Comparative analysis of thermodynamic and mechanical responses between underground hydrogen storage and compressed air energy storage in lined rock caverns

Underground hydrogen storage(UHS)and compressed air energy storage(CAES)are two viable largescale energy storage technologies for mitigating the intermittency of wind and solar power.Therefore,it is meaningful to compare the properties of hydrogen and air with typical thermodynamic storage processes.This study employs a multi-physical coupling model to compare the operations of CAES and UHS,integrating gas thermodynamics within caverns,thermal conduction,and mechanical deformation around rock caverns.Gas thermodynamic responses are validated using additional simulations and the field test data.Temperature and pressure variations of air and hydrogen within rock caverns exhibit similarities under both adiabatic and diabatic simulation modes.Hydrogen reaches higher temperature and pressure following gas charging stage compared to air,and the ideal gas assumption may lead to overestimation of gas temperature and pressure.Unlike steel lining of CAES,the sealing layer(fibre-reinforced plastic FRP)in UHS is prone to deformation but can effectively mitigates stress in the sealing layer.In CAES,the first principal stress on the surface of the sealing layer and concrete lining is tensile stress,whereas UHS exhibits compressive stress in the same areas.Our present research can provide references for the selection of energy storage methods.

A novel nano-grade organosilicon polymer:Improving airtightness of compressed air energy storage in hard rock formations

Enhancing cavern sealing is crucial for improving the efficiency of compressed air energy storage(CAES)in hard rock formations.This study introduced a novel approach using a nano-grade organosilicon polymer(NOSP)as a sealant,coupled with an air seepage evaluation model that incorporates Knudsen diffusion.Moreover,the initial coating application methods were outlined,and the advantages of using NOSP compared to other sealing materials,particularly regarding cost and construction techniques,were also examined and discussed.Experimental results indicated a significant reduction in permeability of rock specimens coated with a 7–10μm thick NOSP layer.Specifically,under a 0.5 MPa pulse pressure,the permeability decreased to less than 1 n D,and under a 4 MPa pulse pressure,it ranged between4.5×10^(-6)–5.5×10^(-6)m D,marking a 75%–80%decrease in granite permeability.The sealing efficacy of NOSP surpasses concrete and is comparable to rubber materials.The optimal viscosity for application lies between 95 and 105 KU,and the coating thickness should ideally range from 7 to 10μm,applied to substrates with less than 3%porosity.This study provides new insights into air transport and sealing mechanisms at the pore level,proposing NOSP as a cost-effective and simplified solution for CAES applications.

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。

新能源用钢管的应用现状、需求分析及思考

“双碳”战略下新能源及相关产业发展给钢管带来新的应用场景,对钢管的功能和性能提出新的需求。聚焦于碳捕获、利用与封存技术领域中的CO_(2)输送用管、氢能领域中的氢气输送用管和储能领域中的盐穴压缩空气储能用注采管,总结了新能源用钢管的应用现状和研究进展,分析了各领域用管需求,并就“双碳”背景下新能源用钢管的基础理论研究、关键技术开发和标准体系建设等方面进行了思考,提出了建议。

压缩空气储能地下储气库热力学改进模型研究

【目的】明晰地下储气库的热力学过程是压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)电站安全设计与运行调度的重要基础。【方法】现有地下储气库热力学模型在计算热量交换时,存在高压储气阶段热损失偏大和低压储气库阶段补热过多的不足。本文在全面分析地下储气库热力学模型理论基础合理性的前提下,先分析储气库热量计算偏差的形成根源;再提出改进模型。【结果】研究结果表明:现有的热力学计算解析模型忽略了CAES地下储气库在运行过程中温度分布的不均匀性,这种温度分布的不均匀导致储气室洞壁与压缩空气之间的对流换热模型失真,导致温度计算结果偏差大。考虑混合对流换热的改进模型二可以较好地解决储气阶段温度计算结果与真实结果之间偏差过大的问题。算例分析证明了改进模型二的合理性。【结论】本文的改进模型二可为CAES地下储气库容积优化设计与效率分析提供计算依据。

