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直击长沙|长沙理工蒋中明:压缩空气储能岩穴储气库的技术及其应用进展

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-07 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了长沙理工大学教授蒋中明分享主题报告《压缩空气储能岩穴储气库的技术及其应用进展》。以下是发言主要内容:

蒋中明:我今天下午向大家介绍的技术属于新型物理储能技术中的压缩空气储能技术。新型物理储能在储能的技术领域当中是比较小众的技术。压缩空气储能也属于新型物理储能技术。。这个储能技术在近些年也得到了长足的发展,特别是从去年以后,随着国家碳中和碳达峰的目标实现技术路线的具体推进,国内很多大型企业都在压缩空气储能技术领域进行了布局,所以我今天把压缩空气储能技术中的一个关键技术,也就是岩穴储气库技术的发展和应用的情况跟在座的各位嘉宾做一个报告。我的报告题目是:压缩空气储能岩穴储气库的技术及其应用进展。

压缩空气储能技术是非常复杂的一个技术,储气装置是其中的核心技术之一。什么是压缩空气储能呢?简单来说,它就是利用空气作为介质,在电能富余的时候用电能去驱动空压机,将空气压缩成高压的状态并存储在储气装置里面,在需要用电的时候把它释放出来,驱动透平机进而发电的一种技术。压缩空气储能技术发电的过程和火电厂的发电比较类似,但是由于它使用的介质不同、技术路线也不同,所以它的设备工艺集成也有很大的差别。

我们总结了一下压缩空气储能技术的六大优点:一是容量大。压缩空气储能电站的容量可以做到和抽水蓄能电站相当的水平,目前国内压缩空气储能设备的单机已经做到了30万千瓦,与我们许多火电厂发电机的机组装机规模基本是相当的了。二是经济比较好。三是寿命比较长,一般在30年到50年。四是效率比较高。当然这个效率和抽水蓄能电站相比还有一定的差距,但是由于它的总投资较少,所以经济指标应该也还可以。五是选址相对比较容易。抽水蓄能电站作为大规模储能电站,必须要有水,有比较严格的地形地质条件,但是压缩空气储能电站对这方面的要求就没有那么高。六是环保性好,因为在整个发电的过程当中它用的是空气,而这个空气在进行发电之前都需要经过除尘和除湿的,所以发完电以后的空气,排入大气当中的空气是非常干净的。这是它的几大优点。

目前在国内外要推广压缩空气储能技术必须要解决两大关键技术问题:

一是地面的设备及工艺集成技术。要发电就必须要有相应的发电设备。目前,国内的清华大学、中科院热物理所、南方电网以及其他很多高校在压缩空气储能技术设备研究方面都做了大量的工作,并且在近两年取得了非常显著的进展。国内许许多多的大型设备生产厂家也加入了这个行业来。到目前为止,国内在压缩空气储能的发电设备及系统集成技术方面应该说已经攻克了难关,设备制造已经实现了国产化,为压缩空气储能技术的大规模示范推广应用奠定了基础,这是第一个关键技术。

二是与地面设备配套进行能量存储的另一个关键技术--储气技术。储气技术采用的装置可以分为两种:,一是用地面罐储气,地面罐一般都用钢罐;另外一种是地下储罐。地下储罐就是把高压的压缩空气放在地表以下洞穴中进行存储。由于存储的压缩空气都处于高压状态,这种压力至少要达到10个兆帕。在如此高的压力下,压缩空气的存储面临安全问题、可靠密封问题以及经济问题。从我们所收集到的资料来看,国内外已经商业化和已经示范应用的大型压缩空气储能电站所采用的储气装置都是盐岩洞穴储气库。这种储气库可以提供高达几十万方甚至上百万方的压缩空气存储空间。地面罐的规模是做不大的。地面罐存储高压压缩空气顶多就是几千方或者是几万方,造价比地下储气库要贵两倍甚至三倍不止,所以发展经济高效的地下储气库是压缩空气储能电站技术进步的一个非常重要的方向。

人造岩穴储气库和盐岩洞穴储气库相比的优点就是选址更加的灵活,盐岩的洞穴储气库受制于我们国家的盐岩地层分布的情况,我们国家的盐岩地层在全国分布不算很广泛,主要在华东地区分布比较多一些,像山东、江苏等。在需要大量储能电站的三北地区没有这样的地质条件。所以人造岩穴储气库是国内外很多高校或者企业目前在开发的新技术。

