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《压缩空气储能地下内衬硐库基本原理与分析方法》主要介绍压缩空气储能地下内衬硐库的基本概念与设计理念，压缩空气动力学下的硐库内温压计算方法及密封结构的热力学特性，围岩在疲劳-蠕变交互环境下的力学响应及破坏机理，热-力耦合作用下衬砌结构的开裂计算方法、裂缝宽度计算及衬砌裂缝分布特征，密封层的设计理论与参数，不同类型硐库的上覆岩体稳定性分析方法与安全埋深、安全系数控制标准及失效模式，密封堵头的结构形式力学模型，*后提出压缩空气储能地下内衬硐库基于可靠度的设计方法与理论等。
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目录序言前言第1章 概述 11.1 研究背景与意义 11.2 研究现状 61.2.1 CAES领域的LRC 61.2.2 石油天然气存储领域的LRC 81.2.3 上覆岩体稳定性与安全埋深 91.2.4 硐库温压变化与密封结构热力响应特性 131.2.5 LRC的围岩应力路径与力学响应 151.2.6 LRC的衬砌开裂与控制标准 191.2.7 LRC的密封层 241.2.8 LRC的密封堵头 261.3 本书主要内容 31第2章 LRC的基本概念与设计理念 332.1 基本概念 332.2 密封结构组成 352.3 主要荷载特征 362.4 常见失效模式 382.5 核心设计理念 40第3章 库内温压响应与密封结构传热特性 423.1 热力学控制方程下的温度场解析解 423.1.1 硐库内热力学分析 423.1.2 硐库壁面热对流 443.1.3 密封结构间热传导 443.1.4 解析求解方法 453.2 基于压缩空气动力学的库内温压计算方法 473.2.1 CFD数值模型假设 483.2.2 CFD控制方程 483.2.3 模型建立及数值求解 503.3 热力学下硐库选型参数研究 523.3.1 模型建立 523.3.2 模拟结果与讨论 533.3.3 硐形改进及温控措施 553.4 硐库运营期内温度变化规律研究 593.4.1 模型建立 593.4.2 *次充气加压 593.4.3 循环运营工况 653.5 密封结构传热特性研究 693.5.1 运营期内温度变化规律 693.5.2 不同种类密封层影响 713.6 本章小结 72第4章 疲劳-蠕变交互环境下岩体时效力学模型与围岩响应 744.1 地下硐库围岩力学响应的解析解与应力特征 744.1.1 问题的简化与控制方程 754.1.2 硐库围岩的应力路径 764.1.3 硐库围岩的力学响应 774.1.4 硐壁岩石应力特征 794.2 循环荷载作用下岩石变形特性及其破坏机理 804.2.1 试验试样和装置 804.2.2 试验步骤 824.2.3 试验结果 844.3 循环拉荷载作用下岩石的本构关系 874.3.1 变阶分数阶元件（Abel黏壶） 874.3.2 考虑黏性系数损伤的Abel黏壶 884.3.3 荷载的分解与表征 894.3.4 岩石非线性损伤流变疲劳本构模型的建立 944.3.5 模型的三维形式 954.3.6 本构模型适用性验证 984.4 压缩空气储能地下硐库长期力学响应数值分析方法 1044.4.1 本构模型的数值实现 1044.4.2 数值分析方法验证 1104.5 压缩空气储能地下硐库围岩力学响应 1104.5.1 计算模型 1104.5.2 本构模型及参数 1114.5.3 硐周围岩响应时空演化特征 1124.6 本章小结 118第5章 热-力耦合作用下衬砌结构开裂计算方法与分析 1195.1 内压荷载作用下衬砌结构开裂计算的公式方法 1195.1.1 规范公式及其适用性 