中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種可大規(guī)模儲(chǔ)存電力能源的技術(shù)，主要包括發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、燃燒室、儲(chǔ)氣室、膨脹機(jī)和電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件，分為儲(chǔ)能與釋能兩個(gè)過(guò)程。儲(chǔ)能過(guò)程，利用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，將高壓空氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室中；釋能過(guò)程，儲(chǔ)氣室中的高壓空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功進(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能目前仍屬于一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，壓縮空氣儲(chǔ)能在全球新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中的占比為2.3%，壓縮空氣占中國(guó)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)占比為3.2%。相比于傳統(tǒng)的抽水蓄能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能具有單位造價(jià)低，裝機(jī)規(guī)模大，選址受限較小，建設(shè)周期短，對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是僅次于抽水蓄能電站具有大規(guī)模推廣應(yīng)用前景的儲(chǔ)能技術(shù)。
儲(chǔ)氣裝置作為壓縮空氣儲(chǔ)能電站的重要組成部分，不僅是保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響電站經(jīng)濟(jì)性的重要因素。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，儲(chǔ)氣裝置可分為地下式、地上式和水下式。小規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站可采用地上式鋼制儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)氣裝置，對(duì)于大規(guī)模壓氣儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)氣所需空間可達(dá)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)立方米級(jí)別，若采用地上式儲(chǔ)氣罐，占地過(guò)大且成本過(guò)高，儲(chǔ)氣裝置則宜采用地下式。地下儲(chǔ)氣裝置主要可利用已開(kāi)采的地質(zhì)洞穴、天然形成的含水巖層、已開(kāi)采或?qū)ｉT(mén)挖掘的鹽溶洞、在堅(jiān)硬巖石中人工挖掘的地下洞穴等結(jié)構(gòu)[10]。目前國(guó)內(nèi)外已建的壓氣儲(chǔ)能電站多利用天然的地質(zhì)構(gòu)造，但這些地質(zhì)構(gòu)造往往可遇而不可求，這使得電站項(xiàng)目的選址和大規(guī)模建設(shè)受到很大的制約。對(duì)于有建設(shè)需求但無(wú)鹽巖、咸水層、廢棄礦坑等特殊地質(zhì)條件的地區(qū)，在堅(jiān)硬巖石中人工開(kāi)挖地下洞室作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)成為一條重要的途徑。若該技術(shù)發(fā)展成熟，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模壓縮氣體儲(chǔ)能電站的建設(shè)，從而為我國(guó)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供強(qiáng)大的保障。
１國(guó)內(nèi)外CAES地下人工洞室建設(shè)現(xiàn)狀
1.1 國(guó)外建設(shè)現(xiàn)狀
1.1.1 瑞典Skallen試驗(yàn)儲(chǔ)氣庫(kù)
自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，有襯砌巖石硐室（Lined Rock Cavern，LRC）概念在瑞典興起，并于2002年建成了用于高壓下天然氣儲(chǔ)存的LRC試驗(yàn)儲(chǔ)氣庫(kù)。氣庫(kù)埋深115m，洞室容積4萬(wàn)m3，最高內(nèi)壓在20~25MPa之間。儲(chǔ)氣庫(kù)形式為垂直的圓柱體，高52m，直徑36m，頂部為半球形，底部為弧形，采用混凝土襯砌，人工爆破開(kāi)挖，洞室周圍巖體主要為片麻巖[13]，如圖1所示。與壓縮空氣儲(chǔ)能電站儲(chǔ)氣庫(kù)相比天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)充放氣頻率較低。
