一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法技术

本发明专利技术涉及一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，包括以下步骤：获取硐室场区的工程地质参数；综合考虑最大空气内压力，结合工程地质参数确定安全埋深；在安全埋深允许的最大硐径范围内选取多个可行硐径，建立三硐室模型求解最小安全硐距；利用二次多项式拟合硐径和最小安全硐距之间的关系；根据最小安全硐距、硐径确定硐室群外侧预留距离、用地许可的硐室数量和储气库容积；以储气库容积最大作为判据，确定对应的最小安全硐距、硐径和硐室数量、外侧预留距离，结合安全埋深得到硐室群布置设计方案。与现有技术相比，本发明专利技术具有耐久性强、安全性好、充分利用储气库用地等优点。充分利用储气库用地等优点。充分利用储气库用地等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法


[0001]本专利技术涉及压气储能
，尤其是涉及一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法。

技术介绍

[0002]压气储能技术是一种利用压缩空气进行储能的技术。城市用电存在着电网负荷不同步的问题，通过储能技术“削峰填谷”、“平滑波动”对电力系统的稳定性和安全性至关重要。在用电低谷时段，利用电能将空气压缩至高压并存于洞穴或压力容器中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时段，将高压空气从储气室释放，进入燃烧室燃烧，利用燃料燃烧膨胀做功，驱动涡轮机发电。
[0003]储气库作为压气储能电站的重要组成部分，其安全性与稳定性直接影响到了该项技术的实施。压气储能储气库通常由成排硐室群构成。与常规内衬砌硐室设计不同，储气硐室在工作期间受到循环内气压长期作用，服役岩石受到长期累积损伤；同时，对由多条地下硐室密集分布组成的硐室群，相邻的硐室受力变形会相互影响，具有显著的硐室群效应，进而加剧损伤。因此在储气硐室群的设计过程中，不希望围岩出现塑性区。硐室群的埋深、硐径、硐室间的最小安全距离及硐室个数等参数对围岩塑性区的发展有着显著影响，使得硐室围岩在工作时不产生塑性区合理的硐室群布局参数是设计的关键。
[0004]对于硐室群的现有的参数判据确定方法主要存在两方面的问题。其一，对于硐室埋深，只考虑上覆围岩的隆起，使得岩体的强度被低估，而同时硐侧围岩是否安全并未考虑。其二，对于硐距，借用无内压隧道的硐距判据，未考虑储气硐室在工作期间受到循环内气压的特殊工况。硐室围岩在压缩空气循环加载下会产生较大的塑性区，而塑性区的存在会直接影响到储气硐室群的稳定性。总的来说，硐室群参数设计仅通过单因素或正交数值实验对储气硐室布局参数进行分析，这种数值实验方法虽然可以得到各个因素对围岩塑性区发展的影响，但不能给进一步的试验提供明确的指向性，无法进一步探究其内在响应机理，也无法得到较为普遍的硐距、硐径、埋深之间关系，具有单一工程的局限性。
[0005]因此，需要一种能适用大部分工程需求、具有理论依据、埋深/硐径/硐距设计成体系的硐室群布置设计方法，以满足储能硐室群安全性和稳定性的需要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了提供一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，根据工程现场的地质条件，给出了成排的圆形硐室群的布置设计方法，可用于确定特定地质条件下硐室的埋深、硐径、硐室间的最小安全距离及硐室个数，在保证硐室群运营期内安全性、稳定性的基础上，开挖硐室较少，且储气库容积较大。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，包括以下步骤：
[0009]获取硐室场区的工程地质参数；
[0010]综合考虑最大空气内压力，结合工程地质参数确定安全埋深；
[0011]在安全埋深允许的最大硐径范围内选取多个可行硐径，建立三硐室模型求解最小安全硐距；
[0012]利用二次多项式拟合硐径和最小安全硐距之间的关系；
[0013]根据最小安全硐距、硐径确定硐室群外侧预留距离、用地许可的硐室数量和储气库容积；
[0014]以储气库容积最大作为判据，确定对应的最小安全硐距、硐径和硐室数量、外侧预留距离，结合安全埋深得到硐室群布置设计方案。
[0015]所述工程地质参数包括围岩等级、密度、抗剪强度、各方向地应力。
[0016]所述结合工程地质参数确定安全埋深具体为：
[0017]根据单硐室无塑性区计算公式初步确定埋深；
[0018]在埋深允许的范围内确定最大硐径；
[0019]建立单硐室模型，根据最大硐径和埋深计算围岩是否出现塑性区，若出现塑性区，则增大埋深，重新确定埋深允许的范围内的最大硐径，直至不再出现塑性区，则以当前确定的埋深作为安全埋深。
