中國廢棄煤礦壓氣蓄能潛力與初步可行性研究

杜俊生，陳 結*，姜德義，范金洋，張傳玖，陳紫陽

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點試驗室，重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044；3.國家能源集團 神東煤炭布爾臺煤礦，鄂爾多斯 017000)

能源作為國家經濟和技術發(fā)展的重要動力，其供應需保證連續(xù)、可靠、低污染。但是，中國能源供應的特點是以化石能源為主體，能源消耗高且環(huán)境污染嚴重。特別是近年來，因化石燃料廢物排放引起的溫室效應、煙霧和霧霾等環(huán)境問題日趨嚴重，化石能源因屬于不可再生能源而最終會消耗殆盡[1–2]?？稍偕茉矗顼L能、太陽能和地熱能，作為一種可再生、可持續(xù)和環(huán)保的能源，在處理能源需求和減少環(huán)境污染方面發(fā)揮著重要作用[3–4]。因此，加快可再生清潔能源的發(fā)展，減少對化石能源的依賴已成為中國能源結構轉型的首要目標，也是解決能源需求、生態(tài)環(huán)境問題及應對氣候變化的重要舉措[5–6]。

可再生能源開發(fā)作為能源的重要發(fā)展方向，中國提出2050年底非化石能源一次能源消費占比增至50%的能源發(fā)展戰(zhàn)略目標。2007年，中國化石能源及非化石能源一次能源消費占比分別為92.7%、7.3%，至2019年底，化石能源、非化石能源一次能源消費占比分別為84.7、15.3%，非化石能源一次能源消費占比提升了8個百分點，預測2030年底、2050年底非化石能源一次能源消費占比分別上升至20%、50%。

目前，風能、太陽能等可再生能源受到廣泛關注，已成為中國清潔能源開發(fā)利用的主力。但是，由于可再生能源的風力和光照強度自身的隨機性、波動性、間歇性及地理條件的特殊性，使其出力曲線產生的反調峰特性制約了新能源的并網容量，影響了發(fā)電的穩(wěn)定性和連續(xù)性，甚至還可能無法并網發(fā)電[7–8]。為了提高可再生能源發(fā)電的利用率，儲能技術的開發(fā)和利用顯得尤為重要。近年來，儲能技術因其降低能耗、成本和具有替代其他能源進行能源轉型的可能性而獲得了研究人員和政策制定者的極大關注[9–10]。

在發(fā)展形成的眾多儲能技術中，目前應用最為廣泛的是壓縮空氣蓄能（compressed air energy storage，CAES）技術和抽水蓄能（pumped hudroelectric storage，PHS）技術，其能夠實現(xiàn)與電網匹配，可長期、大規(guī)模儲能。抽水蓄能電站的建立對地質條件有苛刻的要求，同時需要較大的前期資金投入[11–12]。還可能存在未知的生態(tài)污染、潛在的地質災害和人員遷移等問題。而CAES可以避免這些問題。因此，CAES技術是儲能技術的最佳選擇。

隨著中國能源結構的轉型，煤炭占能源消費結構中的比例將逐步下降，越來越多的礦井采取封井和關停措施[13]。然而，這些礦井在過去數(shù)年的開采中，已然形成大體量的地下空間。截至2016年底，全國關停煤礦可利用的地下空間超過0.75×108m2[14]。因此，可以考慮使用廢棄煤礦井下穩(wěn)定性好的巷道洞室作為壓縮空氣的儲存空間。這種辦法不僅可以避免進行新的開挖，還可以把地面工業(yè)建筑房屋利用起來；既促進了清潔能源的發(fā)展，還可以節(jié)省大量時間和資金投入。

20世紀80年代，Nordwest Deutsche Kraftwerke在德國北部建造了世界上第一個商用CAES發(fā)電站，并命名為Huntort發(fā)電站[15]。從巖洞應用于CAES的可行性出發(fā)，學者們對堅硬巖層開挖形成的巖洞進行了一定的研究。在20世紀90年代末，日本對堅硬巖石洞的小型CAES進行了可行性試驗[16]。韓國也對硬巖洞室進行了壓氣儲能試驗[17]。俄羅斯、法國、南非、英國等國家都已開展了實驗室研究。國內夏才初等[18]則通過對洞室形式和尺寸的數(shù)值模擬來研究大型壓氣儲能的穩(wěn)定性。實際上，地下巖洞作為CAES系統(tǒng)儲存空間的關鍵問題是封閉層的結構穩(wěn)定性和透氣性。Rutqvist[19]和Kim[20]等則研究了用作CAES儲存空間的具有內襯洞穴的地質力學性能，表明作用在混凝土襯砌上的空氣壓力，有效抗拉應力可能導致受拉裂縫張拉裂縫，而熱應力的影響相對可忽略。Rutqvist等[21]對地下50 m和115 m裂縫性花崗巖不同襯砌類型巖洞的氣密性進行了研究，其結果表明混合襯砌巖洞可以確保洞室的穩(wěn)定性。蔣中明等[22]在中國湖南建設了地下儲氣室，現(xiàn)場試驗表明了地下存儲庫密封性能良好。因此，利用地下廢棄礦井作為CAES的儲存空間具有可行性。

