CN113428556A

CN113428556A - 一种地下储气库及其构建方法

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Publication number: CN113428556A
Application number: CN202110752770.1A
Authority: CN
Inventors: 蒋中明; 肖喆臻; 廖峻慧; 张新敏
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2041-07-02
Also published as: CN113428556B

Abstract

本发明涉及一种地下储气库及其构建方法，包括设置于地下岩体中的储气腔，所述储气腔的外壁从外向内包括混凝土衬砌层和密封层，其特征在于，所述密封层包括由外向内依次叠合的第一弹性层、不锈钢板层和第二弹性层；弹性层由弹性材料制成。本发明的地下储气库在充放气循环的复杂环境下，气密性好，密封层的抗老化性能以及长期耐高温性能良好，同时其应用可简化施工工艺以及降低成本。

Description

一种地下储气库及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种地下储气库及其构建方法。

背景技术

地下压缩空气储能技术主要适配发电具有间断性及随机性的太阳能、风能等清洁能源，在电网负荷低谷期将空气高压密封在储气库中，在电网负荷高峰期释放压缩空气发电，起到优化电网、高效利用零散清洁能源的作用。

目前，地下储气库的密封层一般采用玻璃钢，通过环氧树脂或锚固件对密封层进行固定，如中国发明专利CN 110371568 B公开了一种地下岩洞储气结构，采用多层玻璃钢以保证储气库气密性，其中玻璃钢之间布置有密封层，玻璃钢及混凝土衬砌之间设有锚固件。中国发明专利CN 105905512 B公开了一种地下岩洞储气结构，通过直接布置满涂玻璃钢以保证储气库气密性。这种通过玻璃钢作为储气库密封材料的工艺具有材料本身带来的潜在先天弊端，具体如下：

1)玻璃钢的热导率低，是优良的绝热材料，在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料。但是用于储气库中作为密封层材料时，玻璃钢需要长期承受100℃以上的环境温度，局部区域温度甚至高达400℃。在长期高温环境下，玻璃钢的强度可能会下降。

2)地下压缩空气储能储气库的内部温度变化、循环加卸载等复杂环境都会造成玻璃钢的性能下降，导致部分区域出现脱空，使得密封失效。

3)为了满足百万兆瓦的发电量，需要十万方左右的储气洞室。目前，通过对储气库内壁覆盖玻璃钢来满足储气库气密性，一般需要布置一层或几层厚度至少超过2cm厚的玻璃钢，成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种密封性能更好的地下储气库；本发明的目的之二在于提供一种地下储气库的构建方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种地下储气库，包括设置于地下岩体中的储气腔，所述储气腔的外壁从外向内包括混凝土衬砌层和密封层，所述密封层包括由外向内依次叠合的第一弹性层、不锈钢板层和第二弹性层；弹性层由弹性材料制成。

如此，第一弹性层、不锈钢板层和第二弹性层依次叠合，形成类“三明治”结构的密封层，密封层分布于混凝土衬砌层的内壁上，一方面，类“三明治”结构的密封层具有一定弹性，在服役条件下，密封层的弹性层受储气腔内气体压力作用，弹性层产生一定压缩变形，材料结构变得更加密实，可起到增强密封效果的作用；另一方面，在制作类“三明治”结构时，不锈钢板层的表面容易挂膜，使得弹性材料与不锈钢板表面接触界面上形成一层致密的膜，从而使类“三明治”结构界面具备更好的防渗性能；另一方面，不锈钢板层本身可抵挡气体透过，可进一步提升密封层性整体的防气体渗漏能力。

进一步地，按质量份计，所述弹性材料的原料组成包括聚脲、集料和扩链剂，聚脲、集料和扩链剂的质量比为30-60：10-70:0.075-1.2；其中，所述集料的粒径≤0.075mm。如此，利用聚脲作为有机粘结胶将无机细颗粒材料粘结在一起，增加无机颗粒间的粘结力，从而获得抗拉强度和抗渗性能良好的弹性材料，而且弹性材料具有柔性和弹性，可用于制作整体无缝的弹性层。

进一步地，所述弹性材料的原料组成还包括稀释剂，所述稀释剂与聚脲的质量比为5-15:100，进一步为8-12:100；所述稀释剂为非活性稀释剂，优选地，所述非活性稀释剂为乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、丙酮、甲苯、环氧活性稀释剂(如环氧活性稀释剂ZK-551)中的一种或几种。如此，可避免稀释剂与集料中的部分矿物产生化学反应而影响材料的力学及防渗性能，故选择上非活性稀释剂既能有效改善材料制作过程中的可加工性能，方便制作，同时又不会影响材料的力学和防渗性能。

