地下储氢库及其建造方法与流程

本公开的实施例属于地下储氢，具体涉及一种地下储氢库及其建造方法。

背景技术：

1、氢的储存是一个至关重要的技术，现已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。氢能储存方式主要有高压储罐、液态储氢、固态储氢、稀土储氢和地质储氢等方式，前四种储氢方式受制于新型材料、储氢密度、储氢安全和控制成本等考虑，只适合短期小规模储存，地质储氢是大规模和长期储氢的最佳选择。储氢问题涉及氢生产、运输、最终应用等所有环节，储氢问题不解决，氢能应用则难以推广。大规模储氢技术研究成为热点，氢能作为终极能源，有望成为可再生能源调节和消纳的重要手段之一，同时也被认为是构建氢能社会最为重要的环节之一。

2、相关技术中，地质储氢建设类型主要有地下盐穴、地下含水层、枯竭气田、地下岩洞等，盐穴储氢库必须选择埋深合适、有一定厚度、纯度较高的盐矿，选址极其受限。含水层型储氢库需要对深部地质构造开展深入的普查，目前我国尚不具备进行含水层储氢库大范围深入选址的条件。枯竭气藏型储氢库必须依托枯竭气田，我国氢气主要用户用量集中在东部和南部，而这些地区恰恰没有油气田。岩洞储氢库只需要选择坚硬完整的岩体，在众多储氢技术路线中，岩洞储氢具有时间尺度以及空间尺度大的优势，利用岩洞储氢是长期规模化储氢的最佳途径之一。

3、岩洞地下储氢库国内鲜有报道，需要考虑并解决下述问题：氢作为高活性小分子气体，氢会与其他元素和钢铁发生反应，影响岩石和地表环境，氢具有很高的流动性，具有沟通宏观特性与微观结构的作用，增加了地下储存泄漏的风险，需基于氢气特性、地质特征和注采工艺，解决大规模地下储氢库的关键建造技术。另外地下储氢库深埋地下上百米，其罐壁结构处于干湿交替或湿润环境，会加速密封层的结构腐蚀，影响地下储氢洞库的安全性。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种地下储氢库及其建造方法。

2、本公开第一方面的实施例提供一种地下储氢库建造方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤一、基于围岩变形量和施工条件参数，将储氢洞室设置成圆形断面且该圆形断面直径大于10m；以及，基于储氢经济性限制条件，将所述储氢洞室的储存压力设置为5mpa~10mpa；设置不少于两组储氢洞室，各储氢洞室的两侧设置有进气竖井和出气竖井；每组所述储氢洞室采用巷道密封塞和竖井密封塞分隔成为独立洞室；

4、步骤二、确定所述储氢洞室的布置区域；其中，所述布置区域需满足地质构造简单、岩体完整稳定、上覆盖岩层厚度适中、水文地质渗水量低；将所述储氢洞室的拱顶设置在微风化层顶面以下不小于20m处，并且基于所述储氢洞室的上覆岩体自重压力和储氢库内压力计算得到储氢库埋深；

5、步骤三、设置至少一条施工巷道作为储氢洞室开挖的运输通道；其中，所述施工巷道的坡度不大于10%，中间采用连接巷道连接，且所述连接巷道与所述施工巷道的断面尺寸一致；

6、步骤四、设计所述储氢洞室的结构，所述储氢洞室的罐壁结构包括密封层、滑移层、混凝土衬砌层、锚栓与预埋板、焊接钢筋加固、喷砼初支层和外部围岩；

7、步骤五、施工期储氢洞室开挖过程中依据不同的围岩地质条件，通过有限元数值模拟验算后，得到不同初期支护参数；其中，常规地段采用锚喷结构支护，不良地质洞段采用钢拱架加强支护；所述初期支护参数与步骤四中的所述混凝土衬砌层共同组成储氢洞室的最终结构支护方案；