1.1.2 日本CAES電站
日本于2001年建成了上砂川盯壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目[14]，輸出功率為4 MW。儲(chǔ)氣庫(kù)利用廢棄的煤礦巷道，巷道直徑6 m，長(zhǎng)57 m，埋450 m，容積約1600m3，最大內(nèi)壓8MPa，隧道內(nèi)襯為0.7 m厚的混凝土。襯砌為分塊式混凝土預(yù)制塊，混凝土塊之間設(shè)置接縫填充物，分塊式混凝土層外側(cè)為回填混凝土層，內(nèi)襯由3層3 mm厚的丁基橡膠和尼龍加強(qiáng)網(wǎng)組成。此外，日本還在神岡進(jìn)行了采用水幕密封無(wú)襯砌洞室的示范研究項(xiàng)目[。
1.1.3 韓國(guó)CAES電站試點(diǎn)項(xiàng)目
韓國(guó)在2011年建設(shè)了1個(gè)100 m深的CAES電站試驗(yàn)儲(chǔ)氣庫(kù)，如圖2所示，洞室圍巖巖性主要為灰?guī)r，儲(chǔ)氣庫(kù)為圓柱形隧洞式，內(nèi)徑5 m，洞室運(yùn)行期內(nèi)壓力范圍為5~8 MPa，采用混凝土襯砌，兩條洞室分別采用丁基橡膠板和300 mm厚鋼板密封，該研究項(xiàng)目探尋了在相對(duì)較淺的深度采用混凝土內(nèi)襯洞室的可能性。
1.1.4 美國(guó)Soyland壓氣儲(chǔ)能項(xiàng)目
美國(guó)也對(duì)硬巖洞室儲(chǔ)氣的可行性進(jìn)行了較多的研究與嘗試。于1981年啟動(dòng)了Soyland壓氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，擬利用硬巖洞室作為儲(chǔ)氣構(gòu)造物。洞室位于埋深600 m的硬質(zhì)白云巖中，洞室容積24.5萬(wàn)m3，由一系列平行隧洞組成，全長(zhǎng)1 830 m，計(jì)劃儲(chǔ)存壓力5.86 MPa。該項(xiàng)目最終因選址區(qū)巖性不合適及電力需求下降而取消。
1.2 國(guó)內(nèi)建設(shè)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)曾有機(jī)構(gòu)開(kāi)展了壓縮空氣儲(chǔ)能電站相關(guān)的國(guó)家課題研究，擬于內(nèi)蒙古自治區(qū)建設(shè)示范項(xiàng)目，地下洞室容積10萬(wàn)m3，最高內(nèi)壓10 MPa，但因經(jīng)濟(jì)性等原因尚未開(kāi)展建設(shè)。
為了驗(yàn)證淺埋地下儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性，國(guó)內(nèi)某研究團(tuán)隊(duì)在平江抽水蓄能電站某條位于花崗巖地層的勘探平硐中建造了一座淺埋硬巖試驗(yàn)庫(kù)。試驗(yàn)庫(kù)埋深110 m，凈空容積28.8 m3，在設(shè)計(jì)壓力為10 MPa的條件下，進(jìn)行了幾次完整的壓縮空氣充放循環(huán)試驗(yàn)。研究了長(zhǎng)期高壓循環(huán)儲(chǔ)氣條件下圍巖結(jié)構(gòu)的安全性和密封材料的密封性能[18]。
我國(guó)目前已投入運(yùn)行的CAES電站多采用鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，尚無(wú)利用人工開(kāi)挖地下洞室作為儲(chǔ)氣庫(kù)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站投入運(yùn)行。
各個(gè)項(xiàng)目人工地下洞室概況匯總?cè)绫?所示。
2 CAES地下人工洞室特點(diǎn)及應(yīng)用前景
2.1 CAES地下人工洞室特點(diǎn)
不同于天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)及水電輸水隧洞等常規(guī)人工洞室，壓縮空氣儲(chǔ)能電站是通過(guò)不斷循環(huán)充放氣來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能調(diào)峰，利用低谷電能將空氣壓縮到儲(chǔ)氣庫(kù)，用電高峰時(shí)再釋放壓縮空氣發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷調(diào)節(jié)能力和新能源消納能力?？焖俚膲嚎s和減壓循環(huán)可能導(dǎo)致顯著的溫度波動(dòng)，因此儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)氣體的溫度和壓力處于相互影響、循環(huán)變動(dòng)的狀態(tài)，襯砌及圍巖承受循環(huán)氣壓與溫度荷載的雙重作用[19-20]。且在電站運(yùn)行期間，壓力循環(huán)的次數(shù)很高，天然氣儲(chǔ)存通常每年1個(gè)循環(huán)，在某些情況下，每年預(yù)計(jì)20個(gè)循環(huán)[21]，而CAES電站可以按日循環(huán)運(yùn)行，即每年365個(gè)循環(huán)，在電站50 a的使用壽命中，總循環(huán)次數(shù)接近2萬(wàn)次。
