【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(cháng)沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )儲能應用分會(huì )聯(lián)合主辦的主題為“新能源、新機遇、新高度的湖南（長(cháng)沙）電池博覽會(huì )暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應用大會(huì )召開(kāi)。會(huì )議期間，組委會(huì )邀請了長(cháng)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)及其應用進(jìn)展》，本文節選了部分主要發(fā)言?xún)热?，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(gè)儲能技術(shù)在近些年也得到了長(cháng)足的發(fā)展，特別是從去年以后，隨著(zhù)國家碳中和碳達峰的目標實(shí)現技術(shù)路線(xiàn)的具體推進(jìn)，國內很多大型企業(yè)都在壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了布局，所以我今天把巖穴儲氣庫技術(shù)的發(fā)展和應用的情況跟在座的各位嘉賓做一個(gè)報告。

　　壓縮空氣儲能技術(shù)是非常復雜的一個(gè)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就是利用空氣作為介質(zhì)，在電能富余的時(shí)候用電能去驅動(dòng)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(shí)候把它釋放出來(lái)，驅動(dòng)透平機進(jìn)而發(fā)電的一種技術(shù)。壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)電的過(guò)程和火電廠(chǎng)的發(fā)電比較類(lèi)似，但是由于它使用的介質(zhì)不同、技術(shù)路線(xiàn)也不同，所以它的設備工藝集成也有很大的差別。

　　我們總結了一下壓縮空氣儲能技術(shù)的六大優(yōu)點(diǎn)：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的水平，目前國內壓縮空氣儲能設備的單機已經(jīng)做到了30萬(wàn)千瓦，與我們許多火電廠(chǎng)發(fā)電機的機組裝機規?；臼窍喈數牧?。二是經(jīng)濟比較好。三是壽命比較長(cháng)，一般在30年到50年。四是效率比較高。當然這個(gè)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)濟指標應該也還可以。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(méi)有那么高。六是環(huán)保性好，因為在整個(gè)發(fā)電的過(guò)程當中它用的是空氣，而這個(gè)空氣在進(jìn)行發(fā)電之前都需要經(jīng)過(guò)除塵和除濕的，所以發(fā)完電以后的空氣，排入大氣當中的空氣是非常干凈的。

　　目前在國內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(wèn)題：

　　一是地面的設備及工藝集成技術(shù)。要發(fā)電就必須要有相應的發(fā)電設備。目前，國內的清華大學(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(zhù)的進(jìn)展。國內許許多多的大型設備生產(chǎn)廠(chǎng)家也加入了這個(gè)行業(yè)來(lái)。到目前為止，國內在壓縮空氣儲能的發(fā)電設備及系統集成技術(shù)方面應該說(shuō)已經(jīng)攻克了難關(guān)，設備制造已經(jīng)實(shí)現了國產(chǎn)化，為壓縮空氣儲能技術(shù)的大規模示范推廣應用奠定了基礎，這是第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　二是與地面設備配套進(jìn)行能量存儲的另一個(gè)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(jìn)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(gè)兆帕。在如此高的壓力下，壓縮空氣的存儲面臨安全問(wèn)題、可靠密封問(wèn)題以及經(jīng)濟問(wèn)題。從我們所收集到的資料來(lái)看，國內外已經(jīng)商業(yè)化和已經(jīng)示范應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(wàn)方甚至上百萬(wàn)方的壓縮空氣存儲空間。地面罐的規模是做不大的。地面罐存儲高壓壓縮空氣頂多就是幾千方或者是幾萬(wàn)方，造價(jià)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(jìn)步的一個(gè)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(diǎn)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，主要在華東地區分布比較多一些，像山東、江蘇等。在需要大量?jì)δ茈娬镜娜钡貐^沒(méi)有這樣的地質(zhì)條件。所以人造巖穴儲氣庫是國內外很多高?；蛘咂髽I(yè)目前在開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。

