Research on Selection Method for the Types and Sites of Underground Repository for Compressed Air Storage

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。

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。

岩穴地下储气库的候选地层主要包括盐岩地层和各种硬岩地层。

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储气库，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。我国盐矿分布图如图1所示。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，则缺少适宜于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。

Figure 1.  Distribution of main salt mine in China

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等，1982)^[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 MPa～60 MPa，内摩擦角30°～40°的岩层中建设洞径为4 m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。

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如图2所示。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。

Figure 2.  Distribution of partial hard rock stratum in China

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。

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^[19,20,21]。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。

实验库的几何尺寸及试验系统组成如图3所示。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 MPa～130 MPa之间，弹性模量在47 GPa～50 GPa之间。储气库内设置混凝土衬砌(如图3所示)，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。

Figure 3.  Test system of the pilot cavern(Unit：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 h，试验时间在8月9日。每次压气循环的最大压力统计如表2所示。实际压气实验过程中储气室压缩空气压力变化过程如图4所示。

Figure 4.  Pressure process in the cavern during the test

储气库内压缩空气压力在围岩中几乎引起了同步变形。洞顶和边墙围岩(衬砌与围岩接触部位)的位移变化全过程线如图5所示，其中在8月5日放气试验阶段因仪器故障未获得测量数据，完整实测数据共10组。压缩空气最大压力为9.7 MPa时，边墙最大径向位移值约0.37 mm，洞顶最大径向位移约为0.16 mm。由此可见，岩石质量好的情况下，储气库洞壁处围岩的变形量很小，对防止密封结构层的开裂有利。

Figure 5.  Radial displacement process on the cavern wall

图6为多点位移计M36-3钻孔中的几个典型测点在8月9日试验过程中的位移变化过程线。测点M36-3-1位于洞周围岩表面处；测点M36-3-3距离洞壁表面3.35 m，测点M36-3-5距离洞壁表面10.35 m。在内压作用下，洞壁处的围岩变形最大；距离洞壁越远，变形量越小。测点M36-3-5在试验过程中几乎没有产生新的附加变形，表明8.71 MPa的内压对超过距离洞壁10.0 m位置的围岩变形几乎不产生影响。

Figure 6.  Comparison of displacements at different location

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。

压气储能电站地下储气库的最大运行压力一般为7 MPa～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。

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。

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。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。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。

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7所示。

Figure 7.  Site selection chart for planning of underground cavern

如图7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歇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歇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。

广州市是广东地区最大电力负荷中心之一，在市区内基本不具备抽水蓄能电站条件，压气储能电站是唯一可行的100 MW级大规模储能电站。根据现有的地质调查成果，广州市内没有发现可以建造盐岩洞穴和含水层地下储气库的合适地层，也没有可利用的大型废气矿井，因此新建岩穴地下储气库是现阶段的唯一选择。图8为广州市硬岩地层分布图。由图8可知，广州市行政区划内的佛岗、增城和新兴等地广泛分布有埋藏较浅花岗岩和砂岩地层，这两种地层是新建地下岩穴储气库的理想地层。从区域地质构造角度上，上述三地均无大的断裂带通过，地震烈度为7度区。因此，上述三地是广州市100 MW级大规模储能电站选址的首选。

Figure 8.  Geologic map of Guangzhou city

1)依据间歇性能源的分布初步确定压气储能电站的需求规划选址。广东风能蕴藏量丰富，粤西北及沿海一带及岛屿风速大，风力发电可装机容量达6 GW^[18]。年均风速大于8 m/s区域主要分布如图9所示。广东省也是中国光资源最丰富的地区之一，年太阳总辐射量在4.2 GJ/m²～5.4 GJ/m²之间，全省年平均日照时数1 745.8 h，年均日照小时数大于>2 700 h分布区域如图10所示。作为改善电力品质的压气储能电站规划布局，应尽可能考虑多种间歇性能源的综合利用。通过对比分析后可知：广东省内年均日照小时数大于>2 700 h分布区域，且年均风速大于8 m/s地区(如图11所示)主要有：韶关西南部、韶关南部、韶关、广州东北部、清远西北、茂名东北，湛江中部、潮州东南部等地区。这些地区都属于压气储能电站布局的优先优选地区。