基于此，本文提出將廢棄礦井地下空間與風能和太陽能（wind and solar，WS）相結合的WS–CAES混合系統(tǒng)。通過對中國風能、太陽能及廢棄煤礦地下空間等可利用資源分布特征分析，研究WS–CAES混合系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?，并從煤礦巷道深度、襯砌和圍巖滲透率及巷道類型3個方面對巷道儲存高壓氣體的能力進行分析，確定儲氣室在煤礦巷道的可利用位置，探究利用廢棄煤礦進行壓氣蓄能的開發(fā)潛力和可行性，這對于中國資源合理化利用和加速能源結構的轉型具有重要指導意義。

1 CAES系統(tǒng)簡介

CAES是當能源供應低于基本負荷時，利用電網剩余的電力或者可再生能源產生的棄風電、棄光電等將空氣進行高壓壓縮，并將高壓空氣密封在地下鹽穴、礦洞等大型儲氣室中，當有電力需求時，大型儲氣室的高壓空氣被釋放并驅動發(fā)動機進行發(fā)電的一種儲能方式。按照運行原理，目前的CAES系統(tǒng)可以分為補燃式和非補燃式兩類，其系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示，目前應用最多的是非補燃式CAES系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)流程簡圖Fig. 1 Flow diagram of system

按照是否與其他熱力循環(huán)系統(tǒng)混合來進行分類的話，CAES系統(tǒng)可分為：傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)、CAES和燃氣輪機混合動力系統(tǒng)、CAES–燃氣輪機和蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、CAES和內燃機混合動力系統(tǒng)、CAES制冷系統(tǒng)、CAES–可再生能源耦合系統(tǒng)[23]。

為了可再生能源的大規(guī)模連續(xù)利用，加快能源結構轉型和提高能源的利用率，本文提出使用與風能和太陽能可再生能源相結合的非補燃式的WS–CAES混合系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)將具有豐富風能和太陽能地區(qū)的剩余能量轉換為空氣內能和熱能，將空氣內能儲存在廢棄的礦井洞室內，將太陽能收集在太陽能熱儲能（solar thermal energy storage，STES）集熱器中，從而提高系統(tǒng)的輸出功率和總效率，此舉還具有節(jié)能減排的功效。

WS–CAES混合系統(tǒng)采用了蓄熱/換熱（熱交換器）裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAES燃燒室，鑒于三北地區(qū)冬季缺水和冬季環(huán)境溫度極低，熱交換器采用天然巖石熱能儲存填充床（packed bed of thermal energy storage，PBTES）來充當固體介質，具有成本低、高效率和可靠性特點。該系統(tǒng)主要包括了用于壓縮空氣的動力單元、分級壓縮機、蓄熱/熱交換裝置、儲氣室和分級渦輪機，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 WS–CAES混合系統(tǒng)流程圖Fig. 2 Schematic diagram of WS–CAES hybrid system

該系統(tǒng)主要包括儲能和釋能兩個階段。在儲能階段，利用風力發(fā)電廠的剩余電力，通過壓縮機將空氣多次壓縮成高壓空氣，并儲存在襯砌煤巷（lined mine roaduay，LMR）儲氣室中；每一次壓縮的空氣都經過PBTES進行熱量交換，使其壓縮空氣的溫度冷卻至環(huán)境溫度，并將壓縮熱能儲存在PBTES熱交換器的熱儲罐中；在釋能階段，壓縮空氣通過PBTES的熱儲罐的空氣預熱和進入儲存了太陽能的STES進行空氣加熱后，再進入每級膨脹渦輪機以產生電力；每次釋能結束后，PBTES會自然冷卻到環(huán)境溫度；在整個放電過程中，為保持恒定的膨脹率，在LMR的出口設置了一個節(jié)流閥系統(tǒng)。

2 WS–CAES混合系統(tǒng)潛在區(qū)域分析

研究WS–CAES混合系統(tǒng)是否具有發(fā)展?jié)摿?，需從以?個方面入手：1）確定具有充足風力資源和太陽能資源的潛在區(qū)域；2）有適當?shù)牡刭|條件以獲取足夠的地下空間來儲存壓縮空氣；3）所處區(qū)域的電網系統(tǒng)能夠提供空氣壓縮的過余電力和輸出壓縮氣體產出的電力。具體潛在區(qū)域分析如下。

