压缩空气储能岩石地下内衬洞室的稳定性和密封性研究

Compressed Air Energy Storage (CAES), a novel technology for storage of wind and solar power resources, is applicable for locations with abundant wind yet scarce hydraulic energy. The underground storage cavern is of massive scale, and subjected to highly pressed air, and requires strict sealing. Further, during the process of energy storage and power generation, the lining of the underground carven undergoes cyclic loading and temperature variation. This project will study the inner-lined rock carven with focus on the following including stress and deformation characteristics of surrounding rock as well as their influential factors, stress characteristics and sealing performances under different sealing methods, long-term stability, sealing performance and duration under high air pressure and cyclic temperature variation, etc, and will solve these problems, thus is of great scientific value.The proposal of basic principles for design of short-term and long-term stability, sealing performance and duration will be proposed, laying the theoretical foundation for future design. The study is of great significance as it will enlarge the area for the application of CAES, reduce abandon of resources during large-scale power generation using wind and solar energy, as well as boost the proportion of renewable power and optimize energy structure.

压缩空气储能是适合于风能资源富集而水资源稀缺地区的风电和太阳光电的储能技术。压气储能地下洞室的规模大、空气压力高、密封性要求严，而且在储能和发电过程中，高气压反复循环作用在地下洞室内衬上，并伴随着温度的变化。本项目拟通过压气储能岩石地下内衬洞室在高内气压下围岩的受力和变形特征及其影响因素、不同密封方式下的受力特性和密封性能、高气压和温度反复变化耦合作用下的长期稳定性、密封性和耐久性等的研究，重点解决压气储能岩石地下内衬洞室在高气压和温度反复变化耦合作用下的稳定性、密封性、长期稳定性和耐久性等科学问题，有重要的学术价值。并结合工程设计提出其稳定性、密封性、长期稳定性和耐久性等设计的基本准则，为压气储能岩石地下工程的设计提供理论依据。对拓宽压缩空气储能技术的应用地区和范围，减少大规模风和太阳光发电的弃风和弃光，提高可再生绿色能源发电比例，优化能源结构有重要的作用。

压缩空气储能是适合于风能资源富集而水资源稀缺地区的风电和太阳光电的储能技术。本项目重点研究了压气储能岩石地下内衬洞室在高气压和温度反复变化耦合作用下的稳定性、密封性、长期稳定性和耐久性等科学问题。基于热力学、高分子渗透以及热弹性力学理论建立了压气储能内衬洞室的多场耦合数学模型，该模型可以较为准确地计算压气储能洞室温度、压力、空气泄漏率以及洞室的附加应力、位移场；开展了应力上限分别为80%和65%的岩石单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环应力-温度试验以及循环后的岩石单轴压缩试验；对岩石受压破坏过程的各个阶段进行分类，推导了循环温度和循环应力作用下岩石损伤的随机裂纹计算模型；推导了只有循环温度作用的岩石损伤模型；对基于Weibull分布的岩石损伤本构模型进行拓展，提出了一种考虑循环应力和循环温度同时作用的岩石损伤本构模型，并给出了本构模型子程序的实现方法；基于最小耗能原理，考虑循环应力-温度引起的损伤，建立了岩石在循环应力-温度耦合作用下的长期强度准则；利用有限元计算方法，研究了全排水和不排水条件下环锚式预应力衬砌、灌浆式预应力衬砌以及分块式浇注衬砌的力学特性，提出了适用于压气储能洞室的衬砌形式；建立了高分子材料的高压气密性试验方法，并自行设计了高压密封盒，获得了多种高分子材料在不同条件下的渗透系数，在此基础上提出了两种密封形式；研究了在高内气压下围岩的受力和变形特征及其影响因素；基于多场耦合模型，得到了典型运营条件下不同密封形式压气储能洞室的受力特性及密封性能，得到了高气压和温度反复变化耦合作用下压气储能洞室的长期稳定性及耐久性变化规律；提出了适用于多种条件的压气储能洞室的解析计算方法，并提出了压气储能洞室设计的基本准则。上述研究，不仅为压气储能岩石地下工程的设计提供了理论依据，还提供了可以直接用于实际洞室的设计的有效工具，具有重要的理论和工程应用价值。