8、步骤六、在所述储氢洞室底部设置排水巷道，所述排水巷道向储氢洞室上下两个方向分别设置斜向排水孔；其中，所述排水孔超出储氢洞室的各方向不小于10m；

9、步骤七、在竖井与储氢洞室交界处、连接巷道与储氢洞室交界处分别设置横向钢筋混凝土密封塞和竖向钢筋混凝土密封塞；其中，所述横向钢筋混凝土密封塞和竖向钢筋混凝土密封塞采用截锥型，混凝土强度等级大于c40。

10、在本公开的一些实施例中，所述基于所述储氢洞室的上覆岩体自重压力和储氢库内压力计算得到储氢库埋深，包括：

11、基于刚性椎体极限平衡模型建立储氢库埋深的计算模型；其中，所述计算模型的下部为岩石层刚性岩体层，所述计算模型的上部为风化层刚性岩体层；

12、基于所述计算模型的下部的横截面积、岩石层的地层容重及岩石层的压力扩散角，计算得到下部的岩石层刚性岩体层的总重力；

13、基于所述计算模型的上部的横截面积、风化层的地层容重及风化层的压力扩散角，计算得到上部的风化层刚性岩体层的总重力；

14、计算所述储氢洞室的储氢库内压力；

15、将所述下部的岩石层刚性岩体层的总重力与上部的风化层刚性岩体层的总重力之和大于所述储氢库内压力对应的储氢库埋深作为目标储氢库埋深。

16、在本公开的一些实施例中，基于下述公式得到所述储氢库埋深：

17、储氢洞室上覆刚性岩体总重力计算公式如下：

18、

19、

20、

21、式中：w为上覆刚性岩体总重力，w1为下部的岩石层刚性岩体层的总重力，w2为上部的风化层刚性岩体层的总重力；

22、ρ1为岩石层的地层容重，ρ2为风化层的地层容重，g为重力加速度，r为储氢洞室半径，h1为储氢洞室上覆的岩石层厚度，h2为储氢洞室上覆的风化层厚度；a1为上覆的岩石层的地层扩散角，a2为上覆的风化层的地层扩散角，

23、储气库的储氢库内压力计算公式如下：

24、

25、式中：为储氢洞室的储氢库内压力，p为储氢洞室的最大工作压力；

26、防地表隆起安全系数s，s大于1.2即可满足安全要求，其计算方程如下：

27、

28、将满足上述防地表隆起安全系数s所对应的储氢库埋深作为所述目标储氢库埋深。

29、在本公开的一些实施例中，所述密封层采用q345r内衬钢板，并且，所述内衬钢板的厚度范围为8mm~20mm，弧度加工，并每10°设置一个波纹板，以增加内衬的补偿措施以控制密封层的位移；

30、和/或，

31、所述滑移层用于减少结构层之间的摩擦，避免应变峰值导致混凝土衬砌层裂缝，同时滑移层为密封层提供防腐保护并密封在衬砌混凝土表面防止气体泄漏；所述滑移层通过在所述密封层与所述混凝土衬砌层之间等间距布置多层铝箔得到；其中，所述铝箔和混凝土通过高强胶粘接，所述铝箔的厚度范围为3mm~7mm。

32、在本公开的一些实施例中，所述混凝土衬砌层用于向岩体传递内部气体压强，使得储压变化引起的应变在储罐结构中均匀分布，同时具有找平功能，为密封层提供滑动面层；所述混凝土衬砌层通过支模浇筑200mm~500mm的钢筋混凝土衬砌层，混凝土型号不低于c40；

33、和/或，

34、所述锚栓与预埋板用于固定密封层和滑移层，将其固定至混凝土衬砌层中；所述密封层为内衬钢板，所述预埋板通过角焊缝焊接与所述内衬钢板连接，并且，所述预埋板在所述内衬钢板的宽度和长度方向上间距皆与所述内衬钢板的板幅保持一致；

35、和/或，

36、所述喷砼初支层用于储氢洞室施工期间的初期支护，保障施工期的洞室稳定性；所述喷砼初支层采用喷射钢纤维混凝土，型号不低于cf35，厚度范围为100mm~250mm；或者，所述喷砼初支层采用喷射素混凝土+挂网，素混凝土型号不低于c30，厚度范围100mm~200mm，并辅以挂单层和双层钢筋网的结构形式。