2.1 風能潛在區(qū)域

陸地上10 m高度層的風能資源總儲量為32.26×108kW，陸地上實際可開發(fā)利用的風能資源儲量為2.53×108kW，近?？砷_發(fā)利用的儲量為 7.5×108kW。陸地上 50 m的風能資源理論儲量約 73×108kW，且年平均風電密度大于300 W/m2。

根據年有效風電密度和風速年累計小時數(shù)，中國可劃分為4個不同等級風能區(qū)域[24]，具體見表1。結合中國主要風能資源分布情況[25]，中國陸上具有風能資源優(yōu)勢的地區(qū)主要集中在東北、西北、華北北部3大區(qū)域。其中，新疆北部、內蒙古等地區(qū)的有效風電密度在200 W/m2以上。

表1 中國風能資源等級劃分標準[24]Tab. 1 Classification criteria for wind energy resources in China[24]

近幾年中國風能產業(yè)發(fā)展迅速，風電裝機容量急速增加，并取得不錯的成績，目前中國已經超過美國成為最大的風電市場。圖3為中國2008—2021年的風電總裝、新增機量及其增加率。由圖3可知，至2021年，中國風電總裝機量達到330×109W[26–27]。

圖3 2008—2021年中國風電總裝、新增機量及增加率[26–27]Fig. 3 Cumulative and new installed capacity of wind power and increased rate of wind power of China in 2008—2021[26–27]

從2010—2021年，中國風電棄風量及棄風率的變化情況（圖4）來看：2018年之前，棄風率居高不下；在2012年的棄風率為17.12%，達到歷史最高水平；隨后有所下降，到2016年棄風率又上升到17%；隨著近幾年風電利用水平的不斷提高，風電棄風率持續(xù)降低，從2019年到2021年底，其棄風率已降低到行業(yè)公認的5%左右的范圍以下，但棄風量仍然偏高。

圖4 2010—2021年中國風電棄風量及棄風率[27]Fig. 4 Quantity and ratio of abandoned wind of China’s wind power in 2010—2021[27]

棄風問題造成了清潔能源的巨大浪費，逐漸成為制約風力發(fā)電開發(fā)的一個重要因素。因此，建立空氣壓縮系統(tǒng)，將風能儲存起來，并在高峰期提供電能，已成為減少風電等清潔能源浪費的有效途徑，將給社會帶來巨大的經濟效益和環(huán)境效益。

2.2 太陽能潛在區(qū)域

中國太陽能資源十分豐富，每年地表太陽總輻射能達到1.47×1016kWh，太陽輻射值為1 050 ～2 450 kWh/(m2·a)，年平均日太陽輻射量為180 W/m2；并且太陽能資源的分布受緯度、地形和氣候特征的影響，全國各地的輻射能也不同，其太陽能輻射值總體分布趨勢為西高東低[28–29]。

圖5為2008—2021年全國光伏發(fā)電裝機總量、新增裝機量和增加率。由圖5可知：2016年以前，光伏發(fā)電裝機增加速率較快，從2011年到2016年底，光伏的總裝機量提高了數(shù)十倍；至2021年，光伏發(fā)電總裝機量達到307×109W，連續(xù)7年位居全球首位，這為中國發(fā)展光伏發(fā)電新能源提供了有利保障。

圖5 2008—2021年全國太陽能裝機總量、新增量及增加率[25–26]Fig. 5 Solar installed capacity, new increment and increase rate of China in 2008—2021[25–26]

近年來，中國光伏發(fā)電主要集中在青海、西藏、寧夏、陜西、山西、新疆等地，其光伏發(fā)電利用率高達97.9%。結合太陽能資源分布特征來看[28]，新疆東南邊緣、西藏、青海中西部、內蒙古西部等地構成了太陽能資源最豐富的地帶。部分地區(qū)年總輻射量達到2 000 kW/m2。因此，太陽主要輻射區(qū)域和主要光伏發(fā)電量區(qū)域基本一致，這些區(qū)域可為CAES混合系統(tǒng)提供充足清潔太陽能，這與風能資源的潛在使用區(qū)域基本一致。

2.3 煤礦地下空間儲能潛在區(qū)域

風能和太陽能資源豐富的三北地區(qū)沒有深鹽礦資源（平頂山市除外）和含水層資源，僅有部分油氣田與風能和太陽能地區(qū)重疊。因此，三北地區(qū)不適合利用鹽穴或含水層作為WS–CAES混合系統(tǒng)進行儲氣。此外，中國煤炭資源儲量主要分布在山西、內蒙古、貴州、陜西、新疆、寧夏等?。ㄗ灾螀^(qū)），主要集中在東部、中部、西部區(qū)域，該3個區(qū)域的資源總量占全國總量比重80%以上，且這些區(qū)域的礦業(yè)多數(shù)處于衰退時期。

