Research status and new design concept of compressed air energy storage technology in abandoned mine
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摘要:
压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）可广泛应用于电网削峰填谷和大规模新能源消纳，具有装机容量大、使用寿命长、清洁环保等优点，被视为最有前途的大规模储能技术之一。目前国内外主要依托层状盐穴或盐丘来建设CAES储气库，但由于选址条件苛刻等原因，CAES产业的发展受到了极大限制。近年来，随着国内矿井的大量关闭，许多地下空间资源被浪费，因此利用废弃矿井建设CAES电站就具有了巨大的生态经济效益与广袤的发展前景。因此，系统梳理了CAES各类储气库建设现状与优缺点，总结了废弃矿井CAES储气库的建设与选址要求，分析了当前废弃矿井CAES储气库面临的安全风险与限制瓶颈。为避免CAES储气库建设与运营过程中存在的安全风险，提出了新的储气库建设方案——管道布设型废弃矿井储气库（利用大直径无缝钢管作为储气空间，缝隙内填充松散充填体进行承压），与传统储气库建设方案相比，该方案具有以下优势：极大降低了储气库对矿区地质构造、围岩渗透性、围岩稳定性等条件的选址要求，增加了选址范围；可利用现有管道施工工艺与技术装备，降低储气库建设难度；提高了储气库的密封性能，保障无气体泄漏风险；改善了围岩应力环境，提高了储气库稳定性；避免储气库受腐蚀影响，增加了储气库的耐久性能。最后以鄂庄废弃煤矿为例，给出了管道布设型储气库改造建设方案，储气库改造建设完成后，总容积可达4.5×105 m3，发电功率可达400 MW，可产生良好的经济效益 。管道布设型废弃矿井储气库设计构想为废弃矿井CAES技术发展提供了新思路，具有大规模推广应用的潜力。
Abstract:Compressed air energy storage(CAES) can be widely used in power grid peak load shifting and large-scale new energy consumption. It has the advantages of large installed capacity, long service life, and clean environmental protection, and is regarded as one of the most promising large-scale energy storage technologies. Currently, CAES gas storage are mainly built based on layered salt caverns or salt dome. However, due to strict site selection conditions and other reasons, the development of the CAES industry is greatly limited. Recently, with the closure of a large number of mines, many underground space resources have been wasted. Therefore, using abandoned mines to build CAES power stations has enormous ecological, economic benefits and vast development prospects. This paper systematically sorts out the construction status, advantages and disadvantages of various CAES gas storages, summarizes the construction and site selection requirements of CAES gas storages in abandoned mines, and analyzes the safety risks and limiting bottlenecks faced by CAES gas storages in abandoned mines. In order to avoid the safety risks in the construction and operation of CAES gas storage, we put forward a new gas storage construction scheme “pipeline layout type abandoned mine gas storage (using large diameter seamless steel pipeline as gas storage space, filling loose filling body in the gap to bear pressure)”. Compared with traditional gas storage construction scheme, this scheme has the following advantages: Greatly reduces the site selection requirements of CAES gas storage for geological structure, surrounding rock permeability, surrounding rock stability and