中国电建成都院水电站压缩空气储能地下洞室设计理论与安全控制技术研究技术开发招标

发布时间：2024-10-30

所属分类：招标公告

所在地区：成都招标

关键词：工程建筑

中国电建成都院水电站压缩空气储能地下洞室设计理论与安全控制技术研究技术开发招标

1项目概况

储能技术是具有战略性、基础性、前瞻性的重大能源技术，已成为政府关注和支持的焦点。新型储能是未来我国实现双碳目标的重要支撑，是新能源与储能发展的重要方向。压缩空气储能技术被视为除抽水蓄能之外的另一种极具潜力的大规模储能技术。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》中，多次提到压缩空气储能，指出新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑，也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，具备大规模商业化应用条件，其中百兆瓦级压缩空气储能技术实现工程化应用。到2030年，新型储能全面市场化发展。

水电站地下洞室群压缩空气储能关键技术（重点技术）、利用水电站压缩空气储能（典型场景）两个项目，已纳入国资委部署的未来产业启航行动计划未来空间产业地下空间利用领域任务清单。

在水电站开展压缩空气储能，需要解决水电站地下洞室压缩空气储能库选址原则、循环高内气压地下洞室损伤机理、高内气压地下洞室密封层的设计理论和施工技术、水电站地下洞室压缩空气储能长期安全稳定控制技术等关键基础理论、分析方法、工程技术，基于以上研究成果，总结提出水电站地下洞室压缩空气储能长期安全稳定控制技术。

2招标范围及时间要求

2.1招标范围

1、水电站地下洞室压缩空气储能库选址原则及储气库布置研究

（1）水电站地下洞室压缩空气储能库选址原则研究

采用理论推导方法，建立适用于水电站既有地下洞室群作为高压储气库的受力模型，采用极限平衡分析方法，得到满足岩体抗剪切极限能力时的水电站地下洞群最小水平和垂直埋深。采用数值计算分析方法，从岩体密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、洞室直径、洞室气压等方面开展参数敏感性分析，确定在不同参数组合下水电站地下洞群的上覆岩体和侧覆岩体稳定性，基于不同参数组合下储气库布置的极限水平深度和极限垂直深度，给出最小埋深确定准则，提出水电站压缩空气储能洞室的选址原则，可定量化指导储气库选址工作。

（2）水电站压缩空气储能地下储气库布置研究

针对水电站既有洞群特点，开展储气库布置格局研究，如直线型布置、环形布置、直线-环形布置等布置形式的对比研究。

（3）水电站压缩空气储能地下储气库连接原则研究

针对水电站既有洞群特点，建立不同类型的洞库连接方案，采用数值计算分析不同方案下沿程能量损失规律、温度场变化规律和不同洞库的充放气规律，提出水电站储气库连接原则。

2、循环高内气压地下洞室损伤机理研究

（1）高内气压对既有地下洞室局部地应力场重分布研究

通过建立数值仿真模型，分析高内气压循环作用下对既有地下洞室局部地应力场的影响机制。

（2）循环高内气压下地下洞室衬砌与围岩的力学响应特性

采用数值计算和室内试验初步分析不同衬砌支护方式下从施工到运行期水电站既有洞室在循环高内气压作用下衬砌与围岩相互作用机制，得到衬砌和围岩在高气压作用下各自的承载比例、承载方向等，初步揭示围岩破坏机理。

（3）循环高内气压下地下洞室衬砌与围岩的开裂机制

采用数值计算和室内试验，考虑采用不同衬砌支护方式，分别建立压气储能地下洞室弹塑性力学解析模型和压气储能地下洞室多场耦合数值模型，分析地下洞室从施工期到运行期不同阶段时围岩和衬砌的力学响应特征和破坏机制，并研究高压空气在地下洞室围岩和衬砌材料中的渗流特性。

（4）循环高内气压下地下洞室围岩的破坏机制

采用数值计算和室内试验，在充分考虑岩体自身强度的基础上，得到在高内压条件下压气储能地下洞室隆起破坏模式和破坏特征，分析不同围岩强度对洞室隆起破坏模式的影响；研究高内气压循环储放作用下对洞室围岩稳定性的影响，揭示围岩失稳破坏机制，得到关键部位从弹性-塑性-微裂纹-宏观裂纹-破坏的时空演化规律，并得到地下洞室长时受力特性及围岩衬砌损伤机理。

（5）循环高内气压下地下洞室支护效能评价

采用数值计算和室内试验，开展气-温双循环下地下洞室支护效能评价，研究支护效能弱化后气-温双循环下地下洞室失稳特征，并开展循环高内气压地下洞室非圆形断面形状适应研究。

（6）高压频繁抽采下对裂隙岩体的影响机制研究

采用数值计算或室内试验研究手段，研究气温双循环作用下对裂隙岩体的损伤作用机理，揭示高压气体在裂隙岩体的渗流扩散机制。

3、高内气压地下洞室密封层的设计理论和施工技术研究

（1）高内压地下洞室柔性密封材料研究

根据既有水电站地下洞室的断面类型、衬砌结构、岩性条件、地应力分布等因素，从密封材料的渗透特性，基础力学特性（抗拉、抗压、抗剪等），疲劳特性，长期抗老化特性等不同角度对其进行定量分析，提出可适用于水电站地下洞室压缩空气储能的柔性密封层材料。