圖6為2014—2016年全國部分?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）關停煤礦數(shù)量、截至2016年底現(xiàn)存煤礦數(shù)量及其井巷可利用空間[14]。由圖6可知：全國各?。ㄗ灾螀^(qū)）已關停煤礦總數(shù)有2 858個，意味著在未來幾年里將形成數(shù)億m3的地下可用空間；從截至2016年底全國已關停煤礦的井巷可利用空間統(tǒng)計數(shù)據可知，山西省、內蒙古自治區(qū)、陜西省、貴州省、黑龍江省等地區(qū)可利用空間和剩余礦井數(shù)量相對較多，中國廢棄煤礦井下的大部分可利用巷道主要分布在華北、華東、西北地區(qū)。

圖6 2014—2016年全國部分?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）關停煤礦數(shù)量、截至2016年底現(xiàn)存煤礦數(shù)量及其井巷可利用空間Fig. 6 Number of coal mines closed in some province(municipality directly under the central government,autonomous region) in China, 2014—2016, number of existing coal mines and available space in mines by the end of 2016

廢棄礦山的井下巷道深度可達數(shù)百米，巷道周圍溫度等周圍特征變化較小，比一般的地下儲備空間或者地面儲存更具有安全性和穩(wěn)定性。利用廢棄礦山井下巷道作為儲存空間，只需對巷道進行一定的改造、加固和維修即可，不僅資金投入相對少，且對土地資源、環(huán)境問題都有改善效果。結合國內外將廢棄礦山改造成發(fā)電可用資源案例，利用廢棄礦山井下巷道作為儲備能源位置具有一定的穩(wěn)定性、經濟性和可行性。

2.4 電網系統(tǒng)潛在區(qū)域

中國電網已實現(xiàn)“14交12直”26項特高壓工程的建成投運。根據《國家電網有限公司2020社會責任報告》顯示，目前已建成的12條特高壓直流已實現(xiàn)了內蒙古、新疆、山西等重要地區(qū)的輸電工程，并且吉泉直流特高壓工程實現(xiàn)了新疆昌吉—安徽皖南段的1 100 kV的特高壓直流輸電。在14條交流特高壓輸電工程中，榆橫—濰坊段、錫盟—山東段、蒙西—天津南段等多線段實現(xiàn)了陜西、山東、內蒙古等地區(qū)的1 000 kV的特高壓交流輸電工程。在“十四五”期間，國家電網規(guī)劃“24交14直”特高壓工程，到2025年，輸電能力預計實現(xiàn)3.0×108kW，輸送清潔能源占比可達50%，進一步完善了新型電力系統(tǒng)的結構調整。近年中國電網的輸電能力不斷提高，逐步實現(xiàn)輸電通道荷載滿送，解決了“雙碳背景”下的跨區(qū)調配輸電難題。因此，從目前的電網輸送區(qū)域和輸電能力來看，具備了建立WS–CAES混合系統(tǒng)的基本條件。

2.5 WS–CAES混合系統(tǒng)最佳潛在區(qū)域

根據風能、太陽能、煤礦地下空間儲能分布及電網系統(tǒng)分析，中國華南、西南、東部沿海地區(qū)和華中地區(qū)均缺乏1個或多個CAES站點的必要因素，例如，東部沿海地區(qū)風力、電網容量和鹽穴豐富，但太陽能較差，所以這些區(qū)域都不適合建立WS–CAES混合系統(tǒng)。綜合來看，中國三北地區(qū)具備了建立WS–CAES混合系統(tǒng)的條件，進一步縮小區(qū)域范圍，可得出以下結論：WS–CAES混合系統(tǒng)的最佳潛在可利用區(qū)域主要分布在新疆東西邊緣、內蒙古中東部、遼寧中西部、陜西北部、甘肅西北部、青海中部、河北省、山西省等區(qū)域。因此，可以優(yōu)先考慮在這些區(qū)域建立WS–CAES混合系統(tǒng)，對井下廢棄煤礦進行綜合利用，提高資源化利用率和加快能源清潔化結構的轉型。

