儲氣洞室的氣密性計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種儲氣洞室的氣密性計算方法，包括：S1根據(jù)達西定律，設(shè)定不同滲流距離的滲流速度計算式1；S2根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算式2，設(shè)定洞室內(nèi)部的壓力差Δpx的計算式3；S3假設(shè)氣體到達混凝土外表面時，滲出的氣體的滲流速度為uA(t)，設(shè)定dt時間內(nèi)泄漏的氣體體積計算式4；S4設(shè)定可容納空氣的孔隙體積表示V孔隙并得到V孔隙計算式5：S5取氣體剛剛滲流到A點位置時為時間起點并且時刻t滲出的氣體體積為ΔV(t)，設(shè)定洞室內(nèi)部的壓力差計算式6；S6對計算式5積分，得到微分方程，解該微分方程，則得到泄漏的氣體體積隨時間的表達式。利用本發(fā)明能提供不同的內(nèi)襯滲透率下的氣體泄漏情況，通過控制內(nèi)襯的滲透率來保證儲氣洞室的氣密性。
【專利說明】
儲氣洞室的氣密性計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種儲氣洞室的氣體泄漏狀況的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓縮空氣儲能系統(tǒng)是另一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)。 它通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時，將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發(fā)電。地下儲 氣庫是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要組成部分，是保障其運行性能和可靠性的技術(shù)關(guān)鍵。
[0003] 與一般地下洞室不同的是，壓縮空氣儲能的地下儲氣庫需要有良好的封閉性，以 保證封存氣體不會流失，保證儲能系統(tǒng)的工作效率。
[0004] 作為一種新興的電力儲存技術(shù)，國內(nèi)外對壓氣儲能的研究仍在進行中。而針對內(nèi) 襯型硬巖儲氣洞室的氣體泄漏情況的計算，尚未有人發(fā)表相關(guān)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供一種能提供不同的內(nèi)襯滲透率下的氣體 泄漏情況，通過控制內(nèi)襯的滲透率來保證儲氣洞室的氣密性的儲氣洞室的氣體泄漏狀況的 計算方法，其特點在于，其包括以下步驟：
[0006] S1、令洞室邊緣的某點0為坐標原點，根據(jù)達西定律，設(shè)定對于不同滲流距離的滲 流速度為計算式1:
[0008] 其中：u是滲流速度，Δρ是洞室內(nèi)部與混凝土內(nèi)X位置的壓力差，Δχ是滲透距離，μ 是空氣動力粘度，k是滲透率，取洞室邊緣為坐標原點；
[0009] S2、隨著氣體的不斷滲流，壓力差Δρ也是不斷變化的，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計 算式 2:pV = nRT，
[0010] 則當(dāng)氣體滲入混凝土內(nèi)X位置時，設(shè)定洞室內(nèi)部的壓力差A(yù)Px為計算式3:
[0012]其中，Δ PQ為洞室與混凝土的初始壓力差，T為混凝土的溫度，Vm為混凝土溫度條件 下的氣體摩爾體積，A Vx為此時已經(jīng)滲入到混凝土中的氣體體積；
[0013] S3、滲流開始后，設(shè)氣體到達混凝土外表面之后才屬于氣體泄漏，假設(shè)氣體到達混 凝土外表面時，滲出的氣體的滲流速度為u A(t)，取混凝土外表面為氣體滲出的表面，以r表 示混凝土內(nèi)襯的半徑，r〇為儲氣洞室的半徑，設(shè)定在dt時間內(nèi)泄漏的氣體體積為計算式4:
[0014] dV = UA(t) · dt · 4π：τ2;
[0015] S4、對于混凝土內(nèi)襯，設(shè)定可容納空氣的孔隙體積表示V孔隙，儲氣洞室的體積表 示為V洞室，則設(shè)定V孔隙的計算式5:
[0017] 其中，η為孔隙率；
[0018] S5、取氣體剛剛滲流到Α點位置時為時間起點，并且時刻t滲出的氣體體積為△ V (t )，于是此時設(shè)定洞室內(nèi)部的壓力差計算式6為：
[0020] S6、對計算式5進行積分，得到計算式7:
