Research Status and Prospect of Underground Artificial Rock Caverns for Compressed Air Energy Storage

压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是1种可大规模储存电力能源的技术，主要包括发电机、压缩机、燃烧室、储气室、膨胀机和电动机等关键部件，分为储能与释能两个过程^[1-2]。储能过程，利用电力驱动压缩机压缩空气，将高压空气存储于储气室中；释能过程，储气室中的高压空气驱动膨胀机做功进行发电^[3]。压缩空气储能目前仍属于1种新型储能技术，据中关村储能产业技术联盟（CNESA）统计^[4]，截至2021年底，压缩空气储能在全球新型储能装机规模中的占比为2.3%，压缩空气占中国新型储能累计装机占比为3.2%。相比于传统的抽水蓄能技术，压缩空气储能具有单位造价低，装机规模大，选址受限较小，建设周期短，对环境影响小等优点，是仅次于抽水蓄能电站具有大规模推广应用前景的储能技术。

储气装置做为压缩空气储能电站的重要组成部分，不仅是保证系统安全、稳定运行的关键环节，也是影响电站经济性的重要因素。根据应用场景的不同，储气装置可分为地下式、地上式和水下式^[5]。小规模压气储能电站可采用地上式钢制储罐作为储气装置，对于大规模压气储能电站，储气所需空间可达十万甚至百万立方米级别，若采用地上式储气罐，占地过大且成本过高，储气装置则宜采用地下式^[6-7]。地下储气装置主要可利用已开采的地质洞穴、天然形成的含水岩层、已开采或专门挖掘的盐溶洞^[8-9]、在坚硬岩石中人工挖掘的地下洞穴等结构^[10]。目前国内外已建的压气储能电站多利用天然的地质构造，但这些地质构造往往可遇而不可求，这使得电站项目的选址和大规模建设受到很大的制约。对于有建设需求但无盐岩、咸水层、废弃矿坑^[11]等特殊地质条件的地区，在坚硬岩石中人工开挖地下洞室作为地下储气库成为1条重要的途径。若该技术发展成熟，可实现大规模压缩气体储能电站的建设，从而为我国新型电力系统的构建提供强大的保障^[12]。

自20世纪80年代中期以来，有衬砌岩石硐室（Lined Rock Cavern，LRC）概念在瑞典兴起，并于2002年建成了用于高压下天然气储存的LRC试验储气库。气库埋深115 m，洞室容积4万m³，最高内压在20~25 MPa之间。储气库形式为垂直的圆柱体，高52 m，直径36 m，顶部为半球形，底部为弧形，采用混凝土衬砌，人工爆破开挖，洞室周围岩体主要为片麻岩^[13]，如图1所示。与压缩空气储能电站储气库相比天然气储气库充放气频率较低。

Figure 1.  Layout of gas storage cavern and access tunnels at the Sweden LRC demo plant^[13]

日本于2001年建成了上砂川盯压缩空气储能示范项目^[14]，输出功率为4 MW。储气库利用废弃的煤矿巷道，巷道直径6 m，长57 m，埋450 m，容积约1 600 m³，最大内压8 MPa，隧道内衬为0.7 m厚的混凝土。衬砌为分块式混凝土预制块，混凝土块之间设置接缝填充物，分块式混凝土层外侧为回填混凝土层，内衬由3层3 mm厚的丁基橡胶和尼龙加强网组成。此外，日本还在神冈进行了采用水幕密封无衬砌洞室的示范研究项目^[15]。

韩国在2011年建设了1个100 m深的CAES电站试验储气库，如图2所示，洞室围岩岩性主要为灰岩，储气库为圆柱形隧洞式，内径5 m，洞室运行期内压力范围为5~8 MPa，采用混凝土衬砌，两条洞室分别采用丁基橡胶板和300 mm厚钢板密封，该研究项目探寻了在相对较浅的深度采用混凝土内衬洞室的可能性^[16]。

Figure 2.  Layout of test gas storage in South Korea

美国也对硬岩洞室储气的可行性进行了较多的研究与尝试。于1981年启动了Soyland压气储能项目，拟利用硬岩洞室作为储气构造物。洞室位于埋深600 m的硬质白云岩中，洞室容积24.5万m³，由一系列平行隧洞组成，全长1 830 m，计划储存压力5.86 MPa。该项目最终因选址区岩性不合适及电力需求下降而取消。

