压气储能地下储气库选型选址研究

了 4种 储 的 点，分析了

分析现有 ，总储 的

储

关键技术的

分

和

特点。扌；最后，

气储能 储 的 成 了 了大规模 储能电 储 的规划 。［结果］研究成果表明：盐 站的 储 类型；在 光伏能和风能电站规划 中的地区， 是大规模 储能电储气库的各种岩石地层有分 泛。［结论］ 泛的各类 分布解决了间歇性能源富 区 大规模 储能电 困难的问题，试验研究也表明了硬岩地层优良的力学特性有助于解决地下储气库变形稳定性及密封性等关键技术问题。总之,我国现阶段建设压气储能电站地下储气库在技术上是可行的。关键词： 储能；储气库类型；规划 ； 中图分类号：TK02 文献标志码：A

； 流程文章编号：2091-8676（2014）03-0006-l1开放科学（资源服务）标识码（OSID）:Research on Selection Method for the Types and Sites of Underground

Repository for Compressel Air StorageJIANG Zhongming02, TANG Dong0 2, LI Peng3, LI Yi0 4(1. School of Hydraulsc Engineering , Changsha University of Science &Technology , Changsha 4004, China；2 . Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 4004, China ；3. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited , Changsha 4000, China ；4. Key Laboratory of Dongting Lake Aquatie Eco-EnvOonmentU Control and Restoration of Hunan Province, Changsha 410114, China)Abstract: (Introduction ] The selection of types and sites of underground repository for compressed air storage is one of the most im­portant issues of large scele compressed air energy storage (CAES) plant planning. (Method] The advantages and disadvantages of 4 types of underground repository for compressed air storage were concluded based on comparison of analyzing literatures published do­mestic and oversea. The geology characteristics and ditribution region of the suitabl hard stratum for construction of underground rock ccvern were also analyzed. The technology feasibility of rock ccvern for compressed air storage was validated by the in-situ ex- perimenire.uliobiained from ihefiripiloirepo.iiory forCAESin China Siie.planning meihod ofunderground repo.iiory forlarge scela CAES plant was studied taking Guangdong provincc for example. (Result] Rock ccverns built in salt and hard rock stratum are the most feasibl types of the underground ccvern for CAES plant and hard rock Sratum widely exists in most windy and solar energy abundant aere in China. (Conclusion ] Wide distribution of the suitiabla stratum for underground ccvern construction in intermittentenergy generaiion areasolvesihedificuliproblem ofsiieseleciion forlargescaleCAESplani Experimenidaiaindicaiesihaigood quality oftherock masishelpfulforthesolution ofkey problemssuch stability and sealing ofunderground cavern Alin al itis feasiblity in technology atthepresentstagein China.

Key words: compressed air energy storage ； types of underground repository for CAES ； site planning ； site selected method ； site se- lction proc+ss收稿日期：2210-S/-S1 修回日期：2210-S7S1压缩空气蓄能（Compassed Ais Energy Storage ,