[0026]解微分方程得到如下泄漏的氣體體積隨時間的表達式，單位為m3
[0028]在一些實施例中，所述儲氣洞室是一個球形的洞室，洞室的內(nèi)壁用一圈混凝土進 行內(nèi)襯，且混凝土介質(zhì)各項均勻，即混凝土中孔隙也是均勻分布。
[0029]在一些實施例中，步驟S1中的壓力差（Δρ)取正值。
[0030] 在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實 施例。
[0031] 本發(fā)明的有益效果:利用本發(fā)明的計算方法能提供不同的內(nèi)襯滲透率下的氣體泄 漏情況，通過控制內(nèi)襯的滲透率來保證儲氣洞室的氣密性。
[0032] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明的儲氣洞室截面示意圖。
[0034]圖2為本發(fā)明儲氣庫運行過程中氣體泄漏情況圖。
[0035]圖3為本發(fā)明24h內(nèi)氣體泄漏量情況圖（k = 2.380 X 10-18m2)。
【具體實施方式】
[0036]下面舉出較佳實施例，并結(jié)合附圖來更清楚完整地說明本發(fā)明。
[0037] 實施例
[0038] 儲氣洞室的密封性是評價壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，直接影響壓縮空氣 儲能電站的運行效率。
[0039] 本發(fā)明的目的是提供一種壓縮空氣儲能的儲氣洞室的氣體泄漏狀況的計算方法， 以提供不同的內(nèi)襯滲透率下的氣體泄漏情況，通過控制內(nèi)襯的滲透率來保證儲氣洞室的氣 密性。
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明的儲氣洞室是一個球形的洞室，洞室的內(nèi)壁用一圈混凝土進行 內(nèi)襯，且混凝土介質(zhì)各項均勻，即混凝土中孔隙也是均勻分布，于是可以取某一方向上空氣 滲流情況進行分析。
[0041] 如圖1所示，設(shè)開挖洞室的半徑為r，儲氣空間的半徑為Π)，混凝土的厚度為r-ro(意 思是說，開挖一個半徑為r的洞室，然后施作一層厚度為r-ro的混凝土襯砌，因此襯砌所圍 成的儲氣洞室的半徑就是ro,同時混凝土內(nèi)襯的半徑是r)，初始情況洞室內(nèi)部與外界的壓 力差為Δρο。
[0042] 由于洞室的內(nèi)壁的混凝土內(nèi)襯中存在孔隙，在壓力差的作用下，洞室內(nèi)部的氣體 就會緩慢的向混凝土內(nèi)滲透。隨著空氣的滲出，洞室內(nèi)部與外界的壓力差會逐漸減小，當(dāng)壓 力差減小至〇,滲流現(xiàn)象也隨即停止。
[0043] 如圖1~圖3所示，本實施例提供的儲氣洞室的氣體泄漏狀況的計算方法，包括：
[0044] S1、令洞室邊緣的某點0為坐標原點，根據(jù)達西定律，對于不同滲流距離的滲流速 度為(壓力差A(yù) ρ取正值）。
[0046]式中：u是滲流速度，Δρ是洞室內(nèi)部與混凝土內(nèi)X位置的壓力差，Δχ是滲透距離，μ 是空氣動力粘度，k是滲透率，取洞室邊緣為坐標原點。
[0047] S2、隨著氣體的不斷滲流，壓力差Δ ρ也是不斷變化的，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程： [0048] pV = nRT (計算式2)
[0049]可以計算當(dāng)氣體滲入混凝土內(nèi)X位置時，洞室內(nèi)部的壓力差Δρχ為：
[0051]式中，Αρο為洞室與混凝土的初始壓力差，Τ為混凝土的溫度，Vm為混凝土溫度條件 下的氣體摩爾體積，A Vx為此時已經(jīng)滲入到混凝土中的氣體體積。
[0052] S3、滲流開始后，設(shè)氣體到達混凝土外表面之后才屬于氣體泄漏。如圖1所示，假設(shè) 氣體到達圖1中的混凝土外表面（即A點位置）（意思是指：當(dāng)氣體從混凝土襯砌中泄露出去 的時候，也就是氣體達到混凝土的外表面時)時，滲出的氣體的滲流速度為UA(t)，計算時取 混凝土外表面為氣體滲出的表面，同前，以r表示混凝土內(nèi)襯的半徑，ro為儲氣洞室的半徑， 那么在dt時間內(nèi)泄漏的氣體體積為：
[0053] dV = UA(t) · dt · 4irr2 (計算式4)
[0054] S4、對于混凝土內(nèi)襯，可容納空氣的孔隙體積表示V孔隙，儲氣洞室的體積表示為V 洞室，則
[0056]式中，η為孔隙率。
[0057] S5、因為一般混凝土的孔隙較少，孔隙中的氣體可以忽略，因此取氣體剛剛滲流到 Α點位置時為時間起點，并且時刻t滲出的氣體體積為△ V(t)，于是此時洞室內(nèi)部的壓力差 為：