37、在本公开的一些实施例中，所述施工期储氢洞室开挖过程中依据不同的围岩地质条件，通过有限元数值模拟验算后，得到不同初期支护参数，包括：

38、根据储氢洞室初期支护设计以及二次衬砌结构设计，由外到内分别建立地下围岩、锚杆、混凝土锚喷初支层、混凝土二次衬砌层、内衬钢板密封层模型；其中除锚杆模型外均采用平面应变单元，锚杆模型采用梁单元；

39、设置边界条件：左边界和右边界到最近储氢洞室边的距离为80m~120m，都采用法向铰支座约束；储氢洞室底板到底部边界取20m~40m，为法向铰支座约束；储氢洞室顶板至模型顶部距离为110m~130m；锚喷层与开挖围岩截面和锚喷层与衬砌层均采用tie接触，内衬钢板密封层与衬砌层采用有限性滑移接触，锚杆采用嵌入接触与围岩共同受力，其端部与围岩开挖界面设置tie接触，更为真实化模拟各个结构层力学响应；

40、设置模型分析步：储氢洞室设置一次性开挖，在开挖的基础上首先设置地应力平衡分析步，使得地下应力场变形为零，在储氢洞室开挖后激活锚杆和锚喷层单元，实现储氢洞室支护设计模拟，在储氢洞室支护后再激活混凝土衬砌层和内衬钢板密封层，以实现整个储气库施工期稳定性分析模拟，共计三个分析步；

41、设置模型本构参数：利用hoek-brown强度准则确定岩体mohr-coulomb强度准则参数计算岩体力学参数后赋值；按照结构形式设置锚杆参数，锚杆本构为弹性本构模型，弹性模量为200gpa~220gpa，泊松比为0.1~0.4；根据不同围岩等级、、、、，设置初期混凝土锚喷层和二次衬砌层参数，均采用弹塑性模型；设置内衬钢板密封层参数，采用弹性本构模型，弹性模量为200gpa~220gpa，泊松比为0.1~0.4，与混凝土衬砌层紧密贴合；

42、计算热膨胀引起的温度场-应力场力学响应：采用广义胡可定律计算热传导引起的储氢洞室温度场-应力场力学响应，并通过地应力在模型中赋值；在0~100℃内，混凝土的线膨胀系数α为1.5×10-5，钢材的线膨胀系数α为1.2×10-5；据此完成数值模拟的运行参数设定；

43、建模计算不同阶段储氢洞室的结构稳定性：1）计算开挖阶段的储氢洞室围岩变形量和储氢洞室周边的应力分布，判定围岩的短期稳定性或自稳性；2）计算开挖阶段锚杆的抗拉强度值，判定初期支护的结构稳定性；3）计算最小工作压力所对应的运营阶段储氢洞室围岩变形量和硐室周边的应力分布，判定围岩的长期稳定性；4）计算最小工作压力所对应的运营阶段内衬钢板临空面的位移值和屈服强度，判定密封结构的稳定性；5）计算最大工作压力对应的运营阶段储氢洞室围岩变形量和储氢洞室周边的应力分布，计算地面隆起数据，判定储氢洞室围岩的长期稳定性；6）计算最大工作压力对应的运营阶段锚杆的抗压强度值，判定初期支护的长期稳定性；7）计算最大工作压力对应的运营阶段衬砌层的最大变形量，判定二次衬砌的长期稳定性，评价支护结构向围岩的传力效果；8）计算最大工作压力对应的运营阶段内衬钢板临空面的位移值和屈服强度，判定密封结构的稳定性；

44、根据储氢洞室的围岩条件与高应力的比值低于预设值比值、储氢洞室的收敛变形率小于等于预设变形率、锚杆受压值小于抗压强度设计值、锚杆受拉值小于抗拉强度设计值、地面隆起模拟值低于预设值、二次衬砌变形量计算值低于设计值、密封钢板变形量计算值低于预设值、密封钢板最大应力值小于屈服强度，判定储氢洞室长期稳定。

