地下储气库袋状柔性密封洞壁结构及构建方法与流程

本发明涉及地下储能，具体地指一种地下储气库袋状柔性密封洞壁结构及构建方法。

背景技术：

1、压缩空气储能是一种利用压缩空气作为介质，储存剩余电能的技术。在用电低谷时段，风电和电网中的多余电能驱动空气压缩机，将电能转化为压缩空气的内能并在地下洞室中储存。在用电高峰时，通过释放高压空气，将压缩空气的势能转变为驱动发电机的机械能，从而发电。

2、压气储能电站的储气设施主要有地上和地下两种类型。考虑到经济和安全因素，地下储气设施更为常见。人工开挖的地下密封硐库是地下储气设施的一种类型，其具有选址灵活、成本低、安全可靠等优势。

3、目前，全球尚无成功实施的压气储能地下密封洞库案例。地下密封洞库必须满足一些极端条件，如耐高压(10mpa甚至更高)、气密性好、结构稳定、可以承受循环压力和温度等。在储气库运行过程中，储气库内部压力将在一定范围内变化，如储能时进行充气，压力将增加至16mpa，发电时放气时压力降低至10mpa，并根据储能电站运行要求循环往复；在储气库检修运行期间，储气库内部压力将降低至大气压。在地下密封洞库中，高压空气需要依靠密封层进行密封。密封层需要能够适应硐库围岩的变形，并在循环应力和温度条件下保持不破裂。

4、已建成的地下密封工程结构基本只能承受0内压条件或者2mpa以内稳定压力条件，对于压缩空气储气库10mpa甚至更高的循环变动的超高压条件是从未遇到过的。通过计算分析，在储气库内部高压作用下，储气库圆形截面的平均径向变形将达到50mm以上，环向平均应变达到1％，如果考虑地质的不均匀分布或局部缺陷，变形和局部应变将指数级增大，另外，在充放气过程中，储气库局部将达到150℃以上，这些条件远远超出现有洞壁密封结构的承受能力。

5、常规水工隧洞及水电站调压室一般采用钢衬来承受内部水压，但其压力一般在5mpa以内，且其断面尺寸一般在8m以内，其运行过程中不存在循环荷载作用，也不会有剧烈的温度变化，因此其受力条件和运行状况是远好于压缩空气储气库的。

6、如果将钢衬应用于压缩空气储气库作为密封层，存在以下问题：

7、第一，在储气库使用期间，采用钢衬和围岩一起承压，各自承担一部分，钢衬起到受力作用，在巨大的压力下，钢衬厚度巨大(据测算，20mpa的储气库压力，钢衬厚度需要做到20mm甚至更高)，需要使用800mpa级高强钢，而且钢衬焊接工作量大，施工难度高，造价极高；

8、第二，在储气库使用期间，钢衬局部进入塑性，由于钢材塑性变形能力有限，极有可能在循环荷载条件作用下钢衬密封层发生疲劳破坏；

9、第三，电站运行期间，由于内部高压的循环变化，混凝土衬砌层可能会产生裂缝，钢衬在缝隙处可能发生局部破损或被挤入缝隙内，导致储气库发生气体泄漏。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种地下储气库袋状柔性密封洞壁结构及构建方法，能够满足储气库运行条件下的极端要求，保证地下储气库的可靠性和密封性，同时具有较好的经济性，并且易于快速施工、维护和推广。

2、为达到上述目的，本发明所设计的一种地下储气库袋状柔性密封洞壁结构，包括充放气入口，所述充放气入口朝向硬岩内部开凿有用于人工地下储气的储气库，其特别之处在于：

3、所述储气库洞壁外层包括用于承载储气库内部高压循环荷载的围岩层；所述围岩层内侧紧密贴合有混凝土衬砌层，所述混凝土衬砌层用于对围岩层表面进行平整，并将储气库气压由内部传递至围岩层；所述混凝土衬砌层内侧紧密贴合有用于填充混凝土衬砌层表面裂缝的弹性过渡层；

