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摘要：地下储气库选型选址是大规模压气储能电站规划设计的首要问题。通过对比分析现有文献，总结了4种地下储气库的优缺点，分析了我国适合建造地下岩穴储气库的硬岩地层分布范围及特点。基于我国第一个压气储能地下储气实验库的实验成果论证了硬岩岩穴地下储气库建设关键技术的可行方案；最后，以广东省为例探讨了大规模压气储能电站地下储气库的规划选址方法。研究成果表明，在我国适合建设硬岩岩穴地下储气库的地层分布广泛，选址受限程度低，且作为大规模压气储能电站的储气装置在技术可行。
压气储能地下储气库选型选址研究
蒋中明
长沙理工大学 水利工程学院
关键词：压气储能；储气库类型；规划选址；选址方法；选址流程
压缩空气蓄能发展现状
压缩空气蓄能(Compressed Air Energy Storage，以下简写为 CAES) 是一种利用压缩空气作为介质来储存富余电能的新技术。压缩空气储能电站的主要作用是调节电力峰谷和改善电力品质，它并具有效率高、占地面积小、运行方式灵活、投资和运行费用较少等优点[1-2]。利用压缩空气储能的基本思想在20世纪40年代初被提出[3]，其工作原理是利用用电低谷时的富余电力将空气压缩并将高压压缩空气储存在储气设备中，在用电高峰期再将压缩空气释放出来推动透平发电。对于微小型压缩空气储能电站，压缩空气的储气设备一般采用地面钢罐（管）；对于大规模压气储能电站（100 MW以上）来说，由于储能所需的空间容积可达十万立方米，甚至百万立方米级别，因此其储气设备一般采用地下储气库[3]。地下储气库可以是地下开挖的岩穴，也可是孔隙率大的地下含水层[3-4].根据现有文献，岩穴地下储库分为盐岩洞穴、硬岩洞穴两种[2]。根据岩石的强度和硬度大小，盐岩归属于软岩范畴，因此盐岩洞穴实质上是一种软岩洞穴。
理论上讲，地球上的任何地层都可以建成地下储气库，然而从建设技术可行性和经济性角度出发，适合建设压气储能电站的岩石地层是有限的。这也是自1978年第一座压气储能电站Huntorf和1991第二座压气储能电站McIntosh运行以来，大规模压缩空气储能电站发展缓慢的主要原因之一。盐岩地层的最大优点是盐岩洞穴的天然密封性好和建设成本低，且岩穴围岩具有开挖损伤自愈等优点，因此，上述两座电站的地下储气库均建在盐岩地层中。盐岩洞穴也具有岩石强度低、洞穴稳定性差及流变特性等显著缺点。因此，盐岩洞穴储气库都采用深埋的方式来解决高压运行条件下的安全稳定性问题。硬岩洞穴地下储气库最大优点是洞穴围岩稳定性好，可浅埋；其不足之处是密封技术难度高，建设成本相对较高。随着地下空间开发技术进步，大规模地下空间开挖成本大幅度降低、建设工期缩短以及高压气体地下密封技术出现，通过洞穴浅埋方案解决高压地下储库面临的技术和经济问题越来越成为可能[5]。
近年来风能、太阳能等新能源在我国得到了大规模开发和利用。由于风能、太阳能等新能源发电的波动性和随机性， 大规模新能源并网给电力系统的安全稳定运行和电能质量带来了严峻挑战， 实际运行中存在大量弃风和弃光现象， 使得新能源的利用率长期处于较低的水平［6-7］。大规模储能技术应用是实现新能源安全、高效和经济利用的必然途径。我国对压缩空气储能系统的研究开发起步比较晚，且大多集中在理论和小型实验层面，但随着电力储能需求的快速增加，大规模压缩空气储能相关技术的研究在我国日益受到重视。拟建大规模压缩空气储能电站区域是否存在适合于修建大型地下储气库的地质构造是储气库建设的关键所在。本文结合我国地下储气库可选地质构造的分布情况研究，以广东省压气储能电站区域选址为例，探索压气储能地下储气库选型选址方法和流程，以期为大规模压气储能电站的建设提供技术支持。
