可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统及方法与流程

1.本发明涉及压缩空气储能领域，具体涉及可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统及方法。


背景技术：

2.压缩空气储能利用压缩空气作为介质来储存富余电能，可以解决可再生能能源的间歇性问题，也可为电网调节峰谷。地下高压储气系统作为压缩空气储能电站的主要组成部分，是压缩空气储能电站选址的决定因素，也是其运行性能和可靠性的技术关键。
3.现有的大规模压缩空气储能电站地下高压储气系统主要采用天然地下洞穴，包括盐岩洞穴、硬岩洞穴、废弃矿洞和地下含水层。但是天然地下洞穴受限于特殊地质地理条件，难以实现灵活布置和大范围推广，并且深埋地下，地质结构复杂，漏气不易监测，结构稳定性难以得到有效保障，存在一定安全隐患。
4.与之相比，人工内衬洞穴减弱了对于特殊地质地理条件的依赖，有利于压缩空气储能的大规模推广应用，还具有可使储气压力更高的优点。然而，目前国内外尚未有建设商业化运行的人工岩洞地下高压储气系统的经验，与无压系统相比，地下高压储气系统需满足工作压力范围为0.1~10.5mpa，设备在工作压力范围内任意压力区间每天进行充压与泄压，每天充压泄压循环周期为0~4次。此外，现有的地下压缩空气储能系统无法满足地质条件差、施工效率高、围岩-衬砌联合承载以及内钢衬施工便利的要求。
5.因此，在不良地质条件下，如何进行压缩空气储能地下高压储气系统建设，如何设计地下高压储气系统是亟需解决的关键问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统。本发明能够在不良地质条件下合理布设地下储气洞室，并且具有施工效率高、能够保证围岩稳定性的优点。
7.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统，其特征在于：包括设置于地下岩体中的储气洞室，所述储气洞室的洞壁由内向外依次设置密封层和混凝土衬砌，其特征在于：所述储气洞室设置多个，多个储气洞室均为环形布置，多个储气洞室由内向外依次排布并各自独立运行，单个所述储气洞室对应与一个独立的通气管道连接，相邻的两个储气洞室之间设置连通地面的井，井在底部与两侧的储气洞室通过连通巷道在高压储气系统施工期时连通，所述井和连通巷道在高压储气系统的施工期主要作为储气洞室的施工通道，在高压储气系统的运行期和检修期作为通气管道和检修进人通道的布置通道，所述连通巷道在高压储气系统运行期和检修期设置封堵体封堵。
8.进一步的：所述储气洞室的开挖断面为圆形或椭圆形，满足受力状态均匀，不存在尖角应力集中的情况，所述储气洞室的洞室直径d范围为6~ 10 m。
9.进一步的：多个储气洞室位于地下岩体中的埋深和洞间距根据抗抬安全系数确定，抗抬安全系数控制在3.0以上，相邻两个储气洞室之间的洞间距l应满足l ≥ 5倍的储气洞室开挖直径d。
10.进一步的：所述储气洞室的布置形式为方形或者其他首尾相通的布置形式，储气洞室在转弯的部位不存在尖角的情况。
11.进一步的：所述储气洞室转弯部位的转弯半径r满足3倍储气洞室开挖直径的条件，即r ≥3d。
12.进一步的：相邻两个储气洞室之间的井设置多个，多个井在相邻两个储气洞室之间对应布置。
13.进一步的：所述封堵体为楔形或柱状设置，所述封堵体宽度t满足（1.50 ~ 2.0）倍的储气洞室开挖直径d。
14.进一步的：所述井的开挖断面为圆形，井的断面直径ds满足（1.2 ~ 1.3）倍洞室直径d。
15.进一步的：所述连通巷道和井内预留有通气管道和检修进人通道。
16.本发明的第二个目的在于，提供一种可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统的施工方法，采用上述任一所述的可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统，所述施工方法包括以下步骤：s1、在压缩空气储能电站拟建区域进行勘察后，根据所需存储的压缩空气的体积确定储气洞室的体积，再根据地层条件和压缩空气的压力确定储气洞室的埋深、长度、断面尺寸及洞间距；s2、进行多个井的同时开挖，井体开挖至指定位置后，采用分层开挖的方式开挖储气洞室，边开挖边支护，保证开挖过程中边墙的稳定；s3、储气洞室开挖完成后，将密封材料通过井运送到储气洞室中进行拼装焊接，形成全封闭的密封层；s4、在围岩与密封层之间浇筑混凝土，形成紧密贴合的混凝土衬砌；s5、储气洞室施工完成后，连通巷道和井中预留压缩空气的通气管道和检修进人通道，再采用混凝土对井底两侧与储气洞室相连通的连通巷道进行封堵；s6、注入一定量的压缩空气进行试运行，通过内部的压力和温度监测系统，检测系统的密闭性。
17.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本发明提出的可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统，可根据存储体积和规模布置地下洞室的尺寸，此外，能够根据场地的地址条件确定合理埋深和洞间距，可充分利用岩层的物理特性，保证围岩的稳定性。该系统无尖锐拐角和岔口，便于前期施工和密封材料的施工。
18.每个单独的储气洞室均能够独立运行，当内环储气洞室施工完成，外环储气洞室未施工完成时，内环储气洞室可以先进行运行，使得已完成的储气洞室能够尽快投入使用，且施工速度快，有利于推广普及，可以为压缩空气储能电站的建设和推广提供新的设计思路。
19.每个单独的储气洞室均能够独立运行，后期当某个储气洞室出现维修问题时，可
