CN110884821B - 一种具有蓄热温控功能的地下储气库 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有蓄热温控功能的地下储气库，包括地下储气库本体、充放气管道、多个蓄热墙，每个蓄热墙包括多个错开层叠的竖直面，每个竖直面包括多个换热单元，且同一竖直面上相邻两行换热单元错开排列，使同一行相邻两个换热单元之间形成流通通道；压缩空气通过流通通道到达下一个储气单元的过程中，蓄热墙的换热单元可以吸收或释放热能，实现对压缩空气的温度控制，从而解决了高温压缩空气易导致围岩软化的问题，以及避免了压缩空气因膨胀而出现负温现象，确保了储气库各结构及充放气管道的正常运行，提高了储气库各结构的使用寿命，大大降低了维护成本。

Description

一种具有蓄热温控功能的地下储气库

技术领域

本发明属于油气储运技术领域，尤其涉及一种用于横断面尺度D远小于长度L的高压压缩空气地下储气库。

背景技术

地下储气库是大规模压缩空气储能电站（下文简称：压气储能电站）的核心部件，其在运行中的温度状态对于储气库密封层材料性能及耐久性起决定性作用。目前，国内外压气储能电站地下储气库均采用单一的充放气主管布置方案，充放气主管要么布置在洞穴中间部位，要么布置在洞穴的端部（图1中的标号5）。压缩空气通过充放气主管5不断进入储气洞穴后，导致储气库内的空气密度增加，温度逐渐升高。对于储气库长度L与横截面尺度D之比大于5倍以上（即横断面尺度D远小于长度L）的地下储气库来说，频繁充放气过程中，靠近充气管附近区域的压缩空气受到通过充气管不断传输来的低温压缩空气的扰动和混合作用，其温度上升幅度相对较小。远离进出气口的储气库部位的空气因流动性差和空气温度导热性能差的原因，在储气库内的空气不断压缩至高压（7~10MPa）的过程中，这些部位压缩空气的温度将出现大幅度升高，局部最高温度可达到100°C以上，极端情况下甚至可达到500°C；同时储气库内的压缩空气温度分布还会呈现出显著不均匀分布特性。在储气库放气发电的工况下，储气库内压缩空气膨胀吸热，又导致储气库内压缩空气温度的急剧降低，如果不加以控制，压缩空气甚至会出现负温状态（小于0°C）。对于储气容积达到1万立方米或10万立方米级别的地下储气库压缩空气温度的控制难点在于采用常规布置换热管方式具有换热系统规模大、造价高和换热效率低，温控效果差。

过高的压缩空气温度对盐岩洞穴来说，将引起储气库围岩（图1中的标号1）出现严重的软化现象，并有可能危及储气库的安全稳定性。温度分布不均匀性、压缩空气温度过高或出现负温对废弃矿洞、矿井和新开挖硬岩洞穴储气库的密封结构（图1中的标号3）的开裂特性和耐久性产生严重的影响，可能造成密封层泄露，甚至引起密封层失效，同时大大缩短了密封层的检修周期，影响工程的正常运行，并大大增加运行成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有蓄热温控功能的地下储气库，用以解决储气库内压缩空气分布不均匀性，压缩空气高温或者出现负温时对储气库结构和密封材料造成的不利影响。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种具有蓄热温控功能的地下储气库，包括地下储气库本体、充放气管道，其特征是，还包括：将所述地下储气库本体分隔成多个储气单元的多个蓄热墙；每个所述蓄热墙包括多个竖直面，每个所述竖直面包括多个换热单元，且同一竖直面上相邻两行换热单元错开排列，并在同一行相邻两个换热单元之间形成流通通道；多个所述竖直面错开层叠，且相邻竖直面之间的错开层叠使所述流通通道为弯曲形状；

每个所述蓄热墙分为固定部分和设于所述固定部分下方的可移动部分；所述固定部分包括换热单元以及用于支撑换热单元的固定框架；所述可移动部分包括外框架、设于外框架内的换热单元、设于外框架底部的滑动机构、以及与所述滑动机构配合的滑槽。

本发明所述地下储气库，由于充放气过程中，各储气单元之间存在压力差，使压缩空气可以通过流通通道在不同储气单元之间流动。在充气情况下，高温压缩空气通过蓄热墙时，与换热单元发生热交换作用，压缩空气的热量被收集并存储在换热单元中，通过蓄热墙之后的压缩空气中的大部分热量被换热单元吸收而使压缩空气温度得以降低，解决了高温压缩空气易导致围岩软化的问题；在放气发电情况下，储气单元中的低温压缩空气通过蓄热墙时，与蓄热墙内的换热单元再次发生热交换作用，实现对低温空气的加热，从而避免了压缩空气因膨胀而出现负温现象，确保了储气库各结构及充放气管道的正常运行，提高了储气库各结构的使用寿命，大大降低了维护成本。本发明的蓄热墙具有蓄热和温控双重功能，相邻两行换热单元的错开排列形成流通通道，竖直面之间的错开层叠使流通通道为弯曲形状，增加了压缩空气在蓄热墙的流通时间，保证了压缩空气与换热单元的充分接触，提高了热交换效率。