基金项目：国家自然科学基金项目“压气储能电站地下储气库围岩 多场耦合损伤特性及稳定性研究#（ 507%76）；中国电力建设股份

以下简写为CAES）是一种利用压缩空气作为介质

来储存富余电能的新技术。压缩空气储能电站的主

要作用是调节电力峰谷和改善电力品质，它具有效

公司科技计划项目“压缩空气蓄能电站高压 设关键技术研究” （GW-KJ-2212-26）

地 气库建第3期蒋中明，等：压气储能地下储气库选型选址研究7率高、占地面积小、运行方式灵活、投资和运行费 力储能需求的快速增加，大规模压缩空气储能相关

用较少等优点*利用压缩空气储能的基本思想 技术的研究在我国日益受到重视*拟建大规模压缩

在20世纪40年代初被提出⑶，其工作原理是利用 用电低谷时的富余电力将空气压缩并储存在储气设

备中，在用电高峰期再将压缩空气释放出来推动透

空气储能电站区域是否存在适合于修建大型地下储

气库的地质构造是储气库建设的关键所在*本文结

合我国地下储气库可选地质构造的分布情况研究, 以广东省压气储能电站区域选址为例，探索压气储

能地下储气库选型选址方法和流程，以期为大规模

平发电。对于微小型压缩空气储能电站，压缩空气

的储气设备一般采用地面钢罐（管）；对于大规模压

气储能电站（100 MW以上）来说，由于储能所需的 压气储能电站的建设提供技术支持*空间容积可达十万立方米，甚至百万立方米级别，

因此其储气设备一般采用地下储气库［3］ *地下储气

库可以是地下开挖的岩穴，也可是孔隙率大的地下

含水层（3「4*根据现有文献，岩穴地下储库分为盐 岩洞穴、硬岩洞穴两种［2］。根据岩石的强度和硬度

大小，盐岩归属于软岩范畴，因此盐岩洞穴实质上

是一种软岩洞穴*理论上讲，地球上的任何地层都可以建成地下

储气库，然而从建设技术可行性和经济性角度出

发， 建设压气 能电 的 石地 是 的*

这也是自1977年第一座压气储能电站Huntorf和

1991第二座压气储能电站McIntosh运行以来，大

规模压缩空气储能电站发展缓慢的主要原因之一 *

盐岩地层的最大优点是盐岩洞穴的天然密封性好和

建设成本低，且围岩具有开挖损伤自愈等优点*盐

岩洞穴也具有岩石强度低、洞穴稳定性差及流变特

性等显著缺点*因此，盐岩洞穴储气库都采用深埋 的方式来解决高压运行条件下的安全稳定性问题*

硬岩洞穴地下储气库最大优点是洞穴围岩稳定性

好，可浅埋；其不足之处是密封技术难度高，建设 成本相对较高*随着地下空间开发技术进步，大规

模地下空间开挖成本大幅度降低、建设工期缩短以 及高压气体地下密封技术出现，通过洞穴浅埋方案

解决高压地下储库面临的技术和经济问题越来越成 为可能⑸*近年来风能、太阳能等新能源在我国得到了大 规模开发和利用*由于风能、太阳能等新能源发电

的波动性和随机性，大规模新能源并网给电力系统

的安全稳定运行和电能质量带来了严峻挑战，实际

运行中存在大量弃风和弃光现象，使得新能源的利 用率长期处于较低的水平「大规模储能技术应 用是实现新能源安全、高效和经济利用的必然途

径*我国对压缩空气储能系统的研究开发起步比较 晚，且大多集中在理论和小型实验层面，但随着电

1地下储气库选型研究的文献大多将大

压气 能电 地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⑷*这四种类型的储气库优缺 点对比如表1所示*表1不同类型地下储气库特点比较Tab. 1 Comparison of different types of underground cavern类型主要优点主要不足①盐岩渗透性小，天然密封①自稳性较差性好；缩变形大；，长期运②盐岩具有损伤自愈性&渗②压缩空气含盐量高，盐岩漏风险小；腐蚀性强；洞穴③造腔工艺简单、技术难③ 压力

小， 空度小；间利用率低；④建库经济性好，造价相对④盐岩地层分布普遍性较低*

差，选址受限*① 硬岩地层分布广泛，选址；① 建库造价相对较高，② 洞穴自稳性好，变形小，

；硬岩 库容稳定；② 需要单独设置密封结 洞穴③ 运行压力区间大，空间利

构层，且密封技术难 用率高；度大；④ 洞穴断面型式多（隧洞、竖

③ 施工工艺复杂，技术

井、洞室）&建库适应性强*难度较大*① 开挖工程量小，地面设施

可利用原有设施，经济性好，① 可行选址有限；低；② 洞穴自身稳定不足、

废弃② 利用原有洞穴进行扩挖&

多存在地面沉陷问题；③ 要单独设 结矿洞工程施工技术难度小；③ 压力 大， 空 利构层，且密封技术难

用率高；度大；④ 洞

型式多（隧洞、 竖④存在地下水污染及有 井、洞室）&建库适应性强*害气体治理等问题*①适合地层勘探难度大，①储气库密封性相对好；选址 ；含水层②工程造价相对较低；②地质条件要求较高，③一般情况下合适库址处潜需不透水盖层；在库容大*③需采取注浆等措施提 高储能效率*8南方能源建设第6卷盐岩洞穴储气库由于其具有密封性和经济性好 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

