的储气罐气体的体积；p储气为相变储热储气系统中的储气罐内气体的压力；t储气为相变储热储气系统中的储气罐内气体的温度；r为储气罐内气体常数；n表示气体物质的量，单位摩尔；q气max为柱状供气管道排出的最大气体流量；t排气为经柱状供气管道排出气体所用时长；t相为储气罐气体吸收相变材料储热的温度，该温度值为相变材料储热温度溶程的平均值；η相/气为相变储热储气系统中换热器转换效率；p流化为气沙蓄能电站为获得最大发电做功功率pmax时，振动棒、强制排气和沙子被流化所需总的气体压力；t排气为经柱状供气管道排出的气体温度；

2.计算蓄沙库经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙

由于蓄沙库现有沙子的体积为：

由此得到气沙蓄能电站在满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙为：

3.确定气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm

通过蓄沙库现有沙子的体积，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙与储气罐气体经换热器、柱状供气管道排出气体所用时长t排气比较，得到相对时长最短tm为：

tm＝min[t输沙,t排气](8)

其中，pmax为气沙蓄能电站最大发电做功功率；tm为气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下计算出满发电时长；在满足形成气沙流的沙子与气配比为定值时，下面每一步骤中的分析计算均以蓄沙库的沙子的储存量少于储气罐的储气容量为前提进行，即：tm＝min[t输沙,t排气]＝t输沙。

将气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下，相变储热储气系统中的气体排出或蓄沙库中的沙子排出用时较短的时长作为满发电时长tm，并上传给调度；调度依据最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线，监控系统控制提沙储气蓄能电站依据接收到的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线执行发电任务；

进一步的，所述步骤二中确定气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin的方法中，由于

p沙＝gμ·ρ沙hu·q沙(9)

当hu＝h1时，气沙流发电机做功功率为：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙(10)

当蓄沙库第一层的沙子在第一环形供气管道排出气流作用下连续流动，在控沙阀门ks进口处，沙子在流化沙供气管道排出气体的作用下流化，形成气沙流；由流量公式得到：

q沙＝sk·v沙(11)

式(11)中，q沙是气沙流通过控沙阀门ks的流量，保持气沙流通过控沙阀门ks的流量q沙稳定是满足发电机发电的基本条件；当气沙流流速v沙一定时，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，以保证气沙流通过控沙阀门ks的流量q沙的稳定；由于气沙流流过控沙阀门ks的流量q沙与控沙阀门ks开度面积sk有关，由压力公式可知：

fs＝ρ沙gh1·sk(12)

式(12)中，控沙阀门ks所承受的气沙流压力fs与气沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk成正比；通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，增加或减小气沙流通过控沙阀门ks所承受的压力fs，使得气沙流流量q沙稳定，确保稳定连续的气沙流发电做功功率：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙＝μ·fs·v沙(13)

当q沙、沙子密度ρ沙、重力加速度g、第一环形供气管道排出气体和流化沙供气管道排出气体都是定值，hu＝h1，控沙阀门ks开度面积为最大smax时，即sk＝smax时，此时的压力定义为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin；

fmin＝fs＝ρ沙gh1·sk(14)

由此得到气沙流最小发电做功功率为：

pmin＝μ·fmin·v沙(15)

上述式中，sk为控沙阀门ks的开度面积；smax为控沙阀门ks最大打开面积；q沙为气沙流流过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；vn为蓄沙库任意一层沙子体积；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；pmin为气沙流发电的最小发电做功功率；r沙为蓄沙库的半径；p沙为气沙流发电功率；ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；n为蓄沙库沙子的最大层数；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；μ为发电效率。

进一步的，所述步骤三气水沙蓄能电站发电前，分析蓄沙库沙子静止状态受力的状态时，计算在以下状态下气沙流通过开度面积为sk的控沙阀门ks的压力fs：供气系统中控沙阀门ks、强排气阀门kp、流化沙供气阀门kq和梯级阀门k1～kn处于关闭状态，当前蓄沙库中沙子最高层为u，沙子的高度hu远大于蓄沙库的2倍直径4r沙，即hu＞4r沙，其中r沙为蓄沙库的半径；计算此时气沙流通过开度面积为sk控沙阀门ks时压力fs；

1.首先计算重力势能e沙为

由于沙子之间的粘滞阻力，使蓄沙库中沙子产生“粮仓效应”，一部分沙子的重量分散到山体和库体，使库底的承重大大降低；

其中，vn为蓄沙库的任意一层的体积；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；h沙重为蓄沙库沙子的重心高度；e沙为蓄沙库沙子的重力势能；ρ沙为蓄沙库沙子的密度；g为重力加速度；为保证气沙蓄能电站快速启动正常发电，必须保证在控沙阀门ks打开的瞬间，控沙阀门ks处的沙子形成连续的气沙流，并且气沙流通过控沙阀门ks处的压力要大于气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin，即fs≥fmin；

