压缩空气储能人工硐库热力耦合解析方法研究

压缩空气储能人工硐库在充气和抽气循环过程中,空气温度、压力,以及硐壁密封层、混凝土衬砌和围岩的温度、应力和应变一直处于变化之中。联合求解这些变量是工程设计中的关键技术,也是理论分析的难点。在一维热传导基本解和人工硐库空气温度基本解的基础上,基于硐壁对流换热和热传导能量守恒,提出人工硐库内空气热力学计算与硐壁热传导的耦合解析方法。与数值模拟结果进行了对比,验证了所提方法的正确性。对一个钢质密封层人工硐库实例进行了分析。结果表明,充抽气过程引起硐库内空气温度的剧烈变化,空气压力变幅明显大于基于恒温假定得到的压力变化结果。硐壁温度周期波动影响深度有限,当混凝土衬砌厚度大于周期波动影响范围后,围岩温度以持续升高直至稳定为特征,围岩强度和稳定性分析可以不考虑周期循环温度的影响。密封层受温度和空气内压双重作用明显,密封层设计需考虑材料的热机械疲劳问题。混凝土衬砌内外表面环向应力和法向应变特征差异巨大,不同工况下内外表面环向应力可能接近混凝土材料的抗压和抗拉强度,混凝土材料的抗压和抗拉强度同为设计的控制因素。混凝土衬砌可以减小围岩压力,但作用有限。在适当的埋深条件下,选择适当的充气压力,可以保证围岩处于弹性状态。

压缩空气储能电站地下硐库安全埋深计算的极限平衡方法

目前,压缩空气储能电站广泛采用人工开挖的地下岩石内衬硐库(LRC)作为储气容器,采用柔性密封的设计理念使得LRC与上覆岩体共同作为承载结构。高内气压作用下,硐库的安全埋深将直接关系到硐库及上覆地层的整体稳定性。基于此,文章建立了考虑摩擦和粘聚作用的锥体破坏模型,定义了起裂角α、岩体破裂角β这两个决定锥体模型极限平衡状态的参数,利用极限平衡方法、被动岩土压力分别推导了关于埋深H、安全系数F_(s)和岩体破裂角β的两个控制方程,采用初值迭代法计算安全埋深/安全系数并开发了计算软件,讨论了关于LRC的安全系数控制标准。通过工程算例对比了刚体圆锥模型、竖直滑面模型与所提方法的计算结果,验证了文章模型的可靠性。针对模型的参数敏感性,分别研究了地应力侧压系数k、岩体重度γ、岩体内摩擦角φ及粘聚力c_(e)对岩体破裂角β、安全埋深H的影响。结果表明:(1)k<1.0时将显著影响H和β,k<2.0时影响程度放缓,2.0<k<3.0基本无明显影响;(2)c_(e)对H和β的影响是重要且复杂的,β随c_(e)增大而增大,H先增后减。