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

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⑼，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，

境问题 小， 因 改 为压气 能电 的地 气 *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

含水层地下储气库将压缩空气储存在地下含水

中* 利用 水

为 气空相比于其他大规模储能技术在经济性方面具有优 有限，在有建库需求的地区可能根本不存在盐岩地

层，因此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（一#]*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 m2*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：（#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

势[1#*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 度大， 同 存在 水 渗 低

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*2岩穴储气库候选地层分析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*2. &盐岩地层盐 地 因 非渗 、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7% [13] *我国盐 气 建 地 条件

盐为主， 国外盐 建

比， 我国在建 建盐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-#]*

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、云应等盐穴天然气第3期蒋中明，等：压气储能地下储气库选型选址研究9储气 可行性研 段。 ，江苏竖井和洞室 性*

* 气依 承受内在建设 为50 MW盐穴压缩空气储能电站示气库选址

压，采用复合式衬砌或水力条件方式来保证气密

*盐

建地 气库的岩石类型 （Al­

的核心任务是选出 建len 等，1982）（⑴：（#）花岗岩、闪长岩、玄武岩等

的盐岩地层*我国盐矿分布图如图#所示。因 建设地 气库的盐矿为岩盐地层， 可，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、

我国岩盐矿藏主要分布在 、重、湖、江、 等变 。从地和结构的：一西、 盐穴地

、江苏、山东和广东局部地区；而光伏能度，复式衬砌储气库的关键技术问题

是 衬砌

和风能丰富的北方和西北地区，则少适宜于建设 体在高内压作用下的地 起破坏；二是气库的盐岩地层*如果选择盐岩洞气库方案，那么述地

建设压缩的失效和气 能丧失；三是洞室巷道为地

的 失稳破坏*

30。〜40。的

述问题，P Perazzel-i中建设洞径为4 m隧道式储空气储能电站的潜力*等（9的研究指出在抗压强度5MPz〜60MPz，内

气

要60〜120 m的埋 可

的硬

足够的安全系数*满足上述强度 石地层在我国分大量分布*布十分广泛，

西北地

是在光伏能和风能丰富的北方和方 地

等 硬 地 在花岗 、 玄 、 石 和

我国的主要分布地 如 2 所示 * 可 ， 花 岗 在我 西 部 、 部、 东 东 地 分布 广 泛，

玄 主要分布在内 、 东和

、 江、 ， 广等省的部分地区* 新、西、内、 、

、

图！中国主要盐矿分布示意图Fig. 1 Distribution of main salt mine in China

江和 、

等省份分布较少外，石在我国其他省 集中在

大量分布* 地 则主要、山东、 、重、湖、湖、 省*、江苏、广东、广西、云南等2.2硬岩地层硬岩地 体质量好、强度高、变形模量花岗 、 玄 和石 度 高和 变 形和分布的广泛性角度来大等优点 为地 气库建库研究的候选地层（⑴。岩穴储气库型式包括衬砌或非衬砌隧洞、模量大的优点，是地 可见，

力

气库的主要优选地层*由（a ）花岗岩和玄武岩 （b）石灰岩 （c ）砂岩图2 部分硬岩地层分布示意图Fig. 2 Distribution of partiol hard rock stratum in China