国内曾有机构开展了压缩空气储能电站相关的国家课题研究，拟于内蒙古自治区建设示范项目，地下洞室容积10万m³，最高内压10 MPa，但因经济性等原因尚未开展建设^[17]。

为了验证浅埋地下储气库的可行性，国内某研究团队在平江抽水蓄能电站某条位于花岗岩地层的勘探平硐中建造了一座浅埋硬岩试验库。试验库埋深110 m，净空容积28.8 m³，在设计压力为10 MPa的条件下，进行了几次完整的压缩空气充放循环试验。研究了长期高压循环储气条件下围岩结构的安全性和密封材料的密封性能^[18]。

我国目前已投入运行的CAES电站多采用盐穴储气库，尚无利用人工开挖地下洞室作为储气库的压缩空气储能电站投入运行。

各个项目人工地下洞室概况汇总如表1所示。

不同于天然气储气库及水电输水隧洞等常规人工洞室，压缩空气储能电站是通过不断循环充放气来进行储能调峰，利用低谷电能将空气压缩到储气库，用电高峰时再释放压缩空气发电，从而实现电网削峰填谷调节能力和新能源消纳能力。快速的压缩和减压循环可能导致显著的温度波动，因此储气库内气体的温度和压力处于相互影响、循环变动的状态，衬砌及围岩承受循环气压与温度荷载的双重作用^[19-20]。且在电站运行期间，压力循环的次数很高，天然气储存通常每年1个循环，在某些情况下，每年预计20个循环^[21]，而CAES电站可以按日循环运行，即每年365个循环，在电站50 a的使用寿命中，总循环次数接近2万次。

CAES电站地下储气库的密封性也是其成败的关键，密封层主要有钢衬密封层及高分子材料密封层两大类。在电站运行期间密封材料也会受温度和压力循环变化所产生的疲劳效应的影响，密封层自身的应力应变以及随围岩的协调变形都需要进一步研究。国外对于密封材料的研究报道比较有限，国内学者对于不同材料的力学性能及耐久性进行了一些初步的探索。

在水利水电工程领域，一般认为超过150 m水头的引水隧洞即为高压引水隧洞，而压缩空气储能储气库运行期间内压高达10 MPa及以上，相当于1 000 m及以上的水头，如此高内压若按照水利水电工程引水隧洞的设计思路完全由衬砌承担，不论从经济性和技术性角度都是难以实现的，因此总结相关行业先进技术，在安全的大前提下兼顾经济性并突破创新是自主建设CAES电站地下硬岩储气库的唯一出路。

伴随着电力行业的发展和可再生能源的大规模应用，大规模长时储能技术越来越成为国家科技能源创新和产业支持的焦点，当前应用较多的主要有抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能、飞轮储能等，而压缩空气储能是目前唯一能与抽水蓄能相媲美的大规模长时物理储能技术，对解决风能、光能等可再生能源的间歇性和不稳定性问题具有重要意义。

目前世界范围内已经建造的CAES电站储气库大部分都是在盐岩条件下建造的，少量利用已开采完的贮气和贮油的地质洞穴或废弃采矿巷道^[22]，盐穴、矿洞经过勘探后可直接用于储存压缩气体，盐穴、废弃矿坑等天然地质构造储气规模大、开发成本低，然而依赖于特殊地质和地理条件；金属材料储气装置密封性好、能够灵活安装布置，但储气规模较小，对于装机规模较大的压缩空气储能系统，地面储罐存储成本高昂，且占地面积极大。人工开挖的地下洞室具有广泛的场地选择空间，许多国内外的技术团队已经对人工硬岩洞室作为压缩空气储能电站的储气装置进行了较多的研究和尝试^[23-25]，因此积极研究开发人工地下洞室等新型储气形式，摆脱压缩空气储能系统对地理条件的依赖，促进其大规模推广应用势在必行，且挖掘新的人工地下洞室为压缩空气储能电站选址靠近风能和太阳能等能源中心、统筹汇集送端新能源电力、优化配套储能规模、减少输电线路建设成本等提供了更多的可能性^[26-27]。大规模地下人工储气洞室势将成为长时压缩空气储能电站的核心装置。

人工地下储气库是压气储能电站的重要组成部分，且投资占比较大，厂址的地层条件直接影响到人工洞室的结构设计从而影响到电站建设的经济性和可行性。理论上讲，陆地上的任何地方都可以建设地下储气库，但兼顾建设技术可行性和经济性的条件下，适合建设压气储能电站的区域及地层是有限的，这也是大规模压缩空气储能电站发展缓慢的主要原因之一。通过何种标准筛选出满足建库要求的厂址范围，如何对拟选厂址建库的适宜性进行判别成为电站建设的首要环节及关键问题。

