一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法

1.本发明涉及储能硐室的截面形状设计方法，尤其是涉及一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法。


背景技术：

2.储能是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术，在改善电力品质、应对高峰负荷需求、推动清洁能源发展等方面具有独特的优势。压缩空气储能是一种能与电网匹配，可实现大规模能量存储的储能方式。其储气设施除地上高压罐体、地下盐岩溶腔外，近年来人工开挖硬岩硐室也在国际上有诸多尝试。利用人工开挖的地下硐室储气，能够很大程度上减少对区域性地质条件的依赖，此外还具有可靠性高、布局灵活、环境影响可忽略不计等诸多优点，成为最有可能大范围推广的大规模储能形式。
3.储气硐室对稳定性、密封性要求高，而又受到外界地应力引起的围岩压力和内部高气压的双重作用，容易产生损伤破裂问题，进一步引起失稳。在储气硐室的设计上国内外先后开展了一些先导研究和示范项目，但至今仍无成功运营的利用人工岩石硐室储气的商业化电站。我国在人工储气硐室的建设上也开展过一些初步探索，但目前仍处于刚起步阶段，尚无相关的规范标准和示范项目能够给储气硐室的设计和施工提供明确的指导和依据，对于硐室外形、埋深、气体压力、密封方法等关键内容仍在讨论之中。目前通常讨论的储气硐室外形有圆形隧道式、直墙隧道式、斜墙隧道式和大罐式，但都存在围岩拉应力集中和塑性区的问题，无法避免洞壁围岩在围岩压力和高空气内压力共同作用下出现开裂，因此，硐室需要满足稳定性和密封性并兼顾经济性不能达到。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种满足稳定性和密封性并兼顾经济性的浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，包括以下步骤：
7.根据使用需求初步确定拟建硐室的最大空气内压力；
8.基于所述最大空气内压力，确定硐室初始埋深；
9.获取硐室周边的地应力，确定硐室走向；
10.根据所述硐室周边的地应力和最大空气内压力，计算硐室的零应力轴比和最佳轴比；
11.根据硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值进行初次校验，若是，则不做任何操作，若否，则根据校验结果调整增加埋深；
12.基于所述最佳轴比，根据初次检验后的埋深处硐室围岩压力是否大于预设阈值进行再次校验，若是，则根据校验结果调整减小埋深并最终确定埋深，若否，则不做任何操作；
13.确定所述硐室的截面积，根据所述零应力轴比或最佳轴比计算竖向半轴和横向半
轴长度，确定硐室外形，从而确定浅埋硐室。
14.进一步地，所述硐室周边的地应力包括预定埋深的垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力。
15.进一步地，将所述最大水平主应力选为硐室走向。
16.进一步地，所述硐室最佳轴比计算公式为：
[0017][0018]
式中，m1为最佳轴比；p0硐室周边的水平应力，p0＝sv，sv为硐室的周边的垂直应力；pa为硐室内最大空气压力；λ为测压系数，其计算公式为λ＝sh/sv，对于浅埋硐室通常有λ》1；sh为所述硐室的周边的最小水平主应力。
[0019]
进一步地，通过洞壁的切向应力检验硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值，所述洞壁的切向应力的计算公式为：
[0020][0021]
式中，σ
θ
为洞壁的切向应力，m1为最佳轴比，p0为硐室周边的水平应力，p0＝sv，sv为硐室的周边的垂直应力，pa为硐室内最大空气压力；λ为测压系数。
[0022]
进一步地，初次检验的具体步骤包括：
[0023]
判断洞壁各点的切向应力是否均大于0，若是，则不做任何操作，若否，则增加埋深，直至均大于0。
[0024]
进一步地，再次校验的具体步骤包括：
[0025]
判断洞壁各点的切向应力是否大于预设阈值，若是，则减小埋深，直至接近于0且依然大于0，若否，则不做任何操作。
[0026]
进一步地，采用最佳轴比计算所述竖向半轴和横向半轴长度的表达式为：
[0027][0028][0029]
式中，s为确定的截面面积；a为硐室的横向半轴；b为硐室竖向半轴；m1为最佳轴比。
[0030]
进一步地，采用最佳轴比计算所述硐室外形的表达式为：
[0031][0032]
式中，s为确定的截面面积；x为以圆心为原点的硐室的横坐标；y为以圆心为原点的硐室的纵坐标；m1为最佳轴比。
[0033]
进一步地，所述硐室为椭圆形硐室。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035]
(1)本发明根据地应力获取硐室走向，通过计算硐室的零压力轴比以及最佳轴比，
从而使围岩不出现拉应力和塑性变形的状态，能够满足硐室稳定性和密封性的需求，并进一步确定埋深，从而获得优化的浅埋硐室。
