压气储能地下储气库衬砌裂缝分布特征及演化规律研究

地下储气库衬砌的主要作用是将内压传递给围岩,且同时作为柔性密封层的附着基层。高内压作用下衬砌开裂可导致密封层出现反射型裂缝,进而引起高压气体的泄漏。为深入认识地下储气库衬砌的开裂特征,开发了基于FLAC3D平台的衬砌裂缝分析程序,研究了衬砌配筋方式、配筋率、钢筋保护层厚度、围岩类别和温压循环荷载作用等因素对衬砌开裂演化特征的影响。研究成果表明:对衬砌采取合理的配筋方式和改善围岩质量的措施可有效控制衬砌裂缝的宽度;采用分区配筋的方式可有效控制圆形断面隧洞式储气库衬砌中的最大裂缝宽度,同时降低衬砌的配筋量。空气压力和温度同步变化引起的热力耦合效应还有助于减小衬砌中出现的裂缝宽度。

压气储能电站智能建造体系及其关键技术

【目的】压气储能(compressed air energy storage,CAES)是利用电能和压缩空气势能相互转化来平衡电网波动的新型储能系统。CAES电站建造及运行相关经验的积累对CAES技术的发展具有重要意义。针对建造过程中设计方与现场信息传递效率低、施工方管控难度大、项目整体流程监督难等问题,提出了一种适用于CAES电站的全流程智能体系。【方法】首先,分析CAES电站的建造流程,找出其工程特点。其次,围绕CAES电站从设计到运维的全过程,在空间和时间维度构建CAES电站的全流程智能建造体系。最后,在设计阶段提出正向设计出图等关键技术;在装备制造阶段提出设备虚拟预组装等关键技术;在施工阶段提出5D施工管理等关键技术;在运维阶段提出面向运维的数据交付等关键技术。【结果】对某300 MW级CAES示范工程的验证结果表明,CAES电站全流程智能体系的构建具有合理性,且关键设备及软件的应用为项目提供了技术支撑。【结论】通过CAES电站全流程智能体系及其关键技术,打通了电站建造各阶段的互通链条,实现了CAES电站的全生命周期信息管理。

压气储能地下洞室密封钢衬的非线性力学响应特征

依托某压气储能电站实际工程,基于ABAQUS平台,研究密封钢衬应力的非线性影响因素,分别探究了围岩与混凝土材料非线性、密封钢衬-混凝土接触非线性的影响机理。结果表明,浅埋地下储气洞室围岩初始地应力水平不高,巨大气压导致围岩局部塑性屈服,混凝土严重开裂,密封钢衬高应力区-混凝土严重开裂区-围岩塑性区三者存在对应关系;考虑密封钢衬-混凝土之间的接触关系,使得密封钢衬应力分布更加均匀;检修期在重力影响下密封钢衬顶部与混凝土脱开,检修后再加压密封钢衬应力分布出现调整现象,顶部应力峰值和应力不均匀度有所增大;密封钢衬应力峰值随摩擦系数与缝隙值的增大而增大,当摩擦系数大于0.5时其影响不明显,随缝隙的变化梯度大致为30~40 MPa/mm;地下储气洞室密封钢衬受力分析时需同时考虑材料非线性与接触非线性,以保证密封钢衬具有足够的安全储备。

储能空气透平低压进气结构优化设计

本文对某储能空气透平低压进气结构进行了优化设计,包括在进气管道与进气腔室衔接处增加过渡倒圆、采用变截面腔室、腔室底部增加平直段和导流锥三种方式,数值分析结果显示:相对于原始方案,优化后进气结构内的局部流速明显降低,流线分布更加均匀,因此壁面熵显著减小,最终导致压损大幅降低,仅为原始方案的53.1%;此外,进气结构出口马赫数和气流角分布也更加均匀,导致首级叶片效率提升约3.3%;对比来看,增加过渡倒圆结构收益最大,采用变截面腔室、底部增加平直段和导流锥也有一定的收益。

地下压气储能及建造关键工程问题研究进展

发展储能技术是新能源持续健康发展的关键。地下压气储能效率高、选址灵活,对环境友好,是储能技术发展的重点方向。梳理地下压气储能技术的发展过程、关键问题等,可为相关研究提供重要指导。全面综述地下压气储能工程的研究进展与关键性问题,讨论潜在的发展方向,发现我国的地下压气储能发展起步晚于国外,且多处于技术研究和示范工程阶段,不同岩层的选址、密封性、稳定性要求有所差异,需要分类开展研究;同时,地下压缩空气储能工程围岩多场耦合效应对工程稳定性和功能转化效率具有重要意义。但由于压气储能是新兴的储能技术,在国内外虽然取得了丰富的研究成果,可工程应用仍有较多问题亟需解决。因此,将压气储能作为集中式、分布式、联合循环等电站配套设施,优化密闭检测、数字化和智能化是压气储能重要的发展方向。

