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图2 中国部分硬岩地层分布示意图
硬岩洞穴储气库实验研究—湖南平江实验库简介
利用硬岩地层建设浅埋地下储气库在国内外均有研究[18]。例如韩国学者就石灰岩地层建设高压地下储气库的可行性进行了大量的理论与数值分析研究[19-21]。花岗岩在我国分布广泛，是压气储能浅埋地下岩穴储气库的理想岩层之一。为全面了解高内压条件下花岗岩洞穴稳定性、变形特性及建库可行性，中国电建中南勘测设计研究院有限公司和长沙理工大学联合在湖南平江抽水蓄能电站的勘探平硐内建造了国内第一个浅埋衬砌岩穴地下储气实验库。
该实验库位于平江抽水蓄能电站地下厂房勘探平硐(PD4)内。勘探平硐内围岩主要由花岗岩和花岗片麻岩组成，部分洞段花岗伟晶岩脉较发育，洞室围岩结构面整体发育较弱。
图3给出了实验库的几何尺寸及试验系统组成。实验库埋深约110 m，长5 m，内径2.9 m。实验库围岩为完整性好的花岗岩，其实测抗压强度在78~130 MPa之间，弹性模量在47~50 GPa之间。储气库内设置混凝土衬砌（图3），其作用一是为密封层施工提供平滑的表面；二是将密封层传来的高压压力传递给围岩。衬砌表面设置密封层。在实验库进口端部设置堵头承担高压压缩空气（设计最大压力10.0 MPa）的推力。
图3 湖南平江实验库系统示意图（单位：mm）
现场压气储能试验始于2018年7月31日8:00，终于2018年8月10日22:40。试验共进行11次循环。试验最大压力达到9.7 MPa，试验时间在8月4日；试验过程最长储气时间约7小时，试验时间在8月9日。储气库内压缩空气压力在围岩中几乎引起了同步变形。通过分析洞顶和边墙围岩(衬砌与围岩接触部位)的位移变化全过程的完整实测数据，实验成果表明：当地下岩穴储气库建造在围岩质量好的岩层中时，围岩变形量小，变形影响范围都有限，洞室结构安全性好，因此，在花岗岩地层中建设浅埋地下岩穴储气库是完全可行的。
岩穴储气库规划选址研究—以广东省为例
压气储能电站地下储气库的最大运行压力一般为7~10 MPa，部分电站的最高运行压力可达20 MPa。因此，运行压力大是地下岩穴储气库的显著特点之一。同时，压气储能电站一般采用一天内完成一个充气储能和放气发电的日循环运行方式，因此作为储气装置的地下储气库所承受的荷载变化频率高，储气库围岩及密封层结构的疲劳损伤效应强。为保证储气库密封结构的安全可靠性，地下储气库围岩变形及密封结构层开裂控制标准也较高，其目的是防止岩体过大变形对密封层结构开裂性能的影响，进而确保地下储气库的密封性。由此可见，压气储能电站能否成功建设的关键在于拟建电站地区是否存在适合于建造地下储气洞室的地层。尽管地下硬岩型岩穴储气库的修建造价比盐穴储气库高，但是盐穴储气库的建设需要存在盐层厚度大、且分布稳定的盐丘或盐层。这种特殊地质构造在我国仅仅存在于少数地方，在光伏能和风能丰富或用电需求量大而需建压气储能电站的地区则往往缺乏这类盐岩地质构造。为此，下文以广东省为例，从光伏能、风能以及广东地区的地层特点出发，探索压气储能电站地下岩穴储气库的选址方法。
选址影响要素
压气蓄能电站建设的主要目的：一是调节电力峰谷，二是改善电力品质。调节电力峰谷是为了缓解电力市场昼夜谷峰差异，调节电网在时空上的用电平衡。改善电力品质主要是为了提高风力发电和光伏发电等间歇性电源的不稳定性质，同时还存储大量电网供电高峰时段的弃风弃光电力。压气储能电站的建设目的是决定储气库区域选址的首要因素，而地下储气库的受力特征则决定其能否成功选址的关键因素。总体上，影响储气库选址的主要因素包括：
1)是否是电力负荷中心或存在峰、谷用电量差；
2)是否分布有光伏或风力能源等间歇性能源；
3)区域地震、地质构造史及构造运动情况；
4)工程地质及水文地质条件；
5)是否存在可利用废弃洞穴；
6)交通条件。
选址原则
岩穴地下储气库工程选址需满足安全可靠性、技术可行性、经济合理性三大基本原则。在遵循岩穴地下储气库选点原则的同时，岩穴地下储气库选址规划还需重点考虑以下几点：
1) 储气库应尽量靠近电力使用负荷中心。储气库靠近负荷中心可以保证电站具有便利的接、送电条件。同时还需满足选点所在地峰谷用电量差别大，有富余电能供给且电价差别明显。
2) 储气库应尽量靠近间歇性电力供给地区。当压气蓄能电站系统与新型可再生能源如风电、光伏发电等相结合时，则应根据可再生能源所在位置确定选点位置，选点应尽可能靠近风电场、光伏发电厂，以降低电能传输损耗。
3)储气库应选择在区域地质构造稳定，且无区域性的断裂带的地区，且拟建储气库区域地震烈度不宜大于8度。
4)储气库应尽量选择在工程地条件好的地区。地层构造简单、岩层厚度大且产状平缓、构造裂隙间距大、组数少。围岩质量高，变形能力小及强度高(I、II类围岩)。避免在岩溶发育、采空区、有害气体及地热异常的地层。
5）储气库应具有良好的水文地条件好的地区。采用水封方式密封高压气体的储气库位置应具有丰富、稳定的地下水源。选择衬砌密封的地下储气库则需要布置在地下水相对贫乏的地区。
6）岩穴地下储气库应优选考虑存在可利用废弃洞穴地区，降低建库工程造价。
7) 储气库宜选在交通条件便利的地区。良好的交通条件便于建筑材料，机组设备的运输，为电站建设奠定良好的外部基础。
选址规划流程
压气储能电站的规划大体分为两种类型：一是电力峰谷调节型；二是电力品质改善型。由于适合于建设硬岩洞穴型储气库的岩层类型多，在广东地区分布广泛，因此，当根据电力负荷调节需要建设电力峰谷调节型压气储能电站时，在技术角度上，地下储气库选址基本不存在地质条件限制因素，如果埋深足够大，总能找到适合建库的地层。然而，从经济角度看，适合建设储气库的岩层埋深过大在经济上将不具可行性，毕竟储能电站建设的首要任务是获取必要的经济效益。压气储能电站地面设施占地规模相对较小，因此，电站规划选址一般可不考虑该因素的影响。地下储气库选址规划流程如图4所示。
图4 岩穴洞库规划选址流程图
如图4所示，压气储能电站地下岩穴储气库规划选址流程如下：首先，根据电网调峰的需求或间隙性电力组成情况论证建设储能电站的必要性；其次，分析区域电网中的电力负荷中心等级或可利用间隙性光伏能和风能的分布和容量大小，初步确定压气储能电站区域性规划选址；第三，进行规划选址区域内废弃矿井调查与可利用性评价；第四，确定压气储能电站场地下储气库类型；第五，电站场址区域地质条件评价，筛选出远离大断裂、地质构造活动带及地震烈度低的候选场址；第六，候选场址地层工程地质及水文地质条件评价；第七，根据储能电站地面设施布局地形要求和交通运输条件，进一步具体化地下储气库的候选地址，确定可行规划选址；最后，综合评价可行规划选址的各项经济及技术指标，按优先等级确定岩穴地下储气库建设的具体场址。