2.分析蓄沙库当前沙子的最上层高度和压力

在发电之前，监控系统首先通过综合监测探头读取蓄沙库每层沙子的高度h1～hn和压力f1～fu，并分析蓄沙库当前沙子的最上层高度和压力，判断是否：hu≥h1，且fs≥fmin；

其中，h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；f1为蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力；fu为当前最上层沙子面积su所承受沙子的压力；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；hn为蓄沙库第n层沙子的高度。

当蓄沙库当前顶部沙子的高度h1＜hu＞4r沙时，监控系统读取到蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1为常数fε，即f1＝fε；

由重力公式f＝ρ·g·v和“粮仓效应”可知，蓄沙库第一层沙子面积所承受沙子的压力f1为：

其中，vn为蓄沙库的任意一层体积；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；u＝1,2,…,nn为蓄沙库沙子的层数；n＝1,2,…,nh沙重为蓄沙库现有沙子的重心距零势能面的高度；

此时气沙流通过控沙阀门ks的压力为：控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks开度面积sk的最小压力fmin之和；由于压力与受力面积成正比，依据“粮仓效应”，当hu≥4r沙，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的压力f1等于常数fε，即f1＝fε，所以蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的压力f1与控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，由此fsε为：

此时气沙流通过控沙阀门ks的压力为：

fs＝ρ沙gh1·sk+fsε＞fmin(19)

其中，fsε为控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力。

当气沙流通过控沙阀门ks的压力fs大于气沙流通过控沙阀门的最小压力时，监控系统发出气沙蓄能电站具备发电的条件信息提示；

进一步的，所述的步骤四启动电站发电的方法中，当发电条件已具备时，监控系统同时控制梯级阀门k1、流化沙供气阀门kq、控沙阀门ks和强排气阀门kp打开；由于控沙阀门ks的进出口的压力差和流化沙供气管道、强排气阀门kp排出的气流压力，使气沙流快速喷出，此时监控系统监测到控沙阀门ks处的流量传感器反馈的数据，在流速v沙一定的条件下，依据式(13)和式(19)得到气沙流发电做功功率与气沙流通过控气阀门ks的压力关系式为：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ沙gh1·sk+fsε)(20)

依据式(20)计算出式中控沙阀门ks的开度面积sk，通过控制控沙阀门ks的开度大小，保证气沙流发电做功功率p沙恒定，之后关闭或减小强排气阀门kp的供气流量；

式中(20)中，sk为控沙阀门ks的开度面积；v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的沙子压力；s1为蓄沙库第一层沙子的面积；p沙为气沙流发电做功功率；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；μ为发电效率；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；g为重力加速度。

进一步的，所述的步骤五在h1＜hu＞4r沙条件下供气控沙的方法中，随着气沙流发电做功时间t的增加，蓄沙库的沙子高度hu降低，气沙流通过控沙阀门ks的压力fs也在改变；依据式(11)和气沙流下泄速度得到已排出蓄沙库的沙子高度ht为：

蓄沙库原始沙子高度h减去蓄沙库已排出的沙子高度ht，得到蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu：

其中，h为蓄沙库原始沙子高度；t为发电做功时间；sk为控沙阀门ks的开度面积；q沙为气沙流通过控沙阀门ks的流量；ht为在发电时间t内蓄沙库沙子下降的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；

由此通过蓄沙库现有每层沙子的体积求和，得到当前蓄沙库的重力势能为：

当hu＞4r沙时依据“粮仓效应”得到：

说明蓄沙库第一层所承受的压力f1为常数fε，即f1＝fε，由式(18)依据压力常数fε与控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，得到控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε为：

由式(24)得到气沙流发电做功功率与气沙流通过控沙阀门ks压力关系式为：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ沙gh1·sk+fsε)(26)

其中，h1～hn为蓄沙库第一层到第n层每层沙子的高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；u＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的最大层数，n＞1为整数；vn为蓄沙库任意一层沙子的体积；s1为蓄沙库第一层沙子的面积；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；g为重力加速度；

气沙流通过控沙阀门ks处的压力fs≥fsε，fsε为常数，气沙流通过控沙阀门ks的流速v沙为定值的条件下，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，通过控制梯级阀门k1对第一层环形供气管的排气，并控制流化沙供气阀门kq对流化沙供气管道的排气量，实现气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)；

具体步骤如下：首先监控系统实时采集综合检测探头的数据，依次分析第一层平均压力fs，是否fs→(fmin+fsε)，判断当前蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu，是否hu≥h1，如判断hu＜h1则停止发电；如判断hu≥h1且hu＞4r沙，此时蓄沙库第一层所承受的压力f1等于常数fε：

然后判断是否fs-fmin≥fsε，如fs-fmin≥fsε，监控系统控制梯级阀门k1的开度，第一环形供气管提供气体，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气阀门kq排出气体，使控沙阀门ks进口处的沙子被流化，形成气沙流；与此同时，监控系统依据式(26)在保证气沙流的流速v沙为定值的条件下，控制气沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流做功满足发电需求；