1195.1.2 弹性地基梁理论方法 1215.2 热-力耦合作用下衬砌结构开裂的数值模拟研究 1275.2.1 内聚力模型理论 1275.2.2 钢筋本构与黏结滑移本构关系 1305.2.3 数值模型验证算例 1315.2.4 储气硐库数值模拟 1355.3 结构设计参数对衬砌开裂的影响分析 1425.3.1 配筋设计对衬砌开裂的影响分析 1425.3.2 混凝土设计对衬砌开裂的影响分析 1505.3.3 密封层（钢衬）设计对衬砌开裂的影响分析 1535.4 热力学过程对衬砌开裂的影响分析 1575.4.1 加压阶段大幅升温对衬砌开裂的影响分析 1575.4.2 保压阶段小幅降温对衬砌开裂的影响分析 1595.4.3 卸压阶段大幅降温对衬砌开裂的影响分析 1595.5 本章小结 160第6章 密封层设计理论与参数分析 1626.1 密封层与约束结构的界面力学模型 1626.2 钢板密封层与约束结构的界面工程力学特性 1666.2.1 钢板类型和物理力学参数 1666.2.2 钢板密封层裂缝搭接研究 1676.2.3 钢板密封层设计参数分析 1726.3 橡胶密封层与约束结构的界面工程力学特性 1736.3.1 橡胶类型和物理力学参数 1736.3.2 橡胶密封层裂缝搭接研究 1746.3.3 橡胶密封层设计参数分析 1786.4 柔性密封层设计参数分析 1796.4.1 钢板密封层设计参数 1796.4.2 橡胶密封层设计参数 1816.5 密封层疲劳与断裂 1836.5.1 初始缺陷 1836.5.2 断裂力学分析 1856.5.3 韧性分析与评估 1876.5.4 低周疲劳 1886.6 本章小结 189第7章 上覆岩体稳定性分析方法与安全埋深 1917.1 上覆岩体失稳模式分析 1917.1.1 破坏面的初值问题及数值求解 1917.1.2 方法验证 1977.1.3 破裂面形态分析 1997.2 安全系数求解 2027.2.1 二维隧道式锥形模型 2027.2.2 二维隧道式安全系数求解 2087.2.3 三维大罐式安全系数求解 2137.2.4 大罐式和隧道式对比分析 2197.3 安全系数控制标准 2217.3.1 LRC现有标准 2227.3.2 安全系数的定义 2227.3.3 安全系数与破坏机理关系分析 2247.3.4 抗剪断公式中安全系数的含义 2277.4 硐库失效模式与埋深的量化关系 2297.4.1 内衬硐库的一般失效模式 2307.4.2 位移与埋深的变化关系 2317.4.3 塑性区与埋深的变化关系 2367.5 本章小结 239第8章 LRC地下工程概念与设计内容 2418.1 地面工艺系统与材料参数要求 2418.1.1 地面工艺系统要求 2418.1.2 材料参数要求 2428.2 地下硐库设计的基本原则 2438.3 主要设计内容与流程 2448.3.1 地下硐库选址的基本原则与适宜性评价 2448.3.2 工程地质勘察的主要任务与评价 2458.3.3 地下硐库布置与选型设计 2468.3.4 密封结构设计流程 2518.4 密封结构可靠度设计方法 2528.4.1 采用概率方法的原因 2528.4.2 可靠度设计的基本概念 2528.4.3 关于安全系数设计方法的讨论 2568.4.4 密封结构设计内容 2578.5 泄漏率 2588.5.1 泄漏率的定义与计算方法 2588.5.2 泄漏率计算案例分析 2608.6 本章小结 261参考文献 262