10南方能源建设第6卷看，在我国建设硬 为

地 气库的压气储能电气库的

现场压气储能试验始于2010年7月30日8：

00,终于2110年8月O日22： 40。试验共进行11选址基本不存在工程地质条件方面问题，可地找到适用于建设地 硬岩。试验最大压力达到9. 7 MPa，试 在

8月4日；试过程最 气时间约7 h，试 间

地层。3 硬岩洞穴储气库实验研究-湖南平江实

简介在8月9日。 压气 的最大压力统计如表0所示。 压气

化过程如图4所示。过程中储气室压缩空气压力变利用硬岩地层建设浅埋地下储气库在国内外均 有研究（⑻。例如韩国学者就石灰岩地层建设高压

地

气库的可

气库内压缩空气压力在 变形。洞和

中几乎引起了同（衬砌 部位）的进 大量的理论与数值分析位移变化全过程线如图5所示，其中在8月5日放 气试

段因仪器

未 测量数据，完整实测研究（10'2°o花岗岩在我国分布广泛，是压气储能

浅埋地 气库的理 之一。为全 解数 1组。压缩空气最大压力为9. 7 MPa时，

最大径向位移值约0. 77 mm，洞顶最大径向位

高内压条件下花岗岩洞穴稳定性、变形 建库 可 ，中国电建中南勘测设计研

公司和地 气实约为0. 10 mm。 可见，岩石 量好的情况， 气库洞 结构 的 利 。表2最大压力统计表Tab. 2 The maximum pressure during the test

理工大 内建

o

在湖 国内

江抽水蓄能电站的勘探浅埋衬砌

的变形量很小， 止 '位 江抽水蓄能电站地 勘探MPa10

11平碉（PD4）内。勘探平碉内围岩主要由花岗岩和花 岗

，部分洞段花岗

序 1234567

发育，洞Pmas 6.17 8.10 8. 73 9. 77 8. 74 4.10 4.75 4.74 4. 79 4.10 8.71室围岩结构 体发育较弱。示。

的几何尺寸及试验系统组成如图3所 埋深约110 m，长5 m，内径2.9 m。实为完 的花岗岩，其 测抗压强度在

77 MPa〜103 MPa之间，弹性模量在47 GPa〜50

GPa之间。储气内设 示），其用一是为

衬砌（如 3所提供平滑的表面;给 。衬砌表承担高二是将 设

的高压压力 。在

进口端部设

图4储气室压力过程线Fig. 4 Pressure precess in the cavere during the test压压缩空气（设计最大压力10. 7 MPa ）的推力。空压机」50L5 000一丨 1 ooo 3 0003 0002000 J .2600 图3实验库系统示意图(单位：mm)Fig. 3 Test system of the pilot cavern( Unit： mm)第3期-0.4蒋中明，等：压气储能地下储气库选型选址研究114 岩穴储气库规划选址研究一以广东省

为例压气储能电站地下储气库的最大运行压力一般

08/4 8/5 8/6

日期/d(a )右侧边墙为1 MPa-11 MPa，部分电站的最高 20 MPa*因此， 压力大是地 著特点之一。同，压气储能电 完

充气储能和放气发电的日

压力可达气库的显般采用一天内方式,因 为储气 的地 气库所承受的 变化

日期/d(b)洞顶图5洞周径向位移全过程线Fig. 5 Radiol displacement precess on the cavere wall图6为多点位移计M36!钻孔中的几个典型测

点在％月9日试验过程中的位移变化过程线*测点

M36-3!位于洞周 表 ；测点M36-3-3距离

洞壁表面3(3 N,测点M33-3-3距离洞壁表面

1(3 mo在内压作用下，洞 的 变形最大;

