中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所孫冠華研究員團(tuán)隊(duì)：壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基本原理與分析方法

孫冠華，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研究員、學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，兼任中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)巖土力學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)、中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)深地儲(chǔ)能分會(huì)副理事長(zhǎng)、《巖土力學(xué)》編委、Acta Mechanica Sinica青年編委，曾任香港大學(xué)研究助理、牛津大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，獲湖北省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排第2）、二等獎(jiǎng)（排第1），中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排第1）、青年科技獎(jiǎng)金獎(jiǎng)，中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)、院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)等。

主要從事深地儲(chǔ)能地下工程方面的研究工作，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器研制項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年人才項(xiàng)目等80余項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇（第一/通訊作者SCI論文60篇），公開/授權(quán)專利和軟件著作權(quán)35項(xiàng)（第一權(quán)利人18項(xiàng)），出版專著2部，參編行業(yè)規(guī)范/地方標(biāo)準(zhǔn)/團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)4部。

在能源革命的驅(qū)動(dòng)下，可再生能源開發(fā)利用力度持續(xù)加大，接入電網(wǎng)的比例和在終端能源消費(fèi)的占比將不斷提高。然而，在新能源高速發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)電、光伏等可再生能源因其間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性等特性及電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的不足導(dǎo)致了“三棄”現(xiàn)象，即棄風(fēng)、棄光、棄水。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可以起到電網(wǎng)“削峰填谷”的作用，增強(qiáng)電網(wǎng)的調(diào)峰能力，提升電源側(cè)可再生能源的消納能力，能夠?yàn)榇笠?guī)模“三棄”問(wèn)題提供解決方案。“三棄”問(wèn)題已成為我國(guó)制約新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，同時(shí)造成了電力資源的極大浪費(fèi)，亟須大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能為新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供關(guān)鍵支撐。2024 年，我國(guó)首次將“發(fā)展新型儲(chǔ)能”寫入政府工作報(bào)告，到“十四五”規(guī)劃結(jié)束時(shí)，新型儲(chǔ)能將在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和工商業(yè)用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用與示范。

CAES系統(tǒng)的工作原理示意圖

CAES電站地下硐庫(kù)示意圖

可實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)中，目前已投入商用的僅有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）。但抽水蓄能電站的建設(shè)往往受到投資、建設(shè)周期、水資源和特殊場(chǎng)地要求的限制，與之相比，壓縮空氣儲(chǔ)能不受這些限制，適合我國(guó)風(fēng)光電資源豐富的西北、華北和東北（“三北”）地區(qū)。壓縮空氣儲(chǔ)能是一種利用壓縮空氣作為介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存富余電能的新技術(shù)，具有效率高、容量大、占地小、成本相對(duì)低、運(yùn)行方式靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是具有廣闊前景的大規(guī)模儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)。

圍巖泄漏示意圖

地下內(nèi)襯硐庫(kù)研究對(duì)象

硐庫(kù)密封結(jié)構(gòu)示意圖

目前，對(duì)于大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能一般采用地下儲(chǔ)氣庫(kù)，主要有鹽穴、天然或廢棄洞穴、人工硐室等。我國(guó)硬巖地層分布廣泛，人工修建的地下內(nèi)襯硐庫(kù)（LRC）選址靈活、設(shè)計(jì)參數(shù)可控，使得地下內(nèi)襯硐庫(kù)成為壓縮空氣儲(chǔ)能庫(kù)的最佳方案。建造地下內(nèi)襯硐庫(kù)的關(guān)鍵是確保硐庫(kù)密封性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，相較于傳統(tǒng)地下空間，壓縮空氣儲(chǔ)能內(nèi)襯硐庫(kù)將承擔(dān)交變膨脹荷載，同時(shí)伴隨溫度的顯著變化，這些因素帶來(lái)了一系列新的巖石力學(xué)與工程問(wèn)題，亟須開展系統(tǒng)性研究。

《壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基本原理與分析方法》是對(duì)上述一系列新的巖石力學(xué)與工程問(wèn)題研究工作的總結(jié)。本書的撰寫，一方面展示壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)的特征和分析方法，另一方面也期望本書能為地下內(nèi)襯硐庫(kù)的設(shè)計(jì)和施工提供基礎(chǔ)理論認(rèn)識(shí)和參考。

壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基本原理與分析方法

孫冠華等著

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11

ISBN 978-7-03-083414-0

全書共8章。內(nèi)容具體包括以下幾個(gè)方面。

一

明確LRC 在CAES 系統(tǒng)中的功能定位，介紹其密封結(jié)構(gòu)構(gòu)成、受力特征及常見失效模式，提出以圍巖為主承壓、柔性密封為核心的設(shè)計(jì)理念。

二

從熱力學(xué)基本方程出發(fā)，構(gòu)建硐庫(kù)內(nèi)部溫度場(chǎng)解析解和CFD 數(shù)值模擬方法，研究不同硐形下溫度與壓力的分布特征及其對(duì)結(jié)構(gòu)的熱力影響。通過(guò)模擬揭示硐形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫壓耦合特性的影響規(guī)律，提出適用于工程實(shí)踐的溫控優(yōu)化建議。在此基礎(chǔ)上，分析密封層與襯砌的熱傳導(dǎo)過(guò)程，比較鋼板、橡膠和玻璃鋼等材料在周期性運(yùn)行中的熱響應(yīng)差異。

三

針對(duì)CAES 硐庫(kù)運(yùn)營(yíng)中圍巖所受的拉壓交變荷載，研制多功能試驗(yàn)系統(tǒng)，開展循環(huán)加載條件下的巖石力學(xué)試驗(yàn)，揭示圍巖的拉壓異性疲勞響應(yīng)規(guī)律。基于試驗(yàn)結(jié)果，提出一種非線性損傷流變本構(gòu)模型，考慮分?jǐn)?shù)階黏性元件與黏性系數(shù)損傷，能夠模擬長(zhǎng)期變形演化過(guò)程。通過(guò)將模型嵌入數(shù)值平臺(tái)，完成圍巖長(zhǎng)期響應(yīng)的模擬與驗(yàn)證，為硐庫(kù)運(yùn)行期的穩(wěn)定性評(píng)估、支護(hù)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)營(yíng)提供理論基礎(chǔ)和模擬工具。

四

提出熱-力耦合條件下襯砌結(jié)構(gòu)裂縫演化的分析方法，結(jié)合內(nèi)聚力模型與鋼筋-混凝土黏結(jié)滑移理論，模擬結(jié)構(gòu)在復(fù)雜熱力邊界條件下的裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展過(guò)程，系統(tǒng)研究配筋、混凝土性能與密封層設(shè)計(jì)對(duì)裂縫控制的影響。通過(guò)數(shù)值模擬揭示裂縫產(chǎn)生與分布規(guī)律，為襯砌結(jié)構(gòu)的限裂設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

五

建立密封層與約束結(jié)構(gòu)之間的界面力學(xué)模型，分析鋼板、橡膠等材料在疲勞與斷裂工況下的力學(xué)特性。重點(diǎn)分析密封材料的搭接形式、幾何參數(shù)、初始缺陷對(duì)密封性能的影響，提出基于界面黏結(jié)與低周疲勞的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。結(jié)合斷裂力學(xué)與疲勞理論，明確密封結(jié)構(gòu)失效的演化過(guò)程，指出柔性密封層的可靠性控制是硐庫(kù)安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

六

系統(tǒng)分析地下硐庫(kù)上覆巖體的破壞模式及安全系數(shù)計(jì)算方法，提出不同硐形的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并給出安全埋深的計(jì)算方法。研究結(jié)果為硐庫(kù)的抗隆起設(shè)計(jì)及選址提供了量化依據(jù)，是確保工程穩(wěn)定性的重要參考。