如fs-fmin＜fsε，说明气沙流通过控沙阀门ks的压力fs的压力传导受阻，此时读取气沙流通过控沙阀门ks的压力fs，如判断fs＜fmin时，监控系统应急处理控制强排气阀门kp快速打开，使气沙流通过控沙阀门ks压力fs达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求，此时监控系统的控制方法转入步骤七；

进一步的，所述的步骤六，在hu≤4r沙条件下供气控沙方法中，

如监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时不具备粮仓效应条件，依据式(23)得到蓄沙库第一层所承受的沙子压力f1为：

此时气沙流通过的控沙阀门ks的压力为：控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和；由于当hu≤4r沙时不具有“粮仓效应”发生的条件，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的压力f1不等于常数fε，即f1≠fε；依据压力与受力面积成正比的原理，蓄沙库第一层沙子面积s1上所承受沙子的压力f1与控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，由此控沙阀门ks开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε为：

由此气沙流通过控沙阀门ks的压力fs为：

fs＝fsε+fmin(30)

由此通过判断是否fs≥fmin确定是否满足发电要求；

如判断fs≥fmin，监控系统控制梯级阀门k1，第一环形供气管道提供气体，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气阀门kq排出气体，使控沙阀门ks进口处的沙子被流化，形成气沙流；与此同时监控系统依据式(10)、式(11)和式(14)得到发电做功率：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ1gh1·sk+fsε)(31)

其中，sk为气沙流通过控沙阀门ks的开度面积；vn为蓄沙库任意一层的沙子体积；v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；s1为蓄沙库第一层沙子面积；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；ρ沙为沙子的密度；g为重力加速度；h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库现存沙子最高层对控沙阀门ks之间的高度；μ为发电效率。

依据式(31)可知，在保证气沙流定值流速v沙的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk，实现fs→(fmin+fs1)气沙流做功满足发电需求。

当h1＜hu≤4r沙时，如判断气沙流通过控沙阀门ks处的压力fs＜fmin，说明fs的压力传导受阻，此时监控系统控制强排气阀门kp快速打开，使压力达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求，同时监控系统转入步骤七。

进一步的，所述的步骤七在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下供气控沙方法中，当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监控系统通过综合监测探头，监测蓄沙库除第一层外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，得到沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层：

vmin＝min(v2、v3、…、vu-1、vu)(32)

如得到vmin＝vn，可知第n层沙子制约着沙子的下行速度；

由此监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气管道供气，驱动振捣棒震动降低n层沙子的下滑阻力；使压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求；其中，v2为蓄沙库第二层沙子的流速；v3为蓄沙库第三层沙子的流速；以此类推，vu-1为蓄沙库第u-1层沙子的流速；vmin为沙子下行最慢速度；vu为蓄沙库第u层沙子的流速，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数u＝1,2,…,n；vn为第一层～第u层沙子层得流速，n＝1,2,…,u，n为蓄沙库沙子的任意层数；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；

当vmin＝v3，则说明蓄沙库第三层的沙子下行受阻，需要控制该层的梯级阀门k3打开对第三层环形供气管道供气，驱动振捣棒震动降低沙子的下滑阻力；由于沙子力的传导时间滞后性，为满足发电做功的连续性，监控系统控制梯级阀门k2对第二层沙子环形供气管道供气驱动振捣棒震动，加速第二层沙子的流动；监控系统读取蓄沙库第一层平均承受沙子的压力f1；

当h1＜hu＞4r沙时依据式(24)分析达到fs-fmin≥fsε，或当h1＜hu≤4r沙时依据式(28)分析达到fs≥fmin，则关闭强排气阀门kp，减小梯级阀门k2和梯级阀门k3的开度，使第二环形供气管道和第三环形供气管道排气量减少。

附图说明

图1本发明气沙蓄能电站供气控沙系统控制系统图；

图2本发明气沙蓄能电站结构图；

图3本发明气沙蓄能电站供气控沙系统结构图；

图4本发明供气控制方法流程图；

图5本发明提供上级调度发电依据分析方法流程图；

图6本发明在h1＜hu＞4r沙条件下供气控沙方法流程图；

图7本发明在h1＜hu≤4r沙条件下供气控沙方法流程图；

图8本发明在fs-fmin＜fsε或fmin＜fs条件下供气控沙方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明气沙蓄能电站供气控沙系统，通过对气沙蓄能电站蓄沙库的沙子和相变储热储气系统及供气系统的气体控制，实现气沙流势能转换做功驱动发电机发电。

所述的气沙蓄能电站供气控沙系统由蓄沙库10、相变储热储气系统、供气系统、控沙阀门ks、发电机7和监控系统组成。相变储热储气系统置于蓄沙库10中，位于控沙阀门ks的上部，供气系统由下至上垂直安装蓄沙库10内。相变储热储气系统上进出气口28’通过安装在供气系统中的柱状供气阀门9’与柱状供气管道9连接。发电机7位于控沙阀门ks的下部，控沙阀门ks位于蓄沙库10底部，控沙阀门ks通过管道与发电机7连接，气沙流经控沙阀门ks进入发电机7，对发电机7做功发电。蓄沙库10、相变储热储气系统、供气系统、控沙阀门ks、发电机7分别与监控系统连接。监控系统放置于监控室内，通过网络通讯接收局地数值天气预报，并通过有线或无线方式监控气沙蓄能电站供气控沙系统的所有传感器及设备数据，同时上传和接收上级数据。