距离洞 ，变形量越小。测点M33-3-3在试验过程中几乎没有产生新的 变形，表 8(1 MPa的内压对超过距离洞壁11. 0 m位置的 变

形几乎不产生影响Oo35 o 3 0 o 2 5 o 2 0 o 1 5 o1 0 O0 5

6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

时间/h图6不同位置径向位移对比g

6 Comparison of displaceme nts at d iffere nt location果表明：当地 气库建造在量好的 中时， 变形量小，变形影 ：围,洞室结构安全

，因，在花岗岩地层中建设浅埋地

气库是完全可行的。频率高，储气

结构的

效应*为保证储气

结构的安全可

，地 ：气 变形 结构

控

高,其目的是防止岩体过大变形 结构 能的影响，进 保地 气库的 *

可见,压气储能电站能否

建设的关键在

建电站地区是否存在

建造地 气洞室的地层*尽管地下硬岩型

气库的修建 比盐

气库高,是盐 气库的建设需要存在盐 度大、且分布稳定的盐

盐层*这 殊地质构造在我国仅存在于少数地方，在光伏能和风能丰富或用电需

量大

建压气储能电站的地区则 乏这类盐岩地质构造*为，下文 广东省为例，从光伏

能、风能以及广东地区的地

点出发，探索压气能电站地 气库的选址方法*4. 1选址影响要素压气蓄能电站建设的主要目的：一是调节电力，二是改善电力 *调电力 是为了缓电力市 ，调电网在时空上的用电 *改善电力 主要是为了提高风力发电和光伏发电等 电源的不稳定 ，同

存储大量电网供电高

段的弃风弃光电力*压气储能电站的建设目的是决定储气 域选址的首要因, 地

气库的受力特征则决定其能否

选址的关键因 * 体 ， 影 气 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*0) 是否 分布 光伏 风力能源等 能源 *3)区域地震、地质构造史及构造运动情况*4 )1程地质及水文地质条件*5)是否存在可利用废弃洞穴*6 )

条件*12南方能源建设第6卷4.2选址原则占地规模相对较小，因此，电站规划选址一般可不

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

考虑该因素的影响*地下储气库选址规划流程如图

7所示*址规划还需重点考虑以下几点：2）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*4.3选址规划流程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 气 选址基本不存在 地 条件 因 ， 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 图7岩穴洞库规划选址流程图Fig. 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

技术 ，

等级 定 地 气 建设的 体 址*4. 3. 1调峰型储能电站储气库规划选址•例广卯I市是广东地区最大电力负荷中心之一*，第3期蒋中明，等：压气储能地下储气库选型选址研究13在市区内基本不具备抽水蓄能电站条件，压气储

能电站是

可行的100 MW级大

气库的

能电站*的地质调 果，广 市内没有发现可以建造盐岩洞穴和含水层地 地层,地没有可利用的大型废气矿井，因新建

气库是 段的 选择。图％为广州市硬岩地层分布图* 8可知，广市行政区划内的佛岗、 和新兴等地广泛分布有埋 浅花岗岩和 地层，这 地层是新建地下岩气库的理想地层* 域地质构 度上，上述地 大的 过，地 度为*度区*因 ， 述 地 是 广 市 3\"\"MW 级大 能电站选址的首选*图8广州市地质图Fig. 8 Geologic map of Guangzhou city

4. 3. 2电力品质改善型储气库区域性规划选址

示例

3依据间歇性能源的分布初步确定压气储能电

的 划选址*广东风能 量丰富，粤西北屿风速大，风力发电可 量达

6 GW〔⑻*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. 3 GJ/m2〜5. 4 GJ/m2之间，全

省年平均日照时数1 745.3 h，年均日照小时数大于

＞2 740 h分布区域如图3所示。作为改善电力品质

的压气储能电 划布局， 可能考虑多种间歇能源的综合利用。通过比分 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 Ns地区（如图3所示）主要有：韶关西 部、韶关南部、韶关、广 东北部、清 西北、

茂名东北，湛江中部、潮 东南部等地区*这些地

压气 能电 布局的 选地 *图9 风能分布图（风速＞8 m/s）Fig. 9 Distritutign of wing energy (velocity >8 m/s)图！年均日照小时分布图(>2 700 h)Fig. 10 Distritution of annual sunshine hours( >2 700 h)图11风光能源分布叠合区Fig. 11 Supergosition area of wind energy distritution2 %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 *广东省地 度主要划分为八 度（0.30 *%+

度（0.13 * ）、 度（023 * % 和六度（0.35 *）等4个区域，女口 3和图3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% ； 度区主要分布在徐闻