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第1章 概述 随着“碳达峰”“碳中和”（简称“双碳”）目标的持续推进，能源结构转型和电力系统升级成为我国能源发展的重要命题。在此背景下，新型储能技术，尤其是压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES），因其安全性高、容量大、寿命长等优势，逐步成为构建新型电力系统的关键支撑技术之一。本章围绕CAES展开，从政策背景、技术原理、应用场景、工程实践到国内外研究现状，系统梳理该技术的发展脉络与研究热点，剖析不同储气结构的适用条件及工程实现路径，揭示当前面临的关键科学与工程问题。通过本章的概述，读者可全面理解CAES技术在国家能源转型中的地位与作用，并为后续章节深入探讨其力学机制、结构设计及优化策略提供坚实的理论基础。 1.1 研究背景与意义 2024年《政府工作报告》提出，加强大型风电光伏基地和外送通道建设，推动分布式能源开发利用，提高电网对清洁能源的接纳、配置和调控能力，发展新型储能，促进绿电使用和国际互认，发挥煤炭、煤电兜底作用，确保经济社会发展用能需求。这是我国*次将“发展新型储能”写进政府工作报告。 近年来，随着我国新能源发电规模持续快速增长，新型储能进入大规模发展期。“十四五”以来，新增新型储能装机直接推动经济投资超过1000亿元，有力支撑能源电力发展，成为中国经济发展新动能[1]。 新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现“双碳”目标的重要支撑，也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。“双碳”目标下，电力系统的电源结构、负荷特性、电网形态、技术基础以及运行特性正在发生深刻变化。新型电力系统将面临电力电量平衡、系统安全稳定、新能源高效利用等方面的巨大挑战。多类型新型储能能够在更大时间尺度和空间范围内构建源、荷、储能的有效平衡，提升新能源主动支撑能力和系统频率电压支撑调节能力，提高新能源利用水平。新型储能可在保障电力电量平衡、提高系统安全裕度、促进新能源高效利用方面发挥重要作用。另外，从发展前景层面，传统电力系统的灵活性调节电源存在一定局限性，储能是我国未来提升系统灵活性较为重要和可靠的手段[2]。 新型储能一般指除抽水蓄能外，用于电力存储的一类新兴储能技术，主要包括锂离子电池、液流电池、飞轮储能、压缩空气储能、重力储能、氢（氨）储能、储热（冷）等，具有形式多样、布置灵活、响应快速等特点。其技术经济性的持续优化，是提升新型电力系统灵活调节能力的必然选择和重要支撑。2022年1月，国家发展和改革委员会、国家能源局在《“十四五”新型储能发展实施方案》中提出，到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段[3]。储能简单说就是一个巨大的充电宝，电网能量不足时释放，充足时将能量储存起来。从整个电力系统的角度看，储能的应用场景可以分为源侧、网侧和用户侧三大场景，除此之外的应用还包括辅助服务、分布式发电与微网等。从技术原理上讲，储能技术主要分为物理储能（抽水蓄能、CAES、飞轮储能、重力储能等）、电化学储能（锂离子电池、铅酸电池、液流电池等）、电磁储能（超级电容器、超导电磁储能等）三大类。按照时长要求不同，如表1.1所示，储能的应用场景大致可以分为容量型（≥4h）、能量型（1～2h）、功率型（≤30min）和备用型（≥15min）四类。 对于电网侧峰谷差调节、可再生能源消纳的技术问题，必须用大规模长时储能技术来解决。目前的各类储能技术中，能够实现100MW及以上功率等级应用的机械储能技术主要包括抽水蓄能和CAES两种技术门类。 抽水蓄能，需要天然地理条件（上、下两个大型水库），才能实现水的重力势能的存储与释放。地理条件的特殊要求和移民等问题使得抽水蓄能电站无法自由建设。此外，在我国抽水蓄能用于电网侧进行可再生能源电力消纳时， 存在地域能源储备的匹配问题。