4、所述弹性过渡层内侧设置有用于储存高压气体的柔性密封膜，所述柔性密封膜为口袋状、且与弹性过渡层之间呈分离状态，所述柔性密封膜袋口固定于充放气入口，所述柔性密封膜口袋形状与储气库空间结构相一致，且柔性密封膜口袋体积为储气库空间1～1.2倍，充气后的柔性密封膜贴合至弹性过渡层表面，从而将膜内压力传递至混凝土衬砌层和围岩层；放气后的柔性密封膜与弹性过渡层分离并塌陷，从而避免膜外地下水对柔性密封膜造成损坏。

5、进一步地，所述储气库为水平放置的隧道式储气库，或者为竖向放置的竖井式储气库。

6、更进一步地，所述混凝土衬砌层为ecc高延性混凝土，ecc高延性混凝土厚度为250～500mm。

7、更进一步地，所述弹性过渡层为聚脲层，聚脲层厚度为4～6mm。

8、进一地，所述柔性密封膜为etfe膜，etfe膜厚度为0.8～1.2mm。

9、更进一步地，所述弹性过渡层和柔性密封膜为不同颜色。

10、本发明还设计一种地下储气库袋状柔性密封洞壁结构的构建方法，适用于上述的地下储气库袋状柔性密封洞壁结构，其特别之处在于，包括如下步骤：

11、s1)在岩层内挖掘出人工地下储气库的储气空间，利用人工地下储气库的围岩层承担储气库内部的高压循环荷载；

12、s2)在地下储气库的围岩表面施工混凝土衬砌层，且所述混凝土衬砌层与围岩层紧密贴合；

13、s3)在混凝土衬砌层表面施工弹性过渡层，且所述弹性过渡层与混凝土衬砌层紧密贴合；

14、s4)根据地下储气库的空间结构，在工厂加工制作与储气库形状、体积相匹配的柔性密封膜；然后安装柔性密封膜，将柔性密封膜袋口固定于充放气入口，从而形成完整的密封储气结构。

15、进一步地，s3)中，所述弹性过渡层为聚脲层，在混凝土衬砌层任意曲面、斜面、以及垂直面上喷涂聚脲层，喷涂厚度为4～6mm，施工时不考虑环境温度、湿度的影响。

16、进一步地，s4)中，安装后的柔性密封膜发生破损、或达到设计寿命时，对柔性密封膜进行整体更换，延长储气库运行寿命。

17、本发明的优点在于：

18、1、相比水工隧洞及水电站调压室采用钢衬防渗，本发明采用柔性密封膜代替钢衬密封层，不仅避免焊接工作，加快施工，而且促使储气库内的压力全部由混凝土衬砌层和围岩层承担，避免钢衬密封层发生疲劳破坏；

19、2、本发明中的柔性密封膜采用etfe膜，在工厂内加工制作，生产环境较好且可控，成品能够进行仔细的质量检验，有效保证袋状柔性密封膜的质量和密封性；同时，etfe膜具有优异的理化性能，如抗拉强度、伸长率、柔韧性、耐磨性、耐老化、防腐蚀等，同时能够承受储气库内部高温、低温变化环境，能适应储气库运行过程中的极端环境，显著加强储气库的密封稳定性；

20、3、本发明中的柔性密封膜采用袋状结构，充气式鼓胀，检修放气时塌陷，充分利用了材料的柔韧性，膜自身不承担拉力，仅将内部压力传递至围岩，能够可靠的将高压空气密封至储气库内部；

21、4、本发明中柔性密封膜的生产和安装都十分便利，可极大地减少建设工期；同时，当密封膜出现破损时，能够实现快速修补或整体更换，极大减少地上电站的停运期；

22、5、本发明中的弹性过渡层采用喷涂聚脲层，施工方便快速，聚脲利用其优异的理化性能为柔性密封膜提供了平滑的承力面，保证柔性密封膜不会发生穿刺破坏以及不会被压入混凝土衬砌层的裂缝中破坏，实现了对柔性密封膜的保护；

23、6、本发明中的高延性混凝土具有更高的强度和韧性，即使在巨大的弯曲变形情况下也几乎不会产生裂缝，从而为柔性密封膜提供了平整的基础面，保证了柔性密封膜的安全，增强了储气库的可靠性；

24、本发明地下储气库袋状柔性密封洞壁结构及构建方法，通过分离式的袋状柔性密封膜的特殊设计，实现密封层和高压承载层的分离，不仅满足储气库运行条件下的极端要求，保证地下储气库的可靠性和密封性，而且极大地减少施工工期和施工难度，降低了维护成本。