摘要：地下儲氣庫選型選址是大規(guī)模壓氣儲能電站規(guī)劃設(shè)計的首要問題。通過對比分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)了4種地下儲氣庫的優(yōu)缺點，分析了我國適合建造地下巖穴儲氣庫的硬巖地層分布范圍及特點。基于我國第一個壓氣儲能地下儲氣實驗庫的實驗成果論證了硬巖巖穴地下儲氣庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的可行方案；最后，以廣東省為例探討了大規(guī)模壓氣儲能電站地下儲氣庫的規(guī)劃選址方法。研究成果表明，在我國適合建設(shè)硬巖巖穴地下儲氣庫的地層分布廣泛，選址受限程度低，且作為大規(guī)模壓氣儲能電站的儲氣裝置在技術(shù)可行。

壓氣儲能地下儲氣庫選型選址研究

蔣中明

長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院

關(guān)鍵詞：壓氣儲能；儲氣庫類型；規(guī)劃選址；選址方法；選址流程

壓縮空氣蓄能發(fā)展現(xiàn)狀

壓縮空氣蓄能(Compressed Air Energy Storage，以下簡寫為 CAES) 是一種利用壓縮空氣作為介質(zhì)來儲存富余電能的新技術(shù)。壓縮空氣儲能電站的主要作用是調(diào)節(jié)電力峰谷和改善電力品質(zhì)，它并具有效率高、占地面積小、運行方式靈活、投資和運行費用較少等優(yōu)點[1-2]。利用壓縮空氣儲能的基本思想在20世紀(jì)40年代初被提出[3]，其工作原理是利用用電低谷時的富余電力將空氣壓縮并將高壓壓縮空氣儲存在儲氣設(shè)備中，在用電高峰期再將壓縮空氣釋放出來推動透平發(fā)電。對于微小型壓縮空氣儲能電站，壓縮空氣的儲氣設(shè)備一般采用地面鋼罐（管）；對于大規(guī)模壓氣儲能電站（100 MW以上）來說，由于儲能所需的空間容積可達(dá)十萬立方米，甚至百萬立方米級別，因此其儲氣設(shè)備一般采用地下儲氣庫[3]。地下儲氣庫可以是地下開挖的巖穴，也可是孔隙率大的地下含水層[3-4].根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，巖穴地下儲庫分為鹽巖洞穴、硬巖洞穴兩種[2]。根據(jù)巖石的強(qiáng)度和硬度大小，鹽巖歸屬于軟巖范疇，因此鹽巖洞穴實質(zhì)上是一種軟巖洞穴。

理論上講，地球上的任何地層都可以建成地下儲氣庫，然而從建設(shè)技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，適合建設(shè)壓氣儲能電站的巖石地層是有限的。這也是自1978年第一座壓氣儲能電站Huntorf和1991第二座壓氣儲能電站McIntosh運行以來，大規(guī)模壓縮空氣儲能電站發(fā)展緩慢的主要原因之一。鹽巖地層的最大優(yōu)點是鹽巖洞穴的天然密封性好和建設(shè)成本低，且?guī)r穴圍巖具有開挖損傷自愈等優(yōu)點，因此，上述兩座電站的地下儲氣庫均建在鹽巖地層中。鹽巖洞穴也具有巖石強(qiáng)度低、洞穴穩(wěn)定性差及流變特性等顯著缺點。因此，鹽巖洞穴儲氣庫都采用深埋的方式來解決高壓運行條件下的安全穩(wěn)定性問題。硬巖洞穴地下儲氣庫最大優(yōu)點是洞穴圍巖穩(wěn)定性好，可淺埋；其不足之處是密封技術(shù)難度高，建設(shè)成本相對較高。隨著地下空間開發(fā)技術(shù)進(jìn)步，大規(guī)模地下空間開挖成本大幅度降低、建設(shè)工期縮短以及高壓氣體地下密封技術(shù)出現(xiàn)，通過洞穴淺埋方案解決高壓地下儲庫面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題越來越成為可能[5]。

近年來風(fēng)能、太陽能等新能源在我國得到了大規(guī)模開發(fā)和利用。由于風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的波動性和隨機(jī)性， 大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)， 實際運行中存在大量棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象， 使得新能源的利用率長期處于較低的水平［6-7］。大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用是實現(xiàn)新能源安全、高效和經(jīng)濟(jì)利用的必然途徑。我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)起步比較晚，且大多集中在理論和小型實驗層面，但隨著電力儲能需求的快速增加，大規(guī)模壓縮空氣儲能相關(guān)技術(shù)的研究在我國日益受到重視。擬建大規(guī)模壓縮空氣儲能電站區(qū)域是否存在適合于修建大型地下儲氣庫的地質(zhì)構(gòu)造是儲氣庫建設(shè)的關(guān)鍵所在。本文結(jié)合我國地下儲氣庫可選地質(zhì)構(gòu)造的分布情況研究，以廣東省壓氣儲能電站區(qū)域選址為例，探索壓氣儲能地下儲氣庫選型選址方法和流程，以期為大規(guī)模壓氣儲能電站的建設(shè)提供技術(shù)支持。