CAES電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)的密封性也是其成敗的關(guān)鍵，密封層主要有鋼襯密封層及高分子材料密封層兩大類。在電站運(yùn)行期間密封材料也會(huì)受溫度和壓力循環(huán)變化所產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)的影響，密封層自身的應(yīng)力應(yīng)變以及隨圍巖的協(xié)調(diào)變形都需要進(jìn)一步研究。國(guó)外對(duì)于密封材料的研究報(bào)道比較有限，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于不同材料的力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行了一些初步的探索。
在水利水電工程領(lǐng)域，一般認(rèn)為超過(guò)150 m水頭的引水隧洞即為高壓引水隧洞，而壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間內(nèi)壓高達(dá)10 MPa及以上，相當(dāng)于1 000 m及以上的水頭，如此高內(nèi)壓若按照水利水電工程引水隧洞的設(shè)計(jì)思路完全由襯砌承擔(dān)，不論從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性角度都是難以實(shí)現(xiàn)的，因此總結(jié)相關(guān)行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，在安全的大前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性并突破創(chuàng)新是自主建設(shè)CAES電站地下硬巖儲(chǔ)氣庫(kù)的唯一出路。
2.2 CAES地下人工洞室應(yīng)用前景
伴隨著電力行業(yè)的發(fā)展和可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)越來(lái)越成為國(guó)家科技能源創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)，當(dāng)前應(yīng)用較多的主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等，而壓縮空氣儲(chǔ)能是目前唯一能與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)物理儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)解決風(fēng)能、光能等可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題具有重要意義。
目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)建造的CAES電站儲(chǔ)氣庫(kù)大部分都是在鹽巖條件下建造的，少量利用已開(kāi)采完的貯氣和貯油的地質(zhì)洞穴或廢棄采礦巷道[22]，鹽穴、礦洞經(jīng)過(guò)勘探后可直接用于儲(chǔ)存壓縮氣體，鹽穴、廢棄礦坑等天然地質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)氣規(guī)模大、開(kāi)發(fā)成本低，然而依賴于特殊地質(zhì)和地理?xiàng)l件；金屬材料儲(chǔ)氣裝置密封性好、能夠靈活安裝布置，但儲(chǔ)氣規(guī)模較小，對(duì)于裝機(jī)規(guī)模較大的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，地面儲(chǔ)罐存儲(chǔ)成本高昂，且占地面積極大。人工開(kāi)挖的地下洞室具有廣泛的場(chǎng)地選擇空間，許多國(guó)內(nèi)外的技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)人工硬巖洞室作為壓縮空氣儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行了較多的研究和嘗試[23-25]，因此積極研究開(kāi)發(fā)人工地下洞室等新型儲(chǔ)氣形式，擺脫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)地理?xiàng)l件的依賴，促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用勢(shì)在必行，且挖掘新的人工地下洞室為壓縮空氣儲(chǔ)能電站選址靠近風(fēng)能和太陽(yáng)能等能源中心、統(tǒng)籌匯集送端新能源電力、優(yōu)化配套儲(chǔ)能規(guī)模、減少輸電線路建設(shè)成本等提供了更多的可能性[26-27]。大規(guī)模地下人工儲(chǔ)氣洞室勢(shì)將成為長(zhǎng)時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的核心裝置。