进一步地，所述聚脲为单组份聚脲(优选为单组分手工聚脲)、聚天门冬氨酸酯聚脲、双组份聚脲中的一种或几种；进一步地，所述聚脲的表干时间为0.5-3.5h，拉伸强度为3-25MPa，伸长率为200-500％，所述聚脲的固含量≥94wt％。

进一步地，所述扩链剂为MOCA(3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；莫卡)、Hartcure30(DMTDA)、DETDA(二乙基甲苯二胺)、乙二胺、间苯二胺中的一种或几种；优选地，所述集料为膨润土和/或黏土。

优选地，所述集料为膨润土，膨润土遇水时会膨胀，故膨润土可在作为细颗粒提升密实度的同时，可使得密封层在服役过程中，万一外界有水渗入时，有所膨胀，使得供水和/或气体渗入的微小间隙被挤压而变得更小，从而进一步提高材料的抗气渗能力；进一步地，聚脲和膨润土的质量比为30-60:10-30。

进一步地，所述集料为黏土，聚脲与黏土的质量比为30-60:40-70。

为确保弹性材料适应变形的能力，无机颗粒选择粒径小于0.075mm的集料。

进一步地，不锈钢板层的厚度为0.2-0.5mm。该厚度的不锈钢板层具有一定柔性，变形能力较好，可适应弹性层的变形，

进一步地，第一弹性层和第二弹性层的厚度之和为10-30mm。

可选地，可根据储气库的储气压力确定第一弹性层和第二弹性层的厚度之和，其取值确定规则如下：当额定储气压力P(单位：MPa)小于7MPa时，第一弹性层和第二弹性层的厚度之和为10mm～15mm；当额定储气压力P在7～10MPa时，第一弹性层和第二弹性层的厚度之和为15mm～30mm；额定储气压力P大于10MPa时，第一弹性层和第二弹性层的厚度之和不小于30mm。

进一步地，不锈钢板层由多块不锈钢板搭接而成，搭接长度为50-100mm，相邻2块不锈钢板的搭接部分通过粘结剂粘结；优选地，所述粘结剂为单组分聚脲，采用与弹性材料同体系的物质作为粘结剂，有助于提升搭接部分与弹性层的整体性。一般地，储气库的结构尺寸较大，如此，既可方便施工、制作，又可满足构建需求。

优选地，所述不锈钢板为不锈钢波纹板。采用不锈钢波纹板可增加不锈钢板层与弹性层之间的接触面积，增大粘结强度；另外，不锈钢波纹板具有一定的变形能力，可随弹性层形状的变化而产生适应性变形，尽可能地减小弹性层与不锈钢板层之间的相对位移，保证密封层的整体性；此外，弹性层与不锈钢波纹板之间并非光滑面与光滑面之间的接触，当其中一者变形时，势必对另一者产生较大的作用力，驱使另一者产生适应性变形，可有效防止第一弹性层上产生裂缝而导致密封失效，进一步保证密封层的整体性。此外，采用不锈钢波纹板，也有助于提升相邻2块不锈钢板的搭接部分的粘结强度。

可选地，所述不锈钢波纹板上设有规则的波纹和/或不规则的波纹，例如水波纹、条状波纹。

进一步地，所述不锈钢板层上设有多个通孔，开孔率(所述多个通孔的总面积与不锈钢板层的面积之比)一般为5％～10％，所述多个通孔呈阵列状分布，所述多个通孔内填充有弹性材料，第一弹性层和第二弹性层通过通孔内的弹性材料一体连接。通孔的设置可进一步增强密封层的整体性，而且由于通孔内填充有弹性材料，也无需担心通孔的存在对密封层的密封性能带来不利影响。此外，在密封层的制作过程中，可将弹性层与不锈钢板层之间的气体排出，有助于形成密实弹性层，提升密封层质量。

进一步地，所述通孔的孔径为5-10mm，进一步为6-9mm，更进一步为7-8mm。

进一步地，所述多个通孔呈梅花形布置、菱形布置或矩形布置，优选呈方形布置。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种如上所述的地下储气库的构建方法，采用方法1或方法2进行；

其中，方法1包括如下步骤：

S1、提供混凝土衬砌层；

S2、在所述混凝土衬砌层的内壁涂覆弹性材料后，将不锈钢板层贴合到已涂覆的弹性材料上，获得由外向内依次叠合的第一弹性层和不锈钢板层；进一步地，以喷涂的方式进行涂覆；