3 WS–CAES混合系統(tǒng)數(shù)學模型及性能分析

中國三北地區(qū)具備了發(fā)展WS–CAES混合系統(tǒng)的潛力，現(xiàn)對該系統(tǒng)數(shù)學模型和運行參數(shù)性能進行分析。該系統(tǒng)使用軸向和離心式壓縮機壓縮空氣，每個壓縮機和渦輪機具有相同的壓力比。在熱力學模型建立和性能計算過程中，不考慮管道、蓄熱器的熱損失及蓄熱介質的壓降和循環(huán)功耗，空氣視為理想氣體，氣體壓強和體積的變化視為等溫過程。

3.1 熱力學數(shù)學模型

3.1.1 壓縮機

設系統(tǒng)工作過程是一個多變過程。設多變指數(shù)為nc，則壓縮機的出口溫度Tc,out可以表示為：

式中，Tc,in為壓縮機進口空氣溫度，βc為壓縮比。軸流式或離心式壓縮機的效率ηc可由式（2）表示：

式中，ma=(k–1)/k，其中，k為壓縮機絕熱指數(shù)。

若壓縮機運行的實際工況與額定工況不一致時，壓縮機實際效率則可以采用修正公式（3）進行近似計算：

式中，ηc,r為額定壓比的效率，acη為額定效率的下降指數(shù)，βc,f、βc,r分別為壓縮機的實際和額定情況下的壓縮比。

根據式（2）、（3）計算結果，則可以求得壓縮機的出口溫度。當單位質量的空氣通過第i級空氣壓縮機時，壓縮單位質量空氣所需做的壓縮功為：

式中，cp,air為空氣定壓的比熱容，J/(kg·k)。

設壓縮功率恒為Pc，則儲能階段空氣質量流量表示為：

3.1.2 膨脹機

膨脹機和壓縮機類似，可認為釋能階段是多變過程，通過質量和能量平衡進行建模。設多變指數(shù)為nt，則渦輪機的出口溫度可以表示為：

式中，Tt,in為輪機進口空氣溫度，β為膨脹比。

膨脹機的多變工作效率為：

式中，mt=(k?1)/k，其中，k為膨脹機絕熱系數(shù)，實際工況下的效率修正算法同壓縮機算法類似。單位質量空氣所需做的膨脹功為：

式中，Pt為膨脹機輸出功率。

3.1.3 PBTES

文獻[30]研究結果表明，PBTES能量存儲器的降溫和預熱效果并不是一直穩(wěn)定的，需要經過約20個循環(huán)，吸收/釋放熱量后才基本趨于穩(wěn)定。為簡化分析，假設在儲能和釋能的前70%階段空氣的出口溫度能保持穩(wěn)定，則通過Ergun’s方程估算PBTES系統(tǒng)的壓降，表示如下：

式中，ρa、ua分別為空氣的平均密度和速度，L為填充床的軸長，d為儲能器的直徑，f為儲熱巖石與工質總熱容量之比，u為空氣動力黏度。PBTES熱損失可通過圓柱形絕緣層的熱阻Rth進行近似計算，表示如下：

式中，Tinner為填充床巖石的平均溫度，ms、cs分別為絕緣層質量和對流系數(shù)。

3.1.4 熱交換器

根據文獻[28]中的研究，儲能和釋能階段第i級壓縮機和膨脹機熱交換器的出口空氣溫度Ti,air,out可由式（12）計算：

式中，Tm,in為熱交換器內部介質的溫度，Ti,air,in為熱交換器入口溫度， ε為熱交換器效能。另外，膨脹機在等溫階段熱交換器的單位吸熱量可計算如下:

將式（12）和（13）結合可推導得到：

本文通過太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能并儲存起來，在釋能過程中對壓縮空氣進行加熱。其收集到的太陽熱能可以通過式（15）計算：

3.1.5 儲氣室

假定泄漏空氣通過襯砌圍巖巷道的速度較慢且符合達西定律，則氣流速度可表示為：

式中，r為襯砌中心距，k為圍巖或混凝土襯砌滲透率，P為空氣孔隙壓力。

3.2 WS–CAES混合系統(tǒng)性能評價指標

從WS–CAES混合系統(tǒng)中的能量角度來看，系統(tǒng)的儲存能量包括Wc和Q兩個部分，能量的釋放能量則是來自膨脹機的膨脹功。多級壓縮機的總儲存能量計算公式如下：

假設壓縮機和膨脹機的工作時間是相同的，則系統(tǒng)的耦合儲能總效率η可根據式（15）、（17）和（18）來進行評價：

3.3 WS–CAES混合系統(tǒng)運行參數(shù)性能分析

系統(tǒng)的熱力學模型表明，系統(tǒng)的效率受熱交換器效能、環(huán)境溫度、質量流量、總壓力比和壓縮機膨脹級數(shù)等參數(shù)的影響，其系統(tǒng)主要參數(shù)取值見表2。