我国西北部地区的风电、光伏等资源丰富，迫切需要大规模储能技术对可再生能源发电产生的过剩电力进行有效地消纳，但中东部地区因水力资源丰富更适合建设抽水蓄能电站，这种天然的地理资源的不匹配在一定程度上限制了抽水蓄能的发展。 CAES系统的工作原理示意图如图1.1所示，在电网负荷低谷期，利用多余的电能驱动压缩机将空气压缩，并存储于储气装置中；在电网负荷高峰期，再释放压缩空气驱动膨胀机发电。对大规模CAES系统而言，出于经济性与安全性的考虑，储气装置通常采用地下储气库作为主要储气介质空间。 CAES具有储能容量大、储能周期长、比投资小等优点，认为是*具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。CAES的优势有：①设备都是机械装置，正常维护情况下寿命可达30～50年，从全寿命周期来看，度电成本仅次于抽水蓄能；②属于典型物理储能，工作介质只有空气，安全性非常高；③CAES的建造周期短；④功率为10万kW以上即具备较好的商业性，项目单体投资小，可灵活配置，选址便利。 图1.1 CAES系统的工作原理示意图 国际上1978年建成的德国亨托夫（Huntorf）CAES电站与1991年建成的美国麦金托什（McIntosh）CAES电站为商业化电站。国内陆续进行了压缩空气、超临界压缩空气、液态CAES项目的研发与建设，500kW容量等级、1.5MW容量等级及10MW容量等级的CAES示范工程均已建成，其中张家口国际*套100MW先进CAES国家示范项目于2021年并网，应城300MW级CAES电站示范工程于2024年发电，整体研发进程及系统性能均处于****水平，如表1.2所示。2024年1月国家能源局公布的全国新型储能试点示范项目名单中CAES项目达11个，项目容量占到总容量的40%以上，如表1.3所示，其中人工建设的内衬储气库有8个。CAES在长时大容量储能领域表现非常突出。 目前从建成和在建的项目来看，兆瓦级的系统效率可达52.1%，10MW的系统效率可达60.2%，百兆瓦级别以上的系统设计效率可以达到70%左右。系统规模增加后，单位投资成本持续下降，系统规模每提高一个数量级，单位成本下降可达30%左右。 初始投资和利用小时数的变化对度电成本的影响巨大，而随着技术进步，初始投资仍有下降空间；利用小时数主要看电站在实际运营中的利用率，每天充放次数越高，成本越低。因此，CAES在能效得到提升后，有望成为抽水蓄能在大规模储能电站领域的重要补充。 对大规模CAES电站来说，相对于地表钢罐的储气装置，利用地下空间存储空气将是降低建设投资的主要途径。地下储气装置可采用盐层溶浸开采后的盐穴、内衬岩石硐库（lined rock caverns，LRC）、废弃矿井、枯竭油气藏及含水层等地下空间。 盐穴作为盐矿开采的副产物，由于盐岩具有低渗透性和自愈等特点，因此盐穴天然具有良好的密封性且建设成本低。目前全球大部分已建成商用压气储能电站仍以盐穴储气库为主。盐穴优势明显，但不是所有地方都有盐穴。 按照地质条件，废弃矿硐一般可分为两类：一类为金属矿山，如铁矿等，岩石强度较高；另一类为非金属矿山，如煤矿等，岩石强度较低。废弃矿硐的地下空间一般有两种，即采空区和巷道，前者空间展布较为复杂，密封比较困难；后者断面较小，一般为4～10m2。大规模CAES电站对储气容积数十万立方米的需求来说，直接利用需要密封的空间表面积较大，造价上优势不大，而且巷道通往采空区的岔口较多，为密封设置的堵头数量较多，也是影响工程造价和增加泄漏风险的重要因素。因此，在地质条件、空间展布、埋深等满足的条件下，废弃矿硐作为CAES电站的储气硐库，需要扩挖、密封等工程措施。 