压缩空气储能工作原理图（引自搜狐网）
地下储气库选型研究
现有的文献大多将大规模压气储能电站地下储气库分为即盐岩洞穴、硬岩洞穴、废弃矿洞和孔隙介质含水层四种类型[8]。这四种类型的储气库优缺点对比如表1所示。
表1 不同类型地下储气库特点比较
盐岩洞穴储气库由于其具有密封性和经济性好等显著优点而在国内外被作为首选的地下高压储气库。然而作为压缩空气储能电站的储气库来说，盐岩洞穴的不足之处也很鲜明。Huntorf压气储能电站的运行经验表明[9]，储存在盐岩储气库中的空气盐分含量高，对压缩空气管道及机组的腐蚀性强，工程建设需要特别注意管道及机组的防腐蚀问题。更为关键的问题是，适合建库的盐岩地层分布范围有限，在有建库需求的地区可能根本不存在盐岩地层，因此限制了盐岩洞穴储气库压气储能电站的发展。
新开挖硬岩洞穴储气库的最大优点是适合建库的硬岩岩石类型多，且地层分布广泛，在有建库需求的地区一般都存在满足建库条件的各类硬岩地层，因此，硬岩洞穴储气库的选址相对容易。相对其他类型的储气库而言，新开挖硬岩洞穴储气库的最大缺点是其建库成本相对较高，同时需要设置专门的密封结构层防止高压气体渗漏。采用浅埋和增大电站运行压力区间的方式可以降低电站的建设成本，进而改善岩穴地下储气库一次性投资经济指标。
为提高岩穴地下储气库的经济性，国内外都在积极探索利用改造废弃矿洞建设地下储气库的可行性[9-10]。我国作为矿产资源大国， 在各种金属矿、非金属矿的开采过程中形成了数亿立方米的开采空间，大量的矿井已因资源的枯竭而报废。这些废弃矿井和巷道经过改造后具有作为地下储气库的潜力[10]。利用废弃矿井建设压气储能电站的地下储气库能降低投资成本。储气库在运行过程中具有承受的压力高和压力变化频繁等特征，可以改造作为压气储能电站地下储气库的废气煤矿矿井的埋深一般较深。目前，国内外对于利用废弃矿井建造地下储气库的研究埋深均在500 m级。
煤矿矿井在空间分布上具有分布不规则，巷道分布连续性差，分布范围大等特点，同时矿井及巷道在几何尺度上还具有断面小、空间狭长、内表面积大等特征。加之煤系地层具有岩体结构相对破碎、岩体质量较差、抗压强度低、变形模量小等特点，因此，废弃煤矿矿井及巷道利用存在诸多问题需要深入研究，例如：（1）稳定性不足，存在巷道坍塌和地面沉陷等问题；（2）埋深大带来的地下水处理难度大以及地下水污染环境问题；（3）存在煤矿瓦斯等有害气体处置问题等等。
对于大规模的废弃金属矿来说，其伴生岩层的岩体质量相对较好、抗压强度高，变形模量大，巷道及竖井的稳定性较高，改造的技术难度和相关环境问题相对较小，因此更适合于改造成为压气储能电站的地下储气库。
含水层地下储气库将压缩空气储存在地下含水层孔隙介质中。利用含水层孔隙介质作为储气空间相比于其他大规模储能技术在经济性方面具有优势[11]。含水层储气库的最大不足是储气库的可控制性和可预测性较差，可用适合做储气库的含水层勘探难度大，同时还存在含水层渗透性较低时限制了系统的注采规模；渗透性较高时容易引起有效空气和压力的损失，降低系统可持续时间等问题[12]。
当对压气储能电站进行区域规划时，地下储气库的类型选择宜根据区域地质条件、是否存在可以利用的废弃矿井或含水层等情况，从技术和经济角度进行对比分析后进行决策。从现有技术角度，盐岩洞穴和硬岩洞穴两种型式的储气库相关研究成果更丰富一些。
岩穴储气库候选地层分析
盐岩地层