[0059] S6、對計算式(5)進行積分，得到計算式7:
[0065]解微分方程得:計算式
[0067] 此計算式10即是泄漏的氣體體積隨時間的表達式，單位為m3。
[0068] 本發(fā)明的計算方法適用于內(nèi)襯硬巖洞室型儲氣庫，可以在設(shè)計施工之前計算可能 的氣體泄漏量，為內(nèi)襯混凝土的選型提供一定的參考。
[0069] 如表1所示，表1是混凝土滲透標號與滲透率換算表。
[0070] 表1混凝土滲透標號與滲透率換算
[0072]下面以某壓縮空氣儲能洞室為例，來詳細說明本發(fā)明的方法。
[0073]某壓縮空氣儲能洞室的室直徑10m，內(nèi)襯混凝土的厚度為0.5m，洞室位于地下100m 深處，洞室內(nèi)溫度為23°C(296.15K)，混凝土的孔隙率ri為1%，各參數(shù)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級抗?jié)B混凝土的滲透率，即k = 2.380X 10-18m2。
[0076] 計算結(jié)果如圖2所示。
[0077]由圖2可以看出，洞室內(nèi)的氣體會在3000天左右泄漏完畢，泄漏的體積大約為 41400m3,由圖2中觀察到，在開始泄漏的一段時間，泄漏量與時間大致呈線性關(guān)系。
[0078]圖3為24小時內(nèi)氣體泄漏量隨時間的關(guān)系圖。由圖3可知，24小時內(nèi)氣體泄漏約 69.42m3，因此初始階段氣體泄漏速度大致為69.42m3/d，即每天泄漏量大約是儲氣總量的 0.17% 〇
[0079] -般來說，壓縮空氣儲能電站對地下儲氣庫的要求是每天的氣體泄漏率低于1%， 因此取P8等級的抗?jié)B混凝土可以滿足壓縮空氣儲能電站的工作要求。
[0080] 以上詳細描述了本發(fā)明的各較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技 術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到 的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種儲氣桐室的氣密性計算方法，其特征在于，其包括W下步驟： 51、 令桐室邊緣的某點0為坐標原點，根據(jù)達西定律，設(shè)定對于不同滲流距離的滲流速 度為計算式1:其中：U是滲流速度，Δρ是桐室內(nèi)部與混凝上內(nèi)X位置的壓力差，Δχ是滲透距離，μ是空 氣動力粘度，k是滲透率，取桐室邊緣為坐標原點； 52、 隨著氣體的不斷滲流，壓力差Δ P也是不斷變化的，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算式 2:pV = nRT， 則當(dāng)氣體滲入混凝±內(nèi)義位置時，設(shè)定桐室內(nèi)部的壓力差A(yù) ρχ為計算式3:其中，A Ρ0為桐室與混凝±的初始壓力差，Τ為混凝±的溫度，Vm為混凝±溫度條件下的 氣體摩爾體積，Δ Vx為此時已經(jīng)滲入到混凝±中的氣體體積； 53、 滲流開始后，設(shè)氣體到達混凝±外表面之后才屬于氣體泄漏，假設(shè)氣體到達混凝± 外表面時，滲出的氣體的滲流速度為UA(t)，取混凝±外表面為氣體滲出的表面，Wr表示混 凝±內(nèi)襯的半徑，ro為儲氣桐室的半徑，設(shè)定在山時間內(nèi)泄漏的氣體體積為計算式4: dV = UA(t) ·化· 4町2. 54、 對于混凝±內(nèi)襯，設(shè)定可容納空氣的孔隙體積表示V孔隙，儲氣桐室的體積表示為V 桐室，則設(shè)定V孔隙的計算式5:其中，η為孔隙率； 55、 取氣體剛剛滲流到A點位置時為時間起點，并且時刻t滲出的氣體體積為Δ V(t)，于 是此時設(shè)定桐室內(nèi)部的壓力差計算式6為：令解微分方程得到如下泄漏的氣體體積隨時間的表達式，單位為m32. 如權(quán)利要求1所述的氣密性計算方法，其特征在于，所述儲氣桐室是一個球形的桐 室，桐室的內(nèi)壁用一圈混凝±進行內(nèi)襯，且混凝±介質(zhì)各項均勻，即混凝±中孔隙也是均勻 分布。3. 如權(quán)利要求1所述的氣密性計算方法，其特征在于，步驟S1中的壓力差取正值。
【文檔編號】G01M3/32GK106092469SQ201610368183
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】彭益成, 葉斌, 程子睿, 葉為民, 陳永貴, 關(guān)雪飛
【申請人】上海電力設(shè)計院有限公司