在蓄热墙上设置可移动部分，使可移动部分相对固定部分沿着滑槽可以移开，从而在相邻两个储气单元之间形成检修通道，便于储气单元内设备的检修。

进一步地，每个所述蓄热墙的纵截面形状与储气洞穴断面的形状相适应，使所有压缩空气均能通过蓄热墙到达下一个储气单元，保证了压缩空气与蓄热墙的充分接触。

进一步地，相邻所述蓄热墙之间的间距为50m~150m。

进一步地，每个所述蓄热墙的厚度为1～2m。

进一步地，相邻竖直面之间、同一竖直面上相邻两行换热单元之间均采用砂浆粘结在一起，使整个蓄热墙形成一个稳固的整体结构。

进一步地，每个所述换热单元主要由透气性矩形容器，以及设于透气性矩形容器内的蓄热材料构成。

进一步地，所述蓄热材料为相变蓄热材料或比热容大于0.8 kJ/(kg·k)的非相变蓄热材料。

本发明还提供一种压缩空气储能电站，包括上述任意一项所述的地下储气库。所述压缩空气储能电站具有和上述地下储气库相同的有益效果。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，包括地下储气库本体、充放气管道、多个蓄热墙，每个蓄热墙包括多个错开层叠的竖直面，每个竖直面包括多个换热单元，且同一竖直面上相邻两行换热单元错开排列，使同一行相邻两个换热单元之间形成流通通道；压缩空气通过流通通道到达下一个储气单元的过程中，蓄热墙的换热单元可以吸收或释放热能，实现对压缩空气的温度控制，从而解决了高温压缩空气易导致围岩软化的问题，以及避免了压缩空气因膨胀而出现负温现象，确保了储气库各结构及充放气管道的正常运行，提高了储气库各结构的使用寿命，大大降低了维护成本。同时，蓄热墙分为固定部分和可移动部分，通过可移动部分可以在相连两个储气单元之间形成检修通道，便于储气单元内设备的检修。

本发明的地下储气库设计合理，结构简单，施工速度快，操作方便，为推动大规模地下储气库建设技术的进步提供了技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中地下储气库的结构示意图；

图2是本发明实施例中图1的A-A剖面图-圆形蓄热墙的纵截面图；

图3是本发明实施例中图1的A-A剖面图-门洞型蓄热墙的纵截面图；

图4是本发明实施例中固定部分和可移动部分的结构示意图；

图5是本发明实施例中图2或3的B-B剖面图；

图6是本发明实施例中图2或3的C-C剖面图；

图7是本发明实施例中换热单元的结构示意图；

其中，1-岩石，2-衬砌，3-密封层，4-储气单元，5-充放气管道，6-蓄热墙，7-换热单元，8-可移动部分，9-固定部分，10-固定框架，11-外框架，12-滑动机构，13-流通通道，14-间隙，15-矩形容器，16-蓄热材料，17-竖直面1，18-竖直面2，19-竖直面3。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，包括地下储气库本体、充放气管道5、以及将地下储气库本体分隔成多个储气单元4的多个蓄热墙6；每个蓄热墙6包括多个错开层叠的竖直面，每个竖直面包括多个换热单元7，且同一竖直面上相邻两行换热单元7错开排列，使同一行相邻两个换热单元7之间形成流通通道13。

如图2和3所示，每个蓄热墙6的纵截面形状与储气洞穴断面的形状相适应，可以为圆形（图2），也可以为门洞型（图3），使蓄热墙6与洞穴内壁无间隙，保证了所有压缩空气均能通过蓄热墙6到达下一个储气单元，保证了压缩空气与蓄热墙6的充分接触。相邻蓄热墙之间的间距根据储气库本体的长度来确定，一般可为50m~150m，蓄热墙6的厚度一般为1.0m~2.0m。

如图4和5所示，每个蓄热墙6分为固定部分9和设于固定部分9下方的可移动部分8；固定部分9包括换热单元7以及用于支撑换热单元7的固定框架10；可移动部分8包括外框架11、设于外框架11内的换热单元7、设于外框架11底部的滑动机构12、以及与滑动机构12配合的滑槽。固定部分9与可移动部分8之间留有5～10cm的间隙，以便可移动部分沿着滑槽相对固定部分9可以移开，从而在相邻两个储气单元4之间形成检修通道，便于储气单元4内设备的检修。本实施例中，固定框架10为钢筋混凝土框架；可移动部分8设计成长方形，其宽度和高度可根据储气库建设或运行期间的设备最大尺寸确定，宽度一般可取1.0～2.0m，高度一般为1.5～2.0m；滑动机构12可以为滑轮，滑动机构12与滑轮的配合类似于生活中推拉门的滑动配合结构。