3 CAES地下人工洞室重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容
3.1 CAES地下人工洞室選址
人工地下儲(chǔ)氣庫(kù)是壓氣儲(chǔ)能電站的重要組成部分，且投資占比較大，廠址的地層條件直接影響到人工洞室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而影響到電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。理論上講，陸地上的任何地方都可以建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)，但兼顧建設(shè)技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性的條件下，適合建設(shè)壓氣儲(chǔ)能電站的區(qū)域及地層是有限的，這也是大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能電站發(fā)展緩慢的主要原因之一。通過(guò)何種標(biāo)準(zhǔn)篩選出滿足建庫(kù)要求的廠址范圍，如何對(duì)擬選廠址建庫(kù)的適宜性進(jìn)行判別成為電站建設(shè)的首要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵問(wèn)題。
3.2 CAES地下人工洞室應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程分析
3.2.1 CAES地下人工洞室結(jié)構(gòu)形式
目前國(guó)內(nèi)業(yè)界采用的儲(chǔ)氣庫(kù)結(jié)構(gòu)形式多參照瑞典于20世紀(jì)90年代提出的LRC典型斷面[13]，即由儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)腔向外依次為鋼襯（密封層）、滑動(dòng)層、混凝土襯砌層、鋼筋網(wǎng)、排水系統(tǒng)、圍巖，如圖3所示。且近年來(lái)已基本達(dá)成普遍共識(shí)，即基于水電站高壓引水隧洞中圍巖承擔(dān)絕大部分內(nèi)壓的設(shè)計(jì)理念[28-30]，圍巖是承載內(nèi)壓的主體，襯砌只承擔(dān)小部分內(nèi)壓，其主要作用是密封和傳遞荷載。因此提高襯砌厚度或提高混凝土襯砌中鋼筋的用量對(duì)于提高襯砌的承載能力意義不大[31]。混凝土襯砌裂縫不可避免地會(huì)產(chǎn)生，因此鋼筋網(wǎng)片的作用主要為避免混凝土襯砌產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時(shí)限制裂縫寬度的開(kāi)展，從而保證襯砌的完整性?；瑒?dòng)層主要作用是減小鋼襯（密封層）與圍巖之間的摩擦，同時(shí)為鋼襯（密封層）提供防腐保護(hù)。排水系統(tǒng)的主要作用是降低外水壓力，有利于鋼襯（密封層）在檢修工況下的抗外壓穩(wěn)定。
隧洞式和大罐式是目前儲(chǔ)氣庫(kù)兩大主流結(jié)構(gòu)類型。隧洞式儲(chǔ)氣庫(kù)由1條或多條相互平行的隧洞組成，大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)形似LRC儲(chǔ)氣庫(kù)，拱頂和底部呈半球形，中部為圓柱體，兩種結(jié)構(gòu)形式各有利弊：隧洞式儲(chǔ)氣庫(kù)施工技術(shù)較為成熟，施工交通洞洞線短，施工進(jìn)度及施工質(zhì)量較易把控，但地下部分占地較大，且主體儲(chǔ)氣庫(kù)部分襯砌材料用量及洞室開(kāi)挖工程量相對(duì)較大；大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)施工難度較大，施工交通洞洞線長(zhǎng)，施工進(jìn)度及施工質(zhì)量較難把控，但地下部分占地小，且主體儲(chǔ)氣庫(kù)部分襯砌材料用量及洞室開(kāi)挖工程量相對(duì)較小。國(guó)內(nèi)有學(xué)者[33-35]已經(jīng)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)于上覆巖體的穩(wěn)定性及洞周應(yīng)變分析的影響開(kāi)展了相關(guān)研究并取得了初步的研究成果，但對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)可靠性及工程經(jīng)濟(jì)性的綜合性分析比較成果仍較少。
3.2.2 CAES地下人工洞室埋深
