JP3733515B2

JP3733515B2 - 高温高圧気体・液体の貯蔵方法および貯蔵施設

Info

Publication number: JP3733515B2
Application number: JP35671599A
Authority: JP
Inventors: 博夫熊坂
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP2001171813A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤・地盤内を掘削して空洞を形成し、該空洞内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵する高温高圧気体・液体の貯蔵方法および貯蔵施設に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、近年、火力、原子力発電所、ごみ焼却施設、製鋼などのプラント施設から発生する熱を地下に貯蔵して利用する構想が発表されており、このための施設として、特に、火力や原子力発電所から発生する熱を１００℃以上で岩盤内に形成した空洞内に貯蔵する温水・熱水貯蔵施設が提案されている。
【０００３】
このような温水・熱水および蒸気の貯蔵施設においては、内部に貯蔵される蒸気および熱水等の温度が高いため、周辺の岩盤・地盤に大きな熱応力が作用し、降伏・破壊が生じることが考えられる。そこで、岩盤・地盤に発生する熱応力がその強度以下となるように、周辺岩盤・地盤の温度を制御したり、あるいは、空洞内壁に空洞周辺の岩盤・地盤への熱伝達・伝導を防ぐための断熱材を設置するなどの対策が考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の対策のうち、周辺岩盤の温度を制御する方法を採用する場合には、使用目的に適合した岩盤・地盤を選択しなければならず立地条件に対する制約が大きくなること、または、貯蔵を考えたい岩盤・地盤の熱特性・強度特性によっては、貯蔵すべき高温高圧の気体あるいは液体の温度が制限され、貯蔵施設としての効率が低下することなどの問題点が生じる。
【０００５】
一方、空洞内壁に空洞周辺への熱伝達・熱伝導を防ぐための断熱材を設置する対策を採用した際には、一般にウレタン系材料などの断熱材が、その内部に多くの空気を含むことにより断熱性を高めていることから、地下水や蒸気等により断熱材中の空気が置換された場合に、その断熱特性が失われ、岩盤への熱伝達・熱伝導を完全に防ぐことができない懸念がある。また、これを避けるために、断熱材の表面を何らかの被覆材（薄肉スチールや温水・蒸気中において耐腐食性を発揮するステンレスなど）によって被覆したとしても、被覆材を介して断熱材に、温水、熱水、あるいは蒸気の貯蔵圧が作用し、これにより、断熱材がつぶれて断熱材中の空気層が失われ、結果として断熱機能が損なわれてしまうこととなる。さらに、断熱材の設置には、空洞の建設と同等のコストが要求されるために、建設コストの増大が大きな問題となる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、立地条件や貯蔵すべき高温高圧の気体あるいは液体の温度等に関して制約が生じず、なおかつ、安全に、低コストで高温高圧の気体あるいは液体を岩盤・地盤中に貯蔵する技術を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の発明は、岩盤・地盤内を掘削して空洞を形成し、該空洞内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するための方法であって、前記空洞内に前記高温高圧の気体あるいは液体を所定温度で貯蔵したと仮定した場合に、前記空洞を囲む岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じる熱応力による圧縮応力を計算しておき、実際に前記高温高圧の気体あるいは液体を前記空洞内に貯蔵する際には、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力が前記空洞内壁に作用した際に前記岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される引張応力と、前記圧縮応力とが均衡するように、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、岩盤・地盤内を掘削して空洞を形成し、該空洞内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵する高温高圧の気体あるいは液体の貯蔵施設であって、
前記空洞内面にシール材が配置されるとともに、該シール材と前記岩盤・地盤との間に裏込め材が充填されることにより、前記シール材の内部が前記高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するためのタンクとして形成され、
該タンクは、その内圧を調整する内圧調整装置に対して接続され、該内圧調整装置は、前記タンク内に前記高温高圧の気体あるいは液体を所定温度で貯蔵したと仮定した場合に前記空洞を囲む岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じる熱応力による圧縮応力と、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力が前記空洞内壁に作用した際に前記岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される引張応力とを均衡させるように、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整することを特徴としている。
【０００９】
これらの発明においては、上記のような構成により、岩盤・地盤内において、熱応力による圧縮応力と、高温高圧の気体あるいは液体の貯蔵圧に起因する引張応力とがバランスすることとなり、これにより、岩盤・地盤内において過大な応力が発生することを防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態を示す図であり、図中符号１は高温高圧気体・液体貯蔵施設を表す。この高温高圧気体・液体貯蔵施設１は、岩盤（地盤）Ｒ内を掘削して空洞２を形成し、この空洞２内に、熱水等の高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するためのものであり、空洞２の内面にシール材３が配置されるとともに、シール材３と岩盤Ｒとの間に裏込めコンクリート（裏込め材）Ｃが充填されることにより、シール材３の内部が高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するためのサイロ型のタンク４として形成されたものである。