45、在本公开的一些实施例中，所述排水孔之间的间距范围为10m~20m，所述排水孔的孔径范围为90mm~120mm。

46、在本公开的一些实施例中，所述排水巷道和所述排水孔的参数确定方法包括：

47、构建地下水渗流模型：根据排水巷道、地下储氢库的地下工程设计方案、地下水源汇区和排泄基准面设置区域模型边界，其中，四周边界按照排泄基准面赋予定水头边界，模型上边界根据地下储氢库实际地形构建，模型下边界超出储氢洞室底板200m以上，模型两侧边界超出储氢洞室边界500m以上；

48、设置模型参数：根据单孔实验数据设置x、y、z主方向的渗透系数，根据储氢洞室埋深和地下水位信息设置定水头边界，根据地形测量数据设置潜水位，其中，模型上边界为降水补给、蒸发和井泉排泄边界，按照第二类和第三类边界条件赋值，模型下边界为零通量的隔水边界，模型四周为流量边界，按照第一类边界条件赋值，排水巷道与排水孔设置为流量边界，按照第一类边界条件赋值；

49、设置模拟工况：1）按照20m间距设置上排水孔，按照20m间隔设置下排水孔；2）按照15m间距设置上排水孔，按照20m间距设置下排水孔；3）按照15m间距设置上排水孔，按照15m间距设置下排水孔；4）按照10m间距设置上排水孔，按照15m间距设置下排水孔；5）按照10m间距设置上排水孔，按照10m间距设置下排水孔；

50、利用有限元软件模拟施工期间地下储氢库的地下水渗流场，计算施工期间各工况地下储氢洞室的岩洞涌水量，根据地下储氢洞室周边地下水迹线均指向洞外，和/或根据地下储氢洞室的岩洞涌水量为零，确定所述排水巷道和所述排水孔的参数。

51、在本公开的一些实施例中，所述横向钢筋混凝土密封塞和竖向钢筋混凝土密封塞采用弹性体设计并采用有限元进行受力分析，具体包括：

52、a）边界条件

53、选取密封塞周围2倍~3倍的岩体作为研究对象，周围岩体外部边界位移为零；根据储氢洞室最大储存压力，将压强作用于连接巷道内的密封式左右两端头；另外密封塞上部端头承受上部90m~100m的水头压力；

54、b)交界面的假定

55、密封塞为在施工巷道开挖后形成的空腔内编制钢筋骨架、模铸混凝土形成的结构，密封塞与围岩的交界面的粘结效果对塞子结构稳定性及密封效果至关重要，根据设计假定密封塞与围岩接触良好没有产生相对的滑动，即为固结的接触形式；

56、c)计算结果

57、在交界面不存在相对滑动的假设基础上完成的有限元计算，选取密封塞两侧承受气体压力、密封塞上界面承受的水头压力、岩体弹性模量及泊松比、密封塞弹性模量及泊松比，得到密封塞受力分析结果。

58、本公开第二方面提出了一种地下储氢库，所述地下储氢库包括：

59、库体，所述库体包括：至少两组储氢洞室、连接巷道和施工巷道，每组所述储氢洞室采用巷道密封塞和竖井密封塞分隔成为独立洞室，每一所述储氢洞室的两端分别设有进气竖井和排气竖井，所述进气竖井和所述排气竖井均从地表垂直于地面向地下挖掘，所述储氢洞室内壁形成有罐壁结构，所述罐壁结构包括沿所述储氢洞室的由内至外的方向依次设置的密封层、滑移层、混凝土衬砌层、喷砼初支层和外部围岩层；

60、相邻两个所述储氢洞室通过两个所述连接巷道连接，两个所述连接巷道沿所述储氢洞室的长度方向间隔布置，其中一个所述连接巷道连接相邻两个所述储氢洞室的上部，另一个所述连接巷道连接相邻两个所述储氢洞室的下部；

61、所述施工巷道设于至少两组储氢洞室的中部，所述施工巷道沿所述储氢洞室的长度方向布置，位于所述库体的中部的两个所述连接巷道与所述施工巷道连接；

62、排水系统，所述排水系统包括：排水巷道和排水孔，所述连接巷道与所述排水巷道连接，所述排水巷道与所述排水孔连通，每一对所述储氢洞室之间设有所述排水巷道，每一所述储氢洞室的周围布置多个排水孔。