表2 系統(tǒng)基本參數(shù)值Tab. 2 Basic parameter values of system

為了分析各主要參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，根據表2參數(shù)值對主要參數(shù)在一定范圍內取值（見表3），分析各參數(shù)對系統(tǒng)Wt和η影響情況。

表3 WS–CAES混合系統(tǒng)計算參數(shù)Tab. 3 Calculation parameters of WS–CAES hybrid system

通過熱力學數(shù)學模型求解計算，得到WS–CAES混合系統(tǒng)各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，具體變化情況如圖7所示。

由圖7（a）可知，熱交換器效能ε為0.85時，系統(tǒng)總效率最大。根據式（12）和（19）可知，熱交換器效能的變化使總效率η公式的分子分母同時產生變化，兩者明顯不具有一次線性關系。當熱交換器效能大于0.85時，系統(tǒng)總效率存在較為明顯的降低，而系統(tǒng)輸出功率變化不明顯。因此，熱交換器效能與總效率兩者表現(xiàn)出曲線多次線性關系。根據系統(tǒng)輸出功率和總效率的變化特征，熱交換器效能對總效率的影響較系統(tǒng)輸出功率更明顯。綜合來看，熱交換器效能取0.85時，系統(tǒng)效率最佳。

由圖7（b）可知，輸出功率隨著環(huán)境溫度的升高幾乎不變。對于總效率而言，隨環(huán)境溫度升高總效率僅有微小的增加（從46.4%到46.6%）。因此，環(huán)境溫度不是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素。由圖7（c）可知，質量流量對總效率沒有影響，但是質量流量與系統(tǒng)輸出功率之間呈線性增加。因此，增加質量流量是增加系統(tǒng)輸出功率的一個有效方法。

由圖7（d）可知，隨著總壓力比的增加，總效率和系統(tǒng)輸出功率都呈增加趨勢。因此，總壓力比是一個非常重要的影響參數(shù)。從圖7（e）看出：壓縮/膨脹級數(shù)對總效率具有顯著影響。從階段數(shù)2增加至5時，η從39.95%增加到47.26%，增幅為7.31%。至于輸出功率，也可通過增加級數(shù)來提高，但增量程度遠小于η。盡管增加級數(shù)是提高輸出功率和整體效率的可行方法，但是增加壓縮/膨脹級數(shù)，也會增加了成本和人力。

圖7 不同參數(shù)條件下WS–CAES混合系統(tǒng)輸出功率和總效率的變化Fig. 7 Variation of output power and overall efficiency of the WS–CAES hybrid system with different parameters

綜上可知，壓縮/膨脹級數(shù)對系統(tǒng)總效率影響最大，換熱器效能次之，其他3個因素影響不大；質量流量對輸出功率的影響最大，其次是壓力比。對于WS–CAES混合系統(tǒng)來說，目標是使系統(tǒng)獲得更高的效率和取得更好的經濟效益。從計算結果來看，系統(tǒng)的總效率接近50%，利用率相對較高，但實際運用過程中，仍應根據具體情況進一步考慮系統(tǒng)的參數(shù)和設計方案。

4 廢棄煤礦巷道可行性研究

煤礦巷道及圍巖特性是建立壓氣蓄能洞室的關鍵問題。從巷道的深度、巷道混凝土襯砌（內襯）和圍巖滲流能力及巷道類型3個方面利用Comsol軟件進行模擬分析，本文模擬時不考慮地表和地下動力學耦合問題，初步分析巷道深度、襯砌及圍巖滲透率對地下儲庫的氣密性影響。為了避免采礦活動的影響，煤礦主要的巷道通常布置在距離上覆巖層20～30 m的堅硬巖層中，本文則模擬廢棄煤礦井下存儲庫的位置在距離上覆巖層30 m的堅硬巖層巷道中。建立的幾何模型和邊界條件設置如圖8所示。圖8中：d0為巷道內側半徑；d1為含襯砌的巷道半徑；d2為巷道開挖的近擾動區(qū)的半徑；d3為巷道遠擾動區(qū)域的半徑；d4、d5為巷道巖層上下圍巖高度；d6為巷道巖層（即儲存壓縮空氣巖層）高度；d7為幾何模型模擬的寬度，設置為50 m。