压气储能内衬硐室储气关键问题与设计要点评述

压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)技术是一种新型的物理储能技术,也是一种具有广阔发展前景的大规模储能发电技术。大规模压缩空气储能通常需要配置大容量的地下储气装置。在现有的地下储气库类型中,内衬式人工硐室地下储气库因其选址灵活、限制条件少成为近年来的研究热点。在当前国内对大规模CAES技术需求迫切的背景下,对人工硐室储气库的理论研究成果和技术发展现状进行了全面梳理和评述,分析了现有地下储气库稳定性分析理论、内衬硐室密封方案和热力学过程分析方法等的优点和不足,并讨论了内衬式人工硐室储气库工程的设计要点和注意事项。最后,提出了影响内衬式人工硐室储气行业发展面临的挑战。

压缩空气储能电站地下硐库首次充气的温度响应与局部高温控制方法

为从热力学角度探究压缩空气储能地下硐库型式,采用计算流体动力学(CFD)的计算方法,建立了考虑湍流、传热和真实空气特性的硐库首次充气加压过程数值模型;研究了硐库不同长径比和充气管道入口直径对硐内气体、内衬材料的温升及硐内温度分布的影响,并针对硐内局部高温现象提出了控制措施。结果表明:长径比较小时(即大罐式储气库),硐内温度分布较为均匀,随着长径比的增大(即隧道式储气库),硐内温度分布出现分层现象,并在硐库尾端出现极高温区(闷顶效应);钢板密封层在硐库充气加压过程中温升最大,混凝土衬砌温度变化较小,围岩几乎不受硐内温变影响;减小充气管道入口直径可以一定程度降低硐库内温度,促进向外传热;针对环形隧道式硐型,提出的改进充气方式可以使硐内温度分布均匀,避免闷顶效应,为工程设计提供有益参考。

聚氨酯类聚合物砂浆-混凝土界面黏结性能与变形特征试验研究

聚合物砂浆(polymer mortar,PM)因其良好的气密性、抗裂性和变形适应性被认为是一种极具发展潜力的建造压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)人工硐室储气库密封层的可选材料之一。为探究聚氨酯类聚合物砂浆(polyurethane polymer mortar,PPM)与人工硐室储气库衬砌混凝土之间的黏结性能和变形适应性,采用室内试验和数值模拟方法,研究了PPM中粉料和聚合物含量以及配比变化对PPM-混凝土界面的黏结性能和变形性能的影响规律,并分析了界面的破坏特征和破坏机制。研究结果表明:PPM-混凝土界面破坏型式主要表现为界面两侧材料的分离;界面剪应力-位移关系在应力峰值前呈现两阶段近似线性变形特征,界面破坏剪切应变最大值可达11.05%;粉料和聚合物含量以及配比变化对界面黏结强度都有重要的影响,最高黏结强度约为1.21MPa,最低平均黏结强度为0.237MPa。PPM-混凝土界面强度和变形性能可满足CAES地下储气库的建库要求。

基于单元凋亡法的压气蓄能盐穴围岩潮解行为表征及其影响研究

盐穴压气蓄能是当前利用风、光等可再生能源实现电网调峰的重要技术。然而,在电站的日循环注采工况下,盐穴内湿环境会呈现高频高幅振荡。当盐穴温度因采气而骤降时,相对湿度可接近100%,该条件下腔周盐岩将发生潮解,导致腔体的横向扩展,影响盐穴的稳定性与密闭性。将损伤盐岩置于压气蓄能工况对应的干湿循环中,统计其潮解量。利用表观形貌分析了盐岩表面潮解速率随偏应力水平的变化规律,并建立了两者的拟合关系。开发了针对FLAC3D软件的单元凋亡法,嵌入模拟盐穴长期变形的数值程序中,基于试验结果计算腔周盐岩网格单元的潮解量并适时使之凋亡,从而表征潮解对盐穴宏观可用性的影响。结果表明:在长期运行后,腔体轮廓会因围岩潮解而略微向外延伸,使得腔周位移与安全系数轻微恶化,但仍能充分满足经验性的安全判据。然而,潮解的盐将固定盐穴空气中的水分,转化为卤水汇集于腔体底部从而显著降低盐穴可用体积。这一影响远高于地层蠕变导致的腔体收缩,须通过增设地面除湿装置与定期排卤等措施予以控制。

