硬巖地區(qū)壓縮空氣儲能工程地下儲氣洞室選址方法研究

金維平，彭益成

(1. 青海省發(fā)展投資有限公司，青海 西寧 810001；2.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

能源技術(shù)

硬巖地區(qū)壓縮空氣儲能工程地下儲氣洞室選址方法研究

金維平1，彭益成2

(1. 青海省發(fā)展投資有限公司，青海 西寧 810001；2.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

通過對國內(nèi)外類似工程案例的分析，總結(jié)了在硬巖地區(qū)修建壓縮空氣儲能工程地下儲氣洞室的關(guān)鍵技術(shù)點，提出了硬巖地區(qū)地下儲氣洞室的場址選址、圍巖識別、洞室范圍確定等原則，并引入了層次分析法，建立了硬巖儲氣洞室選址綜合評價體系。該體系中包括5個準(zhǔn)則層因素和19個評價層因素，建立了利用兩兩比較判斷矩陣得到各個指標(biāo)的權(quán)重值的方法，為評價候選場址的適用性提供依據(jù)。

硬巖地區(qū)；壓縮空氣儲能工程；地下儲氣洞室

迄今已在大規(guī)模(100 MW以上)商業(yè)系統(tǒng)中運行的儲能系統(tǒng)只有抽水電站和壓縮空氣兩種[1]。壓縮空氣儲能系統(tǒng)是通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時將高壓空氣釋放，通過膨脹機做功發(fā)電的一種儲能技術(shù)。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要包含地上儲能電站及地下儲氣洞室兩部分。

地下儲氣洞室是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要組成部分，是保障其運行性能和可靠性的技術(shù)關(guān)鍵。地下儲氣洞室一般利用已開采完的貯氣和貯油的地質(zhì)構(gòu)造、地下含水層，已開采或?qū)ｉT開鑿的鹽巖溶腔，硬巖中人工開挖的地下洞室等地下空間[1]。其中常用形式有鹽巖溶腔和硬巖洞室。

鹽穴地下儲氣洞室是利用地下較厚的鹽層或鹽丘，采用人工方式在鹽層或鹽丘中制造洞穴形成儲存空間來存儲空氣[2-3]。一般選擇在鹽層厚度大、分布穩(wěn)定的鹽丘或鹽層上。一般而言，開采鹽巖溶腔只要向地下鹽巖層鉆孔，注水使鹽溶化即可形成空洞，成本較低。此外，鹽巖具有非常低的滲透率與良好的蠕變行為，能夠保證儲存溶腔的密閉性；同時，其力學(xué)性能較為穩(wěn)定(損傷與損傷自我恢復(fù))，能夠適應(yīng)儲存壓力的變化[4]。

雖然硬巖地下洞室造價比鹽穴地下儲氣洞室高，但是鹽穴儲氣洞室作為特殊地質(zhì)構(gòu)造僅僅存在于少數(shù)地方，在風(fēng)能富集或用電需求量大而需建壓氣儲能電站的地區(qū)不一定存在這類地質(zhì)構(gòu)造。因此，在硬巖中人工開挖地下洞室便是最有可能采用的地下儲氣洞室形式[5-6]。

1 國內(nèi)外工程案例分析

1.1 瑞典Skallen項目

Skallen內(nèi)襯巖洞儲氣洞室修建于瑞典西南部的Skallen。這個項目由Sydkraft of Sweden和Gaz de France共同開發(fā)，開挖工作完成于2000年底，整體建設(shè)工作完成于2002年。經(jīng)過一年半的測試階段之后，項目于2004年初開始正式的商業(yè)運行[7]。

整個項目的地下部分主要是一個1 km長的通行隧道，一個115 m深的垂直豎井以及一個40 000 m3的巖石洞室。地下洞室被設(shè)計成一個圓柱形，52 m高，直徑36 m，有一個大的穹頂和彎曲形狀的底部。整個地下的布局以及洞室的形狀如圖1所示[7]。

圖1 Skallen洞室的形狀以及地下的布局

洞室周圍巖體為灰-紅灰色片麻巖。片麻巖的質(zhì)量優(yōu)秀，斷裂發(fā)育少，地表露頭表明平均每米少于一個節(jié)理，由鉆孔測得的RQD值總體上都大于80%。片麻巖被一片巖石質(zhì)量較低，斷裂非常發(fā)育的巖層所穿插。這片區(qū)域是一個角閃巖巖脈，RQD值大概20%～40%，總共有4個這樣的巖脈在地質(zhì)調(diào)查時被發(fā)現(xiàn)，厚度在1～15 m。洞室的位置避開了這些巖脈。

