摘要：地下儲(chǔ)氣庫(kù)選型選址是大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的首要問題。通過對(duì)比分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)了4種地下儲(chǔ)氣庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了我國(guó)適合建造地下巖穴儲(chǔ)氣庫(kù)的硬巖地層分布范圍及特點(diǎn)?；谖覈?guó)第一個(gè)壓氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣實(shí)驗(yàn)庫(kù)的實(shí)驗(yàn)成果論證了硬巖巖穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)的規(guī)劃選址方法。研究成果表明，在我國(guó)適合建設(shè)硬巖巖穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的地層分布廣泛，選址受限程度低，且作為大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)氣裝置在技術(shù)可行。

壓氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣庫(kù)選型選址研究

蔣中明

長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院

關(guān)鍵詞：壓氣儲(chǔ)能；儲(chǔ)氣庫(kù)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(jiǎn)寫為 CAES) 是一種利用壓縮空氣作為介質(zhì)來儲(chǔ)存富余電能的新技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)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(yùn)行方式靈活、投資和運(yùn)行費(fèi)用較少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。利用壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)的富余電力將空氣壓縮并將高壓壓縮空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣設(shè)備中，在用電高峰期再將壓縮空氣釋放出來推動(dòng)透平發(fā)電。對(duì)于微小型壓縮空氣儲(chǔ)能電站，壓縮空氣的儲(chǔ)氣設(shè)備一般采用地面鋼罐（管）；對(duì)于大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站（100 MW以上）來說，由于儲(chǔ)能所需的空間容積可達(dá)十萬立方米，甚至百萬立方米級(jí)別，因此其儲(chǔ)氣設(shè)備一般采用地下儲(chǔ)氣庫(kù)[3]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)庫(kù)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(shí)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(chǔ)氣庫(kù)，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(chǔ)能電站的巖石地層是有限的。這也是自1978年第一座壓氣儲(chǔ)能電站Huntorf和1991第二座壓氣儲(chǔ)能電站McIntosh運(yùn)行以來，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)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(diǎn)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(diǎn)，因此，上述兩座電站的地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(diǎn)。因此，鹽巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)都采用深埋的方式來解決高壓運(yùn)行條件下的安全穩(wěn)定性問題。硬巖洞穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)最大優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(chǔ)庫(kù)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(guó)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(dòng)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(yùn)行和電能質(zhì)量帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)， 實(shí)際運(yùn)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(zhǎng)期處于較低的水平［6-7］。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)新能源安全、高效和經(jīng)濟(jì)利用的必然途徑。我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)層面，但隨著電力儲(chǔ)能需求的快速增加，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)的研究在我國(guó)日益受到重視。擬建大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能電站區(qū)域是否存在適合于修建大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的地質(zhì)構(gòu)造是儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵所在。本文結(jié)合我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)可選地質(zhì)構(gòu)造的分布情況研究，以廣東省壓氣儲(chǔ)能電站區(qū)域選址為例，探索壓氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣庫(kù)選型選址方法和流程，以期為大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)提供技術(shù)支持。

壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理圖（引自搜狐網(wǎng)）

地下儲(chǔ)氣庫(kù)選型研究

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多將大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 不同類型地下儲(chǔ)氣庫(kù)特點(diǎn)比較

鹽巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)由于其具有密封性和經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)點(diǎn)而在國(guó)內(nèi)外被作為首選的地下高壓儲(chǔ)氣庫(kù)。然而作為壓縮空氣儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)氣庫(kù)來說，鹽巖洞穴的不足之處也很鮮明。Huntorf壓氣儲(chǔ)能電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明[9]，儲(chǔ)存在鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)中的空氣鹽分含量高，對(duì)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(kù)的鹽巖地層分布范圍有限，在有建庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)壓氣儲(chǔ)能電站的發(fā)展。

新開挖硬巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)的最大優(yōu)點(diǎn)是適合建庫(kù)的硬巖巖石類型多，且地層分布廣泛，在有建庫(kù)需求的地區(qū)一般都存在滿足建庫(kù)條件的各類硬巖地層，因此，硬巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)的選址相對(duì)容易。相對(duì)其他類型的儲(chǔ)氣庫(kù)而言，新開挖硬巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)的最大缺點(diǎn)是其建庫(kù)成本相對(duì)較高，同時(shí)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(yùn)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(chǔ)氣庫(kù)一次性投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

為提高巖穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)外都在積極探索利用改造廢棄礦洞建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性[9-10]。我國(guó)作為礦產(chǎn)資源大國(guó)， 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(bào)廢。這些廢棄礦井和巷道經(jīng)過改造后具有作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)的潛力[10]。利用廢棄礦井建設(shè)壓氣儲(chǔ)能電站的地下儲(chǔ)氣庫(kù)能降低投資成本。儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)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(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)的廢氣煤礦礦井的埋深一般較深。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用廢棄礦井建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)的研究埋深均在500 m級(jí)。

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(diǎn)，同時(shí)礦井及巷道在幾何尺度上還具有斷面小、空間狹長(zhǎng)、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(duì)破碎、巖體質(zhì)量較差、抗壓強(qiáng)度低、變形模量小等特點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(duì)較小，因此更適合于改造成為壓氣儲(chǔ)能電站的地下儲(chǔ)氣庫(kù)。

含水層地下儲(chǔ)氣庫(kù)將壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)氣空間相比于其他大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì)[11]。含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的最大不足是儲(chǔ)氣庫(kù)的可控制性和可預(yù)測(cè)性較差，可用適合做儲(chǔ)氣庫(kù)的含水層勘探難度大，同時(shí)還存在含水層滲透性較低時(shí)限制了系統(tǒng)的注采規(guī)模；滲透性較高時(shí)容易引起有效空氣和壓力的損失，降低系統(tǒng)可持續(xù)時(shí)間等問題[12]。

當(dāng)對(duì)壓氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃時(shí)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(duì)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(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)研究成果更豐富一些。

巖穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(diǎn)被廣泛認(rèn)為是地下高壓儲(chǔ)氣庫(kù)的理想建庫(kù)地層。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)庫(kù)址要求很高，對(duì)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(chǔ)氣庫(kù)的容積規(guī)模都較大，因此鹽巖洞穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)，目前國(guó)外共有45座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)行，占儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)的 11.7%[13]。

我國(guó)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)地質(zhì)條件以陸相層狀鹽巖為主，與國(guó)外鹽丘建庫(kù)相比，我國(guó)在建與擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)多為層狀鹽層建庫(kù)，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(guó)唯一投入運(yùn)行的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為金壇地下天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)，楚州、平頂山、云應(yīng)等鹽穴天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)能電站示范項(xiàng)目。

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)選址工作的核心任務(wù)是選出適合建庫(kù)的鹽巖地層。圖1為我國(guó)鹽礦分布圖。因適合建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的鹽礦為巖鹽地層，由圖可知，我國(guó)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(chǔ)氣庫(kù)的鹽巖地層。如果選擇鹽巖洞穴作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)方案，那么上述地區(qū)都具有建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的潛力。

圖1 中國(guó)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(diǎn)被作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)研究的候選地層[11]。巖穴儲(chǔ)氣庫(kù)型式包括襯砌或非襯砌隧洞、豎井和洞室三種。巖穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)的巖石類型有三類(Allen et al.1982a)[11]：（1）花崗巖、閃長(zhǎng)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(chǔ)氣庫(kù)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(duì)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(chǔ)氣庫(kù)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(guó)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(guó)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(guó)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(diǎn)，是地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(guó)建設(shè)硬巖巖穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的壓氣儲(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)的各種硬巖地層。