所述的相变储热储气系统包括空压机25、储气罐17、相变储热体22、相变电加热器20及换热器19。相变储热体22、相变电加热器20、换热器19置于储气罐17中。相变储热体22内部中心垂直安装有供气系统中的柱状供气管道9，在柱状供气管道9外围环绕安装有相变电加热器20，利用余电为相变储热体22补充加热。在相变储热体22外围环绕安装有换热器19的管道，换热器19管道置于压缩空气18中，当气体通过换热器19的管道流动时吸收或放出相变储热体22的温度。空压机安装在蓄沙库的顶部，空压机25的压缩空气出口26通过管道与相变储热储气系统连接。

储气罐17的下部开有下储气罐进出气口29，并经安装在换热器20下端的下进出气阀29’与换热器19连接。换热器19上端的相变储热储气系统上进出气口28’通过安装在供气系统中的柱状供气阀门9’与柱状供气管道9连接。

供气系统还包含有第一环形供气管道1、第二环形供气管道2、第三环形供气管道3、第n-1环形供气管道4、第n环形供气管道5、梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn、流化沙供气阀门6’、流化沙供气管道6和强排气阀门8，n为正整数。梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn、流化沙供气阀门kq及强排气阀门kp内部嵌有阀门控制器。

其中，梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn由下至上等距离排列，安装在柱状供气管道9上。强排气阀门kp安装在柱状供气管道9的底部。流化沙供气阀门kq安装在柱状供气管道9靠近底部处、强排气阀门kp的上部，与流化沙供气管道6连接。

第一环形供气管道1、第二环形供气管道2、第三环形供气管道3、第n-1环形供气管道4、第n环形供气管道5、由下至上按照1～n的顺序等距离排列，穿过储气罐17、相变储热体22、相变电加热器20及换热器19，分别与安装在柱状供气管道9上的梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn对应连接。蓄沙库10以第一环形供气管道1、第二环形供气管道2、第三环形供气管道3、第n-1环形供气管道4和第n环形供气管道5所在的水平面为分层断面，由下至上分层，即第一层为第一环形供气管道1所在的水平面，与控沙阀门ks之间的高度为h1，第一层所承受的压力为f1；第二层为第二环形供气管道2所在的水平面，与第一层之间的高度为h2，第二层所承受的压力为f2；以此类推，第n层为第n环形供气管道5所在的水平面，与第n-1层之间的高度为hn，第n层所承受的压力为fn。

其中第一环形供气管道上1垂直安装多个注气管24，在注气管上装有多个喷气头，在第二环形供气管道2、第三环形供气管道3、第n-1环形供气管道4、第n环形供气管道5上都环形排列安装有多个气动振捣棒23。

流化沙供气管道6位于蓄沙库靠近底部，控沙阀门ks的上部，通过此排气孔排气使控沙阀门ks与流化沙供气管道6之间的沙子流化，降低沙子之间摩擦力，强排气阀门kp用于在沙子没有达到气沙流时控沙阀门ks的应急排气。

所述的监控系统由环境监测仪、库体压力传感器、供气控制系统、相变储热储气控制系统，以及气沙流流量传感器组成。所述的环境监测仪置于开阔处，监测环境温度、湿度、雨量、辐照度、风向、风速，并将数据上传到监控系统。

所述监控系统的库体压力传感器安装在蓄沙库10库体上，实时监控蓄沙库体各部位压力变化情况。所述的沙子流量传感器安装在控沙阀门ks的出口端。所有的传感器都具备有线或无线通讯输出接口。

所述监控系统的供气控制系统由阀门控制器和第一组综合监测探头11、第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14、第n组综合监测探头1组成；阀门控制器内嵌在梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn和强排气阀门kp上，通过无线或有线方式与监控系统连接。

第一组综合监测探头11、第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14、第n组综合监测探头15由下至上排列，第一组综合监测探头11安装在强排气阀门kp同一水平位置处，第二组综合监测探头12、第三组综合监测探头13、第n-1组综合监测探头14、第n组综合监测探头15安装在每两个环形供气管道之间位置，n为正整数；阀门控制器内嵌在每个梯级阀门和强排气阀门kp中；每组综合监测探头均由多个综合监测探头组成，多个综合监测探头等距离环绕排列在柱状供气管道9周围；综合监测探头包括监测温度、压力、料位、流速的多个分监测探头，每个分监测探头监测到的数据通过有线、无线通讯接口传输到监控系统。

所述的相变储热储气控制系统由三合一探头、阀门控制器、空压机25控制器和相变电加热器20组成。其中多个三合一探头由流量、温度和压力传感器组成，均匀分布在储气罐17、相变储热体22内和换热器19的输入输出端。相变电加热器20由电加热器、温度传感器、功率计组成。阀门控制器内嵌在低温进气阀27、高温进气阀28、下进和出气阀29’中。

