一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构

1.本发明涉及地下空间压缩空气储能领域，特别是涉及一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构。


背景技术：

2.近年来风能、太阳能等新能源在我国得到了大规模的开发和利用，但是实际运行中存在大量弃风和弃光的现象，使得新能源的利用率长期处于减低水平。而目前比较成熟的大规模储能技术主要体现在抽水蓄能、蓄电池储能和压缩空气储能三种，但抽水蓄能对地理生态条件具有严格的限制，蓄电池储能又受制于造价、寿命和环保等问题，从而导致大规模应用受限很高，而压缩空气储能具有储能容量大、技术可靠、运行寿命长和不受地形限制的优点，因此近年来被我国大量推广建造，在政府的政策支持下，多个地区的压缩空气储能项目并网实验成功，这也标志着我国新型储能技术的研发和应用取得了巨大进展。
3.压缩空气储能项目虽然不受制于地形选址，但是地下储气库的建设是最重要的一个环节，储气库的稳定性和安全性决定了项目能否正常运行。储气库一般由两层结构组成，即内部密封层和支护作用的衬砌层，密封层外侧与衬砌层内侧仅仅贴合，运行时空气在密封层内进行周期性循环充放气。我国大部分储气库的预定压力为6～12mpa，温度为25～60℃，部分电站的最高压力会达到20mpa，甚至更高。储气库的建设还需要在硐室中添加气塞结构以来密封住内部的气体，这就会不可避免的出现应力集中和热效应等问题从而破坏储气库的整体结构。最关键的是，对于岩体和混凝土等材料，其本身的力学属性为抗压不抗拉也不抗剪，在储气库运行时，如今主流的结构都会不可避免的出现较大拉应力和较大剪应力从而破坏衬砌层和围岩层，这就限制了储气库内部的气体压力，因此对于储气库的设计就显得尤为重要。
4.为了克服以上所述的困难，本发明提出了一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构，该装置整体构造简单，合理的利用了力学理论，不仅减小了气塞拉应力的产生，还能很好的避免与外界发生热交换，从而保证能量损失较小，提高发电量，这将保证压缩空气储能储气库更安全、效率更高的运行，从而有效解决储气库安全存储高温高压气体的的关键科学问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构，气体通过管道进入到储气库内部，气体所携带的高温被温度板吸收，气体载荷将以均布法向载荷的方式作用在气塞的两端，气塞结构此时根据合理受力进行设计，内部只存在轴向压应力和较小剪应力，随后气体被释放，温度板将吸收的热量放出进一步加热气体，气体再次通过管道推动汽轮机进行发电，这一系列步骤有效解决了储气库安全存储高温高压气体的的关键科学问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种带有力流合理弧线的
储气库气塞结构，包括本体，所述本体内部为储气库结构，所述储气库结构顶端为加固层，所述加固层、衬砌层和密封层构成了储气库整体结构，所述加固层内部上侧通过弹簧与铰支座与上部拉杆相连接，所述上拱线结构、第一铰支点、拉杆和预应力装置组件构成上部气塞，上部气塞底部通过拉杆与铰支座与第一弹簧和第二弹簧连接，所述拉杆中间存在预应力装置，所述上部气塞顶点为第一铰支点结构，所述上部气塞结构为空腹拱形结构，所述储气库结构内部嵌有温度板，所述温度板具有多孔层结构，所述上部气塞结构上侧通过管道与外界相连，所述加固层内部下侧通过第一弹簧和第二弹簧与铰支座与下部拉杆相连接，下部气塞底部通过拉杆、铰支座与第一弹簧和第二弹簧连接，所述拉杆中间存在预应力装置，所述下拱线结构，第一铰支点，拉杆和预应力装置组件构成下部气塞，所述下部气塞顶点为第一铰支点，所述下部气塞结构为空腹拱形结构，所述铰支座位于充满液体环境，所述铰支座两端通过螺丝连接加固层和拉杆结构。
