CN120819408A - 一种地下超低温储库无膜密封结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下超低温储库无膜密封结构及其施工方法。该地下超低温储库无膜密封结构包括密封保温层、衬砌层、围岩注浆强化带、冻结圈，且均为圈层结构，外层依次包覆其内一层结构，衬砌层包覆密封保温层，围岩注浆强化带包覆衬砌层，采用耐低温围岩注浆材料注入所述围岩注浆强化带岩土体中并凝固而堵塞渗漏通道，冻结圈包覆在围岩注浆强化带，利用低温冻结岩土体孔隙和裂隙中的水而堵塞渗漏通道。本发明采用相关参数并结合冷能耗散，对密封保温层进行计算，获得经济性能最优越的材料参数与结构厚度。本发明实现了地下低温储库的“无膜”结构，降低了金属内衬所带来的危害，同时降低了冷能耗散使运营成本得以降低，实现工程以及经济上的可行性。

Description

一种地下超低温储库无膜密封结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下能源储存技术领域，尤其涉及一种用于液化天然气(LNG)、液氢(LH₂)等超低温介质的地下储库的无膜密封结构及其施工方法。

背景技术

在碳中和目标驱动下，液氢、液化天然气等清洁能源的地下储库成为能源转型的核心基础设施。这类储库需长期维持-150℃以下的超低温环境，而传统密封方案依赖的高分子柔性膜，在极端低温下存在致命缺陷：膜材料脆化收缩导致拉伸强度衰减，泄漏率随温度下降呈指数级增长。更严峻的是，现有技术将密封与能耗割裂处理：为补偿泄漏损失，制冷系统能耗占比超总成本30％，形成“泄漏→补冷→能耗激增”的恶性循环。行业亟需一种既能抵御低温形变、又能协同能耗控制的无膜密封技术。

目前无膜密封技术主要聚焦于单一维度改进，无法突破“低温适应性”与“能耗效率”的双重瓶颈。因此，地下超低温储库的安全或成本限制了其在大规模储能建设中的推广应用。

随着地下储气库向超低温、高压化方向发展，其结构安全性面临更严峻挑战。尽管地下空间开发技术持续进步，但针对复杂条件下储库在循环充放高压工质过程中的长期安全性研究仍严重不足。现有技术缺乏对储库密封-能耗协同机制的系统认知。这种技术空白导致储库设计过度依赖经验公式，难以预测多场耦合作用下的密封劣化规律，进一步制约了超低温储库的规模化安全应用。

因此有必要设计一种地下超低温储库无膜密封结构与方法，以解决上述技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种地下超低温储库无膜密封结构与方法，既克服了结构上膜材料脆化收缩导致泄漏率指数级上升的致命缺陷，又提供了可以将逸散冷能再利用的方法，实现了密封与能耗相结合，提高了地下超低温储库的安全性能与经济效益，为地下超低温储库的应用提供了使用的方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种地下超低温储库无膜密封结构，所述密封结构为包覆超低温储罐的圈层结构，从内而外依次包括密封保温层、衬砌层、围岩注浆强化带和冻结圈；所述衬砌层是人工建造的完整低渗壳体，用于密封和保压作用，并作为储库的压力容器；所述围岩注浆强化带是通过将耐超低温围岩注浆材料加压注入岩土体中形成，用于减少内部气体的逸出；所述冻结圈设置由地下水冻结形成，用于减少地下水的内渗以及内部气体的逸出。

根据本发明的优选实施方式，所述密封保温层由泡沫混凝土构成。

根据本发明的优选实施方式，所述围岩注浆强化带是通过耐超低温围岩注浆材料注入所述围岩注浆强化带岩土体中并凝固而堵塞渗漏通道而形成。

根据本发明的优选实施方式，所述述密封结构还包括管线，管线包括呼气安全阀、吸气安全阀、补气系统的管线。各管线通过贯穿所述密封保温层、衬砌层、围岩注浆强化带和冻结圈的顶部而连通所述超低温储罐与位于地面的其他设施设备。。

