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一种地下储气库及布置方法

申请号 CN202311788718.7 申请日 2023-12-25 公开(公告)号 CN117759336A 公开(公告)日 2024-03-26
申请人 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司; 发明人 刘静; 狄圣杰; 何小亮; 陆希; 黄鹏;
摘要 本 发明 公开了一种地下储气库及布置方法,属于压缩空气储能技术领域,能够解决 现有技术 中 混凝土 衬砌层的抗拉性能较差,在内应 力 的作用下极易破坏的问题。所述储气库包括:地下洞室;衬砌层,设于地下洞室的洞壁内侧,衬砌层由多 块 混凝土衬砌块围合而成;密封层,设于衬砌层的内侧,密封层和衬砌层均呈环形;连接组件,设于多块混凝土衬砌块上,用于将相邻两块混凝土衬砌块活动连接。本发明用于构建地下储气库。
权利要求

1.一种地下储气库,其特征在于,所述储气库包括:
地下洞室;
衬砌层,设于所述地下洞室的洞壁内侧,所述衬砌层由多混凝土衬砌块围合而成;
密封层,设于所述衬砌层的内侧,所述密封层和所述衬砌层均呈环形;
连接组件,设于多块所述混凝土衬砌块上,用于将相邻两块所述混凝土衬砌块活动连接。
2.根据权利要求1所述的储气库,其特征在于,相邻两块所述混凝土衬砌块上具有相对的第一接缝面和第二接缝面,所述第一接缝面上设有多个第一插接孔;所述连接组件包括:
多根第一连接杆,一端固定在所述第二接缝面上,另一端分别插接在多个所述第一插接孔内。
3.根据权利要求2所述的储气库,其特征在于,所述第二接缝面上设有多个第二插接孔;所述连接组件还包括:
多根第二连接杆,一端固定在所述第一接缝面上,另一端分别插接在多个所述第二插接孔内。
4.根据权利要求3所述的储气库,其特征在于,所述连接组件还包括:
多根导向管,插设在多个所述第一插接孔和多个所述第二插接孔内;多根所述第一连接杆和多根所述第二连接杆分别插接在多根所述导向管内;
多个可伸缩件,分别穿设于多根所述导向管内,多个所述可伸缩件的一端分别固定在多个所述第一插接孔和多个所述第二插接孔的底部,另一端分别与多个所述第一连接杆和多个所述第二连接杆连接。
5.根据权利要求1所述的储气库,其特征在于,所述混凝土衬砌块的数量与所述衬砌层的内径的比值小于或等于1.6。
6.根据权利要求1所述的储气库,其特征在于,所述密封层为双层空心多肋板结构,所述密封层上具有多个朝其两侧凸起的缓冲部,且多个所述缓冲部与所述衬砌层中的多个接缝位置相对应。
7.根据权利要求1所述的储气库,其特征在于,所述储气库还包括:
柔性自适应层,设于所述密封层和所述衬砌层之间。
8.一种地下储气库布置方法,其特征在于,所述方法包括:
S1、根据密封层的结构参数和材料参数,确定所述密封层可承受的最大压
S2、计算储气库的设计总压力与所述最大压力的差值,得到第一压力;
S3、根据地下洞室和衬砌层的参数,确定所述衬砌层在所述第一压力和洞室围岩的联合作用下所需的第一连接杆和/或第二连接杆的数量和长度。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述S2之前还包括:
计算所述最大压力与所述总压力的比值,得到所述密封层的气压比;
根据气压比设计要求,调整所述密封层的结构参数,以使调整后得到的气压比与所述气压比设计要求相匹配。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述S3之前还包括:
根据所述密封层的结构参数和材料参数,确定所述密封层在所述最大压力作用下的径向形变量;