人造岩穴储气库在建设过程当中有几大关键技术值得关注:一是温控技术,温控技术跟压缩空气的热动力过程是密切相关的。地下储气库在进行压缩的时候会出现非常高的温度,这个温度不控制下来,它在后期对密封材料会造成很大的伤害。二是高压压缩空气进出库的管道振动,这个管道的振动也必须要解决好,否则也会漏气。三是在地下如何高效地把压缩空气密封住,这也是最关键的技术之一。有一部分同志对这一块不了解,认为把压缩空气直接注入到地下就封住了,事实上不是如此。地下的天然岩石都是有裂隙的,像几兆帕上10兆帕的高压压缩空气压进去以后,它都会漏掉跑掉。所以对于人造岩穴储气库,要设置一个人工的密封层。如何保障人工密封结构的长期有效性是目前国内外应该关注的重点。四是地下储气库的设计理论体系与规程规范的制定。为什么我把它列到这里?据我的统计,目前我国已经有多个百兆瓦以上的压缩空气储能电站进入了可研阶段,但如何设计和建设压缩空气储能的地下储气库没有相关的设计规程规范,这就导致了地下储气库装置在设计中缺乏参考依据。因此,还需要所有关注压缩空气储能技术的人员或者从业人员尽快开展设计理论和设计规范的研究,从而为这项技术得到更好推广应用提供技术支持。

在地下储气库的核心技术当中,高压气体的密封技术是其中的瓶颈技术。为什么我在这里讲瓶颈技术?不是说它封不住,关键是经济性要合理。如果是用钢罐,没有问题,肯定密封很好,但是钢罐存一方气大致要5000块钱,这个造价非常高,比如建设一个100兆瓦的压缩空气储能电站,在钢罐这一块就要投资将近5个亿,这显然是不能接受的,所以我们就把目光转向地下。目前地下高压气体密封技术分两类,一类是刚性密封,一类是柔性密封。刚性密封主要是以钢衬作为密封材料,把高压气体进行密封的一个技术。柔性密封是在地下储气库的里面再贴一层柔性的防渗材料。柔性密封技术又分为两类,装配式衬砌和整体式衬砌,这两类有各自的特点,装配式的柔性防渗结构非常聪明,在高压的情况下,地下储气库衬砌外面的混凝土处于受拉的状态,而利用装配式结构以后,它可以把这种受拉的结构变成一个受压的结构,从而充分利用混凝土的抗压性能,进而大幅度节省工程造价。对于柔性密封结构来讲,除了衬砌结构以外,还有一个关键就是柔性密封材料的选择。柔性密封材料可以用橡胶,也可以用其他的一些柔性的材料。这里给大家展示的材料是我们研究的一种新型柔性防渗混凝土材料。这种材料具有很低的弹性模量,可以和围岩产生很好的协调变形,但是它的渗透性又非常低,比混凝土要低几个数量级,所以它能够满足高压气体的密封。

讲完了压缩空气储能电站几个关键技术,我再跟大家再分享一下人造岩穴储气库在设计流程方面的认识。,地下储气库设计首先要进行选址。选址要遵循安全可靠,技术可行,经济合理,不是任何一个地层都可以修建地下储气库的。对于不同类型的压缩空气储能电站,比如是电源侧、电网侧和用户侧储能电站,由于类型不同,进行选址的流程也有一些差别,而且影响压缩空气储能电站选址的因素也很多,但是其最核心的一点还是建造地下储气库的岩层性质,也就是岩体的力学特性好坏是能否进行成功选址的关键。

