CN116927877A - 用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库。它包括位于硬岩分布范围线区域内的地面隧道入口，所述隧道入口朝向硬岩地下开凿有隧道；所述隧道路径两侧开凿有多个结构和功能均独立的储气单元；每个所述储气单元与隧道连接处设置有密封塞，每个所述密封塞内部从隧道外端至储气单元内端贯穿有压缩空气管道、排水管道和人工通道，每个所述人工通道与对应储气单元连接处设置有密封门。本发明利用储气单元的独立性，根据充放电要求灵活调配使用其中的一个或多个储气单元，使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及地下储能技术领域，具体地指一种用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库。
背景技术
压缩空气储能是一种利用压缩空气作为介质来储存能量和发电的技术。在用电低谷时，它用风电和电网中多余的电能驱动空气压缩机，把电能转化为压缩空气内能在地下洞室中储存起来，到用电高峰时，释放高压空气，将压缩空气的势能转变为膨胀机的机械功输出，驱动发电机发电。
压气储能电站的地下储气构造物是压气储能电站的主要组成部分，它既是电站选址的决定因素，也是电站运行性能和可靠性的技术关键。地下储气构造物包括：已开采完的贮气和贮油的地质构造、地下含水层、已开采或专门开凿的岩盐溶腔、硬岩中人工开挖的地下洞室。前三种都是利用特殊的地质构造，经过勘探后可直接用于储存压缩气体，但是由于地质条件比较特殊，在风能富集或用电需求量大而需要建压气储能电站的地区不一定能找到这样的地质构造，因此，在硬岩中人工开挖地下洞室便成为这些地区压气储能电站最可能选择的地下储气库方案。
在硬岩条件下建设人工地下储气库对场址地下的岩石质量及分布具有较高要求：需要较大区域的硬质岩石的分布，同时岩石分布应尽可能均匀。但是，现有技术中场址地下的硬质岩石的分布往往不均匀，或者呈现不规则形状，这极大地限制人工硬岩地下储气库在部分地区的应用。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提出一种用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，在硬岩分布范围线区域内开凿形状呈规则或不规则的隧道，同时在隧道路径两侧开凿多个结构和功能均独立的储气单元，将每个储气单元通过压缩空气管道串联或并联构成整个地下储气库，从而使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围。
为达到上述目的，本发明所设计的一种用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特别之处在于：包括位于硬岩分布范围线区域内的地面隧道入口，所述隧道入口朝向硬岩地下开凿有隧道，所述隧道为分布在硬岩分布范围线区域内的规则或不规则通道；
所述隧道路径两侧开凿有多个结构和功能均独立的储气单元，每个所述储气单元为硬岩分布范围线区域内的条状隧洞，且每个所述储气库外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩；
每个所述储气单元与隧道连接处设置有密封塞，每个所述密封塞外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩，每个所述密封塞内部从隧道端至储气单元端贯穿有压缩空气管道、排水管道和人工通道，每个所述人工通道与对应储气单元连接处设置有密封门。
进一步地，每个所述储气单元长度、直径和布置方位均根据场址处的硬岩分布范围线确定。
更进一步地，每个所述储气单元洞壁由内至外依次设置有密封层、滑动层和钢筋混凝土衬砌层；所述密封层用于保证储气单元中的压缩空气不外泄，所述滑动层用于平衡在频繁充放气过程中密封层和钢筋混凝土衬砌层界面之间的剪切应力，减少密封层与钢筋混凝土衬砌层之间的摩擦，所述钢筋混凝土衬砌层用于将内部高压载荷传递至围岩。
更进一步地，所述密封层厚度6～16mm，采用钢板制作，钢板材质为Q355低合金高强钢；所述滑动层厚度4～6mm，采用聚合物改性沥青与纤维增强材料、或聚氨酯材料制作；所述钢筋混凝土衬砌层厚度400～800mm。
进一步地，所述压缩空气管道通过竖井依次进入隧道、密封塞和储气单元，所述竖井位于密封塞外端，由隧道贯穿至地面。
更进一步地，每个所述储气单元通过压缩空气管道串联或并联构成整个地下储气库，地上供电站根据充放电要求，灵活调配使用其中一个或多个储气单元。
更进一步地，所述隧道在地下储气库施工期间作为交通通道使用，在地下储气库储气运行期间作为检修通道使用。
进一步地，所述硬岩分布范围线区域内的岩石为强度高、均匀性好、节理少的岩层。
本发明的优点在于：
1、本发明在硬岩分布范围线区域内开凿形状呈规则或不规则的隧道，同时在隧道路径两侧开凿多个结构和功能均独立的储气单元，利用储气单元的独立性，根据充放电要求灵活调配使用其中的一个或多个储气单元；
2、本发明中将每个储气单元通过压缩空气管道串联或并联构成整个地下储气库，储气库中的每个储气单元长度、直径和布置方位均根据场址处的硬岩分布范围线确定，确保储气库布置在岩石强度高、均匀性好、节理较少的岩层区域；极大提高储气库的安全性和减少工程投资；同时使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围；
