地下储氢装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及地下储氢技术领域，特别是涉及一种地下储氢装置、系统及方法。


背景技术：

2.化石燃料的大量使用造成二氧化碳的过量排放，由此引起的全球气候变暖让能源转型问题变成生死攸关的全球性问题。氢是自然界中含量最多的元素，来源十分广泛，1m3氢气通过燃烧产生12.7兆焦耳的能量，而1m3甲烷产生40兆焦耳热量。虽然氢气热值低，但氢气的比能在所有的燃料中最高，且氢气在经过燃料电池或者燃烧后的最终产物为h2o，过程中无co2排放，也无污染物排放，因此氢能被视为未来最佳的清洁能源，具有很大的发展潜力。将太阳能、风能、水能和地热能等可再生能源产生的非持续性电能用于电解水制氢储存后再稳定供应，是缓解全球变暖及其负面影响的重要方案之一。
3.但氢气能量密度较低，其储存方式一直是世界性难题，大量存储更加困难。由于氢气在液化过程中自身损失非常巨大，操作复杂且成本高，压缩气态储存则成为氢气大规模储存的唯一方案。与地上储存方式相比，无论在安全环保、储量规模和投资成本方面，氢气地下储存更具优势。地下储氢能够保障国家能源供给安全、充分利用地下储存空间，在提高能源利用效率、节能减排、降低储集成本以及调峰和安全稳定供气发挥重要作用。
4.由于氢气和天然气在物理化学特性方面的明显差异、金属材料环境氢脆的影响以及氢气与微生物和矿物质的生物化学反应等原因，传统的地下储气模式对氢气并不适宜直接套用。
5.中国发明专利(cn114059083a)公开的方案中，是将太阳能发电制取的氢气最终注入到废弃油气藏中，该方法可以利用太阳能持续产生氢气，但废弃油气藏中大量存在的硫化物和普遍存在的微生物，会引发氢气的还原反应，造成氢气的显著损失，浪费资源，采出氢气的提纯工艺和设备还会增加成本；中国发明专利(cn108529124a)公开的方案中，是通过进行地质选型，管柱选材，腔体气密性检测、稳定性与密闭性分析评价等准备工作，将氢气储存于盐岩溶腔内，该方法可以预防盐穴溶腔储氢工作中可能发生的氢气泄漏、管柱器材氢脆化等问题，但盐穴溶腔对地质条件要求较高，必须存在巨厚盐丘地层才能进行溶腔操作。
6.可见，现有的地下储氢方式存在着氢气损失严重或受地质条件约束等问题；因此，亟需提供一种新的地下储氢方式以解决现有技术中所存在的上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种地下储氢装置、系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够降低由于生化反应造成的氢气损失，提高体积储氢效率，地质条件灵活且不受巨厚盐岩地层约束，具有显著的经济性和安全性。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供一种地下储氢装置，包括储氢岩洞，所述储氢岩洞内用于储存氢气，所
述储氢岩洞位于地下岩层；所述储氢岩洞的内壁上设置有密封衬砌层，所述密封衬砌层包括由内至外依次设置的密封内衬层和衬砌层，所述密封内衬层能够对所述储氢岩洞内的氢气进行密封，所述衬砌层位于所述密封内衬层与所述储氢岩洞的内壁之间，能够对所述密封内衬层进行固定。
10.优选的，所述储氢岩洞位于地下硬岩岩层，所述储氢岩洞的埋深在地下100米以下。
11.优选的，所述密封内衬层为钢内衬层，所述衬砌层包括由内至外依次设置的混凝土滑动层、钢筋混凝土层和喷浆混凝土层；其中，所述储氢岩洞内垫层气含量为氢气的20％-30％，所述垫层气为氮气。
12.优选的，所述储氢岩洞内还设置有排水排气系统，所述排水排气系统包括环形水平集气管、竖直排水管和地面排气管，所述储氢岩洞的底部和顶部均设置有所述环形水平集气管，且所述环形水平集气管与所述地面排气管连接；所述竖直排水管设置于所述喷浆混凝土层内，且所述竖直排水管沿环形设置有多个。
