储气洞室的气密性计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种储气洞室的气密性计算方法，包括：S1根据达西定律，设定不同渗流距离的渗流速度计算式1；S2根据理想气体状态方程计算式2，设定洞室内部的压力差Δpx的计算式3；S3假设气体到达混凝土外表面时，渗出的气体的渗流速度为uA(t)，设定dt时间内泄漏的气体体积计算式4；S4设定可容纳空气的孔隙体积表示V孔隙并得到V孔隙计算式5：S5取气体刚刚渗流到A点位置时为时间起点并且时刻t渗出的气体体积为ΔV(t)，设定洞室内部的压力差计算式6；S6对计算式5积分，得到微分方程，解该微分方程，则得到泄漏的气体体积随时间的表达式。利用本发明能提供不同的内衬渗透率下的气体泄漏情况，通过控制内衬的渗透率来保证储气洞室的气密性。
【专利说明】
储气洞室的气密性计算方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种储气洞室的气体泄漏状况的计算方法。
【背景技术】
[0002] 压缩空气储能系统是另一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统。 它通过压缩空气储存多余的电能，在需要时，将高压空气释放通过膨胀机做功发电。地下储 气库是压缩空气储能系统的重要组成部分，是保障其运行性能和可靠性的技术关键。
[0003] 与一般地下洞室不同的是，压缩空气储能的地下储气库需要有良好的封闭性，以 保证封存气体不会流失，保证储能系统的工作效率。
[0004] 作为一种新兴的电力储存技术，国内外对压气储能的研究仍在进行中。而针对内 衬型硬岩储气洞室的气体泄漏情况的计算，尚未有人发表相关的方法。
【发明内容】
[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种能提供不同的内衬渗透率下的气体 泄漏情况，通过控制内衬的渗透率来保证储气洞室的气密性的储气洞室的气体泄漏状况的 计算方法，其特点在于，其包括以下步骤：
[0006] S1、令洞室边缘的某点0为坐标原点，根据达西定律，设定对于不同渗流距离的渗 流速度为计算式1:
[0008] 其中：u是渗流速度，Δρ是洞室内部与混凝土内X位置的压力差，Δχ是渗透距离，μ 是空气动力粘度，k是渗透率，取洞室边缘为坐标原点；
[0009] S2、随着气体的不断渗流，压力差Δρ也是不断变化的，根据理想气体状态方程计 算式 2:pV = nRT，
[0010] 则当气体渗入混凝土内X位置时，设定洞室内部的压力差APx为计算式3:
[0012]其中，Δ PQ为洞室与混凝土的初始压力差，T为混凝土的温度，Vm为混凝土温度条件 下的气体摩尔体积，A Vx为此时已经渗入到混凝土中的气体体积；
[0013] S3、渗流开始后，设气体到达混凝土外表面之后才属于气体泄漏，假设气体到达混 凝土外表面时，渗出的气体的渗流速度为u A(t)，取混凝土外表面为气体渗出的表面，以r表 示混凝土内衬的半径，r〇为储气洞室的半径，设定在dt时间内泄漏的气体体积为计算式4:
[0014] dV = UA(t) · dt · 4π：τ2;
[0015] S4、对于混凝土内衬，设定可容纳空气的孔隙体积表示V孔隙，储气洞室的体积表 示为V洞室，则设定V孔隙的计算式5:
[0017] 其中，η为孔隙率；
[0018] S5、取气体刚刚渗流到Α点位置时为时间起点，并且时刻t渗出的气体体积为△ V (t )，于是此时设定洞室内部的压力差计算式6为：
[0020] S6、对计算式5进行积分，得到计算式7:
[0026]解微分方程得到如下泄漏的气体体积随时间的表达式，单位为m3
[0028]在一些实施例中，所述储气洞室是一个球形的洞室，洞室的内壁用一圈混凝土进 行内衬，且混凝土介质各项均匀，即混凝土中孔隙也是均匀分布。
[0029]在一些实施例中，步骤S1中的压力差（Δρ)取正值。