目前国内业界采用的储气库结构形式多参照瑞典于20世纪90年代提出的LRC典型断面^[13]，即由储气库内腔向外依次为钢衬（密封层）、滑动层、混凝土衬砌层、钢筋网、排水系统、围岩，如图3所示。且近年来已基本达成普遍共识，即基于水电站高压引水隧洞中围岩承担绝大部分内压的设计理念^[28-30]，围岩是承载内压的主体，衬砌只承担小部分内压，其主要作用是密封和传递荷载。因此提高衬砌厚度或提高混凝土衬砌中钢筋的用量对于提高衬砌的承载能力意义不大^[31]。混凝土衬砌裂缝不可避免地会产生，因此钢筋网片的作用主要为避免混凝土衬砌产生贯穿性裂缝，同时限制裂缝宽度的开展，从而保证衬砌的完整性。滑动层主要作用是减小钢衬（密封层）与围岩之间的摩擦，同时为钢衬（密封层）提供防腐保护。排水系统的主要作用是降低外水压力，有利于钢衬（密封层）在检修工况下的抗外压稳定。

Figure 3.  Schematic diagram of sectional structure of CAES gas storage ^[32]

隧洞式和大罐式是目前储气库两大主流结构类型。隧洞式储气库由1条或多条相互平行的隧洞组成，大罐式储气库形似LRC储气库，拱顶和底部呈半球形，中部为圆柱体，两种结构形式各有利弊：隧洞式储气库施工技术较为成熟，施工交通洞洞线短，施工进度及施工质量较易把控，但地下部分占地较大，且主体储气库部分衬砌材料用量及洞室开挖工程量相对较大；大罐式储气库施工难度较大，施工交通洞洞线长，施工进度及施工质量较难把控，但地下部分占地小，且主体储气库部分衬砌材料用量及洞室开挖工程量相对较小。国内有学者^[33-35]已经针对不同结构形式储气库对于上覆岩体的稳定性及洞周应变分析的影响开展了相关研究并取得了初步的研究成果，但对两种结构形式的设计可靠性及工程经济性的综合性分析比较成果仍较少。

由于洞室埋深越大，洞室区的地应力越大，相同内压对围岩的损伤作用越小，因此洞库埋深的增加有助于减小围岩在运行过程中的损伤程度^[36]。但另一方面，储气库埋深越大，造价越高，因此需要兼顾工程安全与经济性，寻找科学的平衡点。水利水电工程领域主要采用挪威准则（上抬准则）和最小地应力准则（水力劈裂准则）来确定高压引水隧洞的埋深和线路。挪威准则是经验准则，其原理是要求隧洞上覆岩体重量不小于洞内水压力^[30]；最小地应力准则是建立在“岩体在地应力场中存在预应力”的基础上的，由于水工隧洞主要依靠围压防止渗漏水，对于高压引水隧洞，围岩在承担大部分内水压力的同时还应保证防渗效果，因此高压隧洞以3次应力场不出现拉应力为设计准则，以防止水力劈裂及产生大量漏水。而压气储能洞室采用内衬密封，若依然按照以上两个准则控制洞室埋深，计算结果会偏于保守，经济性会较差，因此需要考虑适当突破传统水工引水隧洞的埋深设计准则，探索新的设计理念与方法以兼顾安全性与经济性。

CAES系统将多余的能量以高压空气的形式存放在地下洞室中，若高压空气发生泄露，储存的能量就会损失，因此保证洞室的密封性也是成败的关键。密封层材料及其空气渗透计算理论不成熟也是制约人工内衬洞室发展的主要因素之一^[37]。密封材料主要有钢材及高分子材料两大类。最早的天然气储气库采用钢衬作为密封层，但天然气储气库与CAES系统洞室运行条件有很大差异，虽然钢衬作为密封层被认为材料本身不透气，但在频繁的充放气循条件下其自身的力学特性能否满足要求仍有待进一步研究；且大规模高压地下洞室钢材的用量会提高电站的建设成本，影响电站项目的经济性。采用何种设计准则来解决钢衬外压失稳的问题及长期抗疲劳性能的问题，直接决定了工程的安全与效益。和钢衬密封层相比，高分子材料密封层具有可变形性大、成本低等优势，但高分子材料是透气材料，根据Allen等^[38]的研究，每天2%的空气泄漏率就能造成他所研究的储气库1 a上百万的经济损失，因此，高分子材料的渗透系数取值、气库运行时高分子材料密封层的空气泄漏量及其主要影响因素、密封层的受力状态等都是需要重点关注的问题。