13.本发明还提供一种地下储氢系统，包括氢气传输系统和上述的地下储氢装置，所述氢气传输系统包括竖井，所述竖井的底端和所述储氢岩洞连通，所述竖井的顶端位于地表并能够通过注气管和采气管分别与制氢端以及输氢管网连通，所述注气管上设置有注气阀门，所述采气管上设置有采气阀门。
14.优选的，所述竖井为注采气竖井，所述注采气竖井的顶部通过密封结构密封，所述密封结构上设置有注气接口用于与所述注气管连接，所述密封结构上还设置有采气接口用于与所述采气管连接。
15.优选的，所述地下储氢系统还包括用于供工作人员和施工车辆设备进出的巷道系统，所述巷道系统包括施工斜坡道、竖井巷道、岩洞上部巷道和岩洞下部巷道，所述施工斜坡道的顶端为巷道系统进口，所述施工斜坡道的底端与所述岩洞上部巷道以及所述岩洞下部巷道连接，所述岩洞上部巷道以及所述岩洞下部巷道分别与所述储氢岩洞的上部以及下部连接，所述施工斜坡道还通过所述竖井巷道与所述竖井连接。
16.优选的，所述地下储氢系统还包括监测系统，所述监测系统包括传感器组件和地面接收端，所述传感器组件与所述地面接收端连接，所述传感器组件包括多个传感器，所述传感器分布于所述密封内衬层的外层四周；其中，所述传感器至少包括用于监测所述储氢岩洞的压力的压力传感器、用于监测所述储氢岩洞温度的温度传感器、以及用于监测地下水的水位传感器。
17.优选的，所述储氢岩洞设置有多个，每个所述储氢岩洞均连接有一所述注采气竖井。
18.本发明还提供一种地下储氢方法，采用上述的地下储氢系统，包括以下步骤：
19.不稳定注气：打开所述注气阀门，关闭所述采气阀门，将所述制氢端制取的不稳定氢气源通过所述竖井注入到所述储氢岩洞内进行储存；
20.稳定采气：关闭所述注气阀门，打开所述采气阀门，将所述储氢岩洞内的氢气通过所述竖井以稳定排量排至所述输氢管网。
21.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
22.本发明能利用传统技术开挖的地下岩洞做为储氢岩洞，实现大规模储存氢气，人
工建造的密封衬砌层能够尽可能地降低由于生化反应造成的氢气损失，提高体积储氢效率，而且对地质条件要求不高，具有显著的选址灵活性，且不受巨厚盐岩地层约束，具有显著的经济性和安全性。
附图说明
23.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的地下岩洞储氢系统的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的地下岩洞储氢装置的密封衬砌层示意图；
26.图3为本发明实施例提供的地下岩洞储氢系统的岩洞群结构示意；
27.其中，1为施工斜坡道，2为竖井巷道，31为岩洞上部巷道，32为岩洞下部巷道，4为注采气竖井，5为储氢岩洞，6为注气阀门，7为采气阀门，8为传感器，9为地面接收端，10为密封内衬层，11为混凝土滑动层，12为钢筋混凝土层，13为竖直排水管，14为喷浆混凝土层，15为地下硬岩岩层，16为制氢端，17为注气管，18为采气管，19为顶部土层，20为泥岩层，21为巷道系统进口。
具体实施方式
28.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。
29.本发明的目的是提供一种地下储氢装置、系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够降低由于生化反应造成的氢气损失，提高体积储氢效率，地质条件灵活且不受巨厚盐岩地层约束，具有显著的经济性和安全性。
30.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。
31.实施例一