本发明另一方面提供一种用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，包括以下步骤：

S1、通过物理模型试验确定地下超低温储库的各部分尺寸和建造材料；

S2、建造地超低温储库的洞室、密封保温层、衬砌层和围岩注浆强化带；

S3、在所述洞室内安装超低温储罐并安装连接超低温储罐和地面的管道和管线，对管道和管线进行调试；

S4、在所述超低温储罐中注入超低温液体，由此在所述在围岩注浆强化带外围形成冻结圈。

根据本发明的优选实施方式，方法还包括步骤S5、监测储库内储罐的内部压力和无膜密封结构内的温度，确保压力维持在安全范围以内。

根据本发明的优选实施方式，步骤S1包括：

S1.1、制造地下超低温储库的物理模型，使用该物理模型来确定密封保温层的材料类型和配比；

S1.2、建立地下超低温储库的数值模型，将所获得的密封保温层的材料类型和配比输入该数值模型，基于能量守恒进行温度场的计算；

S1.3、根据预定的冻结圈渗透率要求和温度场计算冻结圈的规模。

根据本发明的优选实施方式，在步骤S1.2中，

通过以下渗透率计算公式计算达到冻结圈渗透率要求温度线的位置：

式中，w_u为未冻水含量，w_u＝e^2(T-0)；k_r0为未冻结围岩注浆强化带渗透率；

再利用S1.2计算得到的温度场公布，可以直接得到满足要求的冻结圈的范围。

根据本发明的优选实施方式，所述密封保温层为单层或多层。

(三)有益效果

本发明的地下超低温储库无膜密封结构与施工方法，分别在结构上去除了传统金属膜层，解决了金属在超低温环境下材料脆化收缩带来的泄露风险。同时，结合能耗计算，利用储库材料、厚度与逸散的冷能，进行冰冻圈的调控，提高了储库的安全性能与能源的利用率。

附图说明

图1为本发明的储库系统结构的一个实施例的正视示意图；

图2为本发明的储库系统结构的一个实施例的立体剖视示意图；

图3为本发明的超低温地下储库的一个实施例的施工流程图。

本发明实施例的一种低温能源地下储库冻结圈演化模型试验方法流程图

图中：101、密封保温层；102、衬砌层；103、围岩注浆强化带；104、冻结圈；105、补气系统；106、吸气安全阀；107、呼气安全阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

图1和图2分别为本发明的储库系统结构的一个实施例的正视示意图和立体剖视示意图。如图1到图2所示，超低温储库系统设置在土质地层中，建库在地下水位以下，可以用于液化天然气(LNG)、液氢(LH₂)、液氮(LN₂)等低温液化气的储存。

本实施例中，储库具体是在地下岩质的地层或山体中，并避开不良地质区域如断层裂隙破碎带等。如图1和图2所示，储库系统结构的洞室外部，由内向外依次为密封保温层101、衬砌层102、围岩注浆强化带103和冻结圈104。

本实施例中，密封保温层101材质为泡沫混凝土，可以为硫铝酸盐水泥基+空心玻璃微珠，其导热系数低，具有良好的保温性能。同时，也可以使用梯度设置，来满足不同需求。

密封保温层101位于衬砌层102所围空间内部，衬砌层102包括但不限于混凝土、钢网架、钢筋混凝土、钢衬；所述围岩注浆强化带103中注入周围岩土体的围岩注浆材料包括但不限于砂浆、化学浆液。

本实施例中，密封保温层101作为主要的保温结构，在密封保温层101的作用下，确保传导到衬砌层102的温度适宜，避免低温破坏结构；衬砌层102是人工建造的完整低渗壳体为密封的第一道屏障；围岩注浆强化带103是第二道密封，使用人工浆液加压注入周围岩土体并填充岩土体的裂隙，提高岩土体完整性堵塞渗漏通道，冻结圈104是第三道密封，利用低温冻结岩土体孔隙和裂隙中的水而堵塞渗漏通道，地下岩土体由于地温波动小、导热效率低，是天然的保冷材料。由衬砌层102、围岩注浆强化带103、冻结圈104组成的厚实的岩土层作为第二道保冷屏障。

本实施例中，所述冻结圈104为地下水受逸出冷能影响冻结而成，为解决冻结圈104形成时间长、冷能耗散问题，需要减缓地下水流速，确保冻结圈104的稳定。

如图1和图2所示，所述密封结构还包括管线，管线包括呼气安全阀、吸气安全阀、补气系统的管线。所述呼气安全阀107、吸气安全阀106、补气系统105的管线通过贯穿密封保温层101、衬砌层102、围岩注浆强化带103和冻结圈104的顶部而连通密封保温层101与位于地面的其他设施设备。