根据柔性自适应层的参数,确定所述柔性自适应层在所述第一压力作用下的压缩形变量;
计算所述径向形变量与所述压缩形变量的和,得到所述柔性自适应层的厚度。

说明书全文

一种地下储气库及布置方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地下储气库及布置方法,属于压缩空气储能技术领域。

背景技术

[0002] 压缩空气地下储气库指的是利用天然地下洞穴、盐穴或深层岩石孔隙等地下空间进行储存、压缩空气的储气系统。地下储气库建设的核心任务是保证储气库的密封性和洞室结构安全性。
[0003] 目前,地下储气库多采用板作为密封层,并在密封层的外部整体浇筑混凝土,形成支撑密封层的衬砌层。由于储气库内运行的是高压气体,其压高达10MPa以上,密封层、衬砌层和洞室围岩在高压气体的作用下会发生形变,其形变量和洞室围岩的强度相关,当围岩的强度较小时,密封层、衬砌层和围岩的形变量均较大。
[0004] 由于混凝土的抗拉性能较差,当衬砌层的形变量较大时,混凝土衬砌层容易发生开裂,且裂缝的密度大、宽度宽,严重影响地下储气库的稳定性。随着裂缝加宽加深,最终可使衬砌层受拉断裂,导致密封层因失去支撑而破坏,进而造成储气库漏气事故。因此,现有技术存在混凝土衬砌层的抗拉性能较差,在内应力的作用下极易破坏的缺陷

发明内容

[0005] 本发明提供了一种地下储气库及布置方法,能够解决现有技术中混凝土衬砌层的抗拉性能较差,在内应力的作用下极易破坏的问题。
[0006] 一方面,本发明提供了一种地下储气库,所述储气库包括:
[0007] 地下洞室;
[0008] 衬砌层,设于所述地下洞室的洞壁内侧,所述衬砌层由多混凝土衬砌块围合而成;
[0009] 密封层,设于所述衬砌层的内侧,所述密封层和所述衬砌层均呈环形;
[0010] 连接组件,设于多块所述混凝土衬砌块上,用于将相邻两块所述混凝土衬砌块活动连接。
[0011] 可选地,相邻两块所述混凝土衬砌块上具有相对的第一接缝面和第二接缝面,所述第一接缝面上设有多个第一插接孔;所述连接组件包括:
[0012] 多根第一连接杆,一端固定在所述第二接缝面上,另一端分别插接在多个所述第一插接孔内。
[0013] 可选地,所述第二接缝面上设有多个第二插接孔;所述连接组件还包括:
[0014] 多根第二连接杆,一端固定在所述第一接缝面上,另一端分别插接在多个所述第二插接孔内。
[0015] 可选地,所述连接组件还包括:
[0016] 多根导向管,插设在多个所述第一插接孔和多个所述第二插接孔内;多根所述第一连接杆和多根所述第二连接杆分别插接在多根所述导向管内;
[0017] 多个可伸缩件,分别穿设于多根所述导向管内,多个所述可伸缩件的一端分别固定在多个所述第一插接孔和多个所述第二插接孔的底部,另一端分别与多个所述第一连接杆和多个所述第二连接杆连接。
[0018] 可选地,所述混凝土衬砌块的数量与所述衬砌层的内径的比值小于或等于1.6。
[0019] 可选地,所述密封层为双层空心多肋板结构,所述密封层上具有多个朝其两侧凸起的缓冲部,且多个所述缓冲部与所述衬砌层中的多个接缝位置相对应。
[0020] 可选地,所述储气库还包括:
[0021] 柔性自适应层,设于所述密封层和所述衬砌层之间。
[0022] 可选地,所述方法包括:
[0023] S1、根据密封层的结构参数和材料参数,确定所述密封层可承受的最大压力;
[0024] S2、计算储气库的设计总压力与所述最大压力的差值,得到第一压力;
[0025] S3、根据地下洞室和衬砌层的参数,确定所述衬砌层在所述第一压力和洞室围岩的联合作用下所需的第一连接杆和/或第二连接杆的数量和长度。
[0026] 可选地,所述S2之前还包括:
[0027] 计算所述最大压力与所述总压力的比值,得到所述密封层的气压比;