32.如图1-图3所示，本实施例提供一种地下储氢装置，包括储氢岩洞5，所述储氢岩洞5内用于储存氢气，所述储氢岩洞5位于地下硬岩岩层15，其中，储氢岩洞5应满足如下地质条件：a、低渗致密岩体，防止气体通过岩层发生大范围泄漏；b、地层为以花岗岩层为主的硬岩岩层，能够保证硬度，以承受作业压力而不产生裂缝；c、岩洞埋深在地下100m以下。所述储氢岩洞5的内壁上设置有密封衬砌层，所述密封衬砌层包括由内至外依次设置的密封内衬层10和衬砌层，所述密封内衬层10能够对所述储氢岩洞5内的氢气进行密封，所述衬砌层位于所述密封内衬层10与所述储氢岩洞5的内壁之间，能够对所述密封内衬层10进行固定。
33.本实施例中能利用传统技术开挖的地下岩洞做为储氢岩洞5，实现大规模储存氢气，人工建造的密封衬砌层能够尽可能地降低由于生化反应造成的氢气损失，提高体积储氢效率，而且对地质条件要求不高，具有显著的选址灵活性，且不受巨厚盐岩地层约束，具
有显著的经济性和安全性。进一步地，利用人工衬砌来保证气密性和稳定性，在节省空间的同时又提高了储氢安全性，对氢能的制储一体化开发利用和推广具有重要意义。
34.作为一种优选的实施方式，在本实施例中，所述密封内衬层10为钢内衬层，所述衬砌层包括由内至外依次设置的混凝土滑动层11、钢筋混凝土层12和喷浆混凝土层14；其中，
35.所述钢内衬层能够防止氢渗透起到密封作用，采用奥氏体不锈钢制成，并采用焊接方式建造，所述钢筋混凝土层12的厚度为13-15mm，内压为15-30mpa；
36.所述混凝土滑动层11采用高延性混凝土作为滑动缓冲层，厚度为170mm左右；
37.所述钢筋混凝土层12采用钢筋混凝土连接储氢岩洞5内壁与钢内衬层，并采用焊接网方式加固，所述钢筋混凝土层12的厚度不小于1.5m；
38.所述喷浆混凝土层14采用喷浆混凝土浇筑于岩洞内壁岩层上；
39.所述储氢岩洞5内垫层气含量为氢气的20％-30％，以保证最小工作压力，可用氮气作为垫层气。
40.在本实施例中，所述储氢岩洞5内还设置有排水排气系统，所述排水排气系统包括环形水平集气管、竖直排水管13和地面排气管；具体地，所述储氢岩洞5的底部和顶部均设置有所述环形水平集气管，且所述环形水平集气管与所述地面排气管连接，地面排气管上还可以安装有排气阀；其中，环形水平集气管上设置有多个集气口，进行集气；所述储氢岩洞5处于正常工作状态时，环形水平集气管不工作，排气阀关闭，当压力传感器监测到储氢岩洞5内气压下降过快时，判断储氢岩洞5内氢气泄漏，此时环形水平集气管开始工作，排气阀打开，进行排气。而所述竖直排水管13则位于钢筋混凝土层12外侧，竖直设置于所述喷浆混凝土层14内，且所述竖直排水管13沿环形均布有多个，相邻竖直排水管13之间的间距为1-2m；当储氢岩洞5内渗入有地下水时，可以通过竖直排水管13将地下水排出，竖直排水管13还可以连接有水泵，为地下水的排出提供动力。
41.本实施例中还提供一种地下储氢系统，包括氢气传输系统和上述的地下储氢装置，所述氢气传输系统包括竖井，所述竖井的底端和所述储氢岩洞5连通，所述竖井的顶端位于地表并能够通过注气管17和采气管18分别与制氢端16以及输氢管网连通，通过注气管17将氢气由地面制氢端16通过竖井传输到储氢岩洞5中进行储存，通过采气管18能够将储存的氢气传输至地面输氢管道管网；其中，所述注气管17上设置有注气阀门6，所述采气管18上设置有采气阀门7。
42.在本实施例中，所述竖井为注采气竖井4，所述注采气竖井4的顶部通过密封结构密封，所述密封结构上设置有注气接口用于与所述注气管17连接，所述密封结构上还设置有采气接口用于与所述采气管18连接；其中，密封结构可以根据工作需要进行选择，如可以选择密封盖、密封法兰等。
43.或者，还可以设置每个储氢岩洞5连接两个竖井，一个竖井用于注气，另一个竖井用于采气。