　　人造巖穴儲氣庫在建設過(guò)程當中有幾大關(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(dòng)力過(guò)程是密切相關(guān)的。地下儲氣庫在進(jìn)行壓縮的時(shí)候會(huì )出現非常高的溫度，這個(gè)溫度不控制下來(lái)，它在后期對密封材料會(huì )造成很大的傷害。二是高壓壓縮空氣進(jìn)出庫的管道振動(dòng)，這個(gè)管道的振動(dòng)也必須要解決好，否則也會(huì )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(shí)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(jìn)去以后，它都會(huì )漏掉跑掉。所以對于人造巖穴儲氣庫，要設置一個(gè)人工的密封層。如何保障人工密封結構的長(cháng)期有效性是目前國內外應該關(guān)注的重點(diǎn)。四是地下儲氣庫的設計理論體系與規程規范的制定。為什么我把它列到這里？據我的統計，目前我國已經(jīng)有多個(gè)百兆瓦以上的壓縮空氣儲能電站進(jìn)入了可研階段，但如何設計和建設壓縮空氣儲能的地下儲氣庫沒(méi)有相關(guān)的設計規程規范，這就導致了地下儲氣庫裝置在設計中缺乏參考依據。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(kāi)展設計理論和設計規范的研究，從而為這項技術(shù)得到更好推廣應用提供技術(shù)支持。

　　在地下儲氣庫的核心技術(shù)當中，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(shuō)它封不住，關(guān)鍵是經(jīng)濟性要合理。如果是用鋼罐，沒(méi)有問(wèn)題，肯定密封很好，但是鋼罐存一方氣大致要5000塊錢(qián)，這個(gè)造價(jià)非常高，比如建設一個(gè)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(gè)億，這顯然是不能接受的，所以我們就把目光轉向地下。目前地下高壓氣體密封技術(shù)分兩類(lèi)，一類(lèi)是剛性密封，一類(lèi)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(jìn)行密封的一個(gè)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(lèi)，裝配式襯砌和整體式襯砌，這兩類(lèi)有各自的特點(diǎn)，裝配式的柔性防滲結構非常聰明，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)，而利用裝配式結構以后，它可以把這種受拉的結構變成一個(gè)受壓的結構，從而充分利用混凝土的抗壓性能，進(jìn)而大幅度節省工程造價(jià)。對于柔性密封結構來(lái)講，除了襯砌結構以外，還有一個(gè)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)調變形，但是它的滲透性又非常低，比混凝土要低幾個(gè)數量級，所以它能夠滿(mǎn)足高壓氣體的密封。