other conditions in the mining area, and increases the site selection range; Existing pipeline construction processes and technical equipment can be utilized to reduce the difficulty of constructing gas storage; Improve the sealing performance of CAES power station gas storage to prevent gas leakage; Improve the stress environment of surrounding rock and the stability of gas storage; Avoid the impact of corrosion on the gas storage increases its durability. Finally, takes Ezhuang abandoned coal mine as an example, this paper gives the reconstruction and construction scheme of pipeline layout gas storage. After the reconstruction and construction of gas storage is completed, the total volume can reach 4.5×105 m3, and the power generation can reach 400 MW, which can produce good economic benefits. The pipeline layout type abandoned mine gas storage provides a new idea for the development of CAES technology in abandoned mines, it has the potential for large-scale promotion and application.
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0. 引 言
自我国2020年正式提出“双碳”目标后，以风电、光伏、水电为代表的新能源电力行业迅猛发展[1-2]。我国多项新能源技术和装备制造水平已全球领先，建成了世界上最大的清洁电力供应体系，2023年我国可再生能源发电装机容量占比过半，历史性超过火电装机[3-4]。但由于风能、太阳能和水能等具有典型的地域性、非连续性和消费不均衡性等天然劣势，给电网稳定运行带来了一系列挑战[5-6]，一定程度上制约了清洁能源的快速发展。而大规模储能技术可有效解决弃风弃光问题，实现电网削峰填谷，这些年来受到了广泛的关注[7-8]。受输出功率与放电时长等条件限制，目前进入商业运行阶段的大规模储能技术包括电化学储能（液流电池、铅酸电池、锂离子电池等）、抽水蓄能与压缩空气储能[9-10]，其中压缩空气储能具有装机容量大、储能时间长、建设周期短、使用寿命长、清洁环保、储能周期不受限制等优点，被视为最有前途的大规模储能技术之一[11-12]。
20世纪40年代，德国工程师Stal Laval申请了利用空气在地下储气硐室内储存电力的专利，标志着压缩空气储能（CAES）技术的问世[13]。1978年，德国在萨克森州北部利用地下盐穴建成了世界首座商业的压缩空气储能Huntorf电站[14]；1991年，美国在阿拉巴马州建成了第2座商业运行的McIntosh压缩空气储能电站[15]，这2座CAES电站都是补燃式电站，空气压缩过程中未回收压缩热，需采用天然气补燃，能源利用效率较低且存在碳排放。2018年，瑞士利用1条山岭隧道建成了世界上第1座先进的绝热压缩空气储能试验电站，但存在一定气体泄漏[16-17]。近年来，国内在CAES技术上发展迅速，2021年山东肥城10 MW压缩空气储能示范电站成功建成并网[18]，2022年江苏金坛60 MW压缩空气储能电站实现商业化运行[19]，2023年山东肥城300 MW压缩空气储能电站建成并网，有力地推动了我国CAES技术的发展。
目前运营或在建的CAES电站主要为盐穴储气库电站，然而我国盐穴地层条件较差，选址难度大，限制了我国CAES电站的建设与普及[20-21]。不同于欧美等西方国家，我国煤矿数量众多，特别是近年来随着煤炭资源的不断开采，大量矿井停产关闭[22]，而利用废弃煤矿建设CAES电站即可充分利用地下空间资源，还可防止巷道失稳、地表沉降等，具有极大的生态与经济效益。于是，国内外相关专家开始针对废弃矿井CAES技术进行研究，MENÉNDEZ等[23]、霍冉等[24]对废弃矿井CAES技术发展潜力与环境经济优势开展分析，证明了废弃矿井CAES技术的可行性；CHEN等[25]、周瑜等[26]、SCHMIDT等[27]通过数值模拟研究了储气库稳定性情况，分析了不同断面储气硐室的稳定性和密封性情况，为废弃矿井CAES储气库建设提供了借鉴；XU等[28]建立了废弃矿井CAES储气库热力学控制方程，并通过数值模拟得到了充放气循环过程中储气硐室的热力学响应规律。与此同时，国内废弃矿井CAES项目开始实施，2019年大同云冈矿废弃巷道压缩空气储能电站开始建设[29-30]，2022年曹庄煤矿先进压缩空气储能示范项目开始动工[31]，这些项目有望开创废弃矿井CAES电站建成运行的先河。