在固定部分9和可移动部分8均填充有换热单元7，在同一竖直面上，排列在同一行的两个换热单元7之间留有间隙14（不粘结在一起），而相邻两行换热单元7错开排列（粘结在一起，如图4所示的换热单元）；每个蓄热墙6由多个竖直面构成，相邻竖直面错开层叠（前后相邻的换热单元7错开粘结在一起），例如由3个竖直面（17,18,18）构成的蓄热墙6，在蓄热墙6上形成多条流通通道13，如图6所示，竖直面越多，所形成的流通通道13就越曲折（或是迂回结构），降低了压缩空气透过蓄热墙的速度，提高了换热效率。换热单元之间的粘结采用砂浆或者其他粘结材料，使由多个换热单元构成的蓄热墙成为一个稳固的整体结构。为了适应固定框架、外框架的形状，换热单元可以被制作成大小不一的标准矩形单元。

如图7所示，每个换热单元7由透气性矩形容器15，以及设于透气性矩形容器15内的蓄热材料16构成。矩形容器15的材料可以是带孔钢板，也可以是用高强钢筋混凝土或高强钢纤维混凝土制作的带孔薄板，蓄热材料16可以是各类相变蓄热材料，如熔盐、石蜡等，也可以是各类比热容大于0.8 kJ/(kg·k)的非相变材料，如钢棒、碎石或鹅卵石等。

本发明的地下储气库，蓄热墙是一种透气结构，既是蓄热装置，又是温控装置，具有蓄热和温控双重作用。在充气情况下，高温压缩空气经充放气惯导5进入地下储气库内，通过蓄热墙6时，与换热单元7发生热交换作用，压缩空气的热量被收集并存储在换热单元7中，通过蓄热墙6之后的压缩空气中的大部分热量被换热单元7吸收而使压缩空气温度得以降低，解决了高温压缩空气易导致围岩软化的问题；在放气发电情况下，储气单元4中的低温压缩空气通过蓄热墙6时，与蓄热墙6内的换热单元7再次发生热交换作用，实现对低温空气的加热，从而避免了压缩空气因膨胀而出现负温现象，确保了储气库各结构及充放气管道5的正常运行，提高了储气库各结构的使用寿命，大大降低了维护成本。

本发明提出的地下储气库可以解决现有压缩空气储能电站地下储气库采用单一进出气口方式所引起的压缩空气局部高温、低温和温度分布严重不均匀的缺点，解决了密封层材料耐高温能力不足以及降低温度分布不均匀性导致的储气库结构温度应力等问题，有效控制了密封层及混凝土衬砌开裂，减少了压缩空气的泄露量。同时还能将储气库空气压缩产生的热量收集存储起来再利用，提高了储气库储能效率。本发明利用蓄热墙与压缩空气之间的对流换热（吸热与放热）来实现对储气库内过高或过低压缩空气温度的控制。该装置设计合理，结构简单，施工速度快、操作方便，为推动大规模地下储气库建设技术的进步提供了技术支撑。

本发明还提供一种压缩空气储能电站，包括如上实施例任意一项所述的地下储气库。压缩空气储能电站具有和上述地下储气库相同的有益效果。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有蓄热温控功能的地下储气库，包括地下储气库本体、充放气管道，其特征在于，还包括：将所述地下储气库本体分隔成多个储气单元（4）的多个蓄热墙（6）；每个所述蓄热墙（6）包括多个竖直面，每个所述竖直面包括多个换热单元（7），且同一竖直面上相邻两行换热单元（7）错开排列，并在同一行相邻两个换热单元（7）之间形成流通通道（13）；多个所述竖直面错开层叠，且相邻竖直面之间的错开层叠使所述流通通道为弯曲形状；

每个所述蓄热墙（6）分为固定部分（9）和设于所述固定部分（9）下方的可移动部分（8）；所述固定部分（9）包括换热单元（7）以及用于支撑换热单元（7）的固定框架（10）；所述可移动部分（8）包括外框架（11）、设于外框架（11）内的换热单元（7）、设于外框架（11）底部的滑动机构（12）、以及与所述滑动机构（12）配合的滑槽。

2.如权利要求1所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，每个所述蓄热墙（6）的纵截面形状与储气洞穴断面的形状相适应。

3.如权利要求1所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，相邻所述蓄热墙（6）之间的间距为50m~150m。

4.如权利要求1所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，每个所述蓄热墙（6）的厚度为1～2m。

5.如权利要求1所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，相邻竖直面之间、同一竖直面上相邻两行换热单元（7）之间均采用砂浆粘结在一起。

6.如权利要求1所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，每个所述换热单元（7）主要由透气性矩形容器（15），以及设于透气性矩形容器（15）内的蓄热材料（16）构成。

7.如权利要求6所述的一种具有蓄热温控功能的地下储气库，其特征在于，所述蓄热材料（16）为相变蓄热材料或比热容大于0.8 kJ/(kg·k)的非相变蓄热材料。

8.一种压缩空气储能电站，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的地下储气库。

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