7.优选的，所述弹簧两端分别连接加固层和拉杆。
8.优选的，所述铰支座位于充满液体环境，液体选受力变形较小的液体。
9.优选的，所述预应力装置密封性要好，内部为真空环境。
10.优选的，所述拉杆应小于气塞结构的水平距离。
11.优选的，所述温度板在气塞内部呈均匀安装。
12.优选的，所述铰支点结构尽可能小，只需要保证气塞两端能发生微小转角即可。
13.优选的，所述拉杆两侧嵌有低渗透性材料的高分子材料，可以是丁基橡胶、天然橡胶、三元乙丙橡胶或玻璃钢。
14.优选的，所述密封层应具有预防空气泄露的本领，可以是丁基橡胶、天然橡胶、三元乙丙橡胶或玻璃钢等具有低渗透性能的高分子材料。
15.优选的，所述上部气塞如图所示，其拱形结构满足方程：
[0016][0017]
其中，f为拱形结构的高度，h为拉杆长度，m为拱形结构的重量，qa为线压强，g为重力加速度。其轴力、剪力和弯矩结果如图二所示，其中负数为压应力或“左下右上”式剪力或“左顺时针右逆时针”式弯矩。
[0018]
优选的，所述上部气塞如图所示，其拱形结构满足方程：
[0019][0020]
其中，f为拱形结构的高度，h为拉杆长度，m为拱形结构的重量，qa为线压强，g为重力加速度。其轴力、剪力和弯矩结果如图四所示，其中负数为压应力或“左下右上”式剪力或“左顺时针右逆时针”式弯矩。
[0021]
本发明公开了以下技术效果：本发明的一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构通过管道进行气体的输运，气体所携带的高温在储气库内部被温度板吸收，气体释放时，温度板释放温度，从而保证能量的最大化利用；气体充满储气库时会以均布载荷的方式将力施加在拱线上，而拱线结构得益于其结构设计使得内部仅有轴向压应力作用，拱线结构的底部会产生水平位移，但底部的拉杆会束缚其位移并给它提供一定的初始预应力，这意味着拱线结构在气压作用下也不会产生跟大的水平变形以挤压破坏岩石区，气塞底部通过铰
支座和弹簧与加固板和拉杆连接，内部充满缓冲液体，此结构会大大减弱气体对竖直方向的岩体的冲击；储气库左右两侧布有密封层和衬砌层，它们不仅起到支护的作用还有防气体泄漏的作用。
[0022]
本发明的优点在于该装置整体构造简单，合理的利用了力学理论，不仅减小了气塞拉应力的产生，还能很好的避免与外界发生热交换，从而保证能量损失较小，提高发电量，这将保证压缩空气储能储气库更安全、效率更高的运行，从而有效解决储气库安全存储高温高压气体的的关键科学问题。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的上部气塞结构示意图；
[0025]
图2为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的上部气塞结构轴力、剪力和弯矩分布图；
[0026]
图3为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的下部气塞结构示意图；
[0027]
图4为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的下部气塞结构轴力、剪力和弯矩分布图；
[0028]
图5为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的地下储能装置的结构示意图；
[0029]
图6为本发明中带有单向和多齿轮传动阀门的地下储能装置的单向阀门示意图。
[0030]
其中：1、第一弹簧；2、铰支座；3、第二弹簧；4、管道；5、上拱线结构；6、第一铰支点；7、温度板；8、预应力装置；9、围岩；10、拉杆；11、下拱线结构；12、密封层；13、衬砌层；14、加固层；15、螺母；16、上钢片结构；17、缓冲液；18、下钢片结构；19、第二铰支点。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0033]