14南方能源建设第6卷部、阳江南部和潮汕中东部，占广东省土地面积 为坚硬一较坚硬层状、块 体，干抗压强度

73 . 66 MPa -141. 03 MPao各种砂岩等变质岩抗压

约3.73%；七度主要分布在广东省

盖了汕头、潮、惠、

,覆、东莞、广、中条 ，占广强度4. 7 MPa〜265 . 7 MPa之间。 、 云山、珠、茂名、湛江等城市的全部或部分，形 等碳酸岩为坚硬-较坚硬 等。广东地区广泛分布的硬

体，抗压强度一其 的抗压一条从东至西连续分布的0. 74* 般在61.6 MPa〜43. 7 MPa之间，岩溶发 -中

东省土地面积约26. 47%；六度 主要分布在0 . 7 4

* 条 的全部区域，占广东省土地面积度，为新建 地 气库提供 的工程地约66 . 70%。按照 建储气

域地 度不宜大质条件。在满足地质构造和地 度要求的候选规

8度的原则，广东省98%

的地区建设地下储气 不受地震条件的影响。在 述 风能和光

伏能分布综 定的规划选址中， 潮州东南部地区地 度在八度或八度 ，因 不适宜

建设压气储能电站地 气库。图12广东省主要地质构造Fig. 12 Main geologic structure of Guangdong provineeFig. 13 Block plon of seismic peak ground accelorotinn inGuangdong provinee3 %依据区域宏观地质条件进一步论证需求规划

选址的可 。广东地 浆岩、变 和碳酸岩

等 广泛分布，包括 侵入岩和喷出岩，多划选址中，韶关西南部、韶关南部、韶关、广 东部、清西北、茂名东北，湛江中部均分布有大 量浅埋和地表出露的花岗

等硬岩地层，如4所示。因，这些候选规划区域选址都是可

的。图14广东省硬岩地层分布图Fig. 14 Distribution of harU rock strotum in Guangdong provinee7 %依据间歇性能源的装机规模及能源分布几何中心位 定电站的可 划选址。结 风能和光伏能电站的规划和

大小，按间

能源的分布 几何中 位 定 电 的 选 划选址。按几何中心位

定电站的初选规划选址可减小电力 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

的位置。压气储能电 划选址确定后， 可的拟选场址进行地质勘探，然后结

程及水文地质条件的勘探成果，确定地 气库的具体

位。5结论地 气库选型选址问题是压气储能电站建设规划需要

的首要问题之一。 大 压气储

第3期蒋中明，等：压气储能地下储气库选型选址研究[4] 张丽英，叶廷路，辛耀中，等(大规模风电接入电网的相关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

问题及措施[J].中国电机工程学报，m，3123)： 19 ZHANG L Y，YETL，XINYZ，et aO Problems and meas­ures of power grid accommodating large scale wind power [ J]. PEoceedengsoftheCSEE， 21#1， 31( 23) : #-9.[-] BUDT M，WOLF D，SPAN R，et aL A review on com­

响。获得的一些认识如下：#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，

pressed ar energy storage: basie principles，past milestones and recent developments [ J ]. Applied Energy， 2211 ( 114 ):

23\"26-.[9] CROTOGINO F，MOHMEYER K U，SCHARF R. HuntorfCAES: More than 22 years of successful operation [ C]//Solu-

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*参考文献：[#

余耀，孙华，许俊斌，等(压缩空气储能技术综述(V.装备机械& 2213(1)： 68-74.YU Y, SUN H, XU J B , et al. Technical review of compresse- dair energystorage ( CAES) ( J). Equipment Machinery & 2211(I) : 68-74.[2]

张新敬，陈海生，刘金超，等(压缩空气储能技术研究进展(J] •储能科学与技术，2212, 1(1)： 26-70.ZHANG X J & CHEN HS，LIUJ C，et al. Research progress in compressed air energy storage system: a review [ J ]. Energy

Storage Science and Technology，2212，1(1)： 26-40.[3]