[0030] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实 施例。
[0031] 本发明的有益效果:利用本发明的计算方法能提供不同的内衬渗透率下的气体泄 漏情况，通过控制内衬的渗透率来保证储气洞室的气密性。
[0032] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明的储气洞室截面示意图。
[0034]图2为本发明储气库运行过程中气体泄漏情况图。
[0035]图3为本发明24h内气体泄漏量情况图（k = 2.380 X 10-18m2)。
【具体实施方式】
[0036]下面举出较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
[0037] 实施例
[0038] 储气洞室的密封性是评价压缩空气储能系统的重要参数之一，直接影响压缩空气 储能电站的运行效率。
[0039] 本发明的目的是提供一种压缩空气储能的储气洞室的气体泄漏状况的计算方法， 以提供不同的内衬渗透率下的气体泄漏情况，通过控制内衬的渗透率来保证储气洞室的气 密性。
[0040] 如图1所示，本发明的储气洞室是一个球形的洞室，洞室的内壁用一圈混凝土进行 内衬，且混凝土介质各项均匀，即混凝土中孔隙也是均匀分布，于是可以取某一方向上空气 渗流情况进行分析。
[0041] 如图1所示，设开挖洞室的半径为r，储气空间的半径为Π)，混凝土的厚度为r-ro(意 思是说，开挖一个半径为r的洞室，然后施作一层厚度为r-ro的混凝土衬砌，因此衬砌所围 成的储气洞室的半径就是ro,同时混凝土内衬的半径是r)，初始情况洞室内部与外界的压 力差为Δρο。
[0042] 由于洞室的内壁的混凝土内衬中存在孔隙，在压力差的作用下，洞室内部的气体 就会缓慢的向混凝土内渗透。随着空气的渗出，洞室内部与外界的压力差会逐渐减小，当压 力差减小至〇,渗流现象也随即停止。
[0043] 如图1~图3所示，本实施例提供的储气洞室的气体泄漏状况的计算方法，包括：
[0044] S1、令洞室边缘的某点0为坐标原点，根据达西定律，对于不同渗流距离的渗流速 度为(压力差A ρ取正值）。
[0046]式中：u是渗流速度，Δρ是洞室内部与混凝土内X位置的压力差，Δχ是渗透距离，μ 是空气动力粘度，k是渗透率，取洞室边缘为坐标原点。
[0047] S2、随着气体的不断渗流，压力差Δ ρ也是不断变化的，根据理想气体状态方程： [0048] pV = nRT (计算式2)
[0049]可以计算当气体渗入混凝土内X位置时，洞室内部的压力差Δρχ为：
[0051]式中，Αρο为洞室与混凝土的初始压力差，Τ为混凝土的温度，Vm为混凝土温度条件 下的气体摩尔体积，A Vx为此时已经渗入到混凝土中的气体体积。
[0052] S3、渗流开始后，设气体到达混凝土外表面之后才属于气体泄漏。如图1所示，假设 气体到达图1中的混凝土外表面（即A点位置）（意思是指：当气体从混凝土衬砌中泄露出去 的时候，也就是气体达到混凝土的外表面时)时，渗出的气体的渗流速度为UA(t)，计算时取 混凝土外表面为气体渗出的表面，同前，以r表示混凝土内衬的半径，ro为储气洞室的半径， 那么在dt时间内泄漏的气体体积为：
[0053] dV = UA(t) · dt · 4irr2 (计算式4)
[0054] S4、对于混凝土内衬，可容纳空气的孔隙体积表示V孔隙，储气洞室的体积表示为V 洞室，则
[0056]式中，η为孔隙率。
[0057] S5、因为一般混凝土的孔隙较少，孔隙中的气体可以忽略，因此取气体刚刚渗流到 Α点位置时为时间起点，并且时刻t渗出的气体体积为△ V(t)，于是此时洞室内部的压力差 为：
[0059] S6、对计算式(5)进行积分，得到计算式7:
[0065]解微分方程得:计算式
[0067] 此计算式10即是泄漏的气体体积随时间的表达式，单位为m3。
[0068] 本发明的计算方法适用于内衬硬岩洞室型储气库，可以在设计施工之前计算可能 的气体泄漏量，为内衬混凝土的选型提供一定的参考。