监控系统实时采集压力和流量监测探头数据，分析每一层沙子的压力和下行流量，并依据相变储热储气控制系统的数据分析，监控系统控制梯级阀门k1、梯级阀门k2、梯级阀门k3、梯级阀门kn-1、梯级阀门kn分层、分时对气动振捣棒23和沙子供气流量控制，使被控层局部沙子之间的粘滞阻力降低或突破“粮仓效应”，控制沙子的下泄流量；当沙子移动到第一环形供气管道1处时，通过控制梯级阀门k1和强排气阀门kp供气，使沙子趋近于流体，加速沙子下行，当沙子到达流化沙供气管道6时，流化沙供气阀门kq供气，沙子被气体流化，形成气沙流，当气沙流通过控沙阀门ks时，气沙流下泄流量通过流量传感器实时将数据上传到监控系统中；监控系统经数据分析提出控制策略，依据发电需求控制对控沙阀门ks的开度大小，以提供稳定的气沙流流量，满足发电做功需求。所述的气沙蓄能电站供气控沙系统依据沙子流化通过对气沙蓄能电站供气，对控沙系统蓄沙库的沙子和相变储热储气系统及供气系统的控制，通过第一环形供气管道1向沙子注入气体，利用气体的作用克服沙子之间的粘滞阻力；并通过第二环形供气管道2、第三环形供气管道3、第n-1环形供气管道4、第n层环形供气管道5向气动振捣棒23供气，使气动振捣棒23对周边的沙子进行震动，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。还通过流化沙供气管道6向沙子注入气体，使沙子流化，形成连续的气沙流，将气沙流势能转换为驱动发电机发电的动能。如图4所示具体步骤如下：

步骤一，确定气沙蓄能电站发电功率曲线

气沙流发电的沙子流化与沙子的质量、气体的流速、气体压力与沙子的配比有关，而气体的流量与压力有关，依据理想气体状态方程：pv＝nrt，气体的压力与温度成正比，当相变储热储气系统的气体经换热器进行热交换，再由柱状供气管道排出的气体温度为t储气+η相/气·t相，同时使气体压力增加，取在柱状供气管道排出的最大气体流量为q气max，依据波义耳-马略特定律和储气罐气体经柱状供气管道排出气体所用时长等于储气罐气体体积与最大气体流量之比的关系，得到储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用时长t排气。

通过对每层体积求和计算得到蓄沙库现有沙子的体积v沙，由此得到满足气沙蓄能电站最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙为蓄沙库现有沙子的体积v沙与满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙之比。

当气体压力、流量与沙子的配比为定值时，通过经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙，与储气罐气体经柱状供气给水管道排出气体所用时长t排气进行比较，取用时短的作为气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm，并将时长tm上传调度，调度依据气沙蓄能电站最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线。

步骤二，确定气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin

由于气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin与蓄沙库现有的沙子高度、气沙流流量和控沙阀门ks的开度面积sk有关，当hu＝h1，ρ沙、q沙、g、v沙为定值，且控沙阀门ks的开度面积sk最大为smax时，此时的压力定义为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin；其中，ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数，u＝1,2,…n，n为蓄沙库沙子的最大层数；g为重力加速度；q沙是气沙流通过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流流速。

步骤三，气沙蓄能电站发电前，分析蓄沙库沙子静止状态下的受力状态时，计算在以下状态下气沙流通过开度面积为sk的控沙阀门ks的压力fs：

气沙蓄能电站发电前，蓄沙库现有最高层沙子的高度hu远大于蓄沙库的2倍直径4r沙，即hu＞4r沙；依据重力和“粮仓效应”对每层沙子做重力分析，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力为常数f1＝fε；

再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs；

步骤四，启动电站发电

当发电条件已具备时，监控系统同时控制对应的阀门打开，在气沙流通过控沙阀门ks处的流速v沙一定的条件下时，通过控制气沙流流过控沙阀门ks的开度面积sk实现发电做功的连续性；

步骤五，确定蓄沙库当前顶部沙子高度在h1＜hu＞4r沙条件下供气控沙方法

随着气沙流发电做功时间t的增加，蓄沙库的沙面高度hu随之降低，当监控系统判断hu＞4r沙时，依据“粮仓效应”得到蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1为常数fε，即f1＝fε，再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs：fs＝fmin+fsε；

由于气沙流发电做功功率p沙与气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs有关，而气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs与控沙阀门ks的开度面积sk有关，因此通过控制控沙阀门ks的开度面积大小，使气沙流发电做功功率p沙稳定；

步骤六，确定蓄沙库当前顶部沙子高度在h1＜hu≤4r沙条件下供气控沙方法

当监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时蓄沙库沙子不具备“粮仓效应”的条件，f1≠fε，由此通过对蓄沙库第一层沙子面积s1所承受沙子的压力f1计算，再通过计算控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和，得到气沙流通过控沙阀门ks的压力fs：

fs＝fsε+fmin

并依据气沙流发电做功功率与气沙流通过控沙阀门ks时处的压力fs正比的关系，而压力fs与控沙阀门ks的开度面积sk有关，由此通过控制控沙阀门ks的开度面积sk的大小，使气沙流发电做功功率p沙连续稳定。

