一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构

本技术涉及新能源工程结构，特别是涉及中、大规模压缩空气储能储气库结构。具体是涉及一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构。

背景技术：

1、压缩空气储能是采用压缩空气作为能量载体，实现能量跨时空的存储与释放。压缩空气储气库需要储存10mpa以上的压缩空气，并需满足密封性和承载强度安全方面的要求。依托废弃矿硐、隧洞、隧道、天然洞穴等，构造单个大直径硐室作为压缩空气储能的储气库，其优点是可利用储气空间较大，开挖及建设相对简易，但也存在一定的缺点，主要表现在围岩内环向拉伸应力较大。

2、依据受内压厚壁圆筒的弹性计算理论，在10mpa空气压力作用下，内径(半径)1.5m、外径(半径)2.0m的厚壁圆筒，其外边缘处的环向拉伸应力为25.7mpa；在考虑无边界约束的条件下，依据有限元计算可得到相同的结果。边缘处25.7mpa的环向拉伸应力已远大于岩石、混凝土类材料的极限拉伸应力。可见，对于3.0m直径的单个硐室，靠近硐室内测的混凝土、岩石类材料是无法单独承受10mpa及以上储气压力荷载的。因而在靠近硐室端，往往采用金属材料作为硐室的衬砌、同时加固硐室侧围岩以提高近端其承载能力；在远离硐室端，往往要求更大的围岩厚度消散储气压力所致的围岩应力。如图2所示。分析参数为：10mpa储气空气压力，外压为零；内半径1.5m、外半径2.0m的厚壁圆筒；结果为：圆筒外边缘的环向拉伸应力为25.7mpa。

3、在硐室壁厚一定时，硐室内径越大，其环向拉伸应力就越大；如超过硐室岩石类材料的极限，就会导致材料破坏危及储能结构的安全，显然其所能承载的储气压力无法进一步提高。因此，在恒定压力条件下，当采用增加硐室内径的方式增加储气容积时，往往需要更厚的金属或塑性材料作为硐室内部衬砌，以满足储气强度的要求；这样不仅增加施工成本和施工难度，且因围岩所承受充、放气的疲劳应力较大，也增加围岩疲劳破坏的风险。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本实用新型提供一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构。通过如下技术方案实现。

2、一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，包括围岩(1)，外层衬砌壳(2)，蜂窝储气单元(3)，填充材料(4)；围岩(1)与外层衬砌壳(2)固定连接；外层衬砌壳(2)内设置多个蜂窝储气单元(3)形成蜂窝状储气库结构，各蜂窝储气单元(3)之间、蜂窝储气单元(3)与外层衬砌壳(2)间，由填充材料(4)进行固定连接。

3、所述的蜂窝储气单元(3)设置为圆筒状、六边形等形状，以蜂窝形式分布于外层衬砌壳(2)内部，形成多个储气腔体。在储气库结构中起储存压缩空气的作用。

4、所述的外层衬砌壳(2),为圆形或接近围岩硐室的形貌的筒状结构；可由管片钢、混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、预应力混凝土中的一种或多种材料制成；在储气库结构中起承受和传递内部厚壁储气硐室压力的作用。

5、进一步的，外层衬砌壳(2)的厚度在300mm及以上。

6、所述的蜂窝储气单元(3)，直径为50mm-1200mm，设置为相同直径或几种不同直径，设置为不同直径时，蜂窝储气单元(3)直径按梯度分布、从四周向中心处逐渐增大。

7、进一步的改进，蜂窝储气单元(3)壁厚一般为其自身直径的1.0%-4.0%。

8、所述的蜂窝储气单元(3)，硐室壁(5)材料的弹性抗拉伸强度在30mpa以上，且具备10万次及以上的疲劳寿命；在所储存压缩空气的温度范围内具有稳定的力学承载能力；满足与所储存压缩空气压力相匹配的密封性要求。

9、进一步的改进，当蜂窝储气单元(3)直径大于200mm时，应充分计入周围其他蜂窝储气单元(3)充气膨胀对该蜂窝储气单元(3)环向应力的限制(有利)作用。

10、进一步的改进，当硐室壁(5)采用钢制材料时，管径可为200mm-1200mm；对应的管壁厚度可为10mm-30mm。

11、进一步的改进，当硐室壁(5)采用pvc等有机合成材料时，管径可为50mm-200mm,对应的管壁厚度可为4mm-30mm。

12、所述的蜂窝储气单元(3)，各蜂窝储气单元(3)独立储存压缩空气；相邻蜂窝储气单元(3)间的储气压力值宜接近。充入压缩空气时，应对所有蜂窝储气单元(3)同步充入空气。

