圆形截面隧道式地下储气库容量研究

周小松，闫 磊，黄康康，王颖蛟，申 律

（机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043）

Budt 在20 世纪40 年代提出压气储能技术[1]，其原理是在用电低谷时，利用多余电能驱动压缩机将空气压缩储存起来，在用电高峰期时，释放气体发电[2]。建造地下储气库可利用废弃盐腔、矿洞、溶洞、地下含水层及人工开挖的洞室[3]，前4 种储气库，经济性较高，但均依靠特定的地质构造，受到的限制较大；而人工开挖洞室对地质构造没有特殊要求，适用范围广，具有广阔的发展前景[4]。

国内外关于硬岩储气库开展了大量研究，如张筱萍等[5]根据我国国情，分析了我国建设岩洞储气库的必要性及可行性。金维平等[6]通过分析总结硬岩储气库相关工程案例，结合硬岩储气库建设关键技术，提出了硬岩储气库选址的综合评价体系。蒋中明等[7-9]通过对各种地下储气库的对比分析，结合我国情况，论证了我国建设硬岩地下储气库的可行性，并研究了储气库在运行期，温度及压力循环变化对围岩的累积损伤，得到了储气库截面形式、埋深、下限压力与围岩参数的影响规律，以及建立平江浅埋地下储气实验库，研究了温度与压力变化对各结构层的变形与应力影响，得出密封层的材料性质对衬砌与围岩的受力影响显著。Kim 等[10-11]从储气库的泄漏及能量损失的角度研究了浅埋储气库的稳定性，得到储气库埋深为100 m 时，安全运行压力在5～8 MPa，论证了浅埋储气库的可行性。周舒威等[12]提出了一种计算储气库内温度与压力的变化对储气库结构应力变化的解析解，得出温度对储气库结构应力影响很大。LU[13]采用三维有限元方法模拟了某中试储气库的现场试验。数值预测与测量结果吻合较好，验证了结构的整体稳定性，揭示了结构各构件的功能。夏才初等[14]研究了10 MPa 内压时，不同埋深下不同形式洞室围岩的受力与变形特征，得到了圆形洞室与大罐型洞室在300 m 埋深时，稳定性较好。

综上，目前关于储气库的研究主要集中在地下储气库可行性、选址及稳定性等方面，关于储气库容量的研究较少。Zimmels[15]介绍了储气库能量容量的可能范围计算方法，储气库容量是指在被压缩的气体膨胀过程中可能获得的机械能，这主要取决于储气库体积、最低运行压力、最高运行压力，而储气库中气体与其周围环境之间的热传递也会影响储气库容量，储气库能量容量的可能范围在等温和绝热两种极端之间。储气库洞径、埋深和储气压力是影响储气库稳定性的关键因素，储气库体积与洞径有关，当支护结构确定时，储气库所能储存的最大储气压力受洞径及埋深影响，因此储气库能量容量可能范围受储气库洞径、埋深影响。本文在不考虑温度效应影响的前提下，采用MIDASGTS软件模拟了不同洞径、埋深条件下圆形储气库的最大储气压力，得到各工况储气库的能量容量可能范围和可匹配的电站额定功率范围，以便为硬岩储气库的设计建造提供参考依据。

1 数值模型及计算过程

1.1 数值模型

采用MIDAS GTS 软件建立数值模型，洞室距离左、右、下、前、后边界距离大于3 倍洞径，距上边界根据埋深决定。储气库长度为100 m，开挖步为2 m，地表为自由边界，对左、右边界施加X 方向的位移约束，对前后边界施加Y 方向的位移约束，对下边界施加X、Y、Z 方向的位移约束。模型示意图如图1 所示。衬砌厚度为500 mm，洞径设置为6、12、18 m，埋深设置为100、200、300、400、500 m。

图1 模型示意图

1.2 材料参数

模型中假定围岩各向同性，为理想弹塑性材料，服从摩尔-库仑屈服准则，围岩等级为Ⅱ级，衬砌采用C35 混凝土，假定为弹性材料，初始地应力为自重应力场，材料参数参照SL 279—2016《水工隧洞设计规范》选取，具体参数见表1。