（2）不同控裂方式下高内气压地下洞室柔性密封层的失效机制和控制技术

开展密封层抗外水压力试验，研究粘贴式等柔性密封层发生撕脱破坏的临界强度；开展密封层陷缝破坏试验，提出不同厚度密封层在不同气压下由于陷缝破坏失效时衬砌裂缝的临界宽度；开展高气压循环作用下柔性密封层的气密与应力疲劳的试验，确定密封层渗透系数、弹性模量、抗拉强度、拉断伸长率与高气压循环次数之间的关系。

（3）高内气压地下洞室柔性密封层的设计理论和方法

根据压气储能洞室单日空气泄漏率不能超过0.5%及柔性密封层抗拉强度等指标，提出柔性密封层由于材料本身性质劣化而失效的临界使用寿命。总结不同控裂方式下柔性密封层的失效模式，揭示不同控裂方式下柔性密封层的失效机制并提出相应的控制技术，在此基础上提出地下洞室柔性密封层的设计理论。

（4）高内气压地下洞室柔性密封层的施工技术

建立不同施工方式下压气储能洞室的多场耦合计算模型，分析不同施工方式下密封层的受力特点，并计算不同施工方式下密封层的疲劳寿命。并结合现场试验成果，确定柔性密封层最佳的施工方式。分析不同拼接方式下密封层的疲劳寿命，确定柔性密封层最佳的拼接方式。结合柔性密封层设计理论和施工技术，研究柔性密封层修复技术。

（5）高内气压地下洞室柔性密封层的质量检测和控制技术

通过压气储能洞室空气的日泄漏率一般不能超过0.5%与洞室的服役年限一般大于30年的要求，提出压气储能洞室常见运行工况下密封材料的渗透系数、抗拉强度等指标，建立压气储能洞室常见运行工况下柔性密封层渗透系数及抗拉强度的质量检测标准，提出柔性密封层不同位置处（主体部位、拼接部位）的渗漏情况及抗拉强度测试方法，并提出相应的质量控制措施。控制措施中重点研究排水、排气通道的作用，通过数值模拟与室内或现场试验相结合研究渗漏气体对储气库的影响。

4、水电站地下洞室压缩空气储能长期安全稳定控制技术研究

（1）循环高内气压对水电站临近洞群稳定影响机制研究

采用数值模拟或模型试验开展储气洞室失稳破坏后对临近水电站地下洞群稳定影响机制研究，提出临近洞群潜在破坏模式。

（2）循环气-温耦合作用下地下洞室止裂控制技术

揭示气-温耦合作用下地下洞室围岩止裂控制机理，提出裂缝反复张开闭合下高内气压地下洞室安全性的控制技术。考虑采用提高围岩止裂性能的特殊加固措施等对围岩进行加固，在已建立的适用于复杂地层环境的压气储能地下洞室相场模型的基础上进一步考虑加固措施的影响，研究加固后对压气储能地下洞室围岩抗裂、止裂性能的提升，评估不同加固措施的适用性。提出裂缝反复张开闭合下高内气压地下洞室安全性的控制技术，对围岩采取不同的止裂和加固措施，评价各种止裂加固措施的适宜性。

（3）高内气压地下洞室健康的长期监测及预警技术

根据压气储能系统运行过程中洞室空气压力、温度的变化规律，结合密封材料抗外水压力试验、陷缝破坏试验、气密与应力疲劳的试验结果，提出压气储能洞室失效的判别标准，如在不同阶段洞室空气压力或温度及其变化速率、外水压力、密封层和衬砌交界处温度、衬砌裂缝宽度的监控值。在上述判别标准的基础上进行划分，提出洞室分级预警的监测方法，并提出不同预警级别下的处理对策，最终形成一套针对压气储能洞室失效的前兆识别、预警及险情解危的长期健康监测技术。

2.2本项目实施的时间要求

项目总周期为761日历天，包含了第一、二、三阶段成果报告、最终成果报告完成期、论文发表期和专利（实质审查阶段）并形成行业规范或团体标准等标准（征求意见稿）。起始时间预计为2024年11月30日，提交最终成果时间为2025年12月31日。

（1）第一阶段成果报告完成期：乙方应在2024年12月31日前按照本合同的约定向甲方提交本项目第一阶段成果报告及相关资料并通过验收；

（2）第二阶段成果报告完成期：乙方应在2025年6月30日前按照本合同的约定向甲方提交本项目第二阶段成果报告及相关资料并通过验收；

（3）最终成果报告完成期：乙方应在2025年12月31日前按照本合同的约定向甲方提交本项目最终成果报告完成相关资料且通过验收，并形成行业规范或团体标准（征求意见稿）且通过验收，相关论文取得录用函，相关专利进入实质审查阶段；

（4）论文、专利及标准验收期：乙方应在2026年12月31日前按照本合同的约定向甲方提交本项目的论文录用函和相关文件、专利（实质审查阶段）。

各阶段成果具体内容见下表：

序号

研究内容

研究任务

提交时间

备注