[0020]所述单硐室无塑性区计算公式为：
[0021][0022][0023][0024][0025]式中，[Z]为安全埋深，Z
min
为硐室内气压为最大值时硐壁不出现塑性区的最小埋深，Z
max
为硐室内气压为0的空放状态下硐壁不出现塑性区的最大埋深，Z
τ
为两种工况下的围岩最大剪应力的最小值对应的埋深；ρ为围岩的密度；g为重力加速度；
‑
p
a
为硐室的最大内气压数值，应力以指向单元外法向为正；为围岩的内摩擦角；c为围岩的黏聚力。
[0026]所述硐径小于埋深的1/10。
[0027]所述三硐室模型包含硐室群间的三种相互作用关系：左侧有其他硐室、右侧有其他硐室以及左右均有硐室，忽略间隔两个及以上的硐室间的相互影响。
[0028]所述硐室群外侧预留距离大于等于最小安全硐距的0.5倍。
[0029]所述硐室群中的硐室数量为：
[0030][0031]式中，W为工程用地宽度；S为最小安全硐距；[]表示向下取整函数。
[0032]所述储气库容积的计算方法为：
[0033]V
i
＝n
i
πr
i2
L
[0034]式中，n为硐室数量，r为硐径，L为压气储能硐室轴线方向的长度。
[0035]利用硐室群布置设计方案进行布置时，根据确定的最小安全硐距、硐径、硐室数量、外侧预留距离和埋深，以工程用地中线为轴线，左右两侧对称布置储气硐室。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0037](1)本专利技术设计的方案中，硐室群在安全埋深的控制下，无论充放气工况，围岩均保持弹性状态，可有效防止围岩出现裂缝；围岩应变较小，同时保证衬砌的安全，从而保证在长期的运营应力循环下的安全性和耐久性。
[0038](2)本专利技术优先选取两种工况下的围岩最大剪应力的最小值对应的埋深作为安全埋深，不盲目增大埋深，减小硐室开挖成本。
[0039](3)本专利技术在硐室群最小安全硐距的控制下，围岩始终保持弹性状态，可有效防止围岩出现裂缝，保证在长期的运营应力循环下的安全性和耐久性，同时尽可能减小用地面积。
[0040](4)本专利技术利用二次多项式拟合硐室半径与硐室最小安全硐距的关系，拟合效果较好，可用于快速求解任意硐径对应的最小安全硐距。
[0041](5)本专利技术的硐室群布置设计方法可在保证硐室群运营期内安全性、稳定性的基础上，充分利用储气库用地，尽可能减少开挖硐室数量，增大单个硐室硐径，得到最大的储气库容积。
[0042](6)本专利技术明确了硐室埋深与硐室最大内气压和围岩参数之间的关系，以及埋深与硐距和硐径之间的关系，可根据工程用地尺寸得到最优的硐径和对应的硐距，从而完成系统的储气库硐室群布置设计。
附图说明
[0043]图1为本专利技术的方法流程图；
[0044]图2为本专利技术的硐室群布置设计示意图；
[0045]图3为最小安全硐距与围岩塑性区关系示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取硐室场区的工程地质参数；综合考虑最大空气内压力，结合工程地质参数确定安全埋深；在安全埋深允许的最大硐径范围内选取多个可行硐径，建立三硐室模型求解最小安全硐距；利用二次多项式拟合硐径和最小安全硐距之间的关系；根据最小安全硐距、硐径确定硐室群外侧预留距离、用地许可的硐室数量和储气库容积；以储气库容积最大作为判据，确定对应的最小安全硐距、硐径和硐室数量、外侧预留距离，结合安全埋深得到硐室群布置设计方案。2.根据权利要求1所述的一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，其特征在于，所述工程地质参数包括围岩等级、密度、抗剪强度、各方向地应力。3.根据权利要求1所述的一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，其特征在于，所述结合工程地质参数确定安全埋深具体为：根据单硐室无塑性区计算公式初步确定埋深；在埋深允许的范围内确定最大硐径；建立单硐室模型，根据最大硐径和埋深计算围岩是否出现塑性区，若出现塑性区，则增大埋深，重新确定埋深允许的范围内的最大硐径，直至不再出现塑性区，则以当前确定的埋深作为安全埋深。4.根据权利要求3所述的一种硬岩地下压气储能硐室群布置设计方法，其特征在于，所述单硐室无塑性区计算公式为：述单硐室无塑性区计算公式为：述单硐室无塑性区计算公式为：述单硐室无塑性区计算公式为：式中，[Z]为安全埋深，Z
min
为硐室内气压为最大值时硐壁不出现塑性区的最小埋深，Z
max
为硐室内气压为0的空放状态下硐壁不出现塑性区的最大埋深，Z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵程，孙泽元，钱源，幸金权，陈彦希，牛佳伦，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：