表1 材料参数表

1.3 计算过程

计算工况：第一步，初始地应力平衡，位移清零；第二步，洞室开挖，每步开挖2 m，钝化开挖网格组、衬砌网格组；第三步，施做衬砌，激活衬砌网格组，并修改属性为衬砌材料，循环第二步第三步，直至开挖完成；第四步，施加储气压力。

2 结果分析

以埋深为100 m，洞径为12 m 的洞室为例，围岩第一主应力最大值随储气压力变化如图2 所示。从图中可以看出，在0～5 MPa 范围内，随着储气压力增加，围岩压应力先增大后减小，之后随着储气压力增加，围岩由受压状态转变为受拉状态。可知，随着储气压力的增加，围岩最终将产生张拉破坏，各工况下围岩出现张拉破坏时的储气压力值见表2。

表2 储气库最大储气压力表

图3 为不同洞径下最大储气压力与埋深关系图，由图可知，同一埋深下，随着洞径增大，储气库的最大储气压力逐渐减小；随着埋深的增大，储气库的最大储气压力呈线性增大，当洞径为6 m 时，埋深每增大100 m，最大储气压力约增加4.25 MPa；当洞径为12 m时，埋深每增大100 m，最大储气压力约增加3.0 MPa；当洞径为18 m 时，埋深每增大100 m，最大储气压力约增加2.5 MPa，随着洞径增大，埋深对储气库最大储气压力的影响逐渐减小。

图3 不同洞径下最大储气压力与埋深关系图

3 储气库容量及额定功率计算

分析计算时不考虑温度影响，假设在膨胀过程中气体温度保持恒定，始终等于周围岩石的温度。无量纲等温能量容量因子表示为

式中：P0为最高运行压力，MPa；Pf为最低运行压力，MPa；w1为等温能量容量因子并假设空气在运行压力范围内表现为理想气体。无量纲绝热能量容量因子表示为

式中：k为固定压力和固定体积下的比热比，取1.4；w2为绝热能量容量因子。

等温和绝热发电条件表示了理想气体从最高运行压力到最低运行压力可获得的最大和最小能量容量水平。储气库最大和最小能量容量表示为

式中：w为能量容量因子，取w1、w2；V为储气库体积，m3。

最高运行压力取表2 中将使围岩发生张拉破坏的储气压力，为得出储气库能量容量的可能范围，在本文中最低运行压力取1 MPa。将最高运行压力和最低运行压力代入公式，得到本模型中不同洞径、不同埋深下储气库能量容量的可能范围。根据储气库能量容量范围，计算出放电4 h 条件下与之匹配的电站额定功率范围，见表3。

表3 储气库容量及额定功率表

图4 为不同洞径下储气库容量与埋深关系图。由图可知，当埋深一定时，储气库容量随洞径的增加而增大；当洞径一定时，储气库容量随埋深的增加而增大。表明增加洞径及埋深均可有效增加储气库容量。还可以发现随着埋深的增加，当洞径为6 m 时，埋深每增加100 m，最大储气库容量约增加0.41×108kJ；当洞径为12 m 时，埋深每增加100 m，最大储气库容量约增加1.25×108kJ；当洞径为18 m 时，埋深每增加100 m，最大储气库容量约增加2.25×108kJ，由此可得洞径越大，埋深对储气库容量的影响逐渐增大。

图4 不同洞径下储气库容量与埋深关系图

4 结论

1）在运行期间，随着储气压力的增大，围岩会由受压状态变为受拉状态，且拉应力逐渐增大。

2）埋深相同时，随着洞径增加，储气库的最大储气压力逐渐减小，并且洞径越大，埋深对储气库最大储气压力的影响越小；洞径相同时，随着埋深增加，储气库的最大储气压力大致呈线性增大。

3）增大洞径和埋深均可有效增加储气库容量，并且洞径越大，埋深对储气库容量的影响逐渐增大。

4）当储气库放电时间为4 h 时，根据各工况下储气库的能量容量可能范围，得到了不同埋深、洞径下储气库可匹配的电站额定功率范围。