【００１１】
シール材３は、高温高圧の気体あるいは液体のタンク４外への漏洩を防止する役割を担うものであり、カーボンスチールやステンレススチールなどが考えられるが、高温下における耐腐食性を有するものが用いられる。
【００１２】
また、この高温高圧気体・液体貯蔵施設１においては、タンク４に内圧調整装置５が接続されている。この内圧調整装置５は、タンク４の内圧を、あらかじめ定めた圧力に調整する機能を有している。
【００１３】
図２は、高温高圧気体・液体貯蔵施設１の壁部７（図１参照）を拡大して示した図である。図中に示すように、裏込めコンクリートＣと岩盤Ｒとの間には、排水パイプ８，８，…が設置されている。この排水パイプ８，８，…は、タンク４の建設時や開放点検時に岩盤Ｒ内の地下水圧が過度にシール材３に作用することを防ぐ役割をする。また、この場合、裏込めコンクリートＣは、シール材３の局所的な変形を防いでタンク４の滑らかな内空形状を確保し、高温高圧の気体あるいは液体の貯蔵圧を岩盤Ｒに対して滑らかに伝達する機能を有するほか、排水パイプ８，８，…を高温高圧の気体あるいは液体の貯蔵圧から保護する機能を有する。
【００１４】
次に、この高温高圧気体・液体貯蔵施設１内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵する際の手順（高温高圧気体・液体の貯蔵方法）について説明する。タンク４内に高温高圧の気体あるいは液体を高圧かつ高温で貯蔵すると、空洞２を囲む岩盤Ｒには、高温高圧の気体あるいは液体のもつ熱が伝達し、これにより、岩盤Ｒが膨張して岩盤Ｒ内に圧縮応力が発生することが予想される。一方、高温高圧の気体あるいは液体の貯蔵圧により、空洞２の内壁は地山側に変位し、これにより、空洞２を囲む岩盤Ｒには、空洞２の内壁方向に引張応力が発生することが予想される。
【００１５】
したがって、ここでは、まず、タンク４内に高温高圧の気体あるいは液体を所定温度で貯蔵したと仮定した場合に、空洞２を囲む岩盤Ｒ内に生じる熱応力による圧縮応力を計算しておき、さらに、このように計算された圧縮応力とバランスする引張応力を空洞２を囲む岩盤Ｒ内に生じさせるために必要な高温高圧の気体あるいは液体の圧力を計算しておく。そして、このように計算した圧力を、内圧調整装置５の調整対象の圧力として定めておく。
【００１６】
そして、実際に高温高圧の気体あるいは液体をタンク４内に貯蔵する際には、内圧調整装置５によりタンク４内の圧力を、上述のようにして計算した所定の圧力に定め、さらに高温高圧の気体あるいは液体の温度を上述の所定温度とする。これにより、岩盤Ｒ内に生じる熱応力による圧縮応力と、高温高圧の気体あるいは液体の内圧に起因する岩盤Ｒ内の引張応力とをバランスさせ、岩盤Ｒ内に過大な応力が発生することを避けることができる。この場合、具体的には、例えば、熱水を貯蔵温度２００〜３００℃で貯蔵する場合において、岩盤（地盤）の弾性係数、線膨張係数、地下水の有無によって条件が異なるが、熱水の圧力を３〜６ＭＰa以上に保つのが望ましいと予想される。
【００１７】
以上述べた高温高圧気体・液体貯蔵施設１および高温高圧気体・液体の貯蔵方法においては、高温高圧の気体あるいは液体の圧力が空洞２内壁に作用した際に岩盤Ｒ内に生じることが予想される引張応力と、高温高圧の気体あるいは液体の熱が岩盤Ｒに伝導した場合に岩盤Ｒ内に生じることが予想される圧縮応力とが均衡するように、高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整したため、断熱材を用いずに、岩盤Ｒ内において過大な応力が発生することを防ぐことができ、建設コストの大幅な削減を図ることができる。また、従来の岩盤・地盤内の温度を制御する手法に比較しても、立地条件に対する制約が少なく、また、高温高圧の気体あるいは液体の温度にも制限が少ないため、エネルギー貯蔵効率を非常に高くすることができる。さらに、高圧下の貯蔵でも貯蔵温度によりシール材３に温度応力による伸びが期待できることより、貯蔵圧力による大きな伸びひずみが生じることがないため、シール材３を力学的に安定した状態で利用することができ、安全性が高い。
【００１８】
なお、上記実施の形態において、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用するようにしてもよい。
例えば、上記実施の形態の高温高圧気体・液体貯蔵施設１においては、タンク４の形状がサイロ型とされていたが、これに代えて、図３，４に示す高温高圧気体・液体貯蔵施設１’のように、トンネル型のタンク４’を採用するようにしても良い。
【００１９】
また、上記実施の形態の高温高圧気体・液体貯蔵施設１は、岩盤Ｒ内に設置されていたが、これに代えて、比較的堅固な地山内に設置することも可能である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高温高圧の気体あるいは液体の圧力が空洞内壁に作用した際に岩盤・地盤内で空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される引張応力と、高温高圧の気体あるいは液体の熱が地盤に伝導した場合に岩盤・地盤内で空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される圧縮応力とが均衡するように、高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整したため、断熱材を用いずに、岩盤・地盤内において過大な応力が発生することを防ぐことができ、建設コストの大幅な削減を図ることができる。また、従来の岩盤内の温度を制御する手法に比較しても、立地条件に対する制約が少なく、また、高温高圧の気体あるいは液体の温度にも制限が少ないため、エネルギー貯蔵効率を非常に高くすることができる。さらに、高圧下の貯蔵でもシール材に大きな伸びひずみが生じることがないため、シール材を力学的に安定した状態で利用することができ、安全性が高い。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を模式的に示す高温高圧気体・液体貯蔵施設の部分断面斜視図である。
【図２】図１に示した高温高圧気体・液体貯蔵施設の壁部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を模式的に示す高温高圧気体・液体貯蔵施設の断面斜視図である。
【図４】同、立断面図である。
【符号の説明】
１高温高圧気体・液体貯蔵施設
２空洞
３シール材
４タンク
５内圧調整装置
Ｃ裏込めコンクリート
Ｒ岩盤