63、根据本公开实施例的地下储氢库及其建筑方法，该建筑方法建造的可以实现地下储氢库的大规模储氢的需求，解决地面难以大规模储存氢气的问题。此外，通过多个排水孔对每一储氢洞室周围的岩体内的水分引入至排水巷道，并通过排水巷道将储氢洞室周围的地下水排出地下储氢库，保持储氢洞室内壁的干燥状态，提高储氢洞室的安全性和可靠性。同时，排水孔设于储氢洞室的周围，减少排水系统对储氢洞室内部设置的影响。

64、本公开实施例的地下储氢库及其建筑方法，还具有以下优点：

65、（1）本发明针对国内尚无地下储氢库建设案例、现有储备技术主要集中在盐穴、枯竭气藏、废弃矿山等建设类型，上述类型受地质构造、地理资源和位置的建设局限性很大，难以满足大规模地下储氢库建设需求的现状，创建一种大规模岩洞地下储氢库建造方法、系统及装置，具有时间尺度以及空间尺度大的巨大优势，是长期规模化储氢的最佳途经，对于攻克储氢技术瓶颈具有重大意义，属于国内首创；

66、（2）本发明解决了现有氢能储存方式的规模小、成本高、地质条件和地理位置局限性大等问题，发明了一种大规模岩洞地下储氢库建造方法、系统及装置，讲述了从储氢洞室的压力、埋深、洞室布置、施工巷道、连接巷道、竖井、密封层、排水巷道到密封塞的系统解决方案，只需要选取强度适中的硬岩地层即可满足全部建设要求，对于地质条件的容忍度极高，适用范围广；

67、（3）本发明的罐壁结构采用混凝土一衬、滑移层、混凝土二衬、密封材料等4种结构有效解决了小分子氢的高活性、低粘度所带来的氢漏失、腐蚀和脆裂问题，可以根据实际工况适当调整装置参数，可优化空间大；

68、（4）本发明经过多种地下结构、单体和材料的综合运用，具有针对性强、可靠性高、操作便利、成本低、适用范围广等优点，可以快速应用于我国氢能建设中，有效降低氢气的储集成本、提高氢气的经济效益，进而推动氢能产业链的健康发展。

技术特征：

1.一种地下储氢库建造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述储氢洞室的上覆岩体自重压力和储氢库内压力计算得到储氢库埋深，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于下述公式得到所述储氢库埋深：

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述施工期储氢洞室开挖过程中依据不同的围岩地质条件，通过有限元数值模拟验算后，得到不同初期支护参数，包括：

7.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述排水孔之间的间距范围为10m~20m，所述排水孔的孔径范围为90mm~120mm。

8.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述排水巷道和所述排水孔的参数确定方法包括：

9.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述横向钢筋混凝土密封塞和竖向钢筋混凝土密封塞采用弹性体设计并采用有限元进行受力分析，具体包括：

10.一种地下储氢库，其特征在于，所述地下储氢库包括：

技术总结
本公开提供一种地下储氢库及其建造方法，首先根据建库规模、征地面积计算并确定储氢洞室的尺寸和布置方案，各储氢洞室两侧设置工艺竖井，储氢洞室的内壁设有罐壁结构，中间通过连接巷道相连接，每组储氢洞室采用巷道密封塞和竖井密封塞分隔成为独立洞室；然后结合地勘资料计算防治地面隆起的洞室埋深；再完善储氢洞库的布置方案，设置施工巷道作为储氢洞室开挖的运输通道；储氢洞室开挖过程中依据不同的围岩地质条件，出具不同支护参数；在储氢洞室底部设置排水巷道，排水管道向储氢洞室上下两个方向分别设置斜向排水孔。本公开的建造方法得到的地下储氢库，可以实现地下储氢库的大规模储氢的需求，解决地面难以大规模储存氢气的问题。

技术研发人员：李印,崔少东,梁久正,郭书太,毕光辉,孟建,陈雪见,许杰,邢泽朋,丁超,贺洋,西原,田铂,王双琴
受保护的技术使用者：中国石油天然气管道工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23