3、本发明的地下储气库在工程建设期间，能够同时进行多个储气单元的开挖及内部结构施工，施工快速，极大地减少建设工期；
4、本发明的地下储气库在地上供电站不停机运行期间，能够分批对储气单元进行维护检修工作；
5、本发明在储气单元与隧道连接处设置密封塞，在密封塞内部从隧道外端至储气单元内端贯穿压缩空气管道、排水管道和人工通道，且人工通道与对应储气单元连接处设置密封门，从而实现储气单元的密封性；
本发明用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，开凿多个结构和功能均独立的储气单元，利用储气单元的独立性，根据充放电要求灵活调配使用其中的一个或多个储气单元，使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围。
附图说明
图1为本发明用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库的布置示意图；
图2为本发明中的储气单元的结构组成图；
图3为本发明中的储气单元的洞壁结构图；
图4为本发明中的密封塞的剖视结构图；
图5为本发明在硬岩分布不规则区域的布置示意图；
图中：储气单元1、密封塞2、隧道3、隧道入口4、竖井5、围岩6、硬岩分布范围线7；
储气单元1包括：密封层1-1、滑动层1-2、钢筋混凝土衬砌层1-3；
密封塞2包括：压缩空气管道2-1、排水管道2-2、人工通道2-3、密封门2-4。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
如图1所示，本发明用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，储气库选址需要有一定深度和范围的完整致密的硬岩。所述人工硬岩地下储气库包括位于硬岩分布范围线7区域内的地面隧道入口4，所述隧道入口4朝向硬岩地下开凿有隧道3，所述隧道3为分布在硬岩分布范围线7区域内的规则或不规则通道。
具体地，所述硬岩分布范围线7区域内的岩石为强度高、均匀性好、节理少的岩层。
所述隧道3路径两侧开凿有多个结构和功能均独立的储气单元1，每个所述储气单元1为硬岩分布范围线7区域内的条状隧洞，且每个所述储气单元1外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩6。
具体地，储气单元1采用人工地下开凿形成储气空间，储气空间用于存储压缩空气。
所述隧道3在地下储气库施工期间作为交通通道使用，在地下储气库储气运行期间作为检修通道使用。
如图2所示，每个所述储气单元1与隧道3连接处设置有密封塞2，每个所述密封塞2外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩6，每个所述密封塞2内部从隧道3端至储气单元1端贯穿有压缩空气管道2-1、排水管道2-2和人工通道2-3，每个所述人工通道2-3与对应储气库1连接处设置有密封门2-4。
密封塞2为端头密封及管道进出，保证压缩空气不泄漏。密封塞2利用围岩6来承担储气单元1内部高压，压缩空气管道2-1、排水管道2-2和人工通道2-3均通过密封塞2进入储气单元1内部，密封塞2外端为隧道3，内端为储气单元1。
优选地，每个储气单元1均配备压缩空气管道2-1，在结构及功能上均可独立进行压缩空气的存储和释放。每个所述储气单元1通过压缩空气管道2-1串联或并联构成整个地下储气库，地上供电站根据充放电要求，灵活调配使用其中一个或多个储气单元1。
本发明在储气单元1与隧道3连接处设置密封塞2，在密封塞2内部从隧道3端至储气单元1端贯穿压缩空气管道2-1、排水管道2-2和人工通道2-3，且人工通道2-3与对应储气单元1连接处设置密封门2-4，从而实现储气单元的密封性。
本发明在硬岩分布范围线7区域内开凿形状呈规则或不规则的隧道3，同时在隧道3路径两侧开凿多个结构和功能均独立的储气单元1，利用储气单元1的独立性，根据充放电要求灵活调配使用其中的一个或多个储气单元1。
本发明中将每个储气单元1通过压缩空气管道2-1串联或并联构成整个地下储气库，储气库中的每个储气单元1长度、直径和布置方位均根据场址处的硬岩分布范围线7确定，确保储气库布置在岩石强度高、均匀性好、节理较少的岩层区域；极大提高储气库的安全性和减少工程投资；同时使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围。
优选地，所述压缩空气管道2-1通过竖井5依次进入隧道3、密封塞2和储气单元1，所述竖井5位于密封塞2外端，由隧道3贯穿至地面。所述竖井5采用钻机施工。
具体地，如图3所示，每个所述储气单元1洞壁由内至外依次设置有密封层1-1、滑动层1-2和钢筋混凝土衬砌层1-3；所述密封层1-1用于保证储气单元中的压缩空气不外泄，所述滑动层1-2用于平衡在频繁充放气过程中密封层1-1和钢筋混凝土衬砌层1-3界面之间的剪切应力，减少密封层1-1与钢筋混凝土衬砌层1-3之间的摩擦，所述钢筋混凝土衬砌层1-3用于将内部高压载荷传递至围岩6。当洞室被加压时，这些结构组件以复杂的相互作用协同工作。