Claims

岩盤・地盤内を掘削して空洞を形成し、該空洞内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するための方法であって、
前記空洞内に前記高温高圧の気体あるいは液体を所定温度で貯蔵したと仮定した場合に、前記空洞を囲む岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じる熱応力による圧縮応力を計算しておき、
実際に前記高温高圧の気体あるいは液体を前記空洞内に貯蔵する際には、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力が前記空洞内壁に作用した際に前記岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される引張応力と、前記圧縮応力とが均衡するように、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整することを特徴とする高温高圧気体・液体の貯蔵方法。
岩盤・地盤内を掘削して空洞を形成し、該空洞内に高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵する高温高圧気体・液体の貯蔵施設であって、
前記空洞内面にシール材が配置されるとともに、該シール材と前記岩盤・地盤との間に裏込め材が充填されることにより、前記シール材の内部が前記高温高圧の気体あるいは液体を貯蔵するためのタンクとして形成され、
該タンクは、その内圧を調整する内圧調整装置に対して接続され、該内圧調整装置は、前記タンク内に前記高温高圧の気体あるいは液体を所定温度で貯蔵したと仮定した場合に前記空洞を囲む岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じる熱応力による圧縮応力と、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力が前記空洞内壁に作用した際に前記岩盤・地盤内で前記空洞内壁に沿った方向に生じることが予想される引張応力とを均衡させるように、前記高温高圧の気体あるいは液体の圧力を調整することを特徴とする高温高圧気体・液体の貯蔵施設。