压气储能密封性技术挑战及对策

为推进可持续能源的存储和利用,促进我国产业绿色低碳化发展,本文探讨了压气储能内衬洞室(LRC)气体泄漏的三大主要原因:结构裂缝、热力循环和材料渗透,并提出地下岩穴储气库复合式衬砌密封结构及其施工方法,有效提高了LRC系统的安全稳定性和运营寿命,为完善LRC设计理论、提高LRC存储效率、保障LRC结构安全提供一定指导。

循环热力作用下压气储能洞室钢衬的疲劳耐久性

以大同云冈矿拟建的压气储能电站为例,构建压气储能洞室热力耦合计算模型,通过应力疲劳、应变疲劳、裂纹扩展疲劳3种疲劳分析方法对长期运行条件下钢衬的耐久性进行研究。结果表明:钢衬疲劳寿命计算中必须考虑裂纹扩展的影响,应力疲劳法和应变疲劳法由于没有考虑裂纹扩展的影响,会使疲劳寿命计算结果偏大;钢衬疲劳寿命主要受围岩弹性模量、洞室运营压力和初始裂纹尺寸影响,围岩弹性模量越大、洞室运营压力及初始裂纹尺寸越小,相应的钢衬疲劳寿命就越大;此外,钢衬疲劳寿命随着钢衬厚度的增加而增加,但存在一个最佳厚度,当钢衬厚度大于该厚度时,钢衬的疲劳寿命将不会有明显变化。

压气机叶顶间隙流动与控制研究进展

压缩空气储能被视为最具发展潜力的物理储能技术,作为其核心部件,压气机的性能表现在较大程度上决定着储能系统的经济性和效率。叶顶间隙流动因其复杂的三维流动特性,对压气机内部流场结构变化存在重要作用,是影响整机性能的关键因素。文章依照叶顶结构特点分类总结了带冠、无冠轴流压气机和开式/半开式、闭式离心压气机叶顶间隙流动产生的机理,根据压气机流动特性,进一步综述国内外压气机叶顶间隙流动的研究进展,形成以下结论:对于无冠轴流压气机,非定常叶顶间隙流动与失速、叶片噪声及振动问题密切相关,需扩充研究成果以优化叶顶设计;带冠轴流压气机缺乏实验和数据支撑,流动控制手段单一,可尝试跨领域应用控制技术;离心压气机叶顶间隙流动研究仍需探索变间隙特性和周向不均匀性对流动结构的影响,并提升应对流场变化的能力。未来研究可着重于高精度数值模拟方法的应用推广、跨领域控制技术的尝试和复合结构的探索。

基于变效率压气机的CAES系统性能分析

为准确的研究压气机效率对压缩空气储能系统的影响,在传统储能系统的基础上,考虑压气机效率的变化,将压气机效率恒定的储能模型变为效率随压比变化的储能模型。通过拟合压气机性能曲线得到压气机的效率公式,并在此基础上采用热力性能仿真计算的方法,对比分析变压比模型和恒压比模型。结果表明:恒压比模型结构配置相对简单,在相同储气条件下压缩耗功更少,储能效率更高;对两种压气机机组模型均存在压缩效率最高的最佳储气压比。

基于储能效率分析的CAES地下储气库容积分析

地下储气库容积大小是大规模压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)电站规划设计的基础性参数之一。为准确确定与电站装机容量相匹配的定容储气库容积,在地下储气库内压缩空气?的计算方法基础上,推导了地下储气库储能效率计算公式,并提出了基于储气库储能效率、膨胀装置效率和机组发电效率分析的储气库容积确定方法。利用算例验证了算法的正确性与合理性,在此基础之上,定量分析了影响储气库储能效率和容积大小的主要因素。研究结果表明:储能效率均随充放气循环次数的增加逐渐上升,上升趋势在后期趋于平缓。储气库泄漏量对储能效率影响较大,泄漏量越大,储能效率越低。总体上储气库运行压力差和密封层对流换热系数越大,储气库储能效率越高,但运行压力差达到一定数值后,提高运行压力差对储能效率的提高作用有限。储能效率越高、运行压力差越大,所需地下储气库的容积越小。在机组设备能力允许的情况下,应优选运行压力高、运行压力差大的设备运行方案,以减少储气库的建设费用。