废弃矿井CAES是一个复杂的系统工程，涉及岩体力学、热力学、流体力学以及多场多相介质间的耦合作用机制。然而，由于废弃矿井CAES技术发展较晚，当前关于废弃矿井CAES的研究仍十分缺乏，尚未构建起一套系统化、全面化的理论研究框架，从而极大限制了废弃矿井CAES技术的进一步发展与应用。为此笔者介绍了CAES技术的工作原理，系统性阐述了CAES储气库的建设现状，分析总结了利用废弃矿井建设CAES电站的优势与面临难题，针对性提出了废弃矿井CAES储气库建设新思路与具体实施方案，为废弃矿井CAES技术的发展提供一定的借鉴意义。
1. CAES储气库建设进展
1.1 CAES技术工作原理
压缩空气储能电站的基本原理是电负荷低谷期时利用电力将空气压缩并储存起来，即电能转化为势能，而在电负荷高峰期，通过将压缩气体释放驱动发电机产生电能，实现势能到电能的转换[32-33]。经多年探索与发展，目前主要形成了补燃CAES、等温CAES及先进绝热CAES3类技术路线[34-35]，其中补燃式CAES是最早研发应用的技术路线，其在压缩过程中不回收压缩热，发电时利用天然气补燃加热压缩空气，进而驱动燃气轮机发电，效率较低，且存在碳排放，已不适应当前的发展需求；等温CAES通过喷淋等方式在气体压缩和膨胀过程中都实现了准等温过程以提高系统效率，但这种技术难以实现，仅适用于小型储能场景，尚未有相关工程案例[36]；先进绝热CAES将压缩过程产生的热量进行储存，并在释能过程中用于加热压缩空气，驱动膨胀机发电，实现了零碳排放，是目前国内外CAES电站建设采取的主流方式[37-38]。
先进绝热CAES系统主要由发电机、电动机、压缩机、膨胀机、换热器、储气设备和储热设备组成，其结构如图1所示，储能过程中，通过压缩机将空气压至储气室的同时，利用换热器将压缩热存至储热装置，实现电能向压力势能和压缩热能的解耦存储；发电过程中，释放高压空气并利用储能过程中存储的压缩热对释放空气进行加热，形成高温高压气体驱动透平膨胀机发电。相比于传统补燃式CAES，该技术通过采集利用压缩热替代化石燃料进行气体加热，实现了能源高效利用[20,39-40]。
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图 1 绝热压缩空气储能系统结构Figure 1. Structural diagram of adiabatic compressed air energy storage system1.2 地下储气库建设现状
储气库是地下CAES电站的重要组成部分，通常选在层状盐穴或盐丘、含水层或硬岩矿山等的地质体中[41-42]。早在20世纪70年代，欧美等发达国家开始研究并建设地下CAES电站，目前德国、美国和加拿大已建有一定规模的商业运行CAES电站，日本、韩国、瑞士等国开展了小型的CAES电站验证试验[43-44]。国内在压缩空气储能电站方面的研究起步虽然较晚，但近年来发展迅速，建成或在建的压缩空气储气库达数十个，其中代表性储气库见表1[13-18,35-37,45-46]，根据地下储气库的所处地质条件可将其分为以下4类：
电站 地质条件 埋深/m 容积(功率) 状态 德国Huntorf电站 盐穴 600 3.1×105 m3(290 MW) 商业运行（1978年建成） 美国McIntosh电站 盐穴 300 5.6×105 m3(110 MW) 商业运行（1991年建成） 加拿大Goderich储能项目 盐穴 — (10 MW) 商业运行（2019年建成） 山东肥城压缩空气储能示范电站 盐穴 — (10 MW) 商业运行（2021年建成） 金坛盐穴压缩空气储能电站 盐穴 1000 2.2×105 m3(60 MW) 商业运行（2022年建成） 山东肥城压缩空气储能电站 盐穴 — (300 MW) 商业运行（2023年建成） 湖北应城压缩空气储能电站 盐穴 — (300 MW) 商业运行（2024年建成） 韩国压缩空气储能电站试点项目 人工硐室（隧道） 100 约3 000 m3 试验（2011年） 瑞士绝热压缩空气储能试验电站 人工硐室（隧道） 450 1 942 m3 试验（2018年） 湖南平江压缩空气储能试验电站 人工硐室 110 28.8 m3 试验（2018年） 辽宁朝阳压缩空气储能电站 人工硐室 110 (300 MW) 建设中（2022年开工） 甘肃酒泉压缩空气储能电站 人工硐室 — (300 MW) 建设中（2022年开工） 宁夏中宁压缩空气储能电站 人工硐室 150 (100 MW) 建设中（2023年开工） 日本砂川盯储能项目 废弃煤矿 450 1 600 m3 试验（2001年建成） 大同云冈矿废弃巷道压缩空气储能电站 废弃煤矿 200～300 9×104 m3 建设中（2019年开工） 曹庄煤矿先进压缩空气储能示范项目 废弃煤矿 280 1×105 m3 建设中（2022年开工） 1）盐穴储气库。盐穴储气库就是将地下盐层或盐丘开采过后形成的地下盐穴作为储存空间并向内压入高压气体，从而实现能量的存储，如图2a所示[47]。目前建成的CAES储气库主要是盐穴储气库，例如1978年德国建成的Huntorf电站、1991年美国建成的McIntosh电站、2019年加拿大建成的Goderich储能项目，国内2021年建成并网的山东肥城10 MW压缩空气储能示范电站、2022年建成并网的江苏金坛60 MW压缩空气储能电站、2023年建成并网的山东肥城300 MW压缩空气储能电站与也属于盐穴储能系统。
2024年4月9日，湖北应城利用地下盐穴建设的世界首台（套）300 MW压缩空气储能电站——湖北应城300 MW压缩空气储能电站示范工程并网发电 [48]，该项目创造了单机功率、储能规模、转换效率等多项世界记录。
由于深部盐岩具有渗透率低、力学性质稳定及损伤恢复能力强等优点，是国际上首选的地下储能理想介质，盐穴储气库与其他类型储气库相比具有许多优点：① 一般盐岩地层埋深较大（>800 m），上覆岩层较厚，可有效保护盐穴储气库；② 盐岩具有低渗透性、力学性质稳定及损伤恢复能力强等优点，从而保障盐穴储气库长期气密性完好，储气库使用寿命长；③ 利用盐穴建设储气库，可降低大量开挖成本低，无需布设密封层，整体建设费用低等。