1.2 韓國壓氣儲能電站試點項目

韓國的壓氣儲能電站試點項目于2011年開始建設(shè)，目的是研究內(nèi)襯巖石洞室的可行性以及相應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計，包括洞室、混凝土室以及內(nèi)襯的材料[8-10]。

地下洞室位于地下100 m深的石灰?guī)r內(nèi)，洞室直徑5 m，長度為100～200 m，由4個主要的隧道狀的洞室組成，洞室之間用輸氣通道相互連接構(gòu)成一個整體的儲氣洞室。洞室內(nèi)部使用混凝土作為內(nèi)襯，并且使用鋼板密封，鋼板的厚度是300 mm。韓國壓氣儲能電站試點項目構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 韓國壓氣儲能電站試點項目構(gòu)成示意圖

1.3 美國Norton項目

Norton壓氣儲能電站利用俄亥俄州的一個廢棄石灰?guī)r礦洞作為地下儲氣洞室(見圖3)。計劃輸出功率2 700 MW，內(nèi)部運行壓力5.5～11.0 MPa。

Norton礦洞最初于1940年7月開始運營，作為高品位的碳酸鈣原料來源來合成純堿。巖石后來被用來生產(chǎn)水泥。采礦作業(yè)在1976年停止，之后由幾家公司維護(hù)進(jìn)去礦洞的通道。Norton礦洞的體積總共有960萬m3，位于地下670 m處，洞室高度大約15 m，有兩個豎井從地面通向礦洞內(nèi)部[11]。

圖3 Norton壓氣儲能電站

洞室位于石灰?guī)r巖層內(nèi)，是一個單一巖層走向偏向東南。石灰?guī)r可以被描述為灰色到青灰色，部分結(jié)晶石灰?guī)r以不同厚度層狀分布，有15個水平的燧石結(jié)核分布帶在巖層內(nèi)，大部分燧石結(jié)核集中在巖層的上部。節(jié)理與裂隙在石灰?guī)r中不發(fā)育，因此有著良好的不滲透性。礦洞底部下面還有45 m厚的石灰?guī)r層分布。礦洞頂部由593 m的頁巖層所覆蓋。

1.4 美國PG&E項目

美國太平洋天然氣和電力公司(Pacific Gas and Electric Company，PG&E)計劃在美國加利福尼亞州圣華金縣(San Joaquin County，California)修建一座300 MW的壓縮空氣儲能電站，廠址如圖4所示。

儲氣洞室位置在地下1 425～1 463 m，主要由可滲透的砂巖組成，是橢圓形的侵蝕殘余構(gòu)造，橫向面積約951 011 m2，四周全部由頁巖包圍，頂部由Eocene Capay頁巖封頂。這樣的地質(zhì)構(gòu)造形成了一個不可滲透的天然儲氣洞室，并且在漫長的地質(zhì)年代中天然氣逐漸在這里儲存起來。因此這樣的儲氣洞室可以用于儲存和抽取壓縮空氣。壓縮空氣就儲存在砂巖顆粒之間的孔隙中，并被頁巖蓋層所封堵。儲氣洞室的厚度大約是30.5 m。

圖4 PG&E壓氣儲能電站廠址

1.5 其他項目

以色列擬在耶路撒冷或海法地區(qū)修建壓氣儲能電站，因為這些地區(qū)的巖層和水文地質(zhì)條件適合地下設(shè)施的開挖。耶路撒冷地區(qū)地層由600～700 m厚的高度白堊以及石灰?guī)r組成，海法地區(qū)巖層由白云巖、白堊巖和凝灰?guī)r組成。研究者通過數(shù)值計算確定了建設(shè)壓氣儲能電站的可行性[12]。

日本壓氣儲能試點項目開始于20世紀(jì)90年代，使用廢棄的煤礦，空氣被儲存于一個長57 m、直徑6 m的隧道里，總體積大約為1 600 m3。隧道位于硬巖中，埋深450 m，隧道使用混凝土以及合成橡膠封閉圈進(jìn)行內(nèi)襯，運行壓力在4～8 MPa[13]。

我國計劃在內(nèi)蒙古地區(qū)修建壓氣儲能電站，電站儲氣室位于砂巖層中，計劃輸出功率是300 MW，儲氣洞室體積900 000 m3，埋深500 m，工作壓力5～8 MPa[14]。