盐岩地层因具有非渗透性好、密封性好以及被水溶蚀之后易开采等优点被广泛认为是地下高压储气库的理想建库地层。盐穴储气库对库址要求很高，对构造完整性、盐岩品位和分布、盖层密封性等均有特殊要求。此外，为提高建设效益，地下储气库的容积规模都较大，因此盐岩洞穴储气库需要建设在地下较厚的盐层或盐丘中。欧美地区因其盐岩地层构造完整、夹层少、厚度大、物性好而大量采用了盐穴地下储气库，目前国外共有45座盐穴储气库在运行，占储气库总数的 11.7%[13]。
我国盐穴储气库建库地质条件以陆相层状盐岩为主，与国外盐丘建库相比，我国在建与拟建盐穴储气库多为层状盐层建库，含盐地层盐岩品位低、夹层多、水不溶物含量高，导致盐腔造腔速度慢、腔体形态难以控制、成腔效率低等问题[14-15]。目前，我国唯一投入运行的盐穴储气库为金坛地下天然气储气库，楚州、平顶山、云应等盐穴天然气储气库目前处于可行性研究阶段。目前，江苏金坛正在建设一期为50 MW盐穴压缩空气储能电站示范项目。
盐穴储气库选址工作的核心任务是选出适合建库的盐岩地层。图1为我国盐矿分布图。因适合建设地下储气库的盐矿为岩盐地层，由图可知，我国岩盐矿藏主要分布在四川、重庆、湖北、江西、安徽、江苏、山东和广东局部地区；而光伏能和风能丰富的北方和西北地区，则缺少适宜与建设盐穴地下储气库的盐岩地层。如果选择盐岩洞穴作为地下储气库方案，那么上述地区都具有建设压缩空气储能电站的潜力。
图1 中国主要盐矿分布示意图
硬岩地层
硬岩地层具有岩体质量好、强度高、变形模量大等优点被作为地下储气库建库研究的候选地层[11]。岩穴储气库型式包括衬砌或非衬砌隧洞、竖井和洞室三种。岩穴储气库依靠围岩来承受内压，采用复合式衬砌或水力条件方式来保证气密性。适合于建造地下储气库的岩石类型有三类(Allen et al.1982a)[11]：（1）花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类；（2）硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩类；（3）片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩类。从地质和结构的角度，复合式衬砌储气库的关键技术问题有三：一是上覆岩体在高内压作用下的地面隆起破坏；二是衬砌密封层的失效和气密性能丧失；三是洞室巷道堵头的剪切失稳破坏。针对上述问题，P. Perazzelli等[17]的研究指出在抗压强度5~60 MPa，内摩擦角30~40°的岩层中建设洞径为4m隧道式储气库只需要60~120 m的埋深便可拥有足够的安全系数。满足上述强度指标的硬岩岩石地层在我国分布十分广泛，特别是在光伏能和风能丰富的北方和西北地区以及南方沿海地区都有大量分布。
图2为花岗岩、玄武岩、石灰岩和砂岩等硬岩地层在我国的主要分布地区图。由图可知，花岗岩在我西部、北部、东北及东南地区分布广泛，玄武岩主要分布在内蒙、河北、黑龙江、辽宁，广东和海南等省的部分地区。除了新疆、西藏、内蒙、青海、黑龙江和吉林等省份分布较少外，石灰岩在我国其他省份都有大量分布。砂岩地层则主要集中在甘肃、河南、河北、山东、四川、重庆、湖南、湖北、安徽、江苏、广东、广西、云南等省份。
花岗岩、玄武岩和石灰岩都具有强度高和变形模量大的优点，是地下储气库的主要优选地层。由此可见，从岩层力学性质和分布的广泛性角度来看，在我国建设硬岩岩穴地下储气库的压气储能电站选址基本不存在工程地质条件方面问题，可以较为容易地找到适用于建设地下储气库的各种硬岩地层。