枯竭油气藏储气库利用枯竭的气层或油层建设，是比较常用、比较经济的一种地下储气形式，具有造价低、运行可靠的特点。含水层储气库用高压气体注入含水层的孔隙中将水排走，并在非渗透性的含水层盖层下直接形成储气空间。含水层储气库是仅次于枯竭油气藏储气库的另一种大型地下储气形式。枯竭油气藏和含水层属于孔隙型地下空间，孔隙度能达到10%的空间已经相对优良了。对CAES电站来说，数十万立方米的储气容积需求，仍需要在输送管道布置、气量和压力响应速率、杂质颗粒和气体过滤等方面深入研究。 内衬岩石硐库（LRC），指一般新挖或利用原有地下空间改造的一种储气形式，顾名思义，内衬为密封层，用围岩来承担荷载。选用内衬密封层的原因在于，LRC一般选用较硬岩浅埋的形式，围岩会存在原生或扰动裂隙，存在空气泄漏的风险。由于其选址灵活，建造方便，特别是风电、光伏发电较发达的“三北”地区，受到CAES电站领域的青睐。 综上所述，LRC将在CAES电站领域获得蓬勃发展。LRC的显著特征在于其长期处于循环膨胀压力和温度变化的时效耦合赋存环境中，进而引发一系列新的岩石力学与工程技术问题。 1.2 研 究 现 状 近年来，随着国家能源建设的蓬勃发展，特别是对CAES电站建设等方面的需求，在高内压LRC领域，学者通过理论分析、室内试验、数值模拟、现场试验等多种手段对LRC的稳定性、变形特征、设计理论与方法、施工方法及监测分析等方面进行了大量的研究，为CAES电站的发展提供参考。 1.2.1 CAES领域的LRC *早的压气储能内衬硐库研究开始于日本（1998年），当时Ishihata介绍了在日本北海道空知郡上砂川町的一座埋深450m的煤矿内进行的压缩空气储存测试试验，该试验项目施加的内衬结构为分块式衬砌，并采用橡胶板作为密封层[5]。Kim等[6]对衬砌岩洞中与地下CAES相关的耦合热力学、多相流体流动和传热进行了数值模拟研究，分析表明，保证这种体系长期气密性的关键参数是混凝土衬砌和围岩的渗透性。从密封性和能量的角度说明了在相对小的埋深下内衬硐库内进行压气储能的可行性，这时小埋深可大大减少内衬硐库的建设费用。Kim等[7]还研究了开挖损伤区（excavation damage zone，EDZ）对衬砌岩洞CAES地质力学性能的影响。结果表明，如果可以*小化硐库周围的EDZ，则可以大大减小混凝土衬砌引起拉伸裂缝和空气泄漏的可能性。此外，减小衬砌拉伸破坏可能性的*有利设计是内密封紧密的相对柔顺的混凝土衬砌，以及具有*小EDZ的相对坚硬（不合规）的主岩。Rutqvist等[8]通过耦合非等温、多相流体流动和地质力学数值模拟，研究了混凝土衬砌岩洞中地下CAES的耦合热力学和地质力学性能，发现混凝土衬砌中会产生拉伸应力，但是当使用气密内密封（如橡胶或钢衬里）时，这种应力可以降低。对压气储能地下试验硐进行研究时，采用了两种内衬密封结构形式：一是仅采用混凝土衬砌作为内衬结构，在试验硐运行过程中混凝土衬砌的作用为传递内压和密封气体；二是采用橡胶板或钢衬材料作为密封层结构，混凝土衬砌仅起到传递内压作用。另外，Rutqvist等[8]的数值模拟只有计算结果，还缺少一定的解析对照。夏才初等[9]对大规模压气储能硐库的稳定性及硐周应变进行了分析，认为埋深和硐形是影响硐周应变的主要因素，且对不同截面形状的硐库进行了研究，认为圆形硐库和大罐式硐库相对马蹄形硐库更有利于硐库稳定性。周舒威等[10]提出了不断变化的内压和温度所引起的内衬硐库应力计算方法，对圆形内衬硐库内压和温度引起应力开展了研究，认为不断变化的气体内压和温度引起的应力场是关乎硐库稳定性、耐久性的重要因素。夏才初等[11]采用热力耦合数值模型对埋深对压气储能内衬硐库稳定性的影响进行了定量分析，
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