具体地，所述密封层1-1厚度8～16mm，采用钢板制作，钢板材质为Q355低合金高强钢，经研究及测试能起到良好的密封效果。所述滑动层1-2厚度4～6mm，采用聚合物改性沥青与纤维增强材料、或聚氨酯材料制作；滑动层1-2不仅为密封层1-1提供了防腐保护，还弥合了钢筋混凝土衬砌层1-3表面的裂缝，也起到了防止高压气体泄漏的作用。所述钢筋混凝土衬砌层1-3厚度400～800mm。
本发明的施工步骤如下：
S1)选定场址施工隧道入口4及隧道3；
S2)在硬岩地层中施工储气单元1，可多个储气单元1同时施工；
其中，
S21)在硬岩中开挖形成储气空间，采用喷锚等支护手段对软弱岩层进行加强；其中储气单元1的长度和位置应结合地勘及实际开挖结果进行动态调整，总储气容积需满足电站运行要求；
S22)以密封层1-1作为模板，施工钢筋混凝土衬砌层1-3，滑动层1-2在钢筋混凝土衬砌层1-3浇筑前固定于密封层1-1接触面，完成储气库密封结构的施工；
S23)施工密封塞2及压缩空气管道2-1、排水管道2-2和人工通道2-3等；
S3)施工压缩空气管道2-1，将储气单元1进行并联或串联供地上电站调用。
本发明用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，开凿多个结构和功能均独立的储气单元，利用储气单元的独立性，根据充放电要求灵活调配使用其中的一个或多个储气单元，使压缩空气储能电站在地下岩石分布不规则或者不均匀的地区具备建设条件，极大地扩大人工地下储气库的应用范围。
本发明有助于推动压缩空气储能技术在实践中的应用，推动储能行业的发展，从而实现更加高效、环保的能源储存和利用，具有广泛的社会意义和应用价值，对于推动可持续发展、提高能源利用效率和环境保护都有着重要的意义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：包括位于硬岩分布范围线(7)区域内的地面隧道入口(4)，所述隧道入口(4)朝向硬岩地下开凿有隧道(3)，所述隧道(3)为分布在硬岩分布范围线(7)区域内的规则或不规则通道；
所述隧道(3)路径两侧开凿有多个结构和功能均独立的储气单元(1)，每个所述储气单元(1)为硬岩分布范围线(7)区域内的条状隧洞，且每个所述储气单元(1)外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩(6)；
每个所述储气单元(1)与隧道(3)连接处设置有密封塞(2)，每个所述密封塞(2)外围贴合有用于承担高压气体载荷的围岩(6)，每个所述密封塞(2)内部从隧道(3)端至储气单元(1)端贯穿有压缩空气管道(2-1)、排水管道(2-2)和人工通道(2-3)，每个所述人工通道(2-3)与对应储气库(1)连接处设置有密封门(2-4)。
2.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：每个所述储气单元(1)长度、直径和布置方位均根据场址处的硬岩分布范围线(7)确定。
3.根据权利要求2所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：每个所述储气单元(1)洞壁由内至外依次设置有密封层(1-1)、滑动层(1-2)和钢筋混凝土衬砌层(1-3)；所述密封层(1-1)用于保证储气单元中的压缩空气不外泄，所述滑动层(1-2)用于平衡在频繁充放气过程中密封层(1-1)和钢筋混凝土衬砌层(1-3)界面之间的剪切应力，减少密封层(1-1)与钢筋混凝土衬砌层(1-3)之间的摩擦，所述钢筋混凝土衬砌层(1-3)用于将内部高压载荷传递至围岩(6)。
4.根据权利要求3所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：所述密封层(1-1)厚度8～16mm，采用钢板制作，钢板材质为Q355低合金高强钢；所述滑动层(1-2)厚度4～6mm，采用聚合物改性沥青与纤维增强材料、或聚氨酯材料制作；所述钢筋混凝土衬砌层(1-3)厚度400～800mm。
5.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：所述压缩空气管道(2-1)通过竖井(5)依次进入隧道(3)、密封塞(2)和储气单元(1)，所述竖井(5)位于密封塞(2)外端，由隧道(3)贯穿至地面。
6.根据权利要求5所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：每个所述储气单元(1)通过压缩空气管道(2-1)串联或并联构成整个地下储气库，地上供电站根据充放电要求，灵活调配使用其中一个或多个储气单元(1)。
7.根据权利要求6所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：所述隧道(3)在地下储气库施工期间作为交通通道使用，在地下储气库储气运行期间作为检修通道使用。
8.根据权利要求1所述的用于压缩空气储能的人工硬岩地下储气库，其特征在于：所述硬岩分布范围线(7)区域内的岩石为强度高、均匀性好、节理少的岩层。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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