压缩空气储能地下内衬硐库上覆岩体稳定性分析

地下内衬硐库是压缩空气蓄能电站储气装置的主要方案,鉴于其高内气压的荷载特征,硐库上覆岩体稳定性评价是工程设计的关键环节之一。针对隧道式储气硐库,基于极限平衡理论和Mohr-Coulomb强度准则,建立了上覆岩体极限状态下被动岩土压力的力学模型,通过应力边界积分建立了三力矩平衡方程组,提出了可计算任意形态破裂面的安全系数求解方法。结果表明,安全系数主要受埋深、硐库半径、储气压力和地应力系数等因素控制,与埋深呈非线性正相关,与储气压力呈非线性负相关,与半径呈非线性负相关。针对Ⅲ级岩体条件下,给出了埋深、硐径和最大储气压力等3个设计参数满足稳定性要求的取值范围,对工程设计具有重要指导意义。

压缩空气储能地下人工洞室研究现状与展望

[目的]压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)是1种可大规模储存电力能源的技术,其规模仅次于抽水蓄能,储气装置是其重要的组成部分。国内外已投入商业运行的压气储能电站的储气装置多为盐穴、废弃矿坑等天然地质构造,大规模长时压缩空气储能有赖于更具经济性及广泛适用性的储气装置。[方法]人工地下洞室储气库较大程度上摆脱了压缩空气储能电站对于特殊地质条件的依赖,成为大规模建设长时压气储能电站的有力支撑,但国内外相关研究成果较少,摸清国内外研究现状,总结其他行业先进经验,理清该领域亟待突破的难题,对于大规模建设压气储能电站具有重要意义。[结果]压气储能电站地下人工洞室与天然气储气库及水电输水隧洞等常规人工洞室运行特点有较大不同,目前对于该领域尚缺乏成熟的设计方法与规程规范,有诸多关键技术仍有待解决,文章对压气储能电站地下人工洞室的特点及重点研究内容进行了梳理。[结论]创新是自主建设压缩空气储能电站地下硬岩储气库的唯一出路,在安全的大前提下兼顾经济性并突破,该技术对丰富我国储能发电技术,完善新型电力系统具有重大的现实意义,若该技术发展成熟,可为我国新型电力系统的构建提供强大的保障。

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。

纤维增强柔性混凝土压气储能地下洞室力学响应研究

高内压作用下压气储能地下洞室极易开裂,严重威胁洞室稳定性和密封性。为充分传递内压荷载、增强洞室变形能力,发挥围岩的承载能力,提出了柔性衬砌的设计理念:采用低弹性模量的柔性混凝土作为压气储能地下洞室衬砌层。通过室内试验研究了不同配比下柔性混凝土的力学性能,据此提出了柔性混凝土的修正损伤-塑性本构关系模型(concrete damaged plasticity,CDP),并建立了柔性混凝土的压气储能地下洞室力学计算模型。为论证柔性混凝土用于压气储能地下洞室的可行性,以某在建的压气储能地下洞室工程为背景,比较了采用不同衬砌形式以及不同柔性混凝土配比对压气储能地下洞室力学响应规律的影响,结果表明:采用低弹性模量的柔性混凝土可以有效地降低在高内压压气储能地下洞室混凝土衬砌的拉应力,减少衬砌开裂,充分实现了传递内压荷载、增强洞室变形能力,发挥围岩承载能力的作用。

10MW级压缩空气储能地下人造硐室充放气过程数值仿真研究

通过仿真软件建立了10 MW级压缩空气储能地下人造硐室热力学模型,按照国内某压缩空气储能项目给出了地下人造硐室压缩空气储能循环充放气物理过程的边界条件,开展了网格无关性和时间步长独立性检验,对系统单次充放电循环运行过程的地下人造硐室内气体热力性能进行了动态分析。结果表明:人造硐室在充气-静置-放气-静置的过程中,硐室内部的压力和温度随时间的变化规律均为升-降-降-升;硐室内部压力均匀分布,硐室内部温度呈稳定的阶梯状分布,上侧空间的气体温度高于下侧空间的气体温度;受到重力的影响,井筒入口处的压力低于井筒底部的压力;在放气的末尾阶段至放气结束后的第二次静置过程中,硐室空间均存在一定的负温空间,这不利于硐室稳定运行。