S3、在不锈钢板层的内壁涂覆弹性材料后，用滚筒进行碾压，形成内壁光滑的第二弹性层，获得地下储气库；

方法2包括如下步骤：

(1)根据需要将密封层划分为若干密封层单元，分别预制各密封层单元；可选地，可根据预制方便度、运输及装配方便性等方面进行划分。各分块单元之间的分封采用单组分聚脲或双组分聚脲与粒径小于0.075mm的黏土按质量比为1:0.5～0.8制成的材料进行填缝粘结。

提供混凝土衬砌层；

(2)将所述若干密封层单元粘结到混凝土衬砌层的内壁上，在混凝土衬砌层的内壁形成一整体密封层，获得地下储气库；进一步地，通过单组分聚脲将密封层粘结到混凝土衬砌层的内壁上。如此，可现场涂覆实现密封层的制备，也可先预制密封层，再于现场装配。

进一步地，S2中，将不锈钢板层贴合到已涂覆的弹性材料上后，通过不锈钢板层挤压已经喷涂的弹性材料，并使弹性材料穿过不锈钢板层的通孔。

进一步地，方法2中预制密封层单元时，可先在不锈钢板层的一面涂覆弹性材料，形成第一弹性层，再在不锈钢板层的另一面涂覆弹性材料，形成第二弹性层。由此也可看出，不锈钢板层的设置可方便密封层的制备，且弹性材料在不锈钢板层表面的成膜性能较好，容易形成均匀、连续的膜层，故可有效保障密封层的最终质量。

进一步地，方法2的步骤(2)中，各密封层单元之间的分缝采用单组分聚脲或双组分聚脲与粒径小于0.075mm的黏土按1:0.5～0.8质量比调配而成的复合胶体进行填缝处理。

进一步地，所述弹性材料的制备方法包括如下步骤：

(1)常温条件下，将聚脲、稀释剂和扩链剂按配比混合均匀，获得第一混合料；

(2)将S1获得的第一混合料与集料混合，并于真空条件下，搅拌6-15min，获得第二混合料；

(3)将S2获得的第二混合料加热至58-62℃后，搅拌1-3min，获得弹性材料。

本发明的地下储气库在充放气循环的复杂环境下，气密性好，密封层的抗老化性能以及长期耐高温性能良好，同时其应用可简化施工工艺以及降低成本。

本发明的地下储气库的密封层所用的弹性材料，以黏土基等无机材料为主，具有抗拉强度高、弹性模量小、拉伸率大、柔性好、耐高温、抗老化性好等优点，有助于获得服役寿命长并具有良好的密封性的地下储气库。采用本发明的地下储气库还可解决玻璃钢在使用过程中因温度循环变化、循环加卸载等复杂环境造成玻璃钢密封材料性能的大幅度降低等问题，可以避免部分区域出现脱空造成的密封性能失效问题；此外，由于本发明的弹性材料中添加了相对便宜的无机黏土材料作为防渗密封的材料，同时利用了材料本身的粘结性能，取消了为钢板或玻璃钢等材料作为密封层时所需设置的锚固件，可简化储气库密封结构，简化施工工艺流程，提高储气库密封结构的施工效率，缩短施工工期，从而降低储气库的整体工程造价。此外，由于本发明的弹性层采用的各类原材料均为环保型无毒材料，制作过程中不会产生新的有害物质，因而环保性好。

本发明的地下储气库的构建方法简单，操作方便，为推动储气库密封技术的创新发展提供了又一技术方案。

附图说明

图1是本发明的一种地下储气库的断面结构示意图。

图2是本发明的一种不锈钢板的结构示意图。

图3是本发明的一种地下储气库的局部剖面结构示意图。

图4是实施例1的各试件的拉伸试验应力应变情况图。

图5是实施例2的各试件的拉伸试验应力应变情况图。

图6是实施例1中用于计算机模拟的地下储气库结构模型的剖面结构示意图。

图7是实施例1中用于计算机模拟的地下储气库结构模型的储气腔的立体视图。

图中，A-密封层，1-第一弹性层，2-不锈钢板层，3-混凝土衬砌层，4-地下岩体，5-通孔，6-粘结剂，7-第二弹性层。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例的地下储气库，包括设置于地下岩体4中的储气腔，所述储气腔的外壁从外向内包括混凝土衬砌层3和密封层A，所述密封层包括由外向内依次叠合的第一弹性层1、不锈钢板层2和第二弹性层7；弹性层由弹性材料制成。