由于洞室埋深越大，洞室區(qū)的地應(yīng)力越大，相同內(nèi)壓對(duì)圍巖的損傷作用越小，因此洞庫(kù)埋深的增加有助于減小圍巖在運(yùn)行過(guò)程中的損傷程度[36]。但另一方面，儲(chǔ)氣庫(kù)埋深越大，造價(jià)越高，因此需要兼顧工程安全與經(jīng)濟(jì)性，尋找科學(xué)的平衡點(diǎn)。水利水電工程領(lǐng)域主要采用挪威準(zhǔn)則（上抬準(zhǔn)則）和最小地應(yīng)力準(zhǔn)則（水力劈裂準(zhǔn)則）來(lái)確定高壓引水隧洞的埋深和線路。挪威準(zhǔn)則是經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，其原理是要求隧洞上覆巖體重量不小于洞內(nèi)水壓力[30]；最小地應(yīng)力準(zhǔn)則是建立在“巖體在地應(yīng)力場(chǎng)中存在預(yù)應(yīng)力”的基礎(chǔ)上的，由于水工隧洞主要依靠圍壓防止?jié)B漏水，對(duì)于高壓引水隧洞，圍巖在承擔(dān)大部分內(nèi)水壓力的同時(shí)還應(yīng)保證防滲效果，因此高壓隧洞以3次應(yīng)力場(chǎng)不出現(xiàn)拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以防止水力劈裂及產(chǎn)生大量漏水。而壓氣儲(chǔ)能洞室采用內(nèi)襯密封，若依然按照以上兩個(gè)準(zhǔn)則控制洞室埋深，計(jì)算結(jié)果會(huì)偏于保守，經(jīng)濟(jì)性會(huì)較差，因此需要考慮適當(dāng)突破傳統(tǒng)水工引水隧洞的埋深設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，探索新的設(shè)計(jì)理念與方法以兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性。
3.3 CAES地下人工洞室密封層
CAES系統(tǒng)將多余的能量以高壓空氣的形式存放在地下洞室中，若高壓空氣發(fā)生泄露，儲(chǔ)存的能量就會(huì)損失，因此保證洞室的密封性也是成敗的關(guān)鍵。密封層材料及其空氣滲透計(jì)算理論不成熟也是制約人工內(nèi)襯洞室發(fā)展的主要因素之一[37]。密封材料主要有鋼材及高分子材料兩大類。最早的天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)采用鋼襯作為密封層，但天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)與CAES系統(tǒng)洞室運(yùn)行條件有很大差異，雖然鋼襯作為密封層被認(rèn)為材料本身不透氣，但在頻繁的充放氣循條件下其自身的力學(xué)特性能否滿足要求仍有待進(jìn)一步研究；且大規(guī)模高壓地下洞室鋼材的用量會(huì)提高電站的建設(shè)成本，影響電站項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。采用何種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)解決鋼襯外壓失穩(wěn)的問(wèn)題及長(zhǎng)期抗疲勞性能的問(wèn)題，直接決定了工程的安全與效益。和鋼襯密封層相比，高分子材料密封層具有可變形性大、成本低等優(yōu)勢(shì)，但高分子材料是透氣材料，根據(jù)Allen等[38]的研究，每天2%的空氣泄漏率就能造成他所研究的儲(chǔ)氣庫(kù)1 a上百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)損失，因此，高分子材料的滲透系數(shù)取值、氣庫(kù)運(yùn)行時(shí)高分子材料密封層的空氣泄漏量及其主要影響因素、密封層的受力狀態(tài)等都是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。
4 國(guó)內(nèi)外CAES地下人工洞室研究現(xiàn)狀
4.1 CAES地下人工洞室選址
針對(duì)地下人工洞室選址的問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)業(yè)界學(xué)者已基本達(dá)成共識(shí)，即選擇花崗巖、玄武巖、大理巖等巖石強(qiáng)度高、變形模量大的硬巖地層廣泛分布的區(qū)域建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性及工程經(jīng)濟(jì)性是有利的。在區(qū)域地質(zhì)圖中選擇單軸飽和抗壓強(qiáng)度＞60 MPa的堅(jiān)硬巖區(qū)域作為人工洞室選址的主要目標(biāo)區(qū)，在此基礎(chǔ)上，地層構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖層厚度大且產(chǎn)狀平緩、構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少的地區(qū)更優(yōu)。
巖溶發(fā)育、存在有害氣體或有地?zé)岙惓５牡貙臃植嫉膮^(qū)域、存在區(qū)域性斷裂帶的地區(qū)、節(jié)理裂隙發(fā)育的地區(qū)是選址時(shí)應(yīng)規(guī)避的不利因素，應(yīng)考慮避開(kāi)大型斷裂帶5 km以上，避開(kāi)實(shí)測(cè)斷層和性質(zhì)不明的推測(cè)斷層200 m以上[39]，且擬建儲(chǔ)氣庫(kù)區(qū)域地震烈度不宜大于8°。
此外，交通運(yùn)輸方便，整體地勢(shì)平坦，地形坡角小于15°的區(qū)域更有利于洞室的布置及施工組織。儲(chǔ)氣庫(kù)所在區(qū)域的水文地條件也應(yīng)給予足夠的重視，由于檢修期間鋼板襯砌的穩(wěn)定性由外壓控制，且地勢(shì)平坦的地區(qū)地下水降排水問(wèn)題較難解決，因此對(duì)于有襯砌內(nèi)襯洞室，選擇地下水相對(duì)貧乏的地區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性更有利。