深部盐穴建设储气库具有极大便利性与优越性，但与国外巨厚盐丘不同，我国盐穴多来源于层状盐岩。表2为我国东部地区主要盐矿基本信息[49]，可以看到我国绝大部盐矿具有矿层多、单层薄、夹层多、夹层厚、埋藏过浅或过深等特点，除江苏金坛建库条件良好以外，其余盐矿存在厚度小、夹层厚、夹层多，建设过程中不可避免的穿越多个夹层，运营过程中夹层与盐岩层间力学性质的不同可能会导致岩层产生不协调变形，长期交变荷载下影响储气库的密闭性与稳定性，增加了建设深地储气库的难度[50-51]。
盐矿 含矿地层总厚/m 埋深/m 平均品位或可溶物占比/% 夹层及其他特征 江苏金坛 80～260 860～1 300 73～85 2个主要夹层，不超过5 m 江苏淮安 200～600 800～2 200 60 夹层较多且厚度大 江苏丰县 200～500 800～1 700 75.1 上盐层存在超10 m厚夹层 河南平顶山 300～460 1 100～1 900 >90 夹层多，但多数较薄 江西清江 250 800～1 100 60～70 夹层多且薄 广东三水 200～450 1 210～1 450 69.23 一般小于5 m 湖北潜江 >800 1 900～3 600 >85 存在厚夹层 湖北小板 500～1 000 50～300 >90 夹层较少 山东肥城 250 700～1 200 60 夹层多，厚度多为5～9 m 湖南衡阳 250 800～1 100 >60 夹层较少较薄，品位一般 重庆长寿 2 700～3 000 30～62 83.67 埋深较深，地应力大 上海长宁 300～500 3500 >90 基本无夹层，埋深过深 河北宁晋 150～220 2 500～2 700 92 位于邢台地震带 四川威西 800～1 800 15～45 >95 单层盐层、盐层较薄 云南安宁 369～730 52～500 58.86 品味低，不溶物含量高 2）人工硐室储气库。硬岩硐室也可以作为CAES的场所，在地下500 m范围内的稳定岩层内，通过人工开挖或利用废弃隧道等方式建设隧道式、大罐式硐室，硐室内部常采用钢衬、橡胶或其他新型密封材料等进行高压气体的密封[52]，如图2b所示。
目前利用人工硐室建设的CAES储气库较少，大多处于工程示范和试验阶段，例如韩国在2011年利用一段废弃隧道建立的储能电站试点项目、瑞士于2018年通过开挖隧道所建立的CAES试验电站；在国内，2018年蒋中明等[53]利用湖南平江抽水蓄能电站勘探平硐，建造了国内第1个硬岩浅埋衬砌地下储气室，并进行了10次完整的压缩空气充放气循环试验，如图3所示；中能建辽宁朝阳300 MW压缩空气储能电站、中电工程甘肃酒泉玉门300 MW压缩空气储能电站的开工建设，有望开创人工硐室CAES电站商业运行先河。
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相对于盐穴储气库，人工硐室储气库具备的最大优点是不受地层与地域限制，适合建设CAES储气库的硬岩类型较多，地层分布广泛，有效摆脱了对盐岩地层的依赖性，从而可在东部主要城市群、工业中心或拥有丰富风光资源的西部地区建设CAES电站，便于电力调峰，实现压缩空气储能与风光资源的联动。但硬岩相较盐岩来说，其渗透性高、气密性差，必须建设密封层对硐室内部高压气体进行密封；加之重新开挖深部硐室造价高昂，一定程度限制了人工硐室CAES储气库的发展与建设。
3）废弃矿井储气库。废弃矿井CAES储气库利用采矿过程中遗留下来的符合储气条件废弃巷道或洞穴，在其四周施加较厚衬砌及密封层用以封存高压气体，同时为保障巷道气密性，防止高压气体外泄，巷道每隔一定距离采用混凝土塞进行封堵隔离[54]，如图2c所示。
废弃矿井储气库早在20世纪60年代就已经开始应用，例如1963年美国建成的Leyden废弃煤矿储气库（储气1.4亿m3），1975年比利时建立的Anderlues废弃煤矿储气库（储气1.8亿m3）都还在运行中[55]，但利用废弃矿井建设压缩空气储气库的案例较少，20世纪90年代，日本分别利用煤矿巷道与锌矿巷道建设了储气硐室，并进行了原位储气小型先导性试验，测得了不同衬砌条件下硐室气体泄漏情况。
近年来在国内，在科研人员的共同努力下，废弃矿井CAES电站进展迅速。2019年，卢强院士在大同云冈矿助力搭建的废弃煤矿巷道CAES电站开工，有望成为全球首个建成运营的煤矿巷道CAES电站；2022年开工的曹庄煤矿先进CAES示范项目也在正常推进中。
废弃矿井CAES储气库利用废弃巷道或洞穴建设储气库，即可充分利用废弃矿井中的土地、空间资源，又能节省硐室开挖费用，具有一定的发展前景。但由于废弃矿井地质条件复杂，废弃巷道其稳定性和气密性较差等，在长期频繁充放气产生的交变温压荷载下，巷道围岩与衬砌、密封结构易发生破坏。因此，废弃矿井CAES技术仍需开展深入研究，形成普适性强、适合中国国情CAES保障理论与技术体系。
4）含水层储气库。含水层储气库的基本原理是将高压气体注入地下含水层结构的最高点或其周围，向含水层通入气体将水从孔隙中驱出，并在构造顶部盖层下积蓄而形成储气库气藏，如图2d所示。
相较盐穴储气库、硐室储气库等，地下含水层储气库具有以下优点：① 构造分布广泛，可降低储能系统对地质条件的限制；② 储存空间较大，可用于更大规模的用气调峰。但含水层储气库同样存在较为明显的缺点：① 储气库气−水分界面难控制，操作检测较为困难；② 需钻一定数量的注采井、监测井、排水井，工程量大，投资和运行费用也比较高；③ 建库周期比较长，风险也相对较大[56]。因此目前含水层CAES储气库仍处于工程验证与试验阶段，例如美国Pittsfield场地的实践案例充分验证了含水层构建储气库的可行性[57]，但尚无建成实例。