本实施例中，储库洞室的埋深和横截面积大小可以根据施工位置的地形地质、地下水、围岩参数、地应力以及储库压力等具体情况综合确定。

本申请第二方面提供一种地下超低温储库无膜密封结构的施工方法，采用上述用于地下超低温储库无膜密封的结构。总的来说，本发明首先通过物理实验确定材料的配比，以确保材料在超低温环境下仍具备所需的物理性能指标；随后，将物理实验所获得的参数输入数值模型，并基于能量守恒原理，计算在设定时间范围内冷能的逸散范围(即0℃等温圈边界)，该范围可通过调整保温层厚度进行调控；进而通过计算冰冻圈的渗透率以确定其规模(即冰冻圈厚度)；通过模拟仿真计算冰冻圈形成时间与规模，从而确定所需的保温层厚度；最终，依据模拟所得的各层结构尺寸进行实际储库的建造。下面仍通过具体实施例来说明。

图3为本发明的地下超低温储库的施工方法流程图。如图3所示，施工方法包括以下步骤：

步骤S1：确定地下超低温储库的各部分尺寸和建造材料。

该步骤为正式施工前的设计步骤，具体包括如下分步骤：

S1.1、制造地下超低温储库的物理模型，使用该物理模型来确定密封保温层的材料类型和配比。

该步骤需要超低温储库的物理模型，并使用该物理模型进行密封保温层的密封试验。在物理模型的试验中，根据围岩和工程结构的物理力学特性和相似理论，确定密封试验相似材料的物理力学指标，并通过试验确定合理的相似材料类型和配比。

S1.2、建立地下超低温储库的数值模型，将步骤S1.1所获得的密封保温层的材料类型和配比输入该数值模型，利用所述数值模型进行温度场的计算。

温度场计算使用能量守恒方程计算：

式中，(ρC)_eff为等效热容；ρ_ω为水的密度；C_ω为水的比热容；u为达西流速矢量；为温度梯度；q为热传导通量。

S1.3、根据预定的冻结圈渗透率要求和温度场计算冻结圈的规模。

利用计算得到的等温圈，来对冻结圈规模进行计算。

在本实施例中，衬砌层采用耐低温钢筋混凝土构筑，其相关材料参数为本领域所熟知，厚度设置为20cm；围岩注浆强化带厚度基于冻结圈厚度增加1m确定，其余参数依据工程需求预先设定。

该实施例中，所述冻结圈渗透率要求小于10^-4mD，由此即可确定冻结圈形成规模，即厚度。

具体来说，冻结圈厚度越大，岩体渗透率下降越显著，通过以下渗透率计算公式计算达到冻结圈渗透率要求温度线的位置：

式中，k_r为冻结圈渗透率，w_u为未冻水含量，w_u＝e^2(T-0)；k_r0为未冻结围岩注浆强化带渗透率。

通过上述公式，可以计算得到满足冻洁圈渗透率要求的温度范围。然后，利用S1.2计算得到的温度场公布，可以直接得到满足要求的冻结圈的范围。

确定所述冻结圈104合适形成时间，根据所确定的冻结圈的厚度确定所述密封保温层的厚度，找出所述密封保温层101最优厚度；

例如，在该实施例中，根据围岩和工程结构的物理力学特性和相似理论，确定密封保温层101材质为硫铝酸盐水泥基+空心玻璃微珠；根据所确定的储库洞室大小、所述密封保温层101材料配比以及工况，结合数值模拟进行温度场的计算，确定温度的等温圈范围；根据所述围岩注浆强化带103、所述冻结圈104密封性能以及温度场的等温圈范围，确定所述冻结圈104规模1.5m；并确定所述冻结圈104合适形成时间，最后确定所述密封保温层101厚度50cm。

S2、建造地超低温储库的洞室、密封保温层、衬砌层和围岩注浆强化带。

该步骤首先开挖竖井及洞室。在实施例中，在选定位置的稳定岩层中开挖竖井及主体洞室，同步实施临时支护，确保施工期稳定。

接着，对所述洞室周围的岩体高压注入耐低温浆液，以填充岩体裂隙形成围岩注浆强化带103。该步骤还包括在围岩注浆强化带103和预计形成的冻结圈104的区域内布设温度传感器。

然后，在洞室的内侧壁上建造衬砌层102。

最后，在衬砌层102的内侧安装保温层101。

S3、在洞室内安装超低温储罐并安装连接超低温储罐和地面的管道和管线，对管道和管线进行调试。

在该实施例中，该步骤将盛放超低温液体的储罐安装在洞室中，然后，安装连接储罐和地面的管道和管线。管线包括补气系统105的管线、吸气安全阀106和呼气安全阀107。安装完后，对呼气安全阀107、吸气安全阀106、补气系统105的管线进行调试，确保管线相关阀门的响应满足要求。