七

從工程實(shí)施角度出發(fā)，系統(tǒng)梳理LRC 的地下工程設(shè)計(jì)體系，包括選址原則、地質(zhì)勘察、硐形布置、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及泄漏率評(píng)估等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提出基于可靠度理論的密封結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)失效概率控制與經(jīng)濟(jì)性之間的平衡。進(jìn)一步引入“可接受泄漏率”指標(biāo)，構(gòu)建適用于CAES 工程的完整設(shè)計(jì)流程。

《壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基本原理與分析方法》首先闡明地下內(nèi)襯硐庫(kù)的基本概念與設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)地介紹庫(kù)內(nèi)壓縮空氣溫度壓力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)熱力學(xué)特性、疲勞-蠕變交互環(huán)境下巖體時(shí)效力學(xué)模型與圍巖響應(yīng)、熱-力耦合條件下二襯開裂機(jī)理與分析方法、密封層設(shè)計(jì)理論與參數(shù)分析、上覆巖體穩(wěn)定性分析與安全埋深等基礎(chǔ)理論與方法，并提出地下內(nèi)襯硐庫(kù)的設(shè)計(jì)方法，形成壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)的基本原理與分析方法體系。

我期望該書能夠成為學(xué)術(shù)交流和工程實(shí)踐的重要參考。該書的出版，對(duì)從事壓縮空氣儲(chǔ)能地下工程領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員具有深遠(yuǎn)的意義，甚至是關(guān)鍵性的。對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，奠定了人工硐室的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，為人工硐室的工程技術(shù)提供了有力支撐，將會(huì)促進(jìn)基于人工硐室的壓縮空氣儲(chǔ)能工程技術(shù)蓬勃發(fā)展。

楊春和

中國(guó)工程院院士

2025年11月

本書得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下內(nèi)襯硐庫(kù)圍巖力學(xué)特性與承載機(jī)制研究”（42572366）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“循環(huán)荷載作用下巖體時(shí)效變形損傷破裂數(shù)值流形法研究”（12302507）和“壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下內(nèi)襯硐庫(kù)襯砌開裂計(jì)算方法與安定性分析”（52508463）、湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下人工硐庫(kù)密封結(jié)構(gòu)疲勞特性及長(zhǎng)期變形研究”（2022CFD031）和“蠕變-疲勞交互作用下壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下人工硐庫(kù)圍巖損傷變形本構(gòu)模型及規(guī)律研究”（2024AFD361）、寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于全人工地下儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮空氣儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)研究及示范”（2024BEE04013）等的資助。

本文摘編自《壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基本原理與分析方法》（孫冠華等著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 11）一書“前言”“第1 章 概述”“序言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-083414-0

責(zé)任編輯：何 念 趙曉廷

本書主要介紹壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)的基本概念與設(shè)計(jì)理念，壓縮空氣動(dòng)力學(xué)下的硐庫(kù)內(nèi)溫壓計(jì)算方法及密封結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性，圍巖在疲勞-蠕變交互環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)及破壞機(jī)理，熱-力耦合作用下襯砌結(jié)構(gòu)的開裂計(jì)算方法、裂縫寬度計(jì)算及襯砌裂縫分布特征，密封層的設(shè)計(jì)理論與參數(shù)，不同類型硐庫(kù)的上覆巖體穩(wěn)定性分析方法與安全埋深、安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)及失效模式，密封堵頭的結(jié)構(gòu)形式力學(xué)模型，最后提出壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)基于可靠度的設(shè)計(jì)方法與理論等。

本書可供高校儲(chǔ)能、巖土工程、地質(zhì)工程、隧道與地下工程等相關(guān)專業(yè)的研究生及從事壓縮空氣儲(chǔ)能地下內(nèi)襯硐庫(kù)勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)和研究的相關(guān)設(shè)計(jì)院、科研院所和工程技術(shù)單位的工作人員參考。

（本文編輯：劉四旦）

專業(yè)品質(zhì) 學(xué)術(shù)價(jià)值

原創(chuàng)好讀 科學(xué)品位

一起閱讀科學(xué)