一种储气库密封系统模拟测试装置及方法

本技术涉及地下储气库，尤其涉及一种储气库密封系统模拟测试装置及方法。

背景技术：

1、地下储气库可以实现压气蓄能、氢能储存等工程，是清洁能源大规模普及，高效利用的重要手段。然而，将高压气体直接储存于岩体中，气体的泄漏问题难以解决，目前国内外普遍采用水幕法、内衬钢板、内衬柔性密封层等方法提高储库的密封性。然而水幕法难度高，对水资源依赖性高；内衬钢板易腐蚀，特别是在储存氢气等活跃气体时，容易发生氢脆等现象，造成密封性失效。在这种情况下，利用柔性材料制作密封系统就变成了最优选择。然而，对于储气库特别是储氢库等工程，密封性的失效不仅意味着不能满足工程需求，还会造成重大事故以及巨大的人身和财产损失。因此，研究多种工况下储气库密封系统的稳定性与密封性是实现储气库安全、可靠、高效运行的重要工作，然而现有的储气库密封系统测试装置存在以下诸多问题：

2、1.现有的密封系统测试设备只能对薄片进行测试，因而只能进行材料测试，难以重现储气库密封系统中复杂的拼接、交错结构，即无法实现结构测试。

3、2.现有的储气库物理模拟设备大多只针对于围岩，为了反映出围岩的变形情况，设备结构复杂，成本极高。常采用水、液压油等液体代替气体的注采，该类模拟无法反应出储气库的密封性。而采用气体注采的设备，注采气压低且对渗透量无法进行准确测量。

4、3.由于安全性等方面的缺陷，现有的密封层测试设备不能同时考虑温度变化、储气库变形和气压的变化，而储气库的运行是一个气-热-固的多场耦合问题，难以真实的反应储气库的运行工况。

5、4.现有的密封层测试设备和储气库物理模拟设备所进行的模拟压力低、加热温度低，测试量程低，安全性低。对于储氢库而言，理想储气压力为45mpa，目前没有设备可以进行物理模型的模拟。

6、5.现有的类似物理模拟测试装置均需要浇筑混凝土等材料，来实现对围岩的模拟，模型制作成本高、制作周期长且工艺复杂。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种储气库密封系统模拟测试装置及方法，可以同时实现储气库密封系统模型的端头封堵和温度控制，配合可变形复合气体捕捉组件，低成本的重现了储气库运行过程中内衬模型密封系统变形情况，并实现模拟过程中渗漏气体的完全捕捉，可以反应气-热-固多场耦合的情况，真实的模拟储气库的运行工况，所述技术方案如下：

2、本技术第一方面提供一种储气库密封系统模拟测试装置，包括储气库模拟系统、气源系统及控制监测系统，所述储气库模拟系统包括内衬模型单元及用于装载所述内衬模型单元的主体，所述内衬模型单元包括内衬模型、套设于所述内衬模型外部的可变形复合气体捕捉组件及分别设于所述内衬模型两端的第一密封堵头和第二密封堵头，其中，所述第一密封堵头或所述第二密封堵头为加热堵头；所述气源系统用于向所述储气库模拟系统注入高压气体；所述控制监测系统包括气压监测系统、多通道气体测量装置和温度控制系统，所述气压监测系统用于实时监测所述储气库模拟系统内部的气体压力变化，所述多通道气体测量装置用于测量所述可变形复合气体捕捉组件所捕捉的泄露气体体积，所述温度控制系统与所述加热堵头连接，以控制所述内衬模型单元的温度；其中，所述可变形复合气体捕捉组件允许所述内衬模型在充气状态下发生一定程度的形变，并可以捕捉从所述内衬模型中渗出的气体。

3、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，所述第一密封堵头和所述第二密封堵头均包括盖体，在所述盖体朝向所述内衬模型侧凸设有内圈沿和外圈沿，所述内圈沿和所述外圈沿之间形成用于夹持所述内衬模型的凹槽，在所述凹槽两侧壁上分别设有密封圈，以封堵所述盖体与所述内衬模型之间的缝隙，在所述外圈沿外壁设有箍环，所述外圈沿具有数个环向分布的间隙，通过加紧所述箍环使得所述外圈沿上的数个间隙压缩以压紧所述内衬模型。

4、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，在所述第一密封堵头上设有与所述气源系统连接的注气孔，以向所述内衬模型单元内注入气体；在所述第二密封堵头朝向所述内衬模型侧设有向所述第一密封堵头方向延伸的插柱，所述插柱伸入所述内衬模型内部空间，在所述插柱内壁设有与所述温度控制系统连接的加热电阻丝以对所述第二密封堵头加热，以控制所述内衬模型单元内部温度。