安全系统思维下盐穴压气储能风险评估与动态仿真研究

为研究盐穴压气储能项目总体风险受单因素变量影响的变化趋势,文章对盐穴压气储能项目存在的主要风险进行分析,从组织影响层、事故层及安全监管层三方面着手建立风险分析模型,基于系统动力学原理和实际运行过程的管理模式、管理风险、管理要素间的逻辑关系,结合VENSIM软件进行仿真模拟。模拟得到:安全监管层中风险预防对总体风险的控制效果最好,优先于应急监管、安全教育和蓄能过程监管等措施。

地下压气储能圆形内衬洞室内压和温度引起应力计算

地下压气储能岩石内衬洞室内,不断变化的气体内压和温度引起的应力场是关乎洞室稳定性、耐久性的重要因素,由此提出了一种计算气压和温度引起应力变化的解析方法。将内衬洞室考虑成由密封层、衬砌和围岩组成,首先建立了洞室温度和气压求解的控制方程;利用拉普拉斯变换和叠加原理得到每个循环内洞室温度和气压随时间的变化;采用热弹性模型得到内压和温度引起的应力场。基于解析方法,给出了典型循环周期内洞室应力变化情况;接着通过一个热–力以及洞室气体耦合求解的数值模型以及不考虑密封层和衬砌的温度场解析方法来验证本文方法;最终探讨了温度对总应力的影响程度,以及不同换热系数的影响。结果表明:本文方法是可行的;温度和内压引起的密封层和衬砌内环向拉应力非常大;温度对于压气储能洞室有着不可忽略的作用,温度对于环向和纵向应力的影响程度要大于对径向应力的影响;换热系数对应力变化影响很大。

大规模压气储能洞室稳定性和洞周应变分析

地下储气构造物是压气储能(CAES)电站选址的决定因素,其中人工开挖的硬岩洞室因其受地质构造限制小、适应范围广而备受关注。针对压气储能地下洞室方案选型和密闭性要求,选择了典型的洞室埋深(200、300、500 m),考虑不同的洞室形式(隧道式和大罐式)和洞室尺寸,采用Abaqus有限元软件计算出高内气压下压气储能洞室围岩的塑性区和洞周应变。通过分析开挖后和充气后两个工况下围岩的受力和变形特征,获得合适的洞室形式。当围岩级别为Ⅱ级、内压为10 MPa的情况下,埋深为300 m的圆形洞室和大罐式洞室稳定性较好,该埋深下6 m直径圆形洞室最大洞周应变为7.55410??,容积为5 310 m大罐式洞室最大洞周应变为5.54410??,以上值都在一般橡胶类高分子密封材料的正常工作范围内,这为密封材料在不同温度下的延伸率和耐久性研究提供了基础数据。

压气机抽气储能改进燃气轮机能源系统灵活性分析

需求侧负荷波动致燃气轮机能源系统难以全工况高效、灵活匹配外界负荷,基于此提出在单轴燃气轮机组的压气机出口抽气,构成空气储/释能的燃气轮机能源系统。采用燃气轮机变工况典型性能解析分析法,研究压气机抽气对燃气轮机主要部件及机组运行性能的影响,并提出可行的机组负荷控制策略。以系统满足一种简单延时阶跃函数分布的逐时电负荷为例,研究峰谷比、负荷频率等特征参数对系统设计参数及供电效率的影响。分析表明,压气机抽气使其流量增大,压比显著下降;技术上燃气透平能等排气温度工作于文中所设的最大抽气系数为0.3的范围内;燃气轮机效率-负荷特性劣于基准系统,但提高了供热品位,增强其灵活性。当峰荷为4600kW、峰谷比为3、谷荷频率为0.375时,燃气轮机设计功率为4048kW,系统增效达2.02个百分点。为了提高大峰谷比情景下的系统效率及灵活性,可以考虑引入太阳能光热储能,提高空气透平的进气参数。

埋深对压气储能内衬洞室稳定性影响的定量分析

采用热力耦合数值模型定量分析埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.通过建立洞室内空气能量和质量守恒方程、洞室传热控制方程以及热弹性受力变形控制方程,从而建立压气储能内衬洞室热力耦合计算模型.对不同埋深时的压气储能洞室其受力变形特征进行模拟,对一个周期内的应力及变形进行分析,获得了不同埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.数值模拟结果表明:埋深对密封层第一主应力和第三主应力影响不大.埋深越大,衬砌拉应力越小,而压应力越大;埋深只影响衬砌一个周期内前几个小时以及后几个小时的第三主应力值,对其余阶段应力影响不大.埋深越大,围岩压应力越大,第一主应力波动幅度越小;埋深增加,第三主应力增加.埋深越大,水平位移越小.每个时间节点洞顶竖向位移均随埋深的增加而减小.

