【壓縮機網(wǎng)】近日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦的主題為“新能源、新機遇、新高度的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會召開。會議期間，組委會邀請了長沙理工大學(xué)教授蔣中明分享主題報告《壓縮空氣儲能巖穴儲氣庫的技術(shù)及其應(yīng)用進展》，本文節(jié)選了部分主要發(fā)言內(nèi)容，希望對行業(yè)從業(yè)者有所助益。

　　蔣中明：我要向大家介紹的技術(shù)屬于新型物理儲能技術(shù)中的壓縮空氣儲能技術(shù)，屬于新型物理儲能技術(shù)。這個儲能技術(shù)在近些年也得到了長足的發(fā)展，特別是從去年以后，隨著國家碳中和碳達峰的目標(biāo)實現(xiàn)技術(shù)路線的具體推進，國內(nèi)很多大型企業(yè)都在壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域進行了布局，所以我今天把巖穴儲氣庫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的情況跟在座的各位嘉賓做一個報告。

　　壓縮空氣儲能技術(shù)是非常復(fù)雜的一個技術(shù)，儲氣裝置是其中的核心技術(shù)之一。什么是壓縮空氣儲能呢？簡單來說，它就是利用空氣作為介質(zhì)，在電能富余的時候用電能去驅(qū)動空壓機，將空氣壓縮成高壓的狀態(tài)并存儲在儲氣裝置里面，在需要用電的時候把它釋放出來，驅(qū)動透平機進而發(fā)電的一種技術(shù)。壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)電的過程和火電廠的發(fā)電比較類似，但是由于它使用的介質(zhì)不同、技術(shù)路線也不同，所以它的設(shè)備工藝集成也有很大的差別。

　　我們總結(jié)了一下壓縮空氣儲能技術(shù)的六大優(yōu)點：一是容量大。壓縮空氣儲能電站的容量可以做到和抽水蓄能電站相當(dāng)?shù)乃剑壳皣鴥?nèi)壓縮空氣儲能設(shè)備的單機已經(jīng)做到了30萬千瓦，與我們許多火電廠發(fā)電機的機組裝機規(guī)模基本是相當(dāng)?shù)牧?。二是?jīng)濟比較好。三是壽命比較長，一般在30年到50年。四是效率比較高。當(dāng)然這個效率和抽水蓄能電站相比還有一定的差距，但是由于它的總投資較少，所以經(jīng)濟指標(biāo)應(yīng)該也還可以。五是選址相對比較容易。抽水蓄能電站作為大規(guī)模儲能電站，必須要有水，有比較嚴格的地形地質(zhì)條件，但是壓縮空氣儲能電站對這方面的要求就沒有那么高。六是環(huán)保性好，因為在整個發(fā)電的過程當(dāng)中它用的是空氣，而這個空氣在進行發(fā)電之前都需要經(jīng)過除塵和除濕的，所以發(fā)完電以后的空氣，排入大氣當(dāng)中的空氣是非常干凈的。

　　目前在國內(nèi)外要推廣壓縮空氣儲能技術(shù)必須要解決兩大關(guān)鍵技術(shù)問題：

　　一是地面的設(shè)備及工藝集成技術(shù)。要發(fā)電就必須要有相應(yīng)的發(fā)電設(shè)備。目前，國內(nèi)的清華大學(xué)、中科院熱物理所、南方電網(wǎng)以及其他很多高校在壓縮空氣儲能技術(shù)設(shè)備研究方面都做了大量的工作，并且在近兩年取得了非常顯著的進展。國內(nèi)許許多多的大型設(shè)備生產(chǎn)廠家也加入了這個行業(yè)來。到目前為止，國內(nèi)在壓縮空氣儲能的發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)集成技術(shù)方面應(yīng)該說已經(jīng)攻克了難關(guān)，設(shè)備制造已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，為壓縮空氣儲能技術(shù)的大規(guī)模示范推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，這是第一個關(guān)鍵技術(shù)。