[0028] 根据气压比设计要求,调整所述密封层的结构参数,以使调整后得到的气压比与所述气压比设计要求相匹配。
[0029] 可选地,所述S3之前还包括:
[0030] 根据所述密封层的结构参数和材料参数,确定所述密封层在所述最大压力作用下的径向形变量;
[0031] 根据柔性自适应层的参数,确定所述柔性自适应层在所述第一压力作用下的压缩形变量;
[0032] 计算所述径向形变量与所述压缩形变量的和,得到所述柔性自适应层的厚度。
[0033] 本发明能产生的有益效果包括:
[0034] 本发明通过将多块混凝土衬砌块围合成衬砌层,增大了衬砌层的形变范围,能够及时释放混凝土衬砌层受高压气体作用而产生的内应力,避免衬砌层因受力过大而破坏。
[0035] 本发明通过在混凝土衬砌块上设置连接组件,将相邻两块混凝土衬砌块活动连接,能够有效防止混凝土衬砌块之间发生错位而影响密封层的稳定性。这样改善了衬砌层的受力情况,提高了衬砌层工作的平稳性,加强了储气库的稳定性。
[0036] 本发明通过设置多个可伸缩件,使得连接组件具有抗疲劳性,保障了连接组件在接缝反复张开闭合的过程中的稳定性。
[0037] 本发明在密封层和衬砌层之间设置柔性自适应层,一方面有利于充分发挥密封层和衬砌层的结构特性,进而平衡洞室围岩、密封层、衬砌层等结构承担的空气内压,另一方面有利于给密封层提供连续的支撑结构。
[0038] 本发明通过将密封层设置为双层空心多肋板的结构,使得密封层相较于单层薄钢板具有更高的强度,增强了密封层的稳定性和承载力;同时相较于单层厚钢板减少了钢材用量,提高了经济性。
[0039] 本发明通过在密封层上设置缓冲部,加强了处于接缝处的密封层的结构强度,同时缓冲部在衬砌块的接缝张开和闭合时可以进行适应性变形,从而有效避免密封层因接缝处应力过大而破坏,防止密封层在高压气体的高压和温变循环作用下开裂漏气。
[0040] 本发明通过在缓冲部的空腔内设置气体感应器等检测设备,有效保护了检测设备的稳定,便于监控气体泄露情况,也方便后期检查维修。
[0041] 本发明的布置方法适用范围广,可以适用于软岩、硬岩等不同强度的洞室围岩;同时,本发明的布置方法灵活度高,可以灵活控制洞室围岩、衬砌层、密封层的受力情况,确保地下储气库整体结构的安全及布置最优,减少资源浪费。附图说明
[0042] 图1为本发明实施例提供的地下储气库的结构示意图;
[0043] 图2为图1中A向剖视图;
[0044] 图3为本发明实施例提供的混凝土衬砌块接缝闭合状态的结构示意图;
[0045] 图4为本发明实施例提供的混凝土衬砌块接缝张开状态的结构示意图;
[0046] 图5为本发明实施例提供的密封层的结构示意图;
[0047] 图6为本发明实施例提供的缓冲部的结构示意图。
[0048] 部件和附图标记列表:
[0049] 1、喷护层1;2、衬砌层;21、混凝土衬砌块;22、接缝;3、柔性自适应层;4、密封层;41、外层钢板;42、内层钢板;43、肋板、44;缓冲部;5、连接组件;51、第一连接杆;52、第二连接杆;53、导向管;54、可伸缩件;55、螺纹钢筋;6、止片;7、气体感应器。

具体实施方式

[0050] 下面结合实施例详述本发明,但本发明并不局限于这些实施例。
[0051] 本发明实施例提供了一种地下储气库,如图1至图4,该储气库包括:
[0052] 地下洞室;
[0053] 衬砌层2,设于地下洞室的洞壁内侧,衬砌层2由多块混凝土衬砌块21围合而成;
[0054] 密封层4,设于衬砌层2的内侧,密封层4和衬砌层2均呈环形;
[0055] 连接组件5,设于多块混凝土衬砌块21上,用于将相邻两块混凝土衬砌块21活动连接。