深部CAES技术是当前国际学术界与工程界的最新发展前沿，具有重大的科学意义和工程价值，其建造和运营过程中存在众多科学难题。但在我国科研工作者不懈努力下，近年来我国地下CAES技术取得了长足的发展，江苏金坛、山东肥城、湖北应城CAES电站的相继并网成功标志着国内研发团队已突破了1～300 MW级CAES系统核心关键技术，拥有完全自主知识产权。此外人工硐室、废弃矿井CAES电站均已开工建设，有望开创人工硐室、废弃矿井CAES电站商业运行先河。
2. 废弃矿井储气库研究进展
2.1 废弃矿井地下空间利用现状
近年来随着煤炭资源的大量消耗，我国煤矿关闭数量也在快速增加，自2000年至今，全国已累计关闭煤矿数超35 000处，而未来5～10 a内东部地区煤矿关闭数量将进一步迅速增加。废弃煤矿大量的土地资源、地面厂房及地下空间等资源未得到充分利用。据统计各省现有井巷可利用地下空间量总计约5.84×108 m3，其中18个重点产煤大省大巷容量近1.5×108 m3，井筒空间容量超5.0×107 m3，开发利用空间巨大[58-59]。此外矿井直接关闭或废弃将会引发地质灾害威胁，如地表塌陷、矿井水隐患等[60]。充分利用废弃矿井中的土地、空间资源，将资源开发利用纳入区域经济和社会发展中，实现资源的二次回报，为关停废弃矿井提供新的转型机遇与可持续发展战略路径[61]。
目前废弃矿井地下空间开发利用方向主要为：地下储气库建设、地下水库建设、地下油存储、核废料封存等。
1）地下储气库是利用枯竭的矿藏空间（如枯竭油气田、岩穴等）与井巷硐室等，辅以地面配套设置的注采气站、集输系统等共同形成的氢气、天然气、氦气等重要介质的基础设施。目前国内全部采用枯竭油气田与盐穴建设储气库，尚无利用废弃矿井井巷硐室建设储气库的实例。
2）废弃矿井地下水库是利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储孔，将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，同时建设矿井水入库设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用，建设煤矿地下水库工程[62]。目前我国西部矿区已累计建成35座煤矿地下水库，储水量约2 500万m3。
3）地下油储库主要是利用油气田、岩盐洞穴和废弃矿井的岩巷巷道存储原油，但在废弃煤矿巷道存储时，应考虑围岩渗透性、主采煤层与地下水位的水头差，并设置水幕系统协助遏制地下储油的泄漏[63]。
4）废弃矿井核废料封存是将废弃矿井经过改性、筛选从而作为中低放核废料的处置场所。我国目前仅有辽宁兴城某废弃铀矿2000年开始处置核废料，2003年处置完毕[64]。
此外还可以利用废弃矿井进行地下实验室建设、旅游资源开发、物资存储（农作物、军事物资等），虽然针对废弃矿井地下空间利用的方向众多，但由于我国在关闭煤矿地下空间再利用方面起步较晚，加之种种条件限制，目前仅有小部分废弃矿井得到了开发利用，绝大部分废弃矿井地下空间资源仍未得到有效利用。
2.2 废弃矿井CAES储气库选址要求
利用关停煤矿的废弃巷道与硐室建设压缩空气储气库即可利用废弃地下空间，又能减少开挖与基建费用，还能防止巷道塌陷、减少地表下沉，具有巨大的经济与生态优势。
但储气库的建设对围岩强度、渗透率、裂隙发育情况等具有较高要求，同时还要避开断层等地质构造，因而极大限制了废弃矿井的选择范围[65-66]。
废弃煤矿储气库与盐穴储气库均属于“洞穴型”地下储气库，库址资源特征相似，结合国内外盐穴储气库选址的成功经验与废弃煤矿自身特征，提出了废弃矿井储气库选址技术要求，如图4所示。
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图 4 废弃矿井储气库选址技术流程Figure 4. Technical flowchart for site selection of abandoned mine gas storage利用废弃煤矿建设CAES压缩空气储气库首先需要对煤矿进行初步的筛选，筛选过程应遵循以下原则：① 矿区地质构造，矿区内煤层展布稳定，构造简单且落实，主要大巷内无断层或断层不发育；② 埋深，推荐埋深为500～1 000 m，这样在保证一定压力的同时，也可避免深部“高应力、高渗压、高低温”的不利条件限制；③ 储气库容量，为保证经济效益，尽量选择大型煤矿，大型煤矿巷道更长的同时，一般而言巷道断面也更大，更利于储气库的施工建设；④ 围岩岩性，为保证巷道的围岩稳定性，巷道围岩石应较为坚硬，同时顶板岩层厚度较大，避免软弱夹层带来的不利影响，此外围岩裂隙应不发育或少量发育。
废弃煤矿经初步筛选后，应进一步综合考虑矿井特征、水文地质条件、储气库施工难度、围岩稳定性、围岩渗透性与经济安全性等六大因素进行综合评价分析，最终选择出最佳的废弃矿井进行建设，这样才能确保废弃矿井储气库的经济稳定性。
2.3 传统废弃矿井CAES储气库建设方案
传统废弃矿井或人工硐室压缩空气储气库建设过程中常需要施加大厚度衬砌等手段进行高强度支护以提升储气硐室承压与抗变形能力；通过在巷道内铺设密封层以保障储气硐室密封性等方式进行密封。整体作业流程为：① 对原有废弃巷道进行底部扩挖和修正，防止底角等处产生应力集中；② 对巷道围岩的岩体进行高压注浆加固，形成大范围稳定的承力层；③ 根据巷道断面形状施工钢筋混凝土衬砌，并对衬砌内表面进行光滑处理；④ 对巷道原断面与钢筋混凝土衬砌之间的空间进行注浆充填；⑤ 采用钢衬等密封结构对巷道进行密封；⑥ 对巷道两端面进行封堵，存储高压气体。
NISHIMOTO等[67]指出，硬岩储库密封材料必须满足气密性（要求渗透系数足够低）、可变形性（承受10%左右的拉伸变形)和耐久性（使用年限内不发生气密性劣化) 3个要求。由于钢具有极低渗透性、强度高、耐高温、耐久性好等优点成为主流密封材料，目前国内在建和已建的CAES硬岩硐室主要的密封结构采用钢衬进行密封[68]，例如北京大安山废弃煤矿CAES电站、曹庄煤矿先进CAES示范项目都采用此种方式建设储气库[69-70]，如图5所示。