1.6 小結(jié)

通過對國內(nèi)外類似工程項目的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在硬巖地區(qū)建造的地下儲氣洞室均埋置在較完整、較堅硬的巖層中，巖石的種類包括片麻巖、石灰?guī)r、白云巖和砂巖等，埋置深度100～670 m，根據(jù)儲氣壓力和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)強度決定儲氣壓力在2～20 MPa。各個項目的儲氣洞室情況如表1所示。

表1 硬巖儲氣洞室項目的概況

2 儲氣洞室的選址方法

2.1 選址原則

洞址在地形條件上要求山體雄厚、完整、穩(wěn)定，避免深切溝谷和較大的地形起伏。洞址宜選在具有適宜的上段和側(cè)覆巖體厚度、巖體堅硬完整、水文地質(zhì)條件簡單的部位。地下廠房宜布置在地應(yīng)力正常帶內(nèi)，應(yīng)避開區(qū)域性斷裂、活斷層、采空區(qū)、強烈風(fēng)化卸荷巖體、大型喀斯特洞穴、暗河等。

為了保證壓縮空氣儲能電站地下儲氣洞室的穩(wěn)定性，推薦在II級以上的圍巖中進(jìn)行開挖。此類圍巖本身性能良好，對于支護(hù)的要求較低，可以降低工程成本。因此滿足條件的巖石類型為強度30 MPa以上的硬質(zhì)巖石，并且?guī)r體較完整，結(jié)構(gòu)面少發(fā)育，整體呈塊狀和厚層結(jié)構(gòu)。代表性巖石有：花崗巖、閃長巖、玄武巖等巖漿巖類；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；片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖類。

用于壓縮空氣儲能工程地下儲氣洞室的巖石洞室還需要滿足5個基本條件。

(1)在考慮腔體的形狀和位置時，應(yīng)該選擇使得支護(hù)條件最低的地點。重要的地質(zhì)參數(shù)包括：破裂的范圍、節(jié)理面的性質(zhì)、軟弱區(qū)的滲透性以及水文地質(zhì)條件。

(2)溫度的循環(huán)以及濕度的變化不應(yīng)該導(dǎo)致巖石因為疲勞而造成的強度明顯降低。

(3)不宜選擇水平地應(yīng)力過高的地層。最大水平地應(yīng)力的值不應(yīng)該超過垂直地應(yīng)力的1.5倍。

(4)最鄰近的不同地質(zhì)構(gòu)造接觸距離應(yīng)該大于100 m。

(5)依據(jù)運行的各種要求，最有可能選擇的洞室埋深是750～850 m。

在確定了壓縮空氣儲能電站地下儲氣洞室建設(shè)所需要的圍巖類型之后，要進(jìn)行儲氣洞室軸線的選擇。儲氣洞室的選線應(yīng)遵循下列原則。

(1)儲氣洞室的選線應(yīng)根據(jù)洞室區(qū)工程地質(zhì)條件，原則上宜避開對洞室圍巖穩(wěn)定不利的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)段，并選擇較短的路線；

(2)洞室軸線應(yīng)避免穿越溝谷、山脊鞍部及大型喀斯特匯水洼地等負(fù)地形。當(dāng)需要穿越溝谷時，應(yīng)查明溝谷內(nèi)覆蓋層的厚度及物質(zhì)組成等，為研究確定洞室軸線最佳過溝位置提供資料；

(3)洞室軸線宜避開大規(guī)模的斷層破碎帶、活斷層、易溶鹽巖、膨脹巖、喀斯特洞穴發(fā)育帶、采空區(qū)、有害氣體及放射性物源富集區(qū)段、地下水匯集區(qū)(如向斜軸部、導(dǎo)水?dāng)鄬?、喀斯特暗?等。當(dāng)隧洞需穿越活斷層時，應(yīng)研究斷裂活動時代、方式(蠕滑、黏滑)、速率等，預(yù)測其在工程使用期限內(nèi)累計最大可能蠕滑位移量或最大可能突發(fā)位移量，為儲氣洞室設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)型式提供依據(jù)；

(4)洞室軸線宜與圍巖主要結(jié)構(gòu)面(斷層、節(jié)理、裂隙、層面等)走向呈較大的夾角，其夾角不宜小于60°；同時應(yīng)注意次要結(jié)構(gòu)面對洞室穩(wěn)定的不利影響。在高地應(yīng)力地區(qū)，洞室縱軸線方位與地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平投影方向，宜呈較小夾角，其夾角不宜大于30°；