BUDT M，WOLF D，SPAN R，et al. A review on com­pressed air energy storage: basic principles， past milestones and recent developments [ J ]. Applied Energy， 2016 ( 114 ):

250-266.[0 ] OLDENBURG C M，PAN L. Porous medie compressed-4e en­

ergy storage (PM-CAES) : theory and simulation of fhe coupled wellOore-reservoie system [ J ]. Transport in Porous Medie，

2211，94(2) : 201-221.[5] KIMHM，RUTQVIST J，RYUDW，et al Exploring the con­

cept of compressed air energy storage(CAES)in lined rock cav­erns at shallow depth: a modeling study of air tightness and en­

ergy balancc [ J]. Applied Energy，2012(92)： 653-6.[6] 王骏(新能源发展研究[J].电网与清洁能源，2211，24

(12):―.WANG J. Discussions on new energy development [ J]. Power System and Clean Energy，2211，24(H):―.tion Mining Research Institute. Spring 2011 Meeting，Orlando， Apr. 11-11，2001• Florida， USA： Solution Mining Research 1/35x11— 2(X)1 .[I] 何秋德，陈宁，罗萍嘉(基于压缩空气蓄能技术的煤矿废弃

巷道再利用研究[J].矿业研究与开发，2211，33( 0)： 34­

33 +63.HE Q D，CHEN N，LUO P J. Research on reuse of abandoned eoadway en coaemenebased on thecompeesed aeeeneegy stoeage technology [ J]. Mining RXD，2211，33(4) : 34-3 +63.[II]

ALLEN R D，DOHERTY T J，FOSSUM A F. Geotechnical

esuesand guedeeenesfoestoeageofcompeesed aeeen excavated haed eock caveens: PNL-01-1 [ R/OL ] . Recheand: Pacefec NoethwestLaboeatoey， 19-2(h tp: //www(ostegov /eneegyce-

tations/servlets/purl//337432 - Pq fu9J/.[12] GUO C，ZHANG K，LI C，et al. Modeling studies for infl/-

encefacGoesofgasbubbeeen compeesed aeeeneegy sGoeageen aq- uefees [ J] .Eneegy， 2116( 114) : 0--.9.[1]杨伟，王雪亮，马成荣.国内外地下储气库现状及发展趋势[J].油气储运，214, 26(6)： 13--1+66.YANG W，WANG XL，MA CR. Current status and develop- mentteend ofundeegeound gasstoeageathomeand abeoad [ J] TOii & Gas Storage and Transportation，2014，26 ( 6 ) : 11-11

+)0.[1]完颜祺琪，丁国生，赵岩，等(盐穴型地下储气库建库评价

关键技术及其应用[J].天然气工业，2211，33( 3)：

111-114.WANYAN Q Q，DING G S，ZHAO Y，et al. Key technologies foesae-caveen undeegeound gassGoeageconseuceon and evaeua-

hon and hieir application [ J]. Natural Gas Industry，2218，38

(3): 111-H1.[1]完颜祺琪，冉莉娜，韩冰洁，等(盐穴地下储气库库址地质

评价与建库区优选[J].西南石油大学学报(自然科学版)，

21#3， 34(#) : 34-60TWANYAN Q Q，R L，HAN B J，et al. Study on site selection and evaluation of underground gas storage in salt cavern [ J ].

Journal of Southwest Peholeum University： Science &Technolo­gy Edition，213，34(1 )： 34-.[1] CARRANZA-ORRES C，DONALD F. Geomechanical analy­

sis of Oe stability conditions of shallow cavities for Compressed

Air Energy Storage(CAES) applications [ J]. Geomechanics and

Geophy.ec.foeGeo-Eneegy and Geo-Re.ouece.， 2114， 3 ( 2) :

16166-174.南方能源建设唐栋第6卷[-7] PERAZZELLI P& ANAGNOSTOU G. Design issues for con 1798-,男，湖南衡阳人，长沙理工大学水利工程学院讲

pressed air energy storage in sealed underground ccvities [ J ]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,