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图 5 传统钢衬密封储气硐室建设示意Figure 5. Schematic diagram of traditional steel lined sealed gas storage chamber construction同时为保障巷道气密性，防止高压气体外泄，巷道每隔一定距离采用混凝土堵头进行封堵隔离，各储气硐室相互隔离，便于各储气硐室气体泄漏监测与实时调控[71]。目前在压缩空气储库中采用的多是纺锤形堵头，例如瑞典压缩空气Biasca试验储库[72]，其内部气压最大为7 MPa，堵头长度5 m，为防止空气泄漏和更好地传递压力，在堵头及硐室端部布设钢衬20 mm，如图6所示。
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2.4 废弃矿井CAES储气库安全风险与限制瓶颈
废弃矿井地下CAES是一个复杂的系统工程，采用传统“衬砌+钢衬”结构建设的储气库在建设发展及运营过程会出现如下问题：
1）多场多相耦合作用下密封结构渐进破坏。为保障CAES电站的经济与效益，就要确保能量的转化效率稳定，而一旦气体外泄将导致转化效率过低，储气库失效，已有的几十起地下储气库失效事故也都表明渗漏是事故发生的主要原因。
废弃矿井CAES储气库运营过程中会受到高温、高压、蠕变及化学侵蚀等作用的影响[73]，会导致钢衬或橡胶等密封结构产生微裂隙，微裂隙逐渐发展贯通，破坏整体硐室密封性，使储能介质不断外泄，长时作用下有可能会导致储气库的失效与破坏[74]。
此外采用钢衬结构进行密封时，由于储气硐室断面较大，密封层施工过程中无法采用一体化钢板进行密封，只能通过焊接手段进行装配，受人工等不可抗力因素，焊接过程中可能会存在焊接缺陷，加之多场多相耦合作用使得缺陷处更易发生失效破裂，造成气体泄漏，导致储气硐室失去经济价值。
2）频繁充放气产生交变温压荷载破坏硐室。CAES储气库在一个循环内要经历充气−储气−抽气−储气的过程，通常如图7所示[75]，图中0～t1时间段内，压缩机以恒定速率向洞室内充气；t1～t2时间段内，储气库储气；t2～t3时间段内，气体以恒定速率从储气库向外抽气发电，抽气与充气速率的比值为k；t3～t4时间段内，储气库二次储气。
储气库充放气过程中，储气压力与温度产生周期性变化，储气库密封结构与衬砌、围岩在长期交变温压膨胀荷载下，容易造成工程结构疲劳破坏，特别是巷道拐角、连接等位置，衬砌、围岩变形破坏风险更大，影响储气库的空气泄漏与稳定性情况。
3）混凝土密封塞岩−砼界面气体泄漏。根据现有研究表明，高压气体的主要泄漏通道即为混凝土修建的密封气塞[76]，导致洞室无法达到更高压力。巷道经开挖与混凝土塞封堵后，由于岩石和混凝土本身的特性具有非均质、非线性和各向异性，导致混凝土与围岩接触界面相对薄弱，高气压下密封塞与围岩接触面呈张开趋势，在长期交变荷载、围岩蠕变等荷载作用下，逐渐发生微裂纹萌生、扩展和贯通，最终形成宏观裂缝，造成高压气体泄漏，如图8所示。
4）废弃矿井CAES电站选址条件苛刻。废弃矿井CAES电站储气库的建设对围岩强度、渗透率、裂隙发育情况等具有较高要求，同时还要避开断层等地质构造。但由于矿区地质条件普遍较为复杂，加之废弃巷道年久失修，其原有衬砌与围岩结构难以满足CAES储气库高强、低渗等要求，使得大部分矿井无法建设废弃矿井CAES储气库，极大限制了废弃矿井CAES技术的发展。
3. 管道布设型废弃矿井CAES储气库新设计构想
为避免传统储气硐室建设过程中存在的安全隐患，笔者团队提出了一种管道布设型储气库设计构想，如图9所示。管道布设型储气库设计构想主要内容为：① 利用煤矿原主井安设大直径无缝钢管作为进气管道，副井作为输气管道；② 选取煤矿主要运输大巷、轨道大巷、主副斜井等作为储气库改造空间；③ 巷道内安设大直径无缝钢管作为气体运输与存储空间；④ 气体存储管道与巷道间缝隙填充松散充填体，可承担部分围岩压力与气压。
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图 9 管道布设型废弃矿井储气库设计构想Figure 9. Design concept for abandoned mine gas storage with pipeline layout该方案通过大直径无缝钢管承担高压气体膨胀载荷，管道周围松散充填体可允许管道发生一定程度变形，并承担气体膨胀载荷与围岩压力，增加储气硐室的承压能力，同时圆形管道与松散充填体可防止应力集中，进一步增强了硐室稳定性，如图9b所示。
储气库建设过程中选取矿井运输大巷、轨道大巷等主要巷道作为改造空间，这类巷道多为稳定岩巷，维护状况较好，积水积气危险较小；巷道断面面积较大，便于管道布设、安装与焊接工作开展。
储气管道由大直径无缝钢管、波纹管补偿器、法兰、超压切断阀、超压放散阀等构成，如图9c所示。其中大直径无缝钢管可采用X70、X80等高强度、高韧性管线钢。近年来随着我国“四大战略通道+五纵五横”能源管网的大力建设，我国管线钢产品达到国际领先水平[77-78]，目前在西气东输、中俄东线建设中，采用的管道直径最大为1 422 mm，设计压力12 MPa，可充分满足高压气体存储与运移需求[79]。因此借助X70、X80等高性能大直径管线钢建设储气库，其具备更好的稳定性与密封性。
管道间通过安置波纹管补偿器吸收无缝钢管、法兰等由气压变化等原因而产生的尺寸变化，补偿管路的轴向、横向和角向位移。钢管间通过法兰连接，法兰间配合使用弹性密封垫片，在允许一定变形的情况下，可增强密封效果。进气管路上布置超压切断阀，其主要在系统中起紧急切断保护作用，具有监控储气压力超压切断的功能，当系统压力高于一定压力值时，切断阀可迅速紧急切断，达到安全监控的目的。出气管路配备超压放散阀，该装置为储气输送管路中的一种安全预警装置，当储气管道内的气体压力超过设定值时，可立即排出一定量气体，以保障储能管道内气体的安全稳定。