针对地下人工洞室选址的问题目前国内业界学者已基本达成共识，即选择花岗岩、玄武岩、大理岩等岩石强度高、变形模量大的硬岩地层广泛分布的区域建设储气库对于结构安全性及工程经济性是有利的。在区域地质图中选择单轴饱和抗压强度R_c>60 MPa的坚硬岩区域作为人工洞室选址的主要目标区，在此基础上，地层构造简单、岩层厚度大且产状平缓、构造裂隙间距大、组数少的地区更优。岩溶发育、存在有害气体或有地热异常的地层分布的区域、存在区域性断裂带的地区、节理裂隙发育的地区是选址时应规避的不利因素，应考虑避开大型断裂带5 km以上，避开实测断层和性质不明的推测断层200 m以上^[39]，且拟建储气库区域地震烈度不宜大于8°。

此外，交通运输方便，整体地势平坦，地形坡角小于15°的区域更有利于洞室的布置及施工组织。储气库所在区域的水文地条件也应给予足够的重视，由于检修期间钢板衬砌的稳定性由外压控制，且地势平坦的地区地下水降排水问题较难解决，因此对于有衬砌内衬洞室，选择地下水相对贫乏的地区对结构安全性及项目经济性更有利。

另有学者提出了层次分析法，利用两两比较判断矩阵得到各个指标的权重值，形成了硬岩储气洞室选址综合评价体系^[40]。地下人工洞室选址关键因素汇总如表2所示。

Zimmels等^[25]使用FLAC软件对圆形断面隧洞式储气洞室在不同水平构造应力、不同内压（4~8 MPa）及不同洞室间距工况下围岩的塑性区进行了探讨，储气库系统由一系列相互平行的圆形断面隧洞组成，探究了保证合适的洞室间距的条件下采用圆形断面隧洞群作为人工地下储气库的可行性。

夏才初等^{[32, 34]}采用Abaqus有限元软件对隧洞式和大罐式两种洞室形式及不同断面形式的隧洞式（包括马蹄形及圆形断面）储气库的围岩稳定性及密封性进行了研究，并从塑性区和洞周应变两个方面进行了对比分析，其中塑性区能较好地反映围岩受力的危险区域，洞周应变量是密封材料选择的基础数据。研究结果表明各洞型洞室在一定的支护措施下都具有可行性，从衬砌受力及洞周应变的角度比较，同样埋深条件下，圆形断面隧洞式洞室及大罐式洞室更优，且在所有模型中，大罐式洞室的最大洞周应变最小。对于圆形断面隧洞式洞室，同样埋深条件下，改变洞径对开挖及充气引起的围岩塑性区的范围影响不大，主要体现在对洞周应变的影响，洞径越大，最大洞周应变越大。

蒋中明等^{[36, 41]}采用FLAC3D软件，结合二次开发的FISH累积损伤模型对斜墙式、直墙式、罐式截面等不同断面形式隧洞式储气库的围岩损伤特性进行了研究，斜墙式和直墙式顶拱均为圆弧，底部为平滑曲线，侧墙分别为斜式和直立式，罐式截面顶拱和底部均为圆弧，侧墙为直立式。研究结论表明罐式截面储气库围岩竖直方向的损伤深度以及损伤区内损伤程度大于斜墙式与直墙式，并在隧道式洞型选择上推荐了斜墙式洞型。

Kim等^[42]曾给出1个简单的抗抬破坏计算模型来探讨储气库的埋深（如图4所示）。他们假设岩体破坏路径是竖直延伸至地表的，且岩体服从线性Mohr-Coulomb准则，当总的上抬力超过洞室上覆岩体重量W与破坏面处抗剪力之和时，地面隆起发生。总上抬力由硐室内压P和地下水对储气库硐室及覆盖岩体的浮力F_b组成。破坏面上的抗剪力被认为是由黏聚力和摩擦角提供的阻力之和。在设计压气储能地下硐室时，总向下力与总向上抬升力之比应大于规定的安全系数。但其计算模型并没有充分考虑岩体的实际破坏路径的影响。