基于非稳态渗流过程的压气储能洞室空气渗漏率计算

为评估压缩空气储能洞室的密封性,基于多孔介质渗流力学理论推导了一种能考虑洞室空气渗漏过程和混凝土衬砌孔隙影响的压气储能洞室空气非稳态渗流方程,给出了计算洞室衬砌内空气压强分布的近似解析解。为精确求解此类非线性抛物型方程,通过有限差分法构造了一个无条件稳定的隐式差分格式,该格式具有二阶精度。进一步,对算例与现有计算结果进行对比,结果表明:与传统基于稳态径向渗流理论得到的空气渗漏估算公式相比,考虑空气非稳态渗流过程后计算得到空气渗漏量略微偏小;当混凝土衬砌渗透率小于6×10^(-20)m^(2)时,衬砌厚度为0.5 m的洞室在一个压缩空气储能循环下空气渗漏百分比小于1%,普通的抗渗混凝土均不能满足空气渗漏控制要求,需要采取特殊的密封措施;压气储能洞室的空气渗漏百分比与衬砌渗透率、储气压强、衬砌厚度等因素有关,渗透率越低、初始压强越大、衬砌厚度越大,空气渗漏百分比越小,衬砌厚度对空气渗漏的控制效果随着衬砌厚度的增大而减弱。

压气储能浅埋地下储气库性能试验研究

利用地下岩穴进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。压缩空气地下储存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。为了验证浅埋地下储气库的可行性,在湖南平江抽水蓄能电站勘探平硐的花岗岩地层内建造了国内第1个硬岩浅埋衬砌地下储气室,并进行了10次完整的压缩空气充放气循环试验。试验结果表明:储气室内压缩空气温度场呈现出显著不均匀分布的特性,温控系统可以有效地控制储气室的温度变化过程。长时高压储气条件下,试验库的漏气率约为充气率的3.2%,试验库密封性能良好。在8.7 MPa的内压作用下围岩的最大变形量只有0.35 mm左右,高内压引起的变形影响区在10 m范围内,围岩变形安全性良好。试验成果有助于全面深入地认识高压地下储气库的工作性能,并为压气储能地下储气库的设计提供有益参考。

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。

压气储能平江试验库受力特性数值研究

为了解压气储能地下储气库的受力特性,以拟建中的湖南平江压气储能地下花岗岩试验库为研究对象,基于FLAC3D平台,采用热力耦合数值分析方法,对平江压气储能试验库在温度和压力循环作用下的受力特性进行了深入研究。研究成果表明,试验库在内部空气压力及温度循环作用下,密封层、混凝土衬砌及围岩的温度、位移及应力变化呈现显著的周期性特点;循环荷载对洞壁附近位置测点的温度、位移及应力影响比远离洞壁位置处测点温度、位移和应力的影响程度要大,远离洞壁处的围岩温度与试验库内的空气温度之间存在滞后性;考虑温度应力条件下,测点位移及第一主应力比不考虑温度应力时要大,且循环次数越多,数值差越大。

压气储能地下储气库选型选址研究

[目的]地下储气库选型选址是大规模压气储能电站规划设计的首要问题。[方法]通过对比分析现有文献,总结了4种地下储气库的优缺点,分析了我国适合建造地下岩穴储气库的硬岩地层分布范围及特点。基于我国第一个压气储能地下储气实验库的实验成果论证了硬岩岩穴地下储气库建设关键技术的可行方案;最后,以广东省为例探讨了大规模压气储能电站地下储气库的规划选址方法。[结果]研究成果表明:盐岩洞穴和硬岩洞穴是大规模压气储能电站的优选地下储气库类型;在我国光伏能和风能电站规划及建设集中的地区,适合建设硬岩洞穴储气库的各种岩石地层有分布广泛。[结论]我国广泛的各类硬岩分布解决了间歇性能源富集地区修建大规模压气储能电站选址困难的问题,试验研究也表明了硬岩地层优良的力学特性有助于解决地下储气库变形稳定性及密封性等关键技术问题。总之,我国现阶段建设压气储能电站地下储气库在技术上是可行的。