壓縮空氣儲能工作原理圖（引自搜狐網(wǎng)）

地下儲氣庫選型研究

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多將大規(guī)模壓氣儲能電站地下儲氣庫分為即鹽巖洞穴、硬巖洞穴、廢棄礦洞和孔隙介質(zhì)含水層四種類型[8]。這四種類型的儲氣庫優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 不同類型地下儲氣庫特點比較

鹽巖洞穴儲氣庫由于其具有密封性和經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)點而在國內(nèi)外被作為首選的地下高壓儲氣庫。然而作為壓縮空氣儲能電站的儲氣庫來說，鹽巖洞穴的不足之處也很鮮明。Huntorf壓氣儲能電站的運行經(jīng)驗表明[9]，儲存在鹽巖儲氣庫中的空氣鹽分含量高，對壓縮空氣管道及機(jī)組的腐蝕性強(qiáng)，工程建設(shè)需要特別注意管道及機(jī)組的防腐蝕問題。更為關(guān)鍵的問題是，適合建庫的鹽巖地層分布范圍有限，在有建庫需求的地區(qū)可能根本不存在鹽巖地層，因此限制了鹽巖洞穴儲氣庫壓氣儲能電站的發(fā)展。

新開挖硬巖洞穴儲氣庫的最大優(yōu)點是適合建庫的硬巖巖石類型多，且地層分布廣泛，在有建庫需求的地區(qū)一般都存在滿足建庫條件的各類硬巖地層，因此，硬巖洞穴儲氣庫的選址相對容易。相對其他類型的儲氣庫而言，新開挖硬巖洞穴儲氣庫的最大缺點是其建庫成本相對較高，同時需要設(shè)置專門的密封結(jié)構(gòu)層防止高壓氣體滲漏。采用淺埋和增大電站運行壓力區(qū)間的方式可以降低電站的建設(shè)成本，進(jìn)而改善巖穴地下儲氣庫一次性投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為提高巖穴地下儲氣庫的經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)外都在積極探索利用改造廢棄礦洞建設(shè)地下儲氣庫的可行性[9-10]。我國作為礦產(chǎn)資源大國， 在各種金屬礦、非金屬礦的開采過程中形成了數(shù)億立方米的開采空間，大量的礦井已因資源的枯竭而報廢。這些廢棄礦井和巷道經(jīng)過改造后具有作為地下儲氣庫的潛力[10]。利用廢棄礦井建設(shè)壓氣儲能電站的地下儲氣庫能降低投資成本。儲氣庫在運行過程中具有承受的壓力高和壓力變化頻繁等特征，可以改造作為壓氣儲能電站地下儲氣庫的廢氣煤礦礦井的埋深一般較深。目前，國內(nèi)外對于利用廢棄礦井建造地下儲氣庫的研究埋深均在500 m級。

煤礦礦井在空間分布上具有分布不規(guī)則，巷道分布連續(xù)性差，分布范圍大等特點，同時礦井及巷道在幾何尺度上還具有斷面小、空間狹長、內(nèi)表面積大等特征。加之煤系地層具有巖體結(jié)構(gòu)相對破碎、巖體質(zhì)量較差、抗壓強(qiáng)度低、變形模量小等特點，因此，廢棄煤礦礦井及巷道利用存在諸多問題需要深入研究，例如：（1）穩(wěn)定性不足，存在巷道坍塌和地面沉陷等問題；（2）埋深大帶來的地下水處理難度大以及地下水污染環(huán)境問題；（3）存在煤礦瓦斯等有害氣體處置問題等等。

對于大規(guī)模的廢棄金屬礦來說，其伴生巖層的巖體質(zhì)量相對較好、抗壓強(qiáng)度高，變形模量大，巷道及豎井的穩(wěn)定性較高，改造的技術(shù)難度和相關(guān)環(huán)境問題相對較小，因此更適合于改造成為壓氣儲能電站的地下儲氣庫。

含水層地下儲氣庫將壓縮空氣儲存在地下含水層孔隙介質(zhì)中。利用含水層孔隙介質(zhì)作為儲氣空間相比于其他大規(guī)模儲能技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢[11]。含水層儲氣庫的最大不足是儲氣庫的可控制性和可預(yù)測性較差，可用適合做儲氣庫的含水層勘探難度大，同時還存在含水層滲透性較低時限制了系統(tǒng)的注采規(guī)模；滲透性較高時容易引起有效空氣和壓力的損失，降低系統(tǒng)可持續(xù)時間等問題[12]。

當(dāng)對壓氣儲能電站進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃時，地下儲氣庫的類型選擇宜根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件、是否存在可以利用的廢棄礦井或含水層等情況，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行對比分析后進(jìn)行決策。從現(xiàn)有技術(shù)角度，鹽巖洞穴和硬巖洞穴兩種型式的儲氣庫相關(guān)研究成果更豐富一些。