　　二是與地面設(shè)備配套進行能量存儲的另一個關(guān)鍵技術(shù)--儲氣技術(shù)。儲氣技術(shù)采用的裝置可以分為兩種：一是用地面罐儲氣，地面罐一般都用鋼罐；另外一種是地下儲罐。地下儲罐就是把高壓的壓縮空氣放在地表以下洞穴中進行存儲。由于存儲的壓縮空氣都處于高壓狀態(tài)，這種壓力至少要達到10個兆帕。在如此高的壓力下，壓縮空氣的存儲面臨安全問題、可靠密封問題以及經(jīng)濟問題。從我們所收集到的資料來看，國內(nèi)外已經(jīng)商業(yè)化和已經(jīng)示范應(yīng)用的大型壓縮空氣儲能電站所采用的儲氣裝置都是鹽巖洞穴儲氣庫。這種儲氣庫可以提供高達幾十萬方甚至上百萬方的壓縮空氣存儲空間。地面罐的規(guī)模是做不大的。地面罐存儲高壓壓縮空氣頂多就是幾千方或者是幾萬方，造價比地下儲氣庫要貴兩倍甚至三倍不止，所以發(fā)展經(jīng)濟高效的地下儲氣庫是壓縮空氣儲能電站技術(shù)進步的一個非常重要的方向。

　　人造巖穴儲氣庫和鹽巖洞穴儲氣庫相比的優(yōu)點就是選址更加的靈活，鹽巖的洞穴儲氣庫受制于我們國家的鹽巖地層分布的情況，我們國家的鹽巖地層在全國分布不算很廣泛，主要在華東地區(qū)分布比較多一些，像山東、江蘇等。在需要大量儲能電站的三北地區(qū)沒有這樣的地質(zhì)條件。所以人造巖穴儲氣庫是國內(nèi)外很多高校或者企業(yè)目前在開發(fā)的新技術(shù)。

　　人造巖穴儲氣庫在建設(shè)過程當(dāng)中有幾大關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：一是溫控技術(shù)，溫控技術(shù)跟壓縮空氣的熱動力過程是密切相關(guān)的。地下儲氣庫在進行壓縮的時候會出現(xiàn)非常高的溫度，這個溫度不控制下來，它在后期對密封材料會造成很大的傷害。二是高壓壓縮空氣進出庫的管道振動，這個管道的振動也必須要解決好，否則也會漏氣。三是在地下如何高效地把壓縮空氣密封住，這也是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。有一部分同志對這一塊不了解，認為把壓縮空氣直接注入到地下就封住了，事實上不是如此。地下的天然巖石都是有裂隙的，像幾兆帕上10兆帕的高壓壓縮空氣壓進去以后，它都會漏掉跑掉。所以對于人造巖穴儲氣庫，要設(shè)置一個人工的密封層。如何保障人工密封結(jié)構(gòu)的長期有效性是目前國內(nèi)外應(yīng)該關(guān)注的重點。四是地下儲氣庫的設(shè)計理論體系與規(guī)程規(guī)范的制定。為什么我把它列到這里？據(jù)我的統(tǒng)計，目前我國已經(jīng)有多個百兆瓦以上的壓縮空氣儲能電站進入了可研階段，但如何設(shè)計和建設(shè)壓縮空氣儲能的地下儲氣庫沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)程規(guī)范，這就導(dǎo)致了地下儲氣庫裝置在設(shè)計中缺乏參考依據(jù)。因此，還需要所有關(guān)注壓縮空氣儲能技術(shù)的人員或者從業(yè)人員盡快開展設(shè)計理論和設(shè)計規(guī)范的研究，從而為這項技術(shù)得到更好推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