地下岩体4包括开挖扰动层及位于开挖扰动层外围的围岩，储气腔位于开挖扰动层所围空间内。

本实施例中，弹性材料的原料组成为：单组分聚脲:黏土粉:稀释剂:扩链剂＝1:1:0.1:0.02。所选单组分聚脲的拉伸强度为3.4MPa，粘结剥离强度为4.3MPa，断裂延长率为317％，固含量为94wt％；表干时间为3h。所述稀释剂为丙酮，所述扩链剂为乙二胺。所述黏土粉的粒径小于0.075mm。

将以上配方的弹性材料制作成试件，具体地，试件制作方法为：拌和温度60℃，真空搅拌。拌和流程：投入单组分聚脲、稀释剂和扩链剂，在行星搅拌器中常温搅拌2分钟；停止搅拌，投入黏土粉后，封闭搅拌室，抽真空到-100kPa，搅拌10分钟，拌和过程加温至60℃后再搅拌2分钟。停止搅拌，出料，制作标准纺锤形试件，养护(分别制作不同养护温度条件下的试件1-3)；试件标距25mm、厚度10mm、宽度5.5mm，试件长度100mm。抽真空搅拌目的是降低拌和过程中聚脲粘结剂与空气反映的程度，可以在一定程度上消除拌和物中产生的气泡对材料的影响。加热搅拌的目的是进一步增加拌和物的流动性和可加工性，进而在制作相同粘度的拌合料情况下可降低聚脲的用量。

循环加卸载压缩模量及回弹模量试验结果如表1所示，拉伸强度试验结果如表4和图5所示。

水稳性：试样连续泡水30天，无析出物，烘干后质量无变化，体积无变化。

渗透性：采用板状试件测试的综合渗透率为1.0×10^-16m²～1.0×10^-18m²。

表1循环加卸载条件下压缩模量与回弹模量(单位：MPa)

循环次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											压缩模量	14.91	19.37	18.90	19.81	19.46	20.14	19.71	20.39	20.10	20.49
回弹模量	19.37	19.81	20.14	20.39	20.49	20.72	21.00	21.24	21.35	21.42
											循环次数	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
压缩模量	20.32	20.72	20.53	21.00	20.80	21.24	21.09	21.35	21.24	21.42
											回弹模量	21.63	21.79	21.82	21.95	21.97	22.15	22.42	22.06	22.30	22.42

由表1可知，随着加卸载次数的增加，材料加载模量与卸载模量逐渐趋同，表明本发明的弹性材料具有良好的循环加卸载弹性恢复性能，长期使用后的残余变形量小，可大幅度提高材料抗裂性能。

表2拉伸强度试验结果表

试件编号	试件1	试件2	试件3
				养护温度	-10±2℃	20±2℃	50±2℃
2％应变时弹性模量	39.74	39.75	35.78
				极限抗拉强度	1.02	1.20	1.41
断裂伸长率％	5.32	9.33	9.22

由表2和图3可知，在18-52℃条件下养护，有助于获得抗拉强度、断裂伸长率更优异的试件。

不锈钢板层2的厚度为0.25mm；第一弹性层的厚度为7.5mm，第二弹性层的厚度为7.5mm。

不锈钢板层2由多块不锈钢板搭接而成，搭接长度为50-100mm，相邻2块不锈钢板的搭接部分通过粘结剂粘结；所述粘结剂为单组分聚脲；所述不锈钢板为不锈钢波纹板，所述不锈钢板上设有众多相互平行设置的条状波纹。

所述不锈钢板层2上设有多个通孔5，所述多个通孔5呈方形阵列状分布，所述多个通孔内填充有弹性材料，第一弹性层1和第二弹性层7通过通孔5内的弹性材料一体连接。

一种如上述的地下储气库的构建方法，其特征在于，采用方法1或方法2进行，具体如下：

方法1包括如下步骤：

S1、提供混凝土衬砌层3；

S2、在所述混凝土衬砌层3的内壁喷涂弹性材料后，将不锈钢板层2贴合到已喷涂的弹性材料上，获得由外向内依次叠合的第一弹性层1和不锈钢板层2；

S3、在不锈钢板层2的内壁喷涂弹性材料后，用滚筒进行碾压，形成内壁光滑的第二弹性层7，获得地下储气库；

方法2包括如下步骤：

(1)根据需要将密封层划分为若干密封层单元，分别预制各密封层单元；

提供混凝土衬砌层；

(2)将所述若干密封层单元粘结到混凝土衬砌层的内壁上，各密封层单元之间的分缝采用单组分聚脲与粒径小于0.075mm的黏土按1:0.7质量比调制的复合胶体进行填缝处理，从而在混凝土衬砌层的内壁形成一整体密封层，获得地下储气库。