步骤七，确定在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下供气控沙方法

当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监测系统分析蓄沙库除第一层沙子外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，并经最小值筛选出沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层，如得到vmin＝vn，可知第n层沙子制约着沙子下行速度；监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气管道供气，驱动振捣棒震动，降低第n层沙子的下滑阻力，使沙子压力传导到控沙阀门ks处压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，以满足稳定连续的发电需求；

其中，vmin为沙子下行的最慢速度；vn为第一层～第u层每层沙子的流速，n为蓄沙库沙子的层数，n＝1,2,…,u，fs为气沙流通过控沙阀门ks的的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力。

监控系统读取蓄沙库第一层承受沙子的压力f1数据分析判断，并依据fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，控制强排气阀门kp关闭，减小梯级阀门k1的开度，使第一环形供气管排气量减少。

进一步的，如图5所示，所述步骤一确定气沙蓄能发电功率曲线中，由于满足气沙流发电的沙子流化与沙子质量、气体流速、气体压力配比有关。当气与沙子配比是定值时，依据理想气体状态方程：pv＝nrt，气体压力与温度成正比，由于局地的气候变化直接影响电站的供气配置，尤其温差变化造成气体的压力变化，给控制带来了复杂性。由此监控系统将依据接收到的局地数值预报、监测到的环境监测仪数据、相变储热储气控制系统的压力、温度数据，结合局地气候特点、现有储气容量、储气压力、相变储热温度、现有蓄沙容量、用电需求、综合监测探头采集对应位置的沙子压力、料位、下泄速度和温度数据，通过当前蓄沙库库容量、相变储热储气容量、压力和温度，计算出气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm，并上传调度：

1.计算气体排出所用的时长t排气

考虑气沙蓄能电站为获得最大发电做功功率pmax时，为振动棒、强制排气和沙子被流化提供总的用气需求，取在柱状供气管道排出的最大气体流量为q气max，依据波义耳-马略特定律，在等温过程中：p1v1＝p2v2和得到：

依据理想气体状态方程：pv＝nrt得到：

将式(2)代入式(1)得到：

由此可知当储气罐气体经换热器换热柱状供气管道排出的气体流量q气max一定时，储气罐气体经换热器柱状供气管道排出最大流量q气max气体所用时长t排气与储气罐内气体温度t储气和排出的气体压力p流化之比有关；由于储气罐排出的气体，首先经换热器将相变材料储热的温度吸热交换后再排出，相变材料的储热温度随着储气罐气体吸热排出而逐步降低，因此取相变材料储热温度溶程的平均值为储气罐气体吸热温度t相，相变储热储气系统中换热器热交换效率为η相/气，经柱状供气管道排出的气体温度t排气为：

t排气＝t储气+η相/气·t相(4)

由此经柱状供气管道排出的气体在最大流量为q气max、压力为p流化、气体温度为t排气时，气体排出所用的时长t排气为：

上述式中，v储气为相变储热储气系统中的储气罐气体的体积；p储气为相变储热储气系统中的储气罐内气体的压力；t储气为相变储热储气系统中的储气罐内气体的温度；r为储气罐内气体常数；n表示气体物质的量，单位摩尔；q气max为柱状供气管道排出的最大气体流量；t排气为经柱状供气管道排出气体所用时长；t相为储气罐气体吸收相变材料储热的温度，该温度值为相变材料储热温度溶程的平均值；η相/气为相变储热储气系统中换热器转换效率；p流化为气沙蓄能电站为获得最大发电做功功率pmax时，振动棒、强制排气和沙子被流化所需总的气体压力；t排气为经柱状供气管道排出的气体温度；

2.计算蓄沙库经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙

由于蓄沙库现有沙子的体积为：

由此得到气沙蓄能电站在满足最大发电做功功率pmax条件下的气沙流下泄流量q沙时，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙为：

3.确定气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下的满发电时长tm

通过蓄沙库现有沙子的体积，经控沙阀门ks排出气沙流所用时长t输沙与储气罐气体经换热器、柱状供气管道排出气体所用时长t排气比较，得到相对时长最短tm为：

tm＝min[t输沙,t排气](8)

将气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下，相变储热储气系统中的气体排出或蓄沙库中的沙子排出用时较短的时长作为满发电时长tm，并上传给调度；调度依据最大发电做功功率pmax和满发电时长tm，给出未来时刻的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线，监控系统控制提沙储气蓄能电站依据接收到的调度有功功率p-t和无功功率q-t发电曲线执行发电任务；

其中，pmax为气沙蓄能电站最大发电做功功率；tm为气沙蓄能电站在最大发电做功功率pmax条件下计算出满发电时长；在满足形成气沙流的沙子与气配比为定值时，下面每一步骤中的分析计算均以蓄沙库的沙子的储存量少于储气罐的储气容量为前提进行，即：tm＝min[t输沙,t排气]＝t输沙。