[0069] 如表1所示，表1是混凝土渗透标号与渗透率换算表。
[0070] 表1混凝土渗透标号与渗透率换算
[0072]下面以某压缩空气储能洞室为例，来详细说明本发明的方法。
[0073]某压缩空气储能洞室的室直径10m，内衬混凝土的厚度为0.5m，洞室位于地下100m 深处，洞室内温度为23°C(296.15K)，混凝土的孔隙率ri为1%，各参数取值如下：
[0074] χα = 0 · 5ηι，μ= 1 · 8 X 10-5Pa · s，R = 8 · 314，T = 296 · 15K，Vm = 0 · 0245m3/mol，p〇 = 8MPa，r = 5.5m，r〇 = 5m，ri=l% 〇
[0075] 如果k取P8级抗渗混凝土的渗透率，即k = 2.380X 10-18m2。
[0076] 计算结果如图2所示。
[0077]由图2可以看出，洞室内的气体会在3000天左右泄漏完毕，泄漏的体积大约为 41400m3,由图2中观察到，在开始泄漏的一段时间，泄漏量与时间大致呈线性关系。
[0078]图3为24小时内气体泄漏量随时间的关系图。由图3可知，24小时内气体泄漏约 69.42m3，因此初始阶段气体泄漏速度大致为69.42m3/d，即每天泄漏量大约是储气总量的 0.17% 〇
[0079] -般来说，压缩空气储能电站对地下储气库的要求是每天的气体泄漏率低于1%， 因此取P8等级的抗渗混凝土可以满足压缩空气储能电站的工作要求。
[0080] 以上详细描述了本发明的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技 术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到 的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种储气桐室的气密性计算方法，其特征在于，其包括W下步骤： 51、 令桐室边缘的某点0为坐标原点，根据达西定律，设定对于不同渗流距离的渗流速 度为计算式1:其中：U是渗流速度，Δρ是桐室内部与混凝上内X位置的压力差，Δχ是渗透距离，μ是空 气动力粘度，k是渗透率，取桐室边缘为坐标原点； 52、 随着气体的不断渗流，压力差Δ P也是不断变化的，根据理想气体状态方程计算式 2:pV = nRT， 则当气体渗入混凝±内义位置时，设定桐室内部的压力差A ρχ为计算式3:其中，A Ρ0为桐室与混凝±的初始压力差，Τ为混凝±的溫度，Vm为混凝±溫度条件下的 气体摩尔体积，Δ Vx为此时已经渗入到混凝±中的气体体积； 53、 渗流开始后，设气体到达混凝±外表面之后才属于气体泄漏，假设气体到达混凝± 外表面时，渗出的气体的渗流速度为UA(t)，取混凝±外表面为气体渗出的表面，Wr表示混 凝±内衬的半径，ro为储气桐室的半径，设定在山时间内泄漏的气体体积为计算式4: dV = UA(t) ·化· 4町2. 54、 对于混凝±内衬，设定可容纳空气的孔隙体积表示V孔隙，储气桐室的体积表示为V 桐室，则设定V孔隙的计算式5:其中，η为孔隙率； 55、 取气体刚刚渗流到A点位置时为时间起点，并且时刻t渗出的气体体积为Δ V(t)，于 是此时设定桐室内部的压力差计算式6为：令解微分方程得到如下泄漏的气体体积随时间的表达式，单位为m32. 如权利要求1所述的气密性计算方法，其特征在于，所述储气桐室是一个球形的桐 室，桐室的内壁用一圈混凝±进行内衬，且混凝±介质各项均匀，即混凝±中孔隙也是均匀 分布。3. 如权利要求1所述的气密性计算方法，其特征在于，步骤S1中的压力差取正值。
【文档编号】G01M3/32GK106092469SQ201610368183
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】彭益成, 叶斌, 程子睿, 叶为民, 陈永贵, 关雪飞
【申请人】上海电力设计院有限公司