　　講完了壓縮空氣儲能電站幾個(gè)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計流程方面的認識。地下儲氣庫設計首先要進(jìn)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(gè)地層都可以修建地下儲氣庫的。對于不同類(lèi)型的壓縮空氣儲能電站，比如是電源側、電網(wǎng)側和用戶(hù)側儲能電站，由于類(lèi)型不同，進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行成功選址的關(guān)鍵。 對于人造巖穴儲氣庫的設計，我們認為至少應該要包括九大內容。在選址確定完了之后，首先要對儲氣庫進(jìn)行初步的平面布置，在這個(gè)基礎之上對儲氣庫的斷面形式要進(jìn)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(wàn)方甚至上百萬(wàn)方，這么大的空間我們怎么把它布局好，以最有利的形式來(lái)存儲空氣，這是我們首先要考慮的一個(gè)問(wèn)題。在這個(gè)基礎之上，我們要確定一個(gè)合適的埋深。儲氣庫的埋深事關(guān)兩個(gè)方面，首先是安全，如果埋深淺了，高壓壓縮空氣會(huì )把地層沖破，可能帶來(lái)安全問(wèn)題。但是如果過(guò)深，建造底下儲氣庫的造價(jià)會(huì )大幅度提升，又不經(jīng)濟，所以在進(jìn)行設計的時(shí)候應該用盡量多的方法根據其運行的最大壓力以及儲氣庫的形式對儲氣庫的埋深進(jìn)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。地下儲氣庫建設最根本的一點(diǎn)就是要保證安全性，工程建設首先要考慮的是安全問(wèn)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(lái)源于什么？在高壓的情況下，地下巖層是不是會(huì )破壞？要分析它是不是會(huì )破壞，我們需要知道它的整體穩定性、局部穩定性以及長(cháng)期的穩定性，采用不同的方法對它進(jìn)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(jìn)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(gè)密封方案的形式很多，這里還提了一個(gè)水幕系統，國外曾經(jīng)也提出用地下水來(lái)密封高壓壓縮空氣，這也是其中一中密封方案。但是從目前國內外的情況來(lái)看，最可靠的還是在地下儲蓄庫的內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。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，但是這兩部分的設計理論、設計方法相對來(lái)說(shuō)比較成熟。在地下儲氣庫當中我們還要設置排水系統，地下儲氣庫的排水系統包括兩個(gè)方面，一個(gè)是要排儲氣庫內部的水分，另外一個(gè)要排儲氣庫密封層外面的水分。內排水系統和外排水系統，內排水系統就是要排出壓縮空氣經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行以后在儲氣庫里面形成凝結水。外排水系統主要是保證密封結構的安全，這些排水系統雖然是細節，但是對我們工程來(lái)講也是特別關(guān)鍵的一個(gè)步驟。 設計監控措施。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測壓縮空氣溫度壓力的變化，以及儲氣庫結構的應力、溫度、空氣水壓力等等。整個(gè)監測體系可以保證儲氣庫在運行過(guò)程當中能夠以健康的姿態(tài)來(lái)進(jìn)行工作。最后一個(gè)是運行方式。地下儲氣庫的運行方式跟地表設備的運行方式是關(guān)聯(lián)的。地下儲氣庫在運行過(guò)程當中可能會(huì )出現超過(guò)100度的高溫情況，也可能出現低于0度的情況。這兩種情況實(shí)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置一套溫控系統，以保證地下儲氣庫里面的溫度在允許范圍之內。對于小規模的儲氣庫來(lái)講溫度問(wèn)題可能不大，對于大規模地下儲氣庫來(lái)講，它的容積是幾十萬(wàn)方甚至上百萬(wàn)方，溫控問(wèn)題就比較重要了。如果換熱片的模式來(lái)?yè)Q熱，造價(jià)將是巨大的。。目前我們正在陜西進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗來(lái)驗證我們提出的新型的非換熱溫控技術(shù)。上述問(wèn)題解決好了，才能夠把我們的壓縮空氣儲氣裝置設計好，從而為整個(gè)壓縮空氣儲能系統的正常運行提供一個(gè)保障。

　　關(guān)于人造巖穴儲氣庫的工程在我們國內應用的情況，我這里簡(jiǎn)單的列了幾個(gè)，目前應該有十幾個(gè)電站，最早是河北張北的鋼罐+巖穴。8月份遼寧朝陽(yáng)的壓縮空氣儲能電站也是采用人工硐室。湖南應該說(shuō)是以抽水蓄能為主的，但是就在這個(gè)月的16號，中能建跟湖南湘鄉簽了一個(gè)戰略合作協(xié)議，準備投資72個(gè)億，建設3×300兆瓦6個(gè)小時(shí)的壓縮空氣儲能電站，也是采用人工硐室。還有湖南邵陽(yáng)廢棄的石膏礦洞建設壓縮空氣儲能電站也屬于人工洞穴儲氣庫。隨著(zhù)人造巖穴儲氣庫技術(shù)的日臻完善，它的應用前景會(huì )越來(lái)越廣泛。

　　我的報告就到此結束，敬請各位來(lái)賓和各位專(zhuān)家批評指正。

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