另有學(xué)者提出了層次分析法，利用兩兩比較判斷矩陣得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，形成了硬巖儲(chǔ)氣洞室選址綜合評(píng)價(jià)體系[40]。地下人工洞室選址關(guān)鍵因素匯總?cè)绫?所示。
4.2 CAES地下人工洞室應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程分析
4.2.1 CAES地下人工洞室結(jié)構(gòu)形式
Zimmels等[25]使用FLAC軟件對(duì)圓形斷面隧洞式儲(chǔ)氣洞室在不同水平構(gòu)造應(yīng)力、不同內(nèi)壓（4~8 MPa）及不同洞室間距工況下圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行了探討，儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)由一系列相互平行的圓形斷面隧洞組成，探究了保證合適的洞室間距的條件下采用圓形斷面隧洞群作為人工地下儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性。
夏才初等[32,34]采用Abaqus有限元軟件對(duì)隧洞式和大罐式兩種洞室形式及不同斷面形式的隧洞式（包括馬蹄形及圓形斷面）儲(chǔ)氣庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性及密封性進(jìn)行了研究，并從塑性區(qū)和洞周應(yīng)變兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，其中塑性區(qū)能較好地反映圍巖受力的危險(xiǎn)區(qū)域，洞周應(yīng)變量是密封材料選擇的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明各洞型洞室在一定的支護(hù)措施下都具有可行性，從襯砌受力及洞周應(yīng)變的角度比較，同樣埋深條件下，圓形斷面隧洞式洞室及大罐式洞室更優(yōu)，且在所有模型中，大罐式洞室的最大洞周應(yīng)變最小。對(duì)于圓形斷面隧洞式洞室，同樣埋深條件下，改變洞徑對(duì)開(kāi)挖及充氣引起的圍巖塑性區(qū)的范圍影響不大，主要體現(xiàn)在對(duì)洞周應(yīng)變的影響，洞徑越大，最大洞周應(yīng)變?cè)酱蟆?
蔣中明等[36,41]采用FLAC3D軟件，結(jié)合二次開(kāi)發(fā)的FISH累積損傷模型對(duì)斜墻式、直墻式、罐式截面等不同斷面形式隧洞式儲(chǔ)氣庫(kù)的圍巖損傷特性進(jìn)行了研究，斜墻式和直墻式頂拱均為圓弧，底部為平滑曲線，側(cè)墻分別為斜式和直立式，罐式截面頂拱和底部均為圓弧，側(cè)墻為直立式。研究結(jié)論表明罐式截面儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖豎直方向的損傷深度以及損傷區(qū)內(nèi)損傷程度大于斜墻式與直墻式，并在隧道式洞型選擇上推薦了斜墻式洞型。
4.2.2 CAES地下人工洞室埋深
Kim等[42]曾給出1個(gè)簡(jiǎn)單的抗抬破壞計(jì)算模型來(lái)探討儲(chǔ)氣庫(kù)的埋深（如圖4所示）。他們假設(shè)巖體破壞路徑是豎直延伸至地表的，且?guī)r體服從線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，當(dāng)總的上抬力超過(guò)洞室上覆巖體重量W與破壞面處抗剪力之和時(shí)，地面隆起發(fā)生。
總上抬力由硐室內(nèi)壓P和地下水對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)硐室及覆蓋巖體的浮力Fb組成。破壞面上的抗剪力被認(rèn)為是由黏聚力和摩擦角提供的阻力之和。在設(shè)計(jì)壓氣儲(chǔ)能地下硐室時(shí)，總向下力與總向上抬升力之比應(yīng)大于規(guī)定的安全系數(shù)。但其計(jì)算模型并沒(méi)有充分考慮巖體的實(shí)際破壞路徑的影響。
抗拔錨板由于其方便、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于輸電線路桿塔、電視通訊塔等高聳結(jié)構(gòu)和其他承受上拔荷載作用的建筑結(jié)構(gòu)中。匡根林等[43]嘗試?yán)贸墒斓腻^板抗拔承載力理論，對(duì)地下高壓儲(chǔ)氣洞室?guī)r石覆蓋最小厚度的計(jì)算進(jìn)行了初步的嘗試和探討（如圖5所示）。其假定儲(chǔ)氣洞室上部圍巖破壞形式為斜面破壞，破壞面與豎直面間的夾角為θ，但該理論僅考慮頂部巖石的重量是唯一抵抗地下壓力洞室內(nèi)部高壓的作用力，沒(méi)有考慮巖石沿著破裂面摩擦阻力，計(jì)算結(jié)果偏于保守。