　　在地下儲氣庫的核心技術(shù)當(dāng)中，高壓氣體的密封技術(shù)是其中的瓶頸技術(shù)。為什么我在這里講瓶頸技術(shù)？不是說它封不住，關(guān)鍵是經(jīng)濟性要合理。如果是用鋼罐，沒有問題，肯定密封很好，但是鋼罐存一方氣大致要5000塊錢，這個造價非常高，比如建設(shè)一個100兆瓦的壓縮空氣儲能電站，在鋼罐這一塊就要投資將近5個億，這顯然是不能接受的，所以我們就把目光轉(zhuǎn)向地下。目前地下高壓氣體密封技術(shù)分兩類，一類是剛性密封，一類是柔性密封。剛性密封主要是以鋼襯作為密封材料，把高壓氣體進行密封的一個技術(shù)。柔性密封是在地下儲氣庫的里面再貼一層柔性的防滲材料。柔性密封技術(shù)又分為兩類，裝配式襯砌和整體式襯砌，這兩類有各自的特點，裝配式的柔性防滲結(jié)構(gòu)非常聰明，在高壓的情況下，地下儲氣庫襯砌外面的混凝土處于受拉的狀態(tài)，而利用裝配式結(jié)構(gòu)以后，它可以把這種受拉的結(jié)構(gòu)變成一個受壓的結(jié)構(gòu)，從而充分利用混凝土的抗壓性能，進而大幅度節(jié)省工程造價。對于柔性密封結(jié)構(gòu)來講，除了襯砌結(jié)構(gòu)以外，還有一個關(guān)鍵就是柔性密封材料的選擇。柔性密封材料可以用橡膠，也可以用其他的一些柔性的材料。這里給大家展示的材料是我們研究的一種新型柔性防滲混凝土材料。這種材料具有很低的彈性模量，可以和圍巖產(chǎn)生很好的協(xié)調(diào)變形，但是它的滲透性又非常低，比混凝土要低幾個數(shù)量級，所以它能夠滿足高壓氣體的密封。

　　講完了壓縮空氣儲能電站幾個關(guān)鍵技術(shù)，我再跟大家再分享一下人造巖穴儲氣庫在設(shè)計流程方面的認識。地下儲氣庫設(shè)計首先要進行選址，要遵循安全可靠，技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，不是任何一個地層都可以修建地下儲氣庫的。對于不同類型的壓縮空氣儲能電站，比如是電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲能電站，由于類型不同，進行選址的流程也有一些差別，而且影響壓縮空氣儲能電站選址的因素也很多，但是其最核心的一點還是建造地下儲氣庫的巖層性質(zhì)，也就是巖體的力學(xué)特性好壞是能否進行成功選址的關(guān)鍵。 對于人造巖穴儲氣庫的設(shè)計，我們認為至少應(yīng)該要包括九大內(nèi)容。在選址確定完了之后，首先要對儲氣庫進行初步的平面布置，在這個基礎(chǔ)之上對儲氣庫的斷面形式要進行確定，因為儲氣庫的容積空間通常都非常大，一般都是幾十萬方甚至上百萬方，這么大的空間我們怎么把它布局好，以最有利的形式來存儲空氣，這是我們首先要考慮的一個問題。在這個基礎(chǔ)之上，我們要確定一個合適的埋深。儲氣庫的埋深事關(guān)兩個方面，首先是安全，如果埋深淺了，高壓壓縮空氣會把地層沖破，可能帶來安全問題。但是如果過深，建造底下儲氣庫的造價會大幅度提升，又不經(jīng)濟，所以在進行設(shè)計的時候應(yīng)該用盡量多的方法根據(jù)其運行的最大壓力以及儲氣庫的形式對儲氣庫的埋深進行定量計算和綜合分析以后才能確定。目前我們擁有完整的研究方法和計算程序。地下儲氣庫建設(shè)最根本的一點就是要保證安全性，工程建設(shè)首先要考慮的是安全問題，如果不安全其他的都不成立。地下儲氣庫的安全風(fēng)險主要來源于什么？在高壓的情況下，地下巖層是不是會破壞？要分析它是不是會破壞，我們需要知道它的整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性以及長期的穩(wěn)定性，采用不同的方法對它進行研究。地下的巖石并不是鐵板一塊的，有的地方好，有的地方壞。巖石不好的地方，我們可以用一些錨桿錨索等等加固措施對它進行加固，從而不影響整體的安全性。再是要提供一套經(jīng)濟的、技術(shù)可行的密封方案，這個密封方案的形式很多，這里還提了一個水幕系統(tǒng)，國外曾經(jīng)也提出用地下水來密封高壓壓縮空氣，這也是其中一中密封方案。但是從目前國內(nèi)外的情況來看，最可靠的還是在地下儲蓄庫的內(nèi)表新增加一層密封層，密封層的材料主要以鋼板、橡膠、玻璃鋼以及各種柔性材料為主。