进一步的，所述步骤二中确定气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin的方法中，由于

p沙＝gμ·ρ沙hu·q沙(9)

当hu＝h1时，气沙流发电机做功功率为：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙(10)

当蓄沙库第一层的沙子在第一环形供气管道排出气流作用下连续流动，在控沙阀门ks进口处，沙子在流化沙供气管道排出气体的作用下流化，形成气沙流；由流量公式得到：

q沙＝sk·v沙(11)

式(11)中，q沙是气沙流通过控沙阀门ks的流量，保持气沙流通过控沙阀门ks的流量q沙稳定是满足发电机发电的基本条件；当气沙流流速v沙一定时，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，以保证气沙流通过控沙阀门ks的流量q沙的稳定；由于气沙流流过控沙阀门ks的流量q沙与控沙阀门ks开度面积sk有关，由压力公式可知：

fs＝ρ沙gh1·sk(12)

式(12)中，气沙流通过控沙阀门ks的压力fs与气沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk成正比；通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，增加或减小气沙流通过控沙阀门ks的压力fs，使得气沙流流量q沙稳定，确保稳定连续的气沙流发电做功功率：

p沙＝μ·ρ沙gh1·q沙＝μ·fs·v沙(13)

当q沙、沙子密度ρ沙、重力加速度g、第一环形供气管道排出气体和流化沙供气管道排出气体都是定值，hu＝h1，控沙阀门ks开度面积为最大smax时，即sk＝smax时，此时的压力定义为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin；

fmin＝fs＝ρ沙gh1·sk(14)

由此得到最小发电做功功率为：

pmin＝μ·fmin·v沙(15)

上述式中，sk为控沙阀门ks的开度面积；smax为控沙阀门ks最大打开面积；q沙为气沙流流过控沙阀门ks的流量；v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；vn为蓄沙库任意一层沙子体积；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；pmin为气沙流发电的最小发电做功功率；r沙为蓄沙库的半径；p沙为气沙流发电功率；ρ沙为沙子的密度；h1为蓄沙库第一层沙子的高度；n为蓄沙库沙子的最大层数；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；μ为发电效率。

进一步的，如图6所示，所述步骤五在h1＜hu＞4r沙条件下供气控沙的方法中，

随着气沙流发电做功时间t的增加，蓄沙库的沙子高度hu降低，气沙流通过控沙阀门ks的压力fs也在改变；依据式(11)和气沙流下泄速度得到已排出蓄沙库的沙子高度ht为：

蓄沙库原始沙子高度h减去蓄沙库已排出的沙子高度ht，得到蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu：

其中，h为蓄沙库原始沙子高度；t为发电做功时间；sk为控沙阀门ks的开度面积；q沙为气沙流通过控沙阀门ks的流量；ht为在发电时间t内蓄沙库沙子下降的高度；hu为蓄沙库排出沙子后的沙子高度；

由此通过蓄沙库现有每层沙子的体积求和，得到当前蓄沙库的重力势能为：

当hu＞4r沙时依据“粮仓效应”得到：

说明蓄沙库第一层所承受的压力f1为常数fε，即f1＝fε，依据压力常数fε与控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，得到控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε为：

由式(24)得到气沙流发电做功功率与气沙流通过控沙阀门ks压力关系式为：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ沙gh1·sk+fsε)(26)

其中，h1～hn分别为蓄沙库第一层到第n层的沙子的高度；u为蓄沙库当前剩余沙子的层数；u＝1,2,…,n，n为蓄沙库沙子的最大层数，n＞1为整数；vn为蓄沙库任意一层沙子的体积；s1为蓄沙库第一层沙子的面积；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；g为重力加速度；

气沙流通过控沙阀门ks的压力fs≥fsε，fsε为常数，气沙流通过控沙阀门ks的流速v沙为定值的条件下，通过控制控沙阀门ks的开度面积sk，通过控制梯级阀门k1对第一层环形供气管的排气，并控制流化沙供气阀门kq对流化沙供气管道的排气量，实现气沙流通过控沙阀门ks时的压力fs趋近于(fmin+fsε)，即fs→(fmin+fsε)；

具体步骤如下：首先监控系统实时采集综合检测探头的数据，依次分析第一层平均压力fs，是否fs→(fmin+fsε)，判断当前蓄沙库排出沙子后的沙子高度hu，是否hu≥h1，如判断hu＜h1则停止发电；如判断hu≥h1且hu＞4r沙此时蓄沙库第一层所承受的压力f1等于常数fε：

然后判断是否fs-fmin≥fsε，如fs-fmin≥fsε，监控系统控制梯级阀门k1的开度，提供第一环形供气管气体，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气阀门kq排出气体，使控沙阀门ks进口处的沙子被流化，形成气沙流；与此同时，监控系统依据式(26)在保证气沙流的流速v沙为定值的条件下，控制气沙流通过控沙阀门ks的开度面积sk，实现气沙流做功满足发电需求；

