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    國內壓縮空氣巖穴儲能應用進展報告

      【壓縮機網】近日,由湖南省工業和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會聯合主辦的主題為“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及工程應用大會召開。會議期間,組委會邀請了長沙理工大學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及其應用進展》,本文節選了部分主要發言內容,希望對行業從業者有所助益。

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

      壓縮空氣儲能技術是非常復雜的一個技術,儲氣裝置是其中的核心技術之一。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,在電能富余的時候用電能去驅動空壓機,將空氣壓縮成高壓的狀態并存儲在儲氣裝置里面,在需要用電的時候把它釋放出來,驅動透平機進而發電的一種技術。壓縮空氣儲能技術發電的過程和火電廠的發電比較類似,但是由于它使用的介質不同、技術路線也不同,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的六大優點: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的水平,目前國內壓縮空氣儲能設備的單機已經做到了30萬千瓦,與我們許多火電廠發電機的機組裝機規?;臼窍喈數牧?。二是經濟比較好。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。六是環保性好,因為在整個發電的過程當中它用的是空氣,而這個空氣在進行發電之前都需要經過除塵和除濕的,所以發完電以后的空氣,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必須要解決兩大關鍵技術問題:

      一是地面的設備及工藝集成技術。要發電就必須要有相應的發電設備。目前,國內的清華大學、中科院熱物理所、南方電網以及其他很多高校在壓縮空氣儲能技術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的進展。國內許許多多的大型設備生產廠家也加入了這個行業來。到目前為止,國內在壓縮空氣儲能的發電設備及系統集成技術方面應該說已經攻克了難關,設備制造已經實現了國產化,為壓縮空氣儲能技術的大規模示范推廣應用奠定了基礎,這是第一個關鍵技術。

      二是與地面設備配套進行能量存儲的另一個關鍵技術--儲氣技術。儲氣技術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,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濟問題。從我們所收集到的資料來看,國內外已經商業化和已經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方甚至上百萬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方,造價比地下儲氣庫要貴兩倍甚至三倍不止,所以發展經濟高效的地下儲氣庫是壓縮空氣儲能電站技術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沒有這樣的地質條件。所以人造巖穴儲氣庫是國內外很多高?;蛘咂髽I目前在開發的新技術。

      人造巖穴儲氣庫在建設過程當中有幾大關鍵技術值得關注:一是溫控技術,溫控技術跟壓縮空氣的熱動力過程是密切相關的。地下儲氣庫在進行壓縮的時候會出現非常高的溫度,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,這也是最關鍵的技術之一。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,要設置一個人工的密封層。如何保障人工密封結構的長期有效性是目前國內外應該關注的重點。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,但如何設計和建設壓縮空氣儲能的地下儲氣庫沒有相關的設計規程規范,這就導致了地下儲氣庫裝置在設計中缺乏參考依據。因此,還需要所有關注壓縮空氣儲能技術的人員或者從業人員盡快開展設計理論和設計規范的研究,從而為這項技術得到更好推廣應用提供技術支持。

      在地下儲氣庫的核心技術當中,高壓氣體的密封技術是其中的瓶頸技術。為什么我在這里講瓶頸技術?不是說它封不住,關鍵是經濟性要合理。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向地下。目前地下高壓氣體密封技術分兩類,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。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,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受壓的結構,從而充分利用混凝土的抗壓性能,進而大幅度節省工程造價。對于柔性密封結構來講,除了襯砌結構以外,還有一個關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,可以和圍巖產生很好的協調變形,但是它的滲透性又非常低,比混凝土要低幾個數量級,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鍵技術,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行選址,要遵循安全可靠,技術可行,經濟合理,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、電網側和用戶側儲能電站,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,也就是巖體的力學特性好壞是能否進行成功選址的關鍵。 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,首先要對儲氣庫進行初步的平面布置,在這個基礎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。在這個基礎之上,我們要確定一個合適的埋深。儲氣庫的埋深事關兩個方面,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,又不經濟,所以在進行設計的時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就是要保證安全性,工程建設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定性、局部穩定性以及長期的穩定性,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。再是要提供一套經濟的、技術可行的密封方案,這個密封方案的形式很多,這里還提了一個水幕系統,國外曾經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。但是從目前國內外的情況來看,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、設計方法相對來說比較成熟。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方面,一個是要排儲氣庫內部的水分,另外一個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過長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,但是對我們工程來講也是特別關鍵的一個步驟。 設計監控措施。任何工程我們都需要知道它的健康狀態,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。整個監測體系可以保證儲氣庫在運行過程當中能夠以健康的姿態來進行工作。最后一個是運行方式。地下儲氣庫的運行方式跟地表設備的運行方式是關聯的。地下儲氣庫在運行過程當中可能會出現超過100度的高溫情況,也可能出現低于0度的情況。這兩種情況實際上都跟電站的運行方式有關,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講溫度問題可能不大,對于大規模地下儲氣庫來講,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。上述問題解決好了,才能夠把我們的壓縮空氣儲氣裝置設計好,從而為整個壓縮空氣儲能系統的正常運行提供一個保障。

      關于人造巖穴儲氣庫的工程在我們國內應用的情況,我這里簡單的列了幾個,目前應該有十幾個電站,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,中能建跟湖南湘鄉簽了一個戰略合作協議,準備投資72個億,建設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的日臻完善,它的應用前景會越來越廣泛。

      我的報告就到此結束,敬請各位來賓和各位專家批評指正。

    來源:本站原創

    標簽: 巖穴儲能進展  

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