[0036]
(2)本发明通过多次校验操作调整埋深，以使硐室能够具有较浅的埋深，相比较深埋的工程，能够节约施工和运维的成本，具有较强的经济价值。
[0037]
(3)人工储气硐室的建设上目前仍处于刚起步阶段，尚无相关的专利、规范标准和示范项目能够给储气硐室的设计和施工提供明确的指导和依据，对于硐室外形、埋深和走向仍在讨论之中，本发明的技术方案为硐室外形、埋深和走向的确定提供了一种计算方法，弥补了硐室外形设计缺乏理论支撑的空白。
[0038]
(4)本发明零应力轴比可使洞壁围岩的切向应力在理论上为近似均等分布的压应力，此时硐室达到最佳受力状态，稳定性最好。
[0039]
(5)人工储气硐室现有的斜墙式、直墙式和罐式硐室的方案均无法避免洞壁围岩出现拉应力区域，拉应力的出现使围岩受拉开裂并出现塑性区，不利于储气硐室的稳定性和密封性，而本发明技术方案通过零应力轴比和最佳轴比得到的洞壁截面形状能够有效避免围压中出现拉应力和塑性区。
[0040]
(6)本发明通过考虑硐室空气内气压，在保证围岩不出现拉应力的同时也避免了围岩受拉开裂，确保了围岩的完整性，对于对气密性要求极为严格的储气硐室围岩，一定程度上也有助于硐室的气密性。
[0041]
(7)本发明通过将最大水平主应力作为硐室的最佳走向，可以使得硐室的受力性能最优化，从而提高硐室的稳定性和安全性。
附图说明
[0042]
图1为本发明方法流程图；
[0043]
图2为本发明浅埋椭圆形储气硐室截面荷载作用示意图；
[0044]
图3为本发明按照零应力轴比最小临界值设计的浅埋硬岩储气硐室切向应力分布示意图；
[0045]
图4为本发明按照零应力轴比最大临界值设计的浅埋硬岩储气硐室切向应力分布示意图；
[0046]
图5为本发明按照最佳应力轴比设计的浅埋硬岩储气硐室切向应力分布示意图。
[0047]
图中：1为硐室内边界。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0049]
本实施例提供一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，如图1所示，该方法根据所需的空气内压力、所需的硐室截面面积和工程场地的地应力条件确定出硬岩浅埋压缩空气储能硐室的最佳轴比，并据此设计硐室截面外形，保证硐室围岩不出现拉应力区且达到压应力近似均等分布的最佳状态。
[0050]
如图2-5所示，本实施中的硐室外形为椭圆形构造，椭圆的纵向半轴与横向半轴之
即是要找的最佳轴比，计算公式为：
[0066][0067]
式中，m1为最佳轴比；p0硐室周边的水平应力，p0＝sv；pa为硐室内最大空气压力；λ为测压系数。
[0068]
此时，获得的最佳应力轴比设计的浅埋硬岩储气硐室切向应力分布示意图如图5所示。
[0069]
s5、根据硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值进行初次校验，若是，则不做任何操作，若否，则根据校验结果调整增加埋深。
[0070]
校验步骤s4的硐室是否满足安全性和经济性，需先后校验以下两方面内容：
[0071]
校验第一方面内容：(
ⅰ
)首先校验预定埋深下步骤s4得到的最佳轴比硐室，其空气内气压是否低于硐室围岩所能承受的最大值，需校验这一条件下洞壁的切向应力分布，其值可能为硐室周向近似均等分布的压应力也可能为近似均等分布的拉应力。洞壁的切向应力计算公式为：
[0072][0073]
式中，σ
θ
为洞壁的切向应力，m1为最佳轴比，p0为硐室周边的水平应力，p0＝sv，sv为硐室的周边的垂直应力，pa为硐室内最大空气压力；λ为测压系数。
[0074]
如在硐室周向各点σ
θ
均大于0，则是近似均等分布的压应力，说明空气内气压低于预定埋深处硐室围岩所能承受的最大值，符合要求。
[0075]
否则，小幅度适当增加埋深，按此方法重新校核，直到符合要求。
[0076]
s6、基于所述最佳轴比，根据初次检验后的埋深处硐室围岩压力是否远大于0进行再次校验，若是，则根据校验结果调整减小埋深并最终确定埋深，若否，则不做任何操作。
[0077]
校验第二方面内容：(
ⅱ
)如埋深符合(
ⅰ
)要求，说明满足埋深的下限，能够保证硐室的稳定性。为进一步满足经济性需求，在满足稳定性的条件下，硐室埋深越浅则越经济，还需校验埋深是否有上调的空间。
[0078]
根据(
ⅰ
)中的洞壁的切向应力计算公式计算σ
θ
，如判断σ
θ
的值是否大于预设阈值，该预设阈值远大于0。如大于0不多，说明埋深接近上限，可不继续上调。如大于0说明，上调空间大，可小幅度适当减小埋深，按照(
ⅰ
)和(
ⅱ
)重现校核，直到σ
θ
接近于0，且依然大于0。
[0079]
s7、确定所述硐室的截面积，并根据所述椭圆的零应力轴比或最佳轴比计算短轴和长轴的大小，确定硐室外形，从而确定浅埋硐室。
[0080]
根据使用需求和施工可行性确定截面面积。在实际应用中可通过零应力轴比或最佳轴比计算短轴和长轴的大小，确定硐室外形。
[0081]
本实施例中根据最佳轴比进行计算，首先根据确定的截面面积，计算椭圆竖向半轴和横向半轴的长度，确定椭圆形硐室外形的表达式。
[0082]