徐英俊等[44-45]在考慮巖體服從Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，從極限分析的上限定理出發(fā)，推導(dǎo)了壓氣儲(chǔ)能洞室在高氣壓作用下的隆起破壞曲線函數(shù)f（x），并給出了如圖6所示的二維平面受力模型。推導(dǎo)過(guò)程綜合考慮了巖體強(qiáng)度參數(shù)和破壞模式的影響。在已知破壞函數(shù)曲線f（x）表達(dá)式的基礎(chǔ)上，可以求出按上限定理確定的極限內(nèi)壓pu，并認(rèn)為洞室內(nèi)的最大運(yùn)行壓力p不能超過(guò)洞室所能承受的極限內(nèi)壓pu，否則洞室有出現(xiàn)上抬破壞的風(fēng)險(xiǎn)。該準(zhǔn)則全面考慮了巖體強(qiáng)度參數(shù)和破壞模式的影響，洞室的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果更大，所需的最小巖體覆蓋厚度也更小。
4.3 CAES地下人工洞室密封層
早期的儲(chǔ)氣庫(kù)密封層多采用鋼板襯砌[46-47]，近年來(lái)，隨著CAES電站規(guī)模的不斷增大，日本、韓國(guó)及國(guó)內(nèi)的學(xué)者都在嘗試用高分子材料或低滲透混凝土替代鋼襯作為密封層。
日本CAES示范項(xiàng)目[48-49]報(bào)道的泄漏試驗(yàn)（關(guān)井試驗(yàn)）結(jié)果顯示，盡管儲(chǔ)氣庫(kù)布設(shè)在埋深450 m的硬質(zhì)巖石中，并設(shè)置了合成橡膠密封層及混凝土襯砌，仍觀察到一些空氣損失，每日泄漏量達(dá)0.2%。
韓國(guó)學(xué)者[21]采用TOUGH-FLAC模擬器對(duì)CAES洞室進(jìn)行了熱力和地質(zhì)力學(xué)耦合數(shù)值模擬，對(duì)采用低滲透混凝土代替鋼襯和有機(jī)材料密封的可行性進(jìn)行了探究，研究結(jié)果顯示僅采用低滲透混凝土作為密封層而不設(shè)置鋼板或有機(jī)材料密封層時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)每日空氣泄露約為0.03%，基本可以忽略不計(jì)。
國(guó)內(nèi)學(xué)者[50-51]提出了壓氣儲(chǔ)能內(nèi)襯洞室的多場(chǎng)耦合控制方程，用德國(guó)Huntorf電站和日本北海道洞室的已有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方程進(jìn)行了驗(yàn)證。并對(duì)丁基橡膠（IIR）、三元乙丙橡膠（EPDM）、天然橡膠（NR）和玻璃鋼（FRP）等4種高分子材料的氣密性與力學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，在典型運(yùn)營(yíng)工況下，4種高分子材料均可以滿足壓氣儲(chǔ)能洞室的氣密性和力學(xué)特性要求，其中丁基橡膠和玻璃鋼推薦作為可優(yōu)先選擇的密封層材料。
5 結(jié)論
本文對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能人工地下洞室國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，基本理清了壓氣儲(chǔ)能人工地下洞室建設(shè)及設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面仍需開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作：大罐式和隧洞式儲(chǔ)氣洞室從結(jié)構(gòu)安全角度均具備可實(shí)施性，從工程經(jīng)濟(jì)性角度孰優(yōu)孰劣尚無(wú)定論；眾多學(xué)者對(duì)不同材料的密封層進(jìn)行了探究，對(duì)成本較低的高分子密封層及低滲透混凝土密封層進(jìn)行了初步的討論，但目前的研究成果多為有限元分析計(jì)算，且對(duì)于高分子材料，考慮混凝土襯砌開(kāi)裂等缺陷引起的局部破壞問(wèn)題仍值得關(guān)注，而隨著壓氣儲(chǔ)能電站規(guī)模的日趨增大，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期內(nèi)壓已突破10 MPa達(dá)到18 MPa甚至更高，僅采用低滲透混凝土作為密封層的可靠性有待進(jìn)一步研究；洞室的埋深直接影響到氣庫(kù)的安全性及經(jīng)濟(jì)性，行業(yè)內(nèi)尚缺乏1套成熟的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法，且也無(wú)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范可依，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全可靠性及工程經(jīng)濟(jì)性的平衡仍是該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題；此外，目前相關(guān)研究多處于起步研究階段以及試驗(yàn)示范階段，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍然較少，理論成果缺少氣庫(kù)運(yùn)行期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。希望本文可以為該領(lǐng)域今后的研究工作提供思路與方向。