(5)如果在山坡處開挖儲氣洞室，洞室進(jìn)口應(yīng)根據(jù)電站總體布置要求，宜布置在山坡完整、斜坡穩(wěn)定、基巖裸露、巖質(zhì)堅硬、風(fēng)化卸荷較弱的巖體上或覆蓋層較淺的地帶。

2.2 評價方法

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP)一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。近年來，該方法在巖土工程的穩(wěn)定性評價和風(fēng)險分析中得到了初步應(yīng)用。AHP的基本原理是把復(fù)雜的問題分解為各個組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性，然后綜合專家的判斷以決定決策諸因素相對重要性的順序，具有思路清晰、方法簡便、系統(tǒng)性強的特點。

首先將復(fù)雜的選址條件分解成若干個層次，再逐層分析，逐個比較，建立一個樹狀結(jié)構(gòu)，將人的主觀判斷加以量化，獲得各指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)硬巖洞室的建設(shè)要求，將硬巖洞室選址綜合評價體系作為目標(biāo)層，備選區(qū)域地質(zhì)特征、備選區(qū)域基本地質(zhì)特征、開挖區(qū)域的硬巖特性、備選區(qū)域的地面考慮因素作為準(zhǔn)則層，再將細(xì)化得到的19項基本指標(biāo)作為評價層，建立層次分析法的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，見圖5。

通過確定了該模型中評價層19項基本指標(biāo)在整個選址評價體系中所占的權(quán)重。綜合本領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姾拖嚓P(guān)的理論研究成果，提出了選址體系中各基本指標(biāo)的適宜度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以及庫址綜合適宜度等級評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)硬巖洞室選址綜合評價體系目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合硬巖洞室選址相關(guān)研究調(diào)查結(jié)果，利用5個準(zhǔn)則層因素B1-B15比較尺度的兩兩比較法給出各層的判斷矩陣。在對每一層的元素進(jìn)行兩兩比較時，比較分值采取5分制，如甲與乙比較，甲很重要得5分，相對重要得3分，一樣重要得1分，相對不重要得1/3分，很不重要得1/5分。

給不同專家的意見賦予相應(yīng)的權(quán)重，將專家的判斷結(jié)果進(jìn)行加權(quán)綜合，得到各指標(biāo)的實際權(quán)重值。

圖5 硬巖洞室選址綜合評價體系目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)語

可再生能源發(fā)電環(huán)境保護(hù)方面具有巨大的優(yōu)勢，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重要的份額。但其不穩(wěn)定性和間歇性，對于電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成較大的威脅，勢必需要配合大規(guī)模儲能技術(shù)來實現(xiàn)可再生能源的有效利用。本文通過對國內(nèi)外類似工程案例的分析，總結(jié)了在硬巖地區(qū)修建壓縮空氣儲能工程地下儲氣洞室的關(guān)鍵技術(shù)點，提出了硬巖地區(qū)地下儲氣洞室的場址選址、圍巖識別、洞室范圍確定等原則，并引入了層次分析法，建立了硬巖儲氣洞室選址綜合評價體系。該體系中包括5個準(zhǔn)則層因素和19個評價層因素，建立了利用兩兩比較判斷矩陣得到各個指標(biāo)的權(quán)重值的方法，為評價候選場址的適用性提供依據(jù)。

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(本文編輯：楊林青)

Underground Gas Storage Cavern Location Method for Compressed Air Energy Storage Engineering in Hard Rock Area

JIN Wei-ping1, PENG Yi-cheng2

(1.Qinghai Provincial Development & Investment Co., Ltd., Xi′ning 810001, China;2. Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

Through the analysis of the similar engineering cases at home and abroad, this paper sums up the key techniques in constructing the underground gas storage cavern in compressed air energy storage engineering in hard rock area, and puts forward the principles for cavern site location, surrounding rock identification and cavern scope. Then the analytic hierarchy process (AHP) is introduced to set up the comprehensive evaluation system for gas storage cavern site selection, which includes 5 criterion factors and 19 evaluation factors. The pairwise comparison judgment matrix is applied to achieve the weight value of each index, providing the basis for evaluating the applicability of the suitable candidate site location.

hard rock region; compressed air energy storage engineering；compressed air energy storage

10.11973/dlyny201701015

金維平(1978-)，女，碩士，工程師。

TK02

A

2095-1256(2017)01-0063-05

2016-11-20