椭圆竖向半轴和横向半轴长度的计算公式为：
[0083][0084][0085]
式中，s为确定的截面面积；a为椭圆形硐室的横向半轴；b为椭圆形硐室的横向半轴；m1为最佳轴比。
[0086]
计算得到的a和b的值，根据椭圆形标准表达式，得到以圆心为原点的椭圆形硐室外形的表达式为：
[0087][0088]
式中，s为确定的截面面积；x为以圆心为原点的椭圆形硐室的横坐标；y为以圆心为原点的椭圆形硐室的纵坐标；m1为最佳轴比。
[0089]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据使用需求初步确定拟建硐室的最大空气内压力；基于所述最大空气内压力，确定硐室初始埋深；获取硐室周边的地应力，确定硐室走向；根据所述硐室周边的地应力和最大空气内压力，计算硐室的零应力轴比和最佳轴比；根据硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值进行初次校验，若是，则不做任何操作，若否，则根据校验结果调整增加埋深；基于所述最佳轴比，根据初次检验后的埋深处硐室围岩压力是否大于预设阈值进行再次校验，若是，则根据校验结果调整减小埋深并最终确定埋深，若否，则不做任何操作；确定所述硐室的截面积，根据所述零应力轴比或最佳轴比计算竖向半轴和横向半轴长度，确定硐室外形，从而确定浅埋硐室。2.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，所述硐室周边的地应力包括预定埋深的垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力。3.根据权利要求2所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，将所述最大水平主应力选为硐室走向。4.根据权利要求2所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，所述硐室最佳轴比计算公式为：式中，m1为最佳轴比；p0硐室周边的水平应力，p0＝s
v
，s
v
为硐室周边的垂直应力；p
a
为硐室内最大空气压力；λ为测压系数，其计算公式为λ＝s
h
/s
v
；s
h
为所述硐室的周边的最小水平主应力。5.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，通过洞壁的切向应力检验硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值，所述洞壁的切向应力的计算公式为：式中，σ
θ
为洞壁的切向应力，m1为最佳轴比，p0为硐室周边的水平应力，p0＝s
v
，s
v
为硐室的周边的垂直应力，p
a
为硐室内最大空气压力；λ为测压系数。6.根据权利要求5所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，初次检验的具体步骤包括：判断洞壁各点的切向应力是否均大于0，若是，则不做任何操作，若否，则增加埋深，直至均大于0。7.根据权利要求5所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，再次校验的具体步骤包括：判断洞壁各点的切向应力是否大于预设阈值，若是，则减小埋深，直至接近于0且依然
大于0，若否，则不做任何操作。8.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，采用最佳轴比计算所述竖向半轴和横向半轴长度的表达式为：采用最佳轴比计算所述竖向半轴和横向半轴长度的表达式为：式中，s为确定的截面面积；a为硐室的横向半轴；b为以硐室竖向半轴；m1为最佳轴比。9.根据权利要求8所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，采用最佳轴比计算所述硐室外形的表达式为：式中，s为确定的截面面积；x为以圆心为原点的硐室的横坐标；y为以圆心为原点的硐室的纵坐标；m1为最佳轴比。10.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，其特征在于，所述硐室为椭圆形硐室。

技术总结
本发明涉及一种浅埋硬岩压缩空气储能硐室优化设计方法，包括以下步骤：根据使用需求初步确定获取拟建硐室的最大空气内压力；确定硐室初始埋深；获取硐室周边的地应力，确定硐室走向；计算硐室的零应力轴比和最佳轴比；校验硐室的空气内气压是否低于初始埋深处硐室围岩所能承受的最大值；校验最佳轴比下的初始埋深处硐室围岩压力是否大于预设阈值，从而确定硐室埋深；确定硐室的截面积，根据零应力轴比或最佳轴比计算竖向半轴和横向半轴长度，确定硐室外形，从而确定浅埋硐室。与现有技术相比，本发明具有能够使硐室满足稳定性和密封性的要求并兼顾经济性等优点。的要求并兼顾经济性等优点。的要求并兼顾经济性等优点。


技术研发人员：赵程 钱源 幸金权 陈会官 孙泽元 牛佳伦
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/6