Figure 4.  Conceptual model of overlying rock mass resistance to uplift in gas storage

抗拔锚板由于其方便、实用和经济等特点被广泛应用于输电线路杆塔、电视通讯塔等高耸结构和其他承受上拔荷载作用的建筑结构中。匡根林等^[43]尝试利用成熟的锚板抗拔承载力理论，对地下高压储气洞室岩石覆盖最小厚度的计算进行了初步的尝试和探讨（如图5所示）。其假定储气洞室上部围岩破坏形式为斜面破坏，破坏面与竖直面间的夹角为θ，但该理论仅考虑顶部岩石的重量是唯一抵抗地下压力洞室内部高压的作用力，没有考虑岩石沿着破裂面摩擦阻力，计算结果偏于保守。

Figure 5.  Stress diagram of the gas storage

徐英俊等^[44-45]在考虑岩体服从Hoek-Brown强度准则的基础上，从极限分析的上限定理出发，推导了压气储能洞室在高气压作用下的隆起破坏曲线函数f（x），并给出了如图6所示的二维平面受力模型。推导过程综合考虑了岩体强度参数和破坏模式的影响。在已知破坏函数曲线f（x）表达式的基础上，可以求出按上限定理确定的极限内压p_u，并认为洞室内的最大运行压力p不能超过洞室所能承受的极限内压p_u，否则洞室有出现上抬破坏的风险。该准则全面考虑了岩体强度参数和破坏模式的影响，洞室的抗隆起稳定性安全系数计算结果更大，所需的最小岩体覆盖厚度也更小。

Figure 6.  Uplift failure pattern of the CAES gas storage

早期的储气库密封层多采用钢板衬砌^[46-47]，近年来，随着CAES电站规模的不断增大，日本、韩国及国内的学者都在尝试用高分子材料或低渗透混凝土替代钢衬作为密封层。

日本CAES示范项目^[48-49]报道的泄漏试验（关井试验）结果显示，尽管储气库布设在埋深450 m的硬质岩石中，并设置了合成橡胶密封层及混凝土衬砌，仍观察到一些空气损失，每日泄漏量达0.2%。

韩国学者^[21]采用TOUGH-FLAC模拟器对CAES洞室进行了热力和地质力学耦合数值模拟，对采用低渗透混凝土代替钢衬和有机材料密封的可行性进行了探究，研究结果显示仅采用低渗透混凝土作为密封层而不设置钢板或有机材料密封层时，储气库每日空气泄露约为0.03%，基本可以忽略不计。

国内学者^[50-51]提出了压气储能内衬洞室的多场耦合控制方程，用德国Huntorf电站和日本北海道洞室的已有现场实测数据对方程进行了验证。并对丁基橡胶（IIR）、三元乙丙橡胶（EPDM）、天然橡胶（NR）和玻璃钢（FRP）等4种高分子材料的气密性与力学特性进行了计算分析，结果表明，在典型运营工况下，4种高分子材料均可以满足压气储能洞室的气密性和力学特性要求，其中丁基橡胶和玻璃钢推荐作为可优先选择的密封层材料。

本文对压缩空气储能人工地下洞室国内外研究现状进行了简要介绍，基本理清了压气储能人工地下洞室建设及设计过程中需要重点关注的问题，笔者认为以下几个方面仍需开展进一步的研究工作：

1)大罐式和隧洞式储气洞室从结构安全角度均具备可实施性，从工程经济性角度孰优孰劣尚无定论。

2）众多学者对不同材料的密封层进行了探究，对成本较低的高分子密封层及低渗透混凝土密封层进行了初步的讨论，但目前的研究成果多为有限元分析计算，且对于高分子材料，考虑混凝土衬砌开裂等缺陷引起的局部破坏问题仍值得关注，而随着压气储能电站规模的日趋增大，储气库运行期内压已突破10 MPa达到18 MPa甚至更高，仅采用低渗透混凝土作为密封层的可靠性有待进一步研究。

3）洞室的埋深直接影响到气库的安全性及经济性，行业内尚缺乏1套成熟的设计理论及设计方法，且也无相关国家标准或行业规范可依，如何实现结构安全可靠性及工程经济性的平衡仍是该领域亟待解决的问题。

此外，目前相关研究多处于起步研究阶段以及试验示范阶段，实测数据仍然较少，理论成果缺少气库运行期间实测数据的验证。希望本文可以为该领域今后的研究工作提供思路与方向。