松散充填体可利用煤矸石、粉煤灰、气化渣等多源煤基固废等进行研发，在管道安装完成后将其充填至管道与巷道间缝隙内，从而协调管道内压与巷道外压的受力，充分利用深部高地应力环境，在避免气体泄漏的同时提高储气管道的抗变形能力与承压能力，同时也实现了煤基固废的无害化、规模化、资源化处置，进一步扩大生态效益。
储气硐室建设施工过程中，可借助现有的天然气运输管道施工装备进行施工，可极大降低储气硐室建设施工难度，整体施工步骤为
1）巷道维护。对原有主要运输巷进行翻新维护，清除巷道原轨道、水槽等设施，使其便于管道布设与储气硐室建设。
2）管道运输。大直径钢管可在地面利用吊管机进行输送与搬运，管道通过主副井筒或斜井运送至井下巷道。
3）管道布设。布设时采用推管机与顶管机进行机械化布设，将管道沿预定路线平稳、快速地推进。
4）管道组装。安装过程中采用液压内对口机进行组装，通过弹簧拉力快速合拢卡头，减少复位时间，提高工作效率。同时，它还能确保管道对接的精度和质量。
5）管道焊接。采用管道内自动对焊机进行管道焊接，可自动完成管道对接、预热、焊接、冷却等全过程，不仅保证了焊缝的强度和密封性，还大大提高了焊接速度，降低了人力成本和安全风险。
6）管道探伤。采用无损探测器进行管道探伤，精确检测焊缝与管道内部缺陷，及时修复。
7）颗粒物充填。管道探伤修复完成后，将松散充填体及时充填到管道与巷道间缝隙内，充填过程可选用风力或水力充填，确保缝隙可全面覆盖。
8）试压运行。向管道系统充入预设压力的气体，持续稳定一段时间，用以验证管道的承压能力与密封性能，还可借助自动化监控系统，实时监测压力变化。
深部巷道中金属构件大多暴露于潮湿、腐蚀性、弱酸弱碱环境下，加之深部地层带来的高地应力、高渗压、高温环境使得金属构件很容易发生电化学与应力腐蚀等，最终导致构件破坏失效[80]，如图10所示。
CAES电站一般设计使用寿命为30～40 a，因而必须考虑在长期运行过程中金属构件的耐腐蚀问题，以传统钢衬作为密封层，表面涂刷油漆防腐蚀层的储气结构在矿井大气、压缩气体、矿井水、围岩成分、高应力等共同作用会产生微小裂缝，随着时间的推移不断扩展，产生应力集中，最终导致结构失效。
管道布设型废弃煤矿储气硐室建设方案中高压储气管道采用环氧粉末涂层与挤压聚乙烯防腐层（3PE）联合进行防腐处理，如图11所示，其中环氧粉末涂层是一种热固性聚合物涂料，坚硬且具有耐化学性、柔韧性和高附着力，非常适合用作功能性涂层；而聚乙烯材料在具有优异的耐腐蚀性的同时还具备电绝缘性、机械强度高等性质，采用挤压聚乙烯作为防腐层更能保障涂层的整体质量。
综上所述，所提管道布设型废弃煤矿储气库建设方案具备以下优点：① 减小了储气库对矿区地质构造、围岩渗透性的要求，增加了废弃煤矿CAES电站的选址范围；② 可利用现有管道施工工艺与技术，储气库建设难度与施工费用大大降低；③ 管道储气库具备良好密封性能，基本可消除焊缝与内部缺陷开裂风险，保证气体不发生泄漏；④ 充填体可改善围岩应力分布，承担管道膨胀载荷与围岩应力，提高了储气硐室稳定性；⑤ 管道布设型储气库具有良好的防腐性能，避免了腐蚀影响，增加了储气库的耐久性能，有利于长期运营。
4. 储气库改造案例
以山东能源集团鄂庄煤矿为例，对其进行管道布设型CAES电站改造设计。该煤矿位于山东省济南市，始建于1982年，年产量约90万～100万t，属于中型煤矿，2022年停产关闭，部分采区巷道封闭。该煤矿其主要运输大巷、轨道大巷、主副斜井等巷道被保留，并进行了整修，这些巷道围岩稳定，支护强度大，变形较小，适宜改造为储气硐室。
因此，可选取原主要运输大巷、轨道大巷、主副斜井等进行改造，如图12所示（绿色巷道），可利用巷道总长约32 km，采用多管道布设储气库建设方案进行建设，由于巷道尺寸较大（5 m×5 m），巷道内可安置8根管道（直径1.422 m）进行储气，如图12c所示。
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图 12 废弃矿井CAES电站改造建设方案Figure 12. Reconstruction and construction scheme for CAES power station of abandoned mine在原煤矿地面工业广场建设CAES电站地面设施，保留原煤矿居民区、停车场、工人俱乐部，办公楼等，在主副井及CAES电站进气口、出气口附近布置换热器，换热器后方布置大型储热罐，前侧建设主楼，安置发电机与压缩机，实现气体发电与气体压缩。在原煤场、矸石场及晒矸场建设光伏发电区，进一步充分利用土地资源，实现节能减排。
鄂庄煤矿废弃矿井CAES电站改造建设完成后，其储气库总容积可达4.5×105 m3，储能量达1 600 MWh，发电功率可达400 MW，预计年发电量超4.8亿kWh 。
5. 结论与展望
1）CAES储能技术目前主要形成了补燃CAES、等温CAES及先进绝热CAES 3类技术路线，其中先进绝热CAES实现了能源高效利用和零碳排放，是目前国内外CAES电站建设采取的主流方式。
2）CAES地下储气库通常分为盐穴、人工硐室、废弃矿井、含水层储气库，目前我国绝大部分CAES储气库依托盐穴建立，但因我国层状盐岩禀赋差，选址十分困难，限制了国内CAES技术的发展与应用。
3）当前废弃矿井地下可利用空间巨大，但利用率较低，利用废弃矿井原有井巷硐室建设CAES储气库具有巨大的生态经济效益与发展前景，选址过程中需分析矿区地质构造、埋深、容量与围岩岩性等进行初步筛选，并综合分析矿井特征、水文地质条件、储气库施工难度、围岩稳定性、围岩渗透性与经济安全性等六大因素进，选择出最佳的废弃矿井进行建设，确保废弃矿井储气库的经济稳定性。
4）传统废弃矿井储气库主要通过钢衬与混凝土堵头进行密封，混凝土衬砌进行承压。该方案存在以下问题：多场多相耦合作用下密封结构渐进破坏、混凝土密封塞岩−砼界面气体泄漏、选址条件苛刻，极大限制了废弃矿井CAES技术的发展。