以不影响其他独立储气洞室的使用。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明井的结构示意图；图3是本发明储气洞室的结构示意图；图4是本发明柱状封堵体的俯视图；图5是本发明柱状封堵体的主视图；图6是本发明楔形封堵体的俯视图；图7是本发明楔形封堵体的主视图。
21.附图标记：2-储气洞室，4-井，5-封堵体，51-柱状封堵体，52-楔形封堵体，6-中空区，7-通气管道，8-混凝土衬砌，9-密封层；10-检修进人通道；11-连通巷道。
具体实施方式
22.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
23.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
24.如图1至7所示，可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统，包括设置于地下岩体中的储气洞室2，所述储气洞室2的洞壁由内向外依次设置密封层9和混凝土衬砌8，所述储气洞室2设置多个，多个储气洞室2均为环形布置，多个储气洞室2由内向外依次排布并各自独立运行，单个所述储气洞室2对应与一个独立的通气管道7连接，相邻的两个储气洞室2之间设置连通地面的井4，所述井4可以是竖井或斜井，井4在底部与两侧的储气洞室2通过连通巷道11在高压储气系统施工期时连通，所述井4和连通巷道11在高压储气系统的施工期主要作为储气洞室2的施工通道，在高压储气系统的运行期和检修期作为通气管道7的布置通道，在本实施例中，所述通气管道7包括进气口和出气口，通气管道为dn600。所述连通巷道11在高压储气系统运行期和检修期设置封堵体5封堵。所述连通巷道11和井4内预留有检修进人通道10。
25.在ii、iii、iv类围岩中，浅埋地下储气洞室2的埋深一般在50 ~ 200 m，正常的储气内压可以达到10 ~ 30 mpa，并且可以进行高频循环运行。
26.所述储气洞室2的开挖断面为圆形或椭圆形，满足受力状态均匀，不存在尖角应力集中的情况，所述储气洞室2的洞室直径d范围为6~ 10 m。
27.多个储气洞室2位于地下岩体中的埋深和洞间距根据抗抬安全系数确定，抗抬安全系数控制在3.0以上，相邻两个储气洞室2之间的洞间距l应满足l ≥ 5倍的储气洞室开挖直径d。其中抗抬安全系数采用极限平衡法（圆台理论）和强度折减法计算。
28.所述储气洞室2长度的确定，首先根据压缩空气储能电站的装机规模确定地下储
气洞室2的体积，再根据场地范围、地层条件、施工可行性和后期密封经济性确定洞室环数。
29.所述储气洞室2的布置形式为方形或者其他首尾相通的布置形式，储气洞室2在转弯的部位不存在尖角的情况。
30.所述储气洞室2转弯部位的转弯半径r满足3倍储气洞室开挖直径的条件，即r ≥3d。
31.相邻两个储气洞室2之间的井4设置多个，多个井4在相邻两个储气洞室2之间对应布置。
32.所述封堵体5为楔形或柱状设置，所述封堵体5宽度t满足（1.50 ~ 2.0）倍的储气洞室2开挖直径d。封堵体5设计应满足抗滑稳定要求，在围岩条件较好，即为ii类围岩条件下，采用柱状封堵体51；在围岩条件较差，即为iii、iv类围岩条件下，采用楔形封堵体52，楔形封堵体52的夹角满足30
°ꢀ
~ 50
°
。
33.所述井4的开挖断面为圆形，井4的断面直径ds满足（1.2 ~ 1.3）倍洞室直径d。
34.所述密封层9的密封材料可采用钢衬进行设计，在围岩条件较好，即为ii类围岩条件下，钢衬仅需保持储气库气密性，因此钢衬厚度可设计为10 ~ 20 mm；在围岩条件较差，即为iii、iv类围岩条件下，钢衬结构设计应考虑钢衬和围岩的联合承载机制，高内压作用下钢衬的应力应小于容许应力。
35.一种可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统的施工方法，采用上述任一所述的可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统，包括如下步骤：s1、在压缩空气储能电站拟建区域进行勘察后，根据所需存储的压缩空气的体积确定储气洞室2的体积，再根据地层条件和压缩空气的压力确定储气洞室2的埋深、长度、断面尺寸及洞间距；s2、进行多个井4的同时开挖，井4体开挖至指定位置后，采用分层开挖的方式开挖储气洞室2，边开挖边支护，保证开挖过程中边墙的稳定；s3、储气洞室2开挖完成后，将密封材料通过井4运送到储气洞室2中进行拼装焊接，形成全封闭的密封层9；s4、在围岩与密封层9之间浇筑混凝土，形成紧密贴合的混凝土衬砌8；s5、储气洞室2施工完成后，连通巷道11和井4中预留压缩空气的通气管道7和检修进人通道10，再采用混凝土对井4底两侧与储气洞室2相连通的连通巷道11进行封堵；s6、注入一定量的压缩空气进行试运行，通过内部的压力和温度监测系统，检测系统的密闭性。检测合格后，进行压缩空气储能注采气的正常运行。
36.所述步骤s1中，在压缩空气储能电站拟建区域进行勘察，综合地面和地下因素，考虑到交通运输，施工、并网等便利性以及储气安全性等多方面因素，选取适宜的建库地面位置。另外，在拟建场区进行钻孔勘测，明确地质构造，明确地质构造，最好是岩石强度高、岩体较完整、洞室稳定性好，避开不良地质构造，最好选择i~ii类围岩。
37.所述步骤s5中，封堵后井4中留有中空区6，这一部分可盛装一定量的水，通过监测水位变化和水中是否有气泡检测下方储气库的密闭情况。
38.依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的可独立运行的无岔口式压气储能地下高压储气系统及方法，并且能够产生本发明所记载的积极效
果。
39.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。