[0056] 本发明通过将多块混凝土衬砌块21围合成衬砌层2并设置连接组件5,利用衬砌层2接缝22处预留的相对可运动量尽可能地释放衬砌层2的拉应力,减少了衬砌层2因荷载过大导致的混凝土拉伸裂缝的产生。同时使得相邻两块混凝土衬砌块21上的接缝面在接缝22反复张开和闭合的过程中,仍然能够保持彼此对齐,保障了密封层4支撑结构的稳定性。
[0057] 具体地,混凝土衬砌块21可以为现浇混凝土衬砌块,也可以为预制混凝土衬砌块。
[0058] 本发明对混凝土衬砌块21的数量和厚度不做限定,可以根据洞室围岩的强度、储气库的设计尺寸等综合条件来设定。具体地,在本实施例中,混凝土衬砌块21的数量与衬砌层2的内径的比值小于或等于1.6,即混凝土衬砌块21的数量为n,且2≤n≤1.6R;混凝土衬砌块21的厚度为H,且min{0.2m,R/10}≤H≤R,其中R为衬砌层2的内径,这样设置混凝土衬砌块21的数量和厚度,可以使衬砌层2更加稳定。
[0059] 具体地,如图3至图4,相邻两块混凝土衬砌块21上具有相对的第一接缝面和第二接缝面,第一接缝面上设有多个第一插接孔;连接组件5可以包括:
[0060] 多根第一连接杆51,一端固定在第二接缝面上,另一端分别插接在多个第一插接孔内。
[0061] 具体地,如图3至图4,第二接缝面上还设有多个第二插接孔;连接组件5还可以包括:
[0062] 多根第二连接杆52,一端固定在第一接缝面上,另一端分别插接在多个第二插接孔内。
[0063] 在本实施例中,如图3至图4,多个第一插接孔和多个第二插接孔均沿衬砌层2的厚度方向均匀布置,相应地,多个第一连接杆51和多个第二连接杆52沿衬砌层2的厚度方向交错均匀布置。实际中,在衬砌层2的同一横截面上,当分布的所有第一连接杆51和所有第二连接杆52沿衬砌层2厚度方向的长度之和为(1/4~2/3)H时,衬砌层2具有更好的稳定性。
[0064] 在本实施例中,如图2,多个第一插接孔和多个第二插接孔均沿衬砌层2的长度方向均匀布置,相应地,多个第一连接杆51和多个第二连接杆52沿衬砌层2的长度方向交错均匀布置。实际中,在衬砌层2的同一纵截面上,当分布的所有第一连接杆51和所有第二连接杆52沿衬砌层2长度方向的间隔为20~100cm时,衬砌层2具有更好的稳定性。
[0065] 在本实施例中,第一连接杆51和第二连接杆52均为由薄钢板包裹混凝土组成的一个实心圆柱形结构。
[0066] 具体地,如图3至图4,连接组件5还可以包括:
[0067] 多根导向管53,插设在多个第一插接孔和多个第二插接孔内;多根第一连接杆51和多根第二连接杆52分别插接在多根导向管53内;
[0068] 多个可伸缩件54,分别穿设于多根导向管53内,多个可伸缩件54的一端分别固定在多个第一插接孔和多个第二插接孔的底部,另一端分别与多个第一连接杆51和多个第二连接杆52连接。
[0069] 在本实施例中,导向管53为空心的圆形薄钢管,可伸缩件54为弹簧
[0070] 通过设置导向管53和可伸缩件54,可以减小第一连接杆51与第一连接孔、第二连接杆52与第二连接孔之间的摩擦力,同时可以在衬砌层2的接缝22张开和闭合的过程中,牵引第一连接杆51和第二连接杆52的运动路径,使得第一连接杆51和第二连接杆52的插拔过程更加顺畅,避免产生阻滞,影响接缝22闭合。
[0071] 在本实施例中,导向管53远离接缝22的一端闭合,相应地,多个可伸缩件54的一端分别固定在多个导向管53的闭合端,另一端分别与多个第一连接杆51和多个第二连接杆52连接。为避免接缝22张开时可伸缩件54将导向管53拉出,本实施例在混凝土衬砌块21内预埋了螺纹钢筋55。螺纹钢筋55锚固在混凝土衬砌块21内,其一端与导向管53的闭合端固定连接,从而将导向管53更牢固地固定在混凝土衬砌块21中。