44.在本实施例中，所述地下储氢系统还包括用于供工作人员和施工车辆设备进出的巷道系统，所述巷道系统包括施工斜坡道1、竖井巷道2、岩洞上部巷道31和岩洞下部巷道32，所述施工斜坡道1的顶端开口位于地表，并做为巷道系统进口21，所述施工斜坡道1的底端与所述岩洞上部巷道31以及所述岩洞下部巷道32连接，所述岩洞上部巷道31以及所述岩洞下部巷道32分别与所述储氢岩洞5的上部以及下部连接，所述施工斜坡道1还通过所述竖
井巷道2与所述竖井连接。
45.在本实施例中，施工斜坡道1开挖到一定深度后分为岩洞上部巷道31和岩洞下部巷道32，岩洞上部巷道31和岩洞下部巷道32同时施工；其中，所述施工斜坡道1、竖井巷道2、岩洞上部巷道31和岩洞下部巷道32均基于传统的钻孔-爆破方法开挖，必须允许车辆进入、转弯作业和人员设备的集散；进一步地，所述施工斜坡道1、竖井巷道2、岩洞上部巷道31和岩洞下部巷道32均采用马蹄形截面，且截面面积不小于25m2。
46.在本实施例中，所述地下储氢系统还包括监测系统，所述监测系统包括传感器组件和地面接收端9，所述传感器组件与所述地面接收端9连接，所述传感器组件包括多个传感器8，所述传感器8分布于所述密封内衬层10的外层四周，并通过光纤形式将监测数据实时传递到地面接收端9进行分析处理；其中，地面接收端9可以根据工作需要进行选择，如选择计算机等，而所述传感器8至少包括用于监测所述储氢岩洞5的压力的压力传感器、用于监测所述储氢岩洞5温度的温度传感器、以及用于监测地下水的水位传感器。
47.本实施例中监测系统能够监测地下岩洞储氢系统的压力、温度和地下水情况，预防气体泄漏。
48.在本实施例中，所述储氢岩洞5设置有多个，每个所述储氢岩洞5均连接有一所述注采气竖井4，每一个注采气竖井4的顶部均连接有一注气管17和一采气管18，注气管17和采气管18上分别设置有注气阀和采气阀。
49.作为一种优选的实施方式，本实施例中储氢岩洞5设置有四个，或者，也可以根据具体工作需要设置三个、五个或六个等的储氢岩洞5。
50.在本实施例中，所述巷道系统也可以设置有多个，所述巷道系统可以与所述储氢岩洞5一一对应，或者巷道系统的数量也可以少于储氢岩洞5的数量，如可以设置一个或两个巷道系统，通过一个或两个巷道系统与所有的储氢岩洞5连接，只要保证所有的储氢岩洞5的上部、下部以及与储氢岩洞5连接的竖井均能够与巷道系统连接即可。
51.本实施例中还提供一种地下储氢方法，采用上述的地下储氢系统，包括以下步骤：
52.不稳定注气：打开所述注气阀门6，关闭所述采气阀门7，将所述制氢端16制取的不稳定氢气源通过所述竖井注入到所述储氢岩洞5内进行储存；
53.稳定采气：关闭所述注气阀门6，打开所述采气阀门7，将所述储氢岩洞5内的氢气通过所述竖井以稳定排量排至所述输氢管网。
54.其中，制氢端16位于地表，可以根据工作需要进行选择，本实施例中优选为地表光伏装置，通过地表光伏装置发电进行电解制氢；而采气管18上可以安装有流量表，对采气流量进行监测，实现以稳定排量排气，或者可以将采气阀设置为流量阀。
55.在本实施例中，当设置有多个储氢岩洞5时，每一个储氢岩洞5的不稳定注气步骤依次进行，稳定采气步骤同时进行。
56.本发明通过利用传统技术开挖的地下岩洞作为储库，并在地下岩洞内建造人工衬砌，将地表制氢端制取的不稳定氢源进行大规模储存，并在需要时以稳定排量排至地表输氢管网，避免了由于生物化学反应造成的氢气损失问题。
57.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明
的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
58.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。