Figure 9.  Distribution of wing energy (velocity>8 m/s)

Figure 10.  Distribution of annual sunshine hours(>2 700 h)

Figure 11.  Superposition area of wind energy distribution

2)依据地震条件论证压气储能电站按需求确定的规划选址可行性。广东省地震烈度主要划分为八度(0.20 g)、强七度(0.15 g)、七度(0.10 g)和六度(0.05 g)等4个区域，如图12和图13所示。八度区主要分布在徐闻南部和潮汕地区的东部，占广东省土地面积约1.72%；强七度区主要分布在徐闻北部、阳江南部和潮汕中东部，占广东省土地面积约3.73%；七度区主要分布在广东省沿海一带，覆盖了汕头、潮州、惠州、深圳、东莞、广州、中山、珠海、茂名、湛江等城市的全部或部分，形成一条从东至西连续分布的0.10 g沿海条带区，占广东省土地面积约26.47%；六度区主要分布在0.10 g沿海条带区以北的全部区域，占广东省土地面积约68.08%。按照拟建储气库区域地震烈度不宜大于8度的原则，广东省98%以上的地区建设地下储气库均不受地震条件的影响。在上述根据风能和光伏能分布综合确定的规划选址中，由于潮州东南部地区地震烈度在八度或八度以上，因此该区不适宜建设压气储能电站地下储气库。

Figure 12.  Main geologic structure of Guangdong province

Figure 13.  Block plan of seismic peak ground acceleration in Guangdong province

3)依据区域宏观地质条件进一步论证需求规划选址的可行性。广东地区岩浆岩、变质岩和碳酸岩等岩性组广泛分布，包括各期侵入岩和喷出岩，多为坚硬—较坚硬层状、块状岩体，干抗压强度47.66 MPa～181.03 MPa。各种砂岩等变质岩抗压强度12.7 MPa～265.0 MPa之间。灰岩、白云质灰岩等碳酸岩为坚硬-较坚硬层状岩体，抗压强度一般在61.6 MPa～123.2 MPa之间，岩溶发育弱-中等。广东地区广泛分布的硬岩岩组及其良好的抗压强度，为新建岩穴地下储气库提供了很好的工程地质条件。在满足地质构造和地震烈度要求的候选规划选址中，韶关西南部、韶关南部、韶关、广州东北部、清远西北、茂名东北，湛江中部均分布有大量浅埋和地表出露的花岗岩或砂岩等硬岩地层，如图14所示。因此，这些候选规划区域选址都是可行的。

Figure 14.  Distribution of hard rock stratum in Guangdong province

4)依据间歇性能源的装机规模及能源分布几何中心位置确定电站的可行规划选址。结合间歇性风能和光伏能电站的规划和实际装机规模大小，按间歇性能源的分布几何中心位置确定电站的初选规划选址。按几何中心位置确定电站的初选规划选址可以减小电力传输线路距离，最大程度提高电站效益。

5)依据场地地质勘探成果，最终确定地下储气库的位置。压气储能电站规划选址确定后，应对可行的拟选场址进行地质勘探，然后结合工程及水文地质条件的勘探成果，确定地下储气库的具体位置。

地下储气库选型选址问题是压气储能电站建设规划需要解决的首要问题之一。尽管大规模压气储能电站建设规划选址的范围与抽水蓄能电站相比要广泛得多，但是从技术经济合理性角度来看，地下储气库类型和位置的确定仍然受到诸多因素的影响。获得的一些认识如下：

1)对比分析了压气储能四种地下储气库类型的优缺点，结合我国地层分布条件，提出了盐岩和硬岩洞穴是我国现阶段建设大规模压气储能电站的优选地下储气库类型。

2)对我国境内各种硬岩地层分布的研究表明，大规模压气储能电站地下储气库建设所需的硬岩在我国分布范围广泛，电站规划选址较容易。

3)平江压气储能地下岩穴储气实验库的现场试验成果表明，花岗岩地层中采用浅埋地下储气库的方式在安全及技术上是可行的。

4)分析归纳了压气储能电站地下储气库选址的影响因素，提出了地下储气库选址的具体原则和规划选址流程，并以广东省为例进行了压气储能电站规划选址的示范研究，提出了适合于建设压气储能电站地下储气库的区域选址建议。