5）笔者团队提出一种新型管道布设储气库建设方案：在废弃矿井巷道内安设大直径无缝钢管作为储气空间，管道与巷道间缝隙内填充松散充填体进行承压。与传统方案相比，该方案有以下优势：① 储气库选址要求降低，增大了选址范围；② 建设与施工难度大大降低；③ 极大提高了密封性能，无气体泄漏风险；④ 改善围岩应力环境，硐室稳定性提高；⑤ 免受腐蚀影响，有利于长期运行。因此，管道布设型废弃矿井CAES电站具备极大的推广应用价值。
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图 1 绝热压缩空气储能系统结构
Figure 1. Structural diagram of adiabatic compressed air energy storage system
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图 4 废弃矿井储气库选址技术流程
Figure 4. Technical flowchart for site selection of abandoned mine gas storage
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图 5 传统钢衬密封储气硐室建设示意
Figure 5. Schematic diagram of traditional steel lined sealed gas storage chamber construction
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图 9 管道布设型废弃矿井储气库设计构想
Figure 9. Design concept for abandoned mine gas storage with pipeline layout
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图 12 废弃矿井CAES电站改造建设方案
Figure 12. Reconstruction and construction scheme for CAES power station of abandoned mine
表 1 国内外CAES电站主要建设情况[13-18,35-37,45,46]
Table 1 Construction of CAES gas storage facilities at home and abroad[13-18,35-37,45,46]
电站 地质条件 埋深/m 容积(功率) 状态 德国Huntorf电站 盐穴 600 3.1×105 m3(290 MW) 商业运行（1978年建成） 美国McIntosh电站 盐穴 300 5.6×105 m3(110 MW) 商业运行（1991年建成） 加拿大Goderich储能项目 盐穴 — (10 MW) 商业运行（2019年建成） 山东肥城压缩空气储能示范电站 盐穴 — (10 MW) 商业运行（2021年建成） 金坛盐穴压缩空气储能电站 盐穴 1000 2.2×105 m3(60 MW) 商业运行（2022年建成） 山东肥城压缩空气储能电站 盐穴 — (300 MW) 商业运行（2023年建成） 湖北应城压缩空气储能电站 盐穴 — (300 MW) 商业运行（2024年建成） 韩国压缩空气储能电站试点项目 人工硐室（隧道） 100 约3 000 m3 试验（2011年） 瑞士绝热压缩空气储能试验电站 人工硐室（隧道） 450 1 942 m3 试验（2018年） 湖南平江压缩空气储能试验电站 人工硐室 110 28.8 m3 试验（2018年） 辽宁朝阳压缩空气储能电站 人工硐室 110 (300 MW) 建设中（2022年开工） 甘肃酒泉压缩空气储能电站 人工硐室 — (300 MW) 建设中（2022年开工） 宁夏中宁压缩空气储能电站 人工硐室 150 (100 MW) 建设中（2023年开工） 日本砂川盯储能项目 废弃煤矿 450 1 600 m3 试验（2001年建成） 大同云冈矿废弃巷道压缩空气储能电站 废弃煤矿 200～300 9×104 m3 建设中（2019年开工） 曹庄煤矿先进压缩空气储能示范项目 废弃煤矿 280 1×105 m3 建设中（2022年开工） 
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盐矿 含矿地层总厚/m 埋深/m 平均品位或可溶物占比/% 夹层及其他特征 江苏金坛 80～260 860～1 300 73～85 2个主要夹层，不超过5 m 江苏淮安 200～600 800～2 200 60 夹层较多且厚度大 江苏丰县 200～500 800～1 700 75.1 上盐层存在超10 m厚夹层 河南平顶山 300～460 1 100～1 900 >90 夹层多，但多数较薄 江西清江 250 800～1 100 60～70 夹层多且薄 广东三水 200～450 1 210～1 450 69.23 一般小于5 m 湖北潜江 >800 1 900～3 600 >85 存在厚夹层 湖北小板 500～1 000 50～300 >90 夹层较少 山东肥城 250 700～1 200 60 夹层多，厚度多为5～9 m 湖南衡阳 250 800～1 100 >60 夹层较少较薄，品位一般 重庆长寿 2 700～3 000 30～62 83.67 埋深较深，地应力大 上海长宁 300～500 3500 >90 基本无夹层，埋深过深 河北宁晋 150～220 2 500～2 700 92 位于邢台地震带 四川威西 800～1 800 15～45 >95 单层盐层、盐层较薄 云南安宁 369～730 52～500 58.86 品味低，不溶物含量高
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