参照图5-6，本发明提供一种带有力流合理弧线的储气库气塞结构，包括地下储气库和固定铰支座，其特征在于：地下储气库由第一弹簧1、铰支座2、第二弹簧3、管道4、上拱线结构5、第一铰支点6、温度板7、预应力装置8、围岩9、拉杆10、下拱线结构11、密封层12、衬砌层13和加固层14构成，固定铰支座由螺母15、上钢片结构16、缓冲液17、下钢片结构18和第二铰支点19构成，地下储气库整体由围岩9包围组成，地下储气库上下两侧为加固层14，加固层14内侧通过第一弹簧1、第二弹簧3和铰支座2连接，第一弹簧1、第二弹簧3和铰支座2与位于上侧的压杆11连接，上侧压杆11与加固层14中间内部为缓冲液体19，上侧压杆11中
间通过预应力装置8连接，上侧压杆11内侧连接有拱线结构5，拱线结构5中间内部嵌入第一铰支点6，加固层14和位于上侧压杆11内部贯穿有管道4并延伸至地下储气库内部，地下储气库内部存在大量均匀分布的温度板7，地下储气库的两侧分别为密封层12和衬砌层13，下侧压杆内侧连接有拱线结构11，拱线结构11通过第一铰支点6连接。
[0034]
进一步优化方案，管道4与加固层14和拉杆10之间不留间隙，其外侧处于密封状态。
[0035]
进一步优化方案，管道4不仅可以作为输入气体13的通道也可以作为释放气体7的通道。
[0036]
进一步优化方案，加固层14与拉杆10之间充满缓冲液体。
[0037]
进一步优化方案，预应力装置8内部为真空，保证杆件在初始状态处于受拉状态。
[0038]
进一步优化方案，加固层14靠近拉杆10一侧与拉杆10外侧均涂油密封材料。
[0039]
进一步优化方案，第一弹簧1刚度较大，初始处于受拉状态。
[0040]
进一步优化方案，第二弹簧3刚度较小，初始处于受压状态。
[0041]
进一步优化方案，铰支座2中的第二铰支点19可以沿着拉杆10方向运动。
[0042]
进一步优化方案，加固层14的长度略长于两侧密封层、衬砌层和储气库内部的宽度总和。
[0043]
进一步优化方案，温度板7为多层多孔结构，其材料应选取利于热量交换的材料。
[0044]
进一步优化方案，拉杆10的两端内部压接有螺母15，且拉杆10的内侧壁安装有上钢片结构16，上钢片结构16的底部端连接有下钢片结构18，且上钢片结构16和下钢片结构18的连接处通过第二铰支点19贯穿相连。
[0045]
工作原理：
[0046]
当空气被压缩机压缩后，输入气体13沿着管道4到达储气库内部，随着储气库内部的气体不断被压缩，气体压力增大，温度升高，此时温度板7开始快速吸收热量以存储更多的能量，而气体压力和系统的重力会直接作用在拱线结构5和拱线结构11上，此时拱线结构5和拱线结构11开始在底部产生水平推力并发生水平位移，得益于预应力装置8的存在，一开始发生的位移与水平应力可以被拉杆10抵消掉，随着应力不断增大，预应力装置8内部的两个拉杆距离也随着增大，这避免了拉杆10被拉坏的危险，而预应力装置8内部的空间持续增大也会提供更大的拉力来控制拱线结构5和拱线结构11的水平位移维持在较低可接受的水平，与此同时，拱线结构5和拱线结构11的底部也会产生竖直方向的压力，此部分压力可以通过第一弹簧1、铰支座2、第二弹簧3和缓冲液17传递到加固层14，加固层14得益于较大的水平面积进而削减局部面积的力，这可以保护围岩9不被破坏；随后进行气体释放7，随着内部压强的降低，温度也开始降低，此时温度板7将上一步保存起来的能量进行释放以加热气体，在减少热传导的能量损失的同时可以提高能量的利用率，而得益于拱线结构的设计，在气体压力达到峰值的时候，拱线结构5和拱线结构11作为储气库的核心气塞装置，仅能产生很小的剪应力从而保护储气库整体结构不被破坏，这可以大大延长储气库的使用寿命。
[0047]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0048]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。