5、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，在沿所述内衬模型中心线方向设有数个套设于所述内衬模型外部并相互独立的所述可变形复合气体捕捉组件，各所述可变形复合气体捕捉组件之间通过橡胶垫阻隔，实现气体的独立收集。

6、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，所述可变形复合气体捕捉组件包括从内到外依次嵌设的透气金属衬砌片层、打孔塑料层和金属外壳层，在所述透气金属衬砌片层上均匀分布数个气孔，实现从所述内衬模型中渗透出来的气体自由通过，所述打孔塑料层具有易压缩性并允许所述内衬模型产生一定的膨胀形变，且所述打孔塑料层内部孔道允许穿过所述透气金属衬砌片层的气体继续无阻碍流动，所述金属外壳层用于防止渗透出的气体逃逸，且在所述金属外壳层上设有供气体流出的出气孔。

7、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，各所述可变形复合气体捕捉组件上的所述出气孔分别与所述多通道气体测量装置连接，以测量通过各所述可变形复合气体捕捉组件所捕捉的泄露气体体积。

8、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，所述气压监测系统包括相连接的气压监测仪和气压传感器，所述气压传感器设于所述第一密封堵头上，以实时监测向所述内衬模型单元内注入气体的压力。

9、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，所述主体包括用于装载所述内衬模型单元的高压筒体和与所述高压筒体相连接的高压筒盖，在所述高压筒体外壁上设有与各所述可变形复合气体捕捉组件上的所述出气孔相对应的出气口。

10、例如，在一个实施例提供的所述储气库密封系统模拟测试装置中，所述气源系统包括相连接的高压气泵和气瓶，通过所述高压气泵将所述气瓶内储存的高压气体注入所述内衬模型单元内。

11、本技术第二方面提供一种储气库密封系统模拟测试方法，采用上述储气库密封系统模拟测试装置进行内衬模型密封系统的密封性测试，包括以下步骤：

12、s1通过数值模拟或理论计算，得到储气库内衬模型在预设温度、内部气压和地应力的情况下所产生的膨胀量，根据膨胀量数值选择相匹配的可变形复合气体捕捉组件；

13、s2组装内衬模型单元：将制作好的圆管状内衬模型的一端插入第二密封堵头的凹槽内并夹紧第二密封堵头的箍环，将各可变形复合气体捕捉组件依次套设于内衬模型外部，并在各可变形复合气体捕捉组件之间套设橡胶垫阻隔，将内衬模型的另一端插入第一密封堵头的凹槽内并夹紧第一密封堵头的箍环，旋转可变形复合气体捕捉组件使得各可变形复合气体捕捉组件上的出气孔对齐；

14、s3将装配好的内衬模型单元放入高压筒体内，并使各可变形复合气体捕捉组件上的出气孔与高压筒体上的出气口对准，安装高压筒盖；

15、s4将高压气泵与第一密封堵头上的注气孔通过管路连接，将各可变形复合气体捕捉组件上的出气孔与多通道气体测量装置连接，将第二密封堵头上的加热电阻丝与温度控制系统连接，将气压监测仪与第一密封堵头上的气压传感器连接；

16、s5启动高压气泵，将气瓶内的高压气体注入内衬模型中，直至内衬模型内的气压达到目标气压值ampa；

17、s6启动温度控制系统，通过加热电阻丝使内衬模型内的温度稳定在目标温度值b℃；

18、s7启动多通道气体测量装置，实时记录各可变形复合气体捕捉组件所捕捉的泄露气体体积；

19、s8对多通道气体测量装置所记录的数据进行分析，获得ampa、b℃条件下储气硐室内衬模型密封系统的渗透性参数；

20、s9完成试验，将内衬模型内气体进行回收或后处理，依次拆除各部件。

21、本技术一些实施例提供的一种储气库密封系统模拟测试装置及方法带来的有益效果为：本技术通过在内衬模型密封系统两端分别设置密封堵头，且其中一密封堵头为加热堵头，可以同时实现储气库密封系统模型的端头封堵和温度控制，配合可变形复合气体捕捉组件，低成本的重现了储气库运行过程中内衬模型密封系统变形情况，并实现模拟过程中渗漏气体的完全捕捉，可以反应气-热-固多场耦合的情况，真实的模拟储气库的运行工况，低成本的解决了多场耦合模拟的问题，首次实现复杂结构的储气库密封系统的材料测试与结构测试，安全性高，可以进行真实储气库的注采模拟，并可以进行高气压(45mpa)、高温度(300℃)下大量程的储气库模拟试验。