如fs-fmin＜fsε，说明气沙流通过控沙阀门ks的压力fs的压力传导受阻，此时读取气沙流通过控沙阀门ks的压力fs，如判断fs＜fmin时，监控系统应急处理控制强排气阀门kp快速打开，使气沙流通过控沙阀门ks压力fs达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

进一步的，如图7所示，所述的步骤六，在h1＜hu≤4r沙条件下供气控沙的方法中，

如监控系统判断h1＜hu≤4r沙，此时不具备粮仓效应条件，依据式(23)得到蓄沙库第一层所承受的沙子压力f1为：

此时气沙流通过的控沙阀门ks的压力为：控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε与气沙流通过控沙阀门ks的最小压力fmin之和；由于当hu≤4r沙时不具有“粮仓效应”发生的条件，蓄沙库第一层沙子面积s1所承受的压力f1不等于常数fε，即f1≠fε；依据压力与受力面积成正比的原理，蓄沙库第一层沙子面积s1上所承受沙子的压力f1与控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε之比，等于蓄沙库第一层沙子面积s1与控沙阀门ks的开度面积sk之比，由此控沙阀门ks开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力fsε为：

由此气沙流通过控沙阀门ks的压力fs为：

fs＝fsε+fmin(30)

由此通过判断是否fs≥fmin确定是否满足发电要求；

如判断fs≥fmin，监控系统控制梯级阀门k1，提供第一环形供气管道气体，降低沙子的粘滞阻力，使沙子连续下泄，监控系统控制流化沙供气阀门kq排出气体，使控沙阀门ks进口处的沙子被流化，形成气沙流；与此同时监控系统依据式(10)、式(11)和式(14)得到发电做功率：

p沙＝μ·fs·v沙＝μ·v沙(fmin+fsε)＝μ·v沙(ρ1gh1·sk+fsε)(31)

依据式(31)可知，在保证气沙流定值流速v沙的条件下，控制控沙阀门ks的开度面积sk，实现fs→(fmin+fs1)气沙流做功满足发电需求；其中，sk为气沙流通过控沙阀门ks的开度面积；vn为蓄沙库任意一层的沙子体积；v沙为气沙流通过控沙阀门ks的流速；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积为sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；s1为蓄沙库第一层沙子面积；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；p沙为气沙流或水沙流发电做功功率；ρ沙为沙子的密度；g为重力加速度；h1为第一层沙子的高度；hu为蓄沙库现存沙子最高层对控沙阀门ks之间的高度；μ为发电效率；

当h1＜hu≤4r沙时，如判断气沙流通过控沙阀门ks处的压力fs＜fmin，说明fs的压力传导受阻，此时监控系统控制强排气阀门kp快速打开，使压力达到fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求。

进一步的，如图8所示，所述的步骤七在fs-fmin＜fsε或fs＜fmin条件下供气控沙方法中，当监控系统监测到fs-fmin＜fsε或fmin＞fs时，监控系统通过综合监测探头，监测蓄沙库除第一层外的现存的每一层沙子的下泄流速vn，得到沙子下行流速vmin最慢的蓄沙库沙子层：

vmin＝min(v2、v3、…、vu-1、vu)(32)

如得到vmin＝vn，可知第n层沙子制约着沙子的下行速度；

由此监控系统通过控制第n层的梯级阀门kn对第n环形供气管道供气，驱动振捣棒震动降低n层沙子的下滑阻力；使压力达到fs-fmin≥fsε或fs≥fmin，满足稳定连续的发电需求；其中，v2为蓄沙库第二层沙子的流速；v3为蓄沙库第三层沙子的流速；以此类推，vu-1为蓄沙库第u-1层沙子的流速；vmin为沙子下行最慢速度；vu为蓄沙库第u层沙子的流速，u为蓄沙库当前剩余沙子的层数u＝1,2,…,n；vn为第一层～第u层沙子层得流速，n＝1,2,…,u，n为蓄沙库沙子的任意层数；fs为气沙流通过控沙阀门ks的压力；fmin为气沙流通过控沙阀门ks的最小压力；fsε为控沙阀门ks的开度面积sk在蓄沙库第一层沙子面积s1上的正投影所承受的压力；

当vmin＝v3，则说明蓄沙库第三层的沙子下行受阻，需要控制该层的梯级阀门k3打开对第三层环形供气管道供气，驱动振捣棒震动降低沙子的下滑阻力；由于沙子力的传导时间滞后性，为满足发电做功的连续性，监控系统控制梯级阀门k2对第二层沙子环形供气管道供气驱动振捣棒震动，加速第二层沙子的流动；监控系统读取蓄沙库第一层平均承受沙子的压力f1；

当h1＜hu＞4r沙时依据式(24)分析达到fs-fmin≥fsε，或当h1＜hu≤4r沙时依据式(28)分析达到fs≥fmin，则关闭强排气阀门kp，减小梯级阀门k2和梯级阀门k3的开度，使第二环形供气管道和第三环形供气管道排气量减少。