圖8 煤礦巷道的幾何模型Fig. 8 Geometric model of a coal mine roadway

在分析高壓存儲氣體滲流問題時，高壓儲氣庫下方的堅硬巖層設置為無滲流邊界，其他3個邊界均設為滲流邊界。因煤礦井下均設有獨立的排水系統(tǒng)，本文設定不存在地下水滲流問題且不考慮溫度及腔體壓力波動對巷道圍巖體的影響，盡可能降低從圍巖滲透率、襯砌滲透率方面分析儲氣庫氣密性問題的干擾因素。根據張桂民[31]的研究表明，較為合適的儲庫埋深為600～800 m，其腔體內壓可行域主要在5～10 MPa。目前，大部分毀棄礦井主要巷道的采掘深度基本都在800 m以內[32]，綜合考慮腔體穩(wěn)定性，可適當提高內壓下限，因此，本文模擬的循環(huán)內壓取6～7.5 MPa，將巷道內空氣壓力以正弦函數(shù)形式來近似表示氣體的循環(huán)荷載。模型基本參數(shù)見表4。

表4 幾何模型參數(shù)Tab. 4 Geometric model parameters

4.1 巷道深度

Kim等[20]的研究表明，巷道垂直深度的增加（從100 m增至500 m）能夠使氣體泄漏率降低，主要由襯砌及圍巖的相對滲流能力有所降低和靜水壓力隨深度的增加而產生的壓力梯度減小所引起。根據Hoseini等[33]關于應力對混凝土滲透性影響研究表明，作用在混凝土的應力在接近極限狀態(tài)時，因裂紋擴展使?jié)B透率產生變化。因此，研究巷道深度和混凝土對氣體滲透性的影響是十分必要的。100 m巷道深度的氣體壓力分布及氣體滲漏方向如圖9所示。從圖9可知，壓力在損傷區(qū)之外迅速減小，氣體從巷道巖層快速泄漏出來。混凝土襯砌強度對于氣體滲流具有很大影響。

圖9 100 m深度處氣體壓力分布及氣體泄漏方向Fig. 9 Air pressure distribution and flow direction at 100 m depth

通過軟件模擬計算了不同巷道深度下的氣體平均年泄漏量，其結果見表5。從表5中統(tǒng)計的泄漏量來看，平均年泄漏量隨深度的增加存在一定的減少，變化趨勢越趨平緩。因此，巷道深度這一因素在儲氣室氣體泄漏方面并無明顯影響特征。但仍要保證一定的深度，防止混凝土襯砌由于空氣壓力過大而產生拉伸裂縫。

表5 通過混凝土襯砌的平均年泄漏量Tab. 5 Average annual leakage of air through concrete

4.2 混凝土襯砌及圍巖滲透性

根據模擬的泄漏量來看，在進行襯砌滲透率分析時，設定模擬深度為600 m，氣體內壓為6.0～7.5 MPa。圖10展示了混凝土襯砌（內襯）滲透率（Kcc）從5×10–17m2減小到10–18m2的4組氣體壓力分布規(guī)律。58 kg/a；當Kcc等于10–21m2時，泄漏量僅為60.45 kg/a。

由圖10可知，隨著襯砌滲透率的減小，氣體壓力變化帶從巷道巖層區(qū)域縮小到混凝土襯砌范圍。

圖10 混凝土不同襯砌滲透率的氣體壓力分布Fig. 10 Air pressure distribution of the different permeability of concrete lining

為進一步分析不同滲流率的變化情況，模擬了17組不同混凝土襯砌滲透率（Kcc）的泄漏量和其變化情況如圖11所示。

由圖11可知：當Kcc高于10–16m2，泄漏量增速較快；在Kcc低于10–19m2，泄漏量極小，能滿足儲氣要求；當Kcc等于10–20m2時，泄漏量僅為3

圖11 混凝土不同襯砌滲透率的泄漏量和增長量Fig. 11 Leakage and growth of the different permeability of concrete lining

目前，普通的混凝土襯砌的滲透率很難達到10–19m2。雖然活性微粉混凝土具有極低的滲透率，可達到10–20m2，但是這種材料的價格高、收縮性強，不適合用于地下工程方面，即目前無法通過研究混凝土襯砌材料來直接解決井下儲氣泄漏問題?？梢岳斫鉃榛炷烈r砌主要保證系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性，圍巖保證系統(tǒng)運行時的氣體密封性。

由此，選擇一個具有低滲透率的巷道位置對于儲氣室的氣密性具有重要意義。Fan等[34]研究了巷道巖層不同滲透率下混合CAES系統(tǒng)的泄漏率及系統(tǒng)效率，如圖12所示。

由圖12可知：泥巖比其他巖石的滲透率要低，氣密性要好；當滲透率大于10–15m2時，其泄漏率急劇增大，同時系統(tǒng)效率迅速下降。為了保證系統(tǒng)的泄漏率低于1%，井下圍巖巖層的滲透率應不大于10–16m2。

圖12 巷道圍巖不同滲透率下CAES混合系統(tǒng)的泄漏率和系統(tǒng)效率[34]Fig. 12 Leakage rate and system efficiency of CAES hybrid system under different permeability of surrounding rock[34]