巖穴儲氣庫候選地層分析

鹽巖地層

鹽巖地層因具有非滲透性好、密封性好以及被水溶蝕之后易開采等優(yōu)點被廣泛認(rèn)為是地下高壓儲氣庫的理想建庫地層。鹽穴儲氣庫對庫址要求很高，對構(gòu)造完整性、鹽巖品位和分布、蓋層密封性等均有特殊要求。此外，為提高建設(shè)效益，地下儲氣庫的容積規(guī)模都較大，因此鹽巖洞穴儲氣庫需要建設(shè)在地下較厚的鹽層或鹽丘中。歐美地區(qū)因其鹽巖地層構(gòu)造完整、夾層少、厚度大、物性好而大量采用了鹽穴地下儲氣庫，目前國外共有45座鹽穴儲氣庫在運行，占儲氣庫總數(shù)的 11.7%[13]。

我國鹽穴儲氣庫建庫地質(zhì)條件以陸相層狀鹽巖為主，與國外鹽丘建庫相比，我國在建與擬建鹽穴儲氣庫多為層狀鹽層建庫，含鹽地層鹽巖品位低、夾層多、水不溶物含量高，導(dǎo)致鹽腔造腔速度慢、腔體形態(tài)難以控制、成腔效率低等問題[14-15]。目前，我國唯一投入運行的鹽穴儲氣庫為金壇地下天然氣儲氣庫，楚州、平頂山、云應(yīng)等鹽穴天然氣儲氣庫目前處于可行性研究階段。目前，江蘇金壇正在建設(shè)一期為50 MW鹽穴壓縮空氣儲能電站示范項目。

鹽穴儲氣庫選址工作的核心任務(wù)是選出適合建庫的鹽巖地層。圖1為我國鹽礦分布圖。因適合建設(shè)地下儲氣庫的鹽礦為巖鹽地層，由圖可知，我國巖鹽礦藏主要分布在四川、重慶、湖北、江西、安徽、江蘇、山東和廣東局部地區(qū)；而光伏能和風(fēng)能豐富的北方和西北地區(qū)，則缺少適宜與建設(shè)鹽穴地下儲氣庫的鹽巖地層。如果選擇鹽巖洞穴作為地下儲氣庫方案，那么上述地區(qū)都具有建設(shè)壓縮空氣儲能電站的潛力。

圖1 中國主要鹽礦分布示意圖

硬巖地層

硬巖地層具有巖體質(zhì)量好、強(qiáng)度高、變形模量大等優(yōu)點被作為地下儲氣庫建庫研究的候選地層[11]。巖穴儲氣庫型式包括襯砌或非襯砌隧洞、豎井和洞室三種。巖穴儲氣庫依靠圍巖來承受內(nèi)壓，采用復(fù)合式襯砌或水力條件方式來保證氣密性。適合于建造地下儲氣庫的巖石類型有三類(Allen et al.1982a)[11]：（1）花崗巖、閃長巖、玄武巖等巖漿巖類；（2）硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖、石灰?guī)r、白云巖等沉積巖類；（3）片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖類。從地質(zhì)和結(jié)構(gòu)的角度，復(fù)合式襯砌儲氣庫的關(guān)鍵技術(shù)問題有三：一是上覆巖體在高內(nèi)壓作用下的地面隆起破壞；二是襯砌密封層的失效和氣密性能喪失；三是洞室巷道堵頭的剪切失穩(wěn)破壞。針對上述問題，P. Perazzelli等[17]的研究指出在抗壓強(qiáng)度5~60 MPa，內(nèi)摩擦角30~40°的巖層中建設(shè)洞徑為4m隧道式儲氣庫只需要60~120 m的埋深便可擁有足夠的安全系數(shù)。滿足上述強(qiáng)度指標(biāo)的硬巖巖石地層在我國分布十分廣泛，特別是在光伏能和風(fēng)能豐富的北方和西北地區(qū)以及南方沿海地區(qū)都有大量分布。

圖2為花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r和砂巖等硬巖地層在我國的主要分布地區(qū)圖。由圖可知，花崗巖在我西部、北部、東北及東南地區(qū)分布廣泛，玄武巖主要分布在內(nèi)蒙、河北、黑龍江、遼寧，廣東和海南等省的部分地區(qū)。除了新疆、西藏、內(nèi)蒙、青海、黑龍江和吉林等省份分布較少外，石灰?guī)r在我國其他省份都有大量分布。砂巖地層則主要集中在甘肅、河南、河北、山東、四川、重慶、湖南、湖北、安徽、江蘇、廣東、廣西、云南等省份。

花崗巖、玄武巖和石灰?guī)r都具有強(qiáng)度高和變形模量大的優(yōu)點，是地下儲氣庫的主要優(yōu)選地層。由此可見，從巖層力學(xué)性質(zhì)和分布的廣泛性角度來看，在我國建設(shè)硬巖巖穴地下儲氣庫的壓氣儲能電站選址基本不存在工程地質(zhì)條件方面問題，可以較為容易地找到適用于建設(shè)地下儲氣庫的各種硬巖地層。