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。

盐穴储能库固井工艺

压缩空气储能技术(CAES)利用压缩空气储能,是一种规模大、灵活、低碳的储能技术。云应储能库注采井普遍具有地层温度低、井眼尺寸大、漏失风险未知、注采周期频繁、井筒长期封隔要求高等固井难点,固井难度大。故开展了湖北应城压缩空气储能固井工艺研究,结合紧密堆积设计理论、晶相结构诱导设计,研发了1套适用于盐穴储能库注采井固井的低温抗盐韧性水泥浆,并形成了相关配套固井工艺。水泥浆密度范围为1.88~1.93 g/cm^(3),稠化时间易调,沉降密度差为0,游离液为0,API失水量不大于50 mL,抗盐达半饱和,7 d弹性模量小于6.13 GPa,低温30℃下起强度时间小于10 h,24 h抗压强度大于14 MPa。该项技术成功应用于湖北云应盆地压缩空气储能项目注采井表层套管及生产套管固井,固井质量合格率为100%,优质率大于95%,同时对盐穴储能库固井提供技术支持和借鉴。

考虑剪切变形的高压储气洞室复合式预设缝衬砌力学特性

在高内压下,压缩空气储能地下洞室钢筋混凝土衬砌的开裂问题难以避免,为了控制混凝土衬砌的裂缝宽度,衬砌的配筋率往往非常高,甚至高到难以配筋。这不仅增加了地下洞室的建造成本,也降低了压缩空气储能系统的压力上限。为了解决这一问题,提出了高压储气洞室的预设缝衬砌结构,通过对衬砌预设缝释放环向拉伸变形进而降低衬砌所受拉力。但由于衬砌与初期支护间的剪切应力也会对衬砌结构产生拉应力,在预设缝附近(15°范围内)衬砌内钢筋的拉应力得到了有效降低,但远端处衬砌拉应力仍较大。因此,在衬砌和初支之间设置了滑动层,以达到减摩降阻的目的。滑动层的剪切刚度对钢筋应力影响很大。滑动层剪切刚度越小,衬砌钢筋的应力越低。由于滑动层无法实现完全光滑,在高内气压下衬砌钢筋应力仍然很大。为了进一步降低衬砌结构拉应力,提出了分层变形释放的高压储气洞室结构方案,即在衬砌结构预设缝的基础上,初期支护也采用预设缝结构,且初支的预设缝与衬砌的预设缝设在相同位置处。计算结果表明,高压储气洞室采用复合式预设缝结构后,初支与围岩之间发生了相对剪切变形,进而初支与衬砌间的相对剪切变形得到了一定程度的降低,相应的衬砌最大裂缝宽度也得到减小。因此,在高内压条件下,可以采用预设缝钢筋混凝土衬砌结构,衬砌与初支之间设置滑动层;内压进一步升高后,还可以采用初支、衬砌均设置预设缝的复合式衬砌结构分层释放变形,以降低衬砌拉应力。

基于盐穴的压缩空气储能充放气过程仿真研究

为了定量分析地下盐穴储气库在充放气过程中的热力学行为,构建盐穴充放气热力学模型并进行仿真计算,系统分析盐穴储气系统在整个“充气—储气—放气—储气”连续过程内的动态变化。结果显示,在时间维度上,盐穴内部的气体压力和温度表现出“升—降—降—升”的规律性变化;在空间维度上,由于重力效应,盐穴内部的压力从上至下逐渐增大,而盐穴内部温度分布则因自然对流呈上高下低的分布特点。此外,若首次静置储气后未及时进行放气操作,系统将持续损失能量,进而对能量存储产生负面影响,并且随着长时间的静置储气,盐穴内压缩空气的温度最终降低至未充气前的初始温度。

新能源发电与盐穴压气蓄能融合发展分析

文章介绍了新能源发电现状及发电特点,提出未来盐穴压气蓄能可作为大规模储能技术的设想,调研了国内盐穴压气蓄能的发展现状,重点介绍了在建项目情况,并根据国内盐矿资源分析了未来新能源发电与盐穴压气蓄能融合发展的潜力。

300 MW中温绝热压缩空气储能设计研究

近年来,绝热压缩空气储能技术引起了广泛关注。为了对绝热压缩空气储能进行设计,需要对其技术方案及技术参数进行研究。首先提出压缩空气储能系统的计算模型,并对模型进行对比验证。然后,以岩石硐库储气库的300 MW中温绝热压缩空气储能系统为例,比选得到透平机入口压力17 MPa、压力波动范围6 MPa为最优方案;并根据运行参数的计算,得到300 MW中温绝热压缩空气储能的设计方案。提出的建模过程及分析方法可以用于绝热压缩空气储能项目的设计。