13、所述的蜂窝储气单元(3)末端封闭；各蜂窝储气单元(3)前段可由具备承压能力的设施，连接至压缩空气储能系统，如可用承压管线钢连接至压缩空气储能系统。

14、所述的填充材料(4)，由可承受储气所产生压力荷载范围内的弹性材料制成，包括但不限于普通混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土，橡胶、聚合物、碎石、矿渣等材料；具有传递及耗散多个蜂窝储气单元(3)间储气压力的作用。

15、本实用新型的有益效果为：本实用新型利用了蜂窝状排列的(多个)小直径厚壁储气硐室具有优异的拉伸和疲劳力学性能的特点。通过将大直径储气硐室划分为多个互不联通的中、小直径厚壁储气硐室，并将置于外部衬砌壳内的多个厚壁储气硐室在空间上按蜂窝状进行排列，显著降低了高内压储气条件下围岩的应力，增加了围岩的安全性。

16、本实用新型通过将大直径储气硐室划分为多个蜂窝状排列的小直径厚壁储气硐室，一方面因几何尺寸的改变，减小了厚壁圆筒环向拉伸应力的值；另一方面，蜂窝状排列的厚壁储气硐室将部分因储气压强产生的环向拉伸应力转换为蜂窝储气单元（腔体）间填充材料的压缩应力，在发挥填充材料优异抗压特性的同时，有效降低了外层衬砌壳、围岩的拉伸应力水平，增强了围岩、储气库结构的强度安全。

17、本实用新型所述储气库结构为在天然岩土体中开展压缩空气储能的储气库结构。

18、该储气库结构即可用于依托废弃矿硐、隧洞、隧道、溶洞、天然洞穴的高内压压缩空气储能储气库，也可作为在岩土体中新建的储气库结构。

1.一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，其结构包括围岩(1)，外层衬砌壳(2)，蜂窝储气单元(3)，填充材料(4)；围岩(1)与外层衬砌壳(2)固定连接；外层衬砌壳(2)内设置多个蜂窝储气单元(3)形成蜂窝状储气结构，各蜂窝储气单元(3)之间、蜂窝储气单元(3)与外层衬砌壳(2)间，由填充材料(4)进行固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述的蜂窝储气单元(3)设置为圆筒状或六边形，以蜂窝形式分布于外层衬砌壳(2)内部，形成多个储气腔体。

3.根据权利要求2所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述外层衬砌壳(2)，为圆形或接近围岩硐室的形貌的筒状结构；由管片钢、混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、预应力混凝土中的一种或多种材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述蜂窝储气单元(3)，直径为50mm-1200mm，设置为相同直径或几种不同直径，设置为不同直径时，蜂窝储气单元(3)直径按梯度分布、从四周向中心处逐渐增大。

5.根据权利要求4所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，蜂窝储气单元(3)壁厚一般为其自身直径的1.0%-4.0%；蜂窝储气单元(3)的硐室壁(5)材料的弹性抗拉伸强度在30mpa以上，且具备10万次及以上的疲劳寿命；在所储存压缩空气的温度范围内具有稳定的力学承载能力；满足与所储存压缩空气压力相匹配的密封性要求。

6.根据权利要求5所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，当硐室壁(5)采用钢制材料时，管径为200mm-1200mm；对应的管壁厚度为10mm-30mm。

7.根据权利要求5所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，当硐室壁(5)采用pvc材料时，管径为50mm-200mm，对应的管壁厚度为4mm-30mm。

8.根据权利要求6或7任一项所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述蜂窝储气单元(3)，各蜂窝储气单元(3)独立储存压缩空气；相邻蜂窝储气单元(3)间的储气压力值接近。

9.根据权利要求8所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述蜂窝储气单元(3)末端封闭；各蜂窝储气单元(3)前段由具备承压能力的设施连接至压缩空气储能系统。

10.根据权利要求9所述的一种压缩空气储能蜂窝状储气库结构，其特征在于，所述的填充材料(4)，由可承受储气所产生压力荷载范围内的弹性材料制成。