　　堵頭和交通巷道是輔助系統(tǒng)。堵頭的密封也是非常關(guān)鍵的，雖然它是地下儲氣庫中的重要組成部分，但是這兩部分的設(shè)計理論、設(shè)計方法相對來說比較成熟。在地下儲氣庫當(dāng)中我們還要設(shè)置排水系統(tǒng)，地下儲氣庫的排水系統(tǒng)包括兩個方面，一個是要排儲氣庫內(nèi)部的水分，另外一個要排儲氣庫密封層外面的水分。內(nèi)排水系統(tǒng)和外排水系統(tǒng)，內(nèi)排水系統(tǒng)就是要排出壓縮空氣經(jīng)過長期運行以后在儲氣庫里面形成凝結(jié)水。外排水系統(tǒng)主要是保證密封結(jié)構(gòu)的安全，這些排水系統(tǒng)雖然是細節(jié)，但是對我們工程來講也是特別關(guān)鍵的一個步驟。 設(shè)計監(jiān)控措施。任何工程我們都需要知道它的健康狀態(tài)，地下儲氣庫也需要監(jiān)測壓縮空氣溫度壓力的變化，以及儲氣庫結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、溫度、空氣水壓力等等。整個監(jiān)測體系可以保證儲氣庫在運行過程當(dāng)中能夠以健康的姿態(tài)來進行工作。最后一個是運行方式。地下儲氣庫的運行方式跟地表設(shè)備的運行方式是關(guān)聯(lián)的。地下儲氣庫在運行過程當(dāng)中可能會出現(xiàn)超過100度的高溫情況，也可能出現(xiàn)低于0度的情況。這兩種情況實際上都跟電站的運行方式有關(guān)，所以在地下儲氣庫里面我們還得設(shè)置一套溫控系統(tǒng)，以保證地下儲氣庫里面的溫度在允許范圍之內(nèi)。對于小規(guī)模的儲氣庫來講溫度問題可能不大，對于大規(guī)模地下儲氣庫來講，它的容積是幾十萬方甚至上百萬方，溫控問題就比較重要了。如果換熱片的模式來換熱，造價將是巨大的。。目前我們正在陜西進行一個實驗來驗證我們提出的新型的非換熱溫控技術(shù)。上述問題解決好了，才能夠把我們的壓縮空氣儲氣裝置設(shè)計好，從而為整個壓縮空氣儲能系統(tǒng)的正常運行提供一個保障。

　　關(guān)于人造巖穴儲氣庫的工程在我們國內(nèi)應(yīng)用的情況，我這里簡單的列了幾個，目前應(yīng)該有十幾個電站，最早是河北張北的鋼罐+巖穴。8月份遼寧朝陽的壓縮空氣儲能電站也是采用人工硐室。湖南應(yīng)該說是以抽水蓄能為主的，但是就在這個月的16號，中能建跟湖南湘鄉(xiāng)簽了一個戰(zhàn)略合作協(xié)議，準(zhǔn)備投資72個億，建設(shè)3×300兆瓦6個小時的壓縮空氣儲能電站，也是采用人工硐室。還有湖南邵陽廢棄的石膏礦洞建設(shè)壓縮空氣儲能電站也屬于人工洞穴儲氣庫。隨著人造巖穴儲氣庫技術(shù)的日臻完善，它的應(yīng)用前景會越來越廣泛。

　　我的報告就到此結(jié)束，敬請各位來賓和各位專家批評指正。

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