4.3 井下儲氣巷道類型

圍巖氣密性是地下壓氣儲能的關鍵。在礦山建設和采煤過程中形成了各種類型巷道。以使用范圍和壽命而言，主要有3種類型巷道：開拓巷道、準備巷道和采礦巷道。通常準備巷道和采礦巷道的服務年限只有2—3 a，并且巷道主要布置在煤層中，煤的開采使巷道圍巖造成極大的裂隙和破裂。因此，它們無法提供一個密閉性的儲氣空間。而開拓巷道則一般布置在堅硬的巖層中，為整個礦山服務終身，服務年限為30—80 a，具有作為儲氣室的潛力。

開拓巷道主要包括豎井、主通風巷道和主要運輸大巷。豎井是連接地表和地下工作場所的通道，它通過地表、含水層、煤層等在不同深度的位置可能具有不同的滲透率，很難確保煤層具有合適的滲透率。如果空氣壓力施加在豎井壁上，淺埋井壁處容易開裂。因此，豎井不適合儲存高壓氣體。

主通風和運輸巷道一般位于圍巖相對完整的位置，布置在離上覆煤層20～30 m的底板巖層中。根據不同煤礦在各巷道深度的瓦斯壓力統(tǒng)計，在煤層深部600 m處的瓦斯壓力可以超過7 MPa[35]，這表明該類巷道及其圍巖構成的系統(tǒng)具有足夠的氣密性。從圖12表明，泥巖、細砂巖的低滲透性特征具有儲存高壓氣體的潛力。

4.4 煤礦井下儲氣庫安全性分析

壓氣蓄能系統(tǒng)運行過程中，腔體內壓的不斷循環(huán)波動對巷道圍巖、頂板等各處產生一定程度的損傷破壞，這增加了氣體泄漏率的可能性，也嚴重影響了煤礦井下壓氣蓄能運行的穩(wěn)定性和安全性。因此，確定毀棄煤礦井下主要的通風巷和運輸巷作為存儲高壓氣體位置后，還需要根據頂板巖性特征、巷道深度確定合適的氣體內壓值，其值宜小于原位地應力的75%。在綜合考慮熱力耦合作用下，數(shù)值模擬研究系統(tǒng)運行過程中（設系統(tǒng)運行30 a）巷道襯砌、圍巖、頂板的力學性質變化規(guī)律及腔體體積的收縮率。當儲氣庫附近圍巖的受拉受壓情況均小于對應的極限強度，承受的應力和變形均在允許范圍內，頂板較為穩(wěn)定且下沉不明顯，腔體的體積變形較小時，表明儲氣庫圍巖穩(wěn)定性較高，具有良好的安全性。

5 結 論

為快速發(fā)展可再生能源和提高地下空間利用率，本文主要介紹了一種結合風能和太陽能的WS–CAES混合地下蓄能系統(tǒng)，對系統(tǒng)潛在的適用區(qū)域、可行性及儲存位置進行了分析，主要結論如下：

1）該系統(tǒng)特點是將風能與太陽能清潔能源進行耦合，結合中國太陽能、風能資源、廢棄礦山地下空間和并網配電情況，得出了WS–CAES混合系統(tǒng)的最佳潛在使用區(qū)域，主要包括新疆、內蒙古、青海、河北、遼寧、甘肅、山西、陜西等區(qū)域。

2）通過系統(tǒng)主要參數(shù)的性能分析，系統(tǒng)效率受壓縮機和渦輪機級數(shù)、總壓力比、換熱器效能、質量流量和環(huán)境溫度的影響。壓縮/膨脹級數(shù)對系統(tǒng)總效率影響最為明顯，質量流量對輸出功率影響最大，環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能影響甚微。

3）數(shù)值計算表明，巷道深度對洞室氣體泄漏并無明顯影響特征。煤礦井下的主要通風大巷和運輸大巷是壓氣蓄能的最佳位置，其巷道可選擇在滲透率低的泥巖層中。在模擬巷道深度600 m，最高內壓為7.5 MPa條件下，圍巖滲透率小于10–16m2時，系統(tǒng)可基本滿足泄漏率低于1%的要求。儲氣洞室穩(wěn)定性與混凝土襯砌及圍巖滲透率有關，混凝土襯砌主要是保證結構的穩(wěn)定性，圍巖保證系統(tǒng)運行時的氣密性。

4）在具體工程案例模擬分析時，需根據實際情況綜合考慮熱力耦合作用下巷道圍巖、襯砌的滲透率及巷道周圍圍巖體變形等特征，從氣密性、安全性等方面對儲氣庫潛力進行更準確、全面的綜合評估。