[0072] 在本实施例中,第一连接杆51和第二连接杆52的长度相同,在接缝22处于闭合状态时,第一连接杆51或第二连接杆52与可伸缩件54及螺纹钢筋55的长度之和为L,当L≥min{0.3m,πR/4n}时,第一连接杆51和第二连接杆52与混凝土衬砌块21的连接更加稳固。
[0073] 具体地,如图5,密封层4为钢衬密封层,且为双层空心多肋板结构,包括:
[0074] 外层钢板41,设于衬砌层2的内侧;
[0075] 内层钢板42,设于外层钢板41的内侧;内层钢板42和外层钢板41均呈环形;
[0076] 多块肋板43,均匀分布于外层钢板41和内层钢板42之间,用于连接外层钢板41和内层钢板42;外层钢板41、内层钢板42和肋板43的厚度均为2~20mm。
[0077] 由于密封层4由外层钢板41、内层钢板42和多块内板构成,使得密封层4相较于单层薄钢板具有更高的强度,增强了密封层4的稳定性和承载力,保障了密封层4的气密性;同时相较于单层厚钢板减少了钢材用量,提高了经济性。另外,外层钢板41和内层钢板42之间的空腔可以容纳气体感应器7等检测设备,便于监控气体泄露情况,也方便后期检查维修。
[0078] 具体地,如图6,密封层4上还具有多个朝其两侧凸起的缓冲部44,且多个缓冲部44与衬砌层2中的多个接缝22位置相对应。
[0079] 通过设置缓冲部44,加强了处于接缝22处的密封层4的结构强度,同时缓冲部44在衬砌块的接缝22张开和闭合时可以进行适应变形,从而有效避免密封层4因接缝22处应力过大而破坏,防止密封层4在高压气体的高压和温变循环作用下开裂漏气。
[0080] 在本实施例中,缓冲部44包括在外层钢板41和内层钢板42上相对设置的两个缓冲带。缓冲带由凹弧、凸弧、凹弧平滑衔接而成,且凹弧与外层钢板41或内层钢板42的其余部位平滑衔接。两个缓冲带的顶点的距离与缓冲带的宽度的比值为0.3~1。由于两个缓冲带之间具有更高的强度和更大的容纳空间,因此本实施例将气体感应器7布置在两个缓冲带之间,可以在储气库运行过程中更好地保护感应器,使感应器稳定工作。
[0081] 具体地,如图1,该储气库还可以包括:
[0082] 柔性自适应层3,设于密封层4和衬砌层2之间。柔性自适应层3由具有一定压缩性的柔性材料制成,使得柔性自适应层3具有反复加载后残余应变小、可回复性好、徐变小等特点。示例地,柔性自适应层3的材料可以是聚胺脂软木板、海绵橡胶等材料。在本实施例中,柔性自适应层3的厚度为5~50mm,压缩模量为0.5~5MPa,且泊松比小于0.4。
[0083] 在密封层4和衬砌层2之间设置柔性自适应层3,一方面可以平衡洞室围岩、密封层4、衬砌层2等结构承担的空气内压,另一方面有利于给密封层4提供连续的支撑结构。
[0084] 具体地,如图1,该储气库还可以包括:
[0085] 喷护层,设于地下洞室的洞壁内侧,用于固定地下洞室的围岩。相应地,衬砌层2设于喷护层的内侧。在本实施例中,喷护层紧挨地下洞室的内壁布置,喷护层的结构采用混凝土喷护或挂钢筋网喷涂混凝土,混凝土的厚度为10~20cm。
[0086] 具体地,如图1至图2,该储气库还可以包括:
[0087] 止水片6,设于每个接缝22处靠近喷护层的一侧,用于减少或避免地下水渗入接缝22处。
[0088] 本实施例在每个接缝22处均布置了一道连续的止水片6,本实施例的止水片6为紫止水片6。
[0089] 本发明另一实施例提供了一种地下储气库布置方法,该方法包括:
[0090] S1、根据密封层4的结构参数和材料参数,确定密封层4可承受的最大压力;
[0091] S2、计算储气库的设计总压力与最大压力的差值,得到第一压力;
[0092] S3、根据地下洞室和衬砌层2的参数,确定衬砌层2在第一压力作用和洞室围岩的联合下所需的第一连接杆51和/或第二连接杆52的数量和长度。