2016, 8(3) : 314-328.[18] ZIMMELS Y, KIRZHNER F, KRASOVITSKI B. Design ci-

师， 大 水利水电工程 ，主要从事水工结构 -土工程安全评价方面的研究（e-maii ） tangdong @

esust. edu. cno

1792-,男，山西长治人，中国电建集团中南勘测设计研究

tees for compressed air storage in hard rock [ J]. Energy &En- vironmeni& 2002, 17(6) : 851-372.[19] KIM H, RUTQVIRT J, JEONG J, et al. Characterizing exes-

公司高级工程师，中大 木工程 ，主要从事压缩空气储能、工程（水利、水境、洞、砂石） 信息化、岩土工程勘察设计及监控（e-maii） 491023275

vation damaged zone and stability of pressurized lined rock cav­

erns for underground compressed air energy storage [ J ]. Rock Meeh. Rock Eng. , 2217, 46( 1) : 1117-11.[22] KIM H, RUTQVIRT J, KIM H, et al. Failure monitoring and

leakage detection for underground storage of compressed air ener­gy in lined rock caverns [ J ]. Rock Meeh. Rock Eng. , 2217 &

49(2) : 573-584.[21] KIM H, RUTQVIRT J, RYU D, ei al. 2217, Exploring the

concepi of compressed air energy storage ( CAES) in lined rock

caverns at shallow depth: a modeling study of air tightness and energy balance [ J]. Applied Energy, 2217(92) : 653-362.[22]

邓锋.广东风能资源及风力发电的前景[J] •科技广场，

2211(3) : 217-217.DENG F. Guangdong wind energy resources and the prospect of wind power [ J]. Science Mosaic& 2211 (3) : 217-217.作者简介:

蒋中明（通信作者）1769-,男，重庆璧山人，长沙理工大学

水利工程 教授、 生导师。主持和 国家自然

基金（

和重点）、 技 计划

重大工程科技 44余项，其中国家级5项；主

要科研成果获省部级三等奖2项；发表

科研论文8。余篇，其中SCR EI检索

44余篇，2篇论文入选科技部“领跑者

'OO。-中国 技期刊顶尖学术论文”；授权发 利7项。 主要从事压气储能、石油与天然气等能源大 规模地下储存技术开发及安全 方面 的研究工 作（e-maii ） zzmmjiang

@163. com。@qq. com*李毅1798-,男，湖南长沙人，长沙理工大学水利学院副教授,

硕士生导师，

大学水工结构工程博士，主要从事水电与岩土工程多场多相耦合理论研究工作（e-mail） liyi0217

@163. com*项目简介：项目名称 国家自然科学基金面上项目“压气储能电站地下储气库 围岩多场耦合损伤特性及稳定性研究”（51778272）承担单位长沙理工大学项目概述针对压缩空气储能电站地下储气库围岩多场耦合损伤特 性及稳定性等科学问题，开展温度应力同步循环作用下的耦合损伤

演化特性试验研究，揭示气渗条件下的围岩渗流传热机理及多重循

环荷载作用下的累积损伤演化规律，构建地下储气库非等温非达西 渗流应力耦合损伤模型以及动态热-力学边界数学模型，进而利用

数值仿真手段揭示地下储气库围岩的多场耦合损伤特性及稳定性变 化规律，并提出储气库内压缩空气的负温形成条件与围岩负温控制

方法，为压缩空气储能电站大规模地下储气库建设与运行提供理论 和技术 持*主要创新点：①揭示空气渗流条件下裂隙岩体的渗流非同步传热机

制，建立裂隙岩体非等温渗流传热的体积对流换热模型；②探明温

度和应力协同作用下的花岗岩损伤演化机理，揭示温度和应力频繁 循环作用下的累积损伤规律，建立损伤累积数学模型；③建立包含

LTNE效应、体积换热效应、损伤累积效应的裂隙岩体非等温非达

西渗流力学损伤耦合模型，提出能反映储气库围岩和压缩空气之间

换热互馈关系的动态热力学边界处理方法。（责任编辑郑文棠）