对于人造岩穴储气库的设计,我们认为至少应该要包括九大内容。在选址确定完了之后,首先要对储气库进行初步的平面布置,在这个基础之上对储气库的断面形式要进行确定,因为储气库的容积空间通常都非常大,一般都是几十万方甚至上百万方,这么大的空间我们怎么把它布局好,以最有利的形式来存储空气,这是我们首先要考虑的一个问题。在这个基础之上,我们要确定一个合适的埋深。储气库的埋深事关两个方面,首先是安全,如果埋深浅了,高压压缩空气会把地层冲破,可能带来安全问题。但是如果过深,建造底下储气库的造价会大幅度提升,又不经济,所以在进行设计的时候应该用尽量多的方法根据其运行的最大压力以及储气库的形式对储气库的埋深进行定量计算和综合分析以后才能确定。目前我们拥有完整的研究方法和计算程序。地下储气库建设最根本的一点就是要保证安全性,工程建设首先要考虑的是安全问题,如果不安全其他的都不成立。地下储气库的安全风险主要来源于什么?在高压的情况下,地下岩层是不是会破坏?要分析它是不是会破坏,我们需要知道它的整体稳定性、局部稳定性以及长期的稳定性,采用不同的方法对它进行研究。地下的岩石并不是铁板一块的,有的地方好,有的地方坏。岩石不好的地方,我们可以用一些锚杆锚索等等加固措施对它进行加固,从而不影响整体的安全性。再是要提供一套经济的、技术可行的密封方案,这个密封方案的形式很多,这里还提了一个水幕系统,国外曾经也提出用地下水来密封高压压缩空气,这也是其中一中密封方案。但是从目前国内外的情况来看,最可靠的还是在地下储蓄库的内表新增加一层密封层,密封层的材料主要以钢板、橡胶、玻璃钢以及各种柔性材料为主。

堵头和交通巷道是辅助系统。堵头的密封也是非常关键的,虽然它是地下储气库中的重要组成部分,但是这两部分的设计理论、设计方法相对来说比较成熟。在地下储气库当中我们还要设置排水系统,地下储气库的排水系统包括两个方面,一个是要排储气库内部的水分,另外一个要排储气库密封层外面的水分。内排水系统和外排水系统,内排水系统就是要排出压缩空气经过长期运行以后在储气库里面形成凝结水。外排水系统主要是保证密封结构的安全,这些排水系统虽然是细节,但是对我们工程来讲也是特别关键的一个步骤。

设计监控措施。任何工程我们都需要知道它的健康状态,地下储气库也需要监测压缩空气温度压力的变化,以及储气库结构的应力、温度、空气水压力等等。整个监测体系可以保证储气库在运行过程当中能够以健康的姿态来进行工作。最后一个是运行方式。地下储气库的运行方式跟地表设备的运行方式是关联的。地下储气库在运行过程当中可能会出现超过100度的高温情况,也可能出现低于0度的情况。这两种情况实际上都跟电站的运行方式有关,所以在地下储气库里面我们还得设置一套温控系统,以保证地下储气库里面的温度在允许范围之内。对于小规模的储气库来讲温度问题可能不大,对于大规模地下储气库来讲,它的容积是几十万方甚至上百万方,温控问题就比较重要了。如果换热片的模式来换热,造价将是巨大的。。目前我们正在陕西进行一个实验来验证我们提出的新型的非换热温控技术。上述问题解决好了,才能够把我们的压缩空气储气装置设计好,从而为整个压缩空气储能系统的正常运行提供一个保障。

关于人造岩穴储气库的工程在我们国内应用的情况,我这里简单的列了几个,目前应该有十几个电站,最早是河北张北的钢罐+岩穴。8月份辽宁朝阳的压缩空气储能电站也是采用人工硐室。湖南应该说是以抽水蓄能为主的,但是就在这个月的16号,中能建跟湖南湘乡签了一个战略合作协议,准备投资72个亿,建设3×300兆瓦6个小时的压缩空气储能电站,也是采用人工硐室。还有湖南邵阳废弃的石膏矿洞建设压缩空气储能电站也属于人工洞穴储气库。随着人造岩穴储气库技术的日臻完善,它的应用前景会越来越广泛。

最后简单介绍一下我们团队的一些情况,我们这个团队做地下存储能源方面的研究也将近有10来年了,在压缩空气这个领域,我们保持了长期不断线的研究。在国内我们实施了第一个浅埋的岩穴地下储气库的实验,这个实验库的设计到整个实验的过程我们都全程参与了。目前我们还在开展国内第一个利用废弃石膏矿建设压缩空气储能电站的可行性研究。通过这些年的思考,为了获得更加经济高效的一种密封方案,我们发明了一种地下储气库的新型密封材料,这种密封材料就是我们刚刚讲的柔性混凝土,从实验的情况来看其性能都能够满足要求,目前正在组织大比例尺的模型实验,也就是在陕西做一个实验库的密封结构实验。在一些设计理论、设计方法和技术方面,我们也取得了一些成果。此外,在人造岩穴地下储气库方面,我们获得的发明专利也已经有十项左右。

我的报告就到此结束,敬请各位来宾和各位专家批评指正。

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关键字:压缩空气

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