[0093] 在本实施例中,S1具体可以为:
[0094] 根据密封层4的结构参数和材料参数,构建密封层4分析模型,得到密封层4可承受的最大压力。
[0095] 首先,本实施例根据密封层4两层钢板加肋板43的结构,对密封层4的厚度t进行了等效简化。即:
[0096]
[0097] 其中,m为沿肋板43的数量,g为肋板43的厚度,t1为内层钢板42的厚度,t2为内层钢板42和外层钢板41的间距,t3为外层钢板41的厚度,r2为内层钢板42的外径,r3为外层钢板41的内径。上述参数均为密封层4的结构参数。
[0098] 然后,本实施例利用ANSYS,ABAQUS,Midas等有限元分析软件,根据密封层4的厚度t及环形结构,建立密封层4二维简化分析模型。
[0099] 最后,本实施例基于上述密封层4二维简化分析模型,结合衬砌层2材料的许用应力等材料参数,得到密封层4可承受的最大压力P1。
[0100] 具体地,S2之前还可以包括:
[0101] 计算最大压力P1与总压力P的比值,得到密封层4的气压比;
[0102] 根据气压比设计要求,调整密封层4的结构参数,以使调整后得到的气压比与气压比设计要求相匹配。
[0103] 实际中,若是根据S1得到的气压比不理想,可以调整密封层4的外层钢板41厚度、内层钢板42厚度、肋板43数量等结构参数,并修改密封层4二维简化分析模型的厚度t,来重新计算最大压力P1,直到满足气压比设计要求。
[0104] 具体地,S3之前还可以包括:
[0105] 根据密封层4的结构参数和材料参数,确定密封层4在最大压力作用下的径向形变量;
[0106] 根据柔性自适应层3的参数,确定柔性自适应层3在第一压力作用下的压缩形变量;
[0107] 计算径向形变量与压缩形变量的和,得到柔性自适应层3的厚度△。
[0108] 其中,柔性自适应层3的参数包括其厚度、半径等结构参数和压缩模量、泊松比等材料参数。
[0109] 在本实施例中,上述确定柔性自适应层3在第一压力作用下的压缩形变量,具体可以为:
[0110] 利用ANSYS,ABAQUS,Midas等有限元分析软件,构建柔性自适应层3二维简化分析模型,得到柔性自适应层3在第一压力作用下的压缩形变量。
[0111] 具体地,S3可以为:
[0112] 根据地下洞室和衬砌层2的参数,利用ANSYS,ABAQUS,Midas等有限元分析软件,构建洞室和衬砌层二维简化分析模型,得到衬砌层2在第一压力和洞室围岩联合作用下的环形应力和环形形变量;然后依据《混凝土结构设计规范》GB50010,结合第一连接杆51和第二连接杆52的材料特性,确定衬砌层2所需的第一连接杆51和/或第二连接杆52的数量和长度。
[0113] 其中,地下洞室的参数包括洞室围岩的强度等参数,衬砌层2的参数包括其厚度、半径等结构参数和压缩模量、泊松比等材料参数。
[0114] 本实施例提供了一个示例如下:
[0115] 当衬砌层2内径为10m,厚度为50cm,总压力P为10MPa,密封层4承受的最大压力P1为3MPa时,且第一连接杆51和第二连接杆52的结构相同时,混凝土衬砌块21的数量为4块,每个接缝22处布置的第一连接杆51和第二连接杆52的总数为3个,第一连接杆51和第二连接杆52的长度均为50cm;柔性自适应层3的厚度△为2cm。
[0116] 本发明的布置方法适用范围广,可以适用于软岩、硬岩等不同强度的洞室围岩;同时,本发明的布置方法灵活度高,可以灵活控制洞室围岩、衬砌层、密封层的受力情况,确保地下储气库整体结构的安全及布置最优,减少资源浪费。
[0117] 以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。