由实施例1可知：

1.本发明所用的弹性材料的抗拉强度可达MPa级，达到或超过混凝土抗拉强度，远大于黏土材料的抗拉强度(一般小于50kPa)；压缩/回弹模量可控制在10MPa～100MPa。

2.本发明所用的弹性材料变形能强，极限强度拉伸应变可控制在10％以上，远远大于混凝土的极限开裂应变(0.04％)，黏土的开裂应变0.1％～0.5％。

3.本发明的弹性材料循环加载、卸载后弹性特征显著，再次压缩回弹可变形量大；初次加载后回弹性能好，重复加载后其弹性性能更佳，残余应变与可恢复回弹应变之比约1/100。

申请人采用FLAC3D软件对实施例1的储气库(参见图6和图7)进行了计算机模拟试验，同时，仅改变密封层材料，分别对以不锈钢板和玻璃钢为密封层的情况下进行了同样的模拟试验，具体结果如表3所示。由表3可知，采用本发明实施例1的方案情况下，代表密封层结构应力状态的第一和第三主应力均为压应力，表明密封层结构完全处于受压状态，避免了密封层结构因为受拉而产生拉裂缝，进而避免密封层产生气体渗漏现象。而以不锈钢板和玻璃钢为密封层，无法达到上述效果。

表3不同材料密封层特征应力对比

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种地下储气库，包括设置于地下岩体（4）中的储气腔，所述储气腔的外壁从外向内包括混凝土衬砌层（3）和密封层，其特征在于，所述密封层包括由外向内依次叠合的第一弹性层（1）、不锈钢板层（2）和第二弹性层（7）；弹性层由弹性材料制成。

2.根据权利要求1所述的地下储气库，其特征在于，按质量份计，所述弹性材料的原料组成包括聚脲、集料和扩链剂，聚脲、集料和扩链剂的质量比为30-60：10-70:0.075-1.2；其中，所述集料的粒径≤0.075mm。

3.根据权利要求2所述的地下储气库，其特征在于，所述弹性材料的原料组成还包括稀释剂，所述稀释剂与聚脲的质量比为5-15:100；所述稀释剂为非活性稀释剂，优选地，所述非活性稀释剂为乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、丙酮、甲苯、环氧活性稀释剂中的一种或几种。

4.根据权利要求2-3任一项所述的地下储气库，其特征在于，所述聚脲为单组份手工聚脲、聚天门冬氨酸酯聚脲、双组份聚脲中的一种或几种；优选地，所述聚脲的表干时间为0.5-3.5h，拉伸强度为3-25MPa，伸长率为200-500%，所述聚脲的固含量≥94wt%。

5.根据权利要求2-3任一项所述的地下储气库，其特征在于，所述扩链剂为MOCA、Hartcure30、DETDA、乙二胺、间苯二胺中的一种或几种；优选地，所述集料为膨润土和/或黏土。

6.根据权利要求2-3任一项所述的地下储气库，其特征在于，不锈钢板层（2）的厚度为0.2-0.5mm；第一弹性层和第二弹性层的厚度之和为10-30mm。

7.根据权利要求2-3任一项所述的地下储气库，其特征在于，不锈钢板层（2）由多块不锈钢板搭接而成，搭接长度为50-100mm，相邻2块不锈钢板的搭接部分通过粘结剂粘结；优选地，所述粘结剂为单组分聚脲；优选地，所述不锈钢板为不锈钢波纹板。

8.根据权利要求2-3任一项所述的地下储气库，其特征在于，所述不锈钢板层（2）上设有多个通孔（5），所述多个通孔（5）呈阵列状分布，所述多个通孔内填充有弹性材料，第一弹性层（1）和第二弹性层（7）通过通孔（5）内的弹性材料一体连接。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的地下储气库的构建方法，其特征在于，采用方法1或方法2进行；

其中，方法1包括如下步骤：

S1、提供混凝土衬砌层（3）；

S2、在所述混凝土衬砌层（3）的内壁涂覆弹性材料后，将不锈钢板层（2）贴合到已涂覆的弹性材料上，获得由外向内依次叠合的第一弹性层（1）和不锈钢板层（2）；

S3、在不锈钢板层（2）的内壁涂覆弹性材料后，用滚筒进行碾压，形成内壁光滑的第二弹性层（7），获得地下储气库；

方法2包括如下步骤：

（1）根据需要将密封层划分为若干密封层单元，分别预制各密封层单元；

提供混凝土衬砌层；

（2）将所述若干密封层单元粘结到混凝土衬砌层的内壁上，在混凝土衬砌层的内壁形成一整体密封层，获得地下储气库；进一步地，通过单组分聚脲将密封层粘结到混凝土衬砌层的内壁上。