S4、在超低温储罐中注入超低温液体，由此在所述在围岩注浆强化带外围形成冻结圈。

该实施例中，注入的超低温液体是液化天然气。该步骤先向密封保温层101中注入液氮进行预冷，确保温度下降速率不要太快，然后，向储罐中注入液化天然气。

由于本发明利用了防渗，减缓了地下水的流动速度，减少形成冻结圈104所需要的冷能。

步骤S5、监测储库内储罐的内部压力和无膜密封结构内的温度，确保压力维持在安全范围以内。

该步骤过程中，通过呼气安全阀107、吸气安全阀106、补气系统105维持储库内的储罐的内部压力。

同时，利用布设的温度监控点，监测围岩注浆强化带103和冻结圈104的温度，使其温度维持在预定的温度，并在出现异常时及时进行应急处理。

储库中低温液化气采注以及储库日常产生的蒸发气造成储库的压力变化通过补气系统105进行调节，储库内压力下降时，使用补气系统105的长管进行补气，储库压力上升时，使用补气系统105的短管回收蒸发气，经过再冷凝为低温液化气注回储库101的内部，同时，蒸发气的回收既可以减少内部压力对储库的危害，也可以使蒸发气再次冷却为液态，减少了出库内液态能源的逸出浪费。若储库在运行过程中出现异常情况导致储库压力低于或高于设计压力时，触发吸气安全阀106或呼气安全阀107启动，确保储库在安全压力下运行。

在本申请的描述中，结构的具体材质选择仅为示例，在实施过程中可根据具体要求自行更换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下超低温储库无膜密封结构，其特征在于：

所述密封结构为包覆超低温储罐的圈层结构，从内而外依次包括密封保温层、衬砌层、围岩注浆强化带和冻结圈；

所述衬砌层是人工建造的完整低渗壳体，用于密封和保压作用，并作为储库的压力容器；

所述围岩注浆强化带是通过将耐超低温围岩注浆材料加压注入岩土体中形成，用于减少内部气体的逸出；

所述冻结圈设置由地下水冻结形成，用于减少地下水的内渗以及内部气体的逸出。

2.根据权利要求1所述的地下超低温储库无膜密封结构，其特征在于，所述密封保温层由泡沫混凝土构成。

3.根据权利要求2所述的地下超低温储库无膜密封结构，其特征在于，所述围岩注浆强化带是通过耐超低温围岩注浆材料注入所述围岩注浆强化带岩土体中并凝固而堵塞渗漏通道而形成。

4.根据权利要求2所述的地下超低温储库无膜密封结构，其特征在于，所述述密封结构还包括管线，管线包括呼气安全阀、吸气安全阀、补气系统的管线，各管线通过贯穿所述密封保温层、衬砌层、围岩注浆强化带和冻结圈的顶部而连通所述超低温储罐与位于地面的其他设施设备。

5.一种用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过物理模型试验确定地下超低温储库的各部分尺寸和建造材料；

S2、建造地超低温储库的洞室、密封保温层、衬砌层和围岩注浆强化带；

S3、在所述洞室内安装超低温储罐并安装连接超低温储罐和地面的管道和管线，对管道和管线进行调试；

S4、在所述超低温储罐中注入超低温液体，由此在所述围岩注浆强化带外围形成冻结圈。

6.根据权利要求5所述的用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、监测储库内储罐的内部压力和无膜密封结构内的温度，确保压力维持在安全范围以内。

7.根据权利要求5或6所述的用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，步骤S1包括：

S1.1、制造地下超低温储库的物理模型，使用该物理模型来确定密封保温层的材料类型和配比；

S1.2、建立地下超低温储库的数值模型，将所获得的密封保温层的材料类型和配比输入该数值模型，基于能量守恒进行温度场的计算；

S1.3、根据预定的冻结圈渗透率要求和温度场计算冻结圈的规模。

8.根据权利要求7所述的用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，在步骤S1.2中，

温度场计算使用能量守恒方程计算：

式中，(ρC)_eff为等效热容；ρ_ω为水的密度；C_ω为水的比热容；u为达西流速矢量；为温度梯度；q为热传导通量。

9.根据权利要求8所述的用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，在步骤S1.3中，

通过以下渗透率计算公式计算达到冻结圈渗透率要求温度线的位置：

式中，k_r为冻结圈渗透率，w_u为未冻水含量，w_u＝e^2(T-0)，k_r0为未冻结、围岩注浆强化带渗透率；

再利用S1.2计算得到的温度场公布，可以直接得到满足要求的冻结圈的范围。

10.根据权利要求9所述的用于地下超低温储库无膜密封的施工方法，其特征在于，所述密封保温层为单层或多层。