中国废弃煤矿压气蓄能潜力与初步可行性研究

杜俊生，陈 结*，姜德义，范金洋，张传玖，陈紫阳

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室，重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044；3.国家能源集团 神东煤炭布尔台煤矿，鄂尔多斯 017000)

能源作为国家经济和技术发展的重要动力，其供应需保证连续、可靠、低污染。但是，中国能源供应的特点是以化石能源为主体，能源消耗高且环境污染严重。特别是近年来，因化石燃料废物排放引起的温室效应、烟雾和雾霾等环境问题日趋严重，化石能源因属于不可再生能源而最终会消耗殆尽[1–2]。可再生能源，如风能、太阳能和地热能，作为一种可再生、可持续和环保的能源，在处理能源需求和减少环境污染方面发挥着重要作用[3–4]。因此，加快可再生清洁能源的发展，减少对化石能源的依赖已成为中国能源结构转型的首要目标，也是解决能源需求、生态环境问题及应对气候变化的重要举措[5–6]。

可再生能源开发作为能源的重要发展方向，中国提出2050年底非化石能源一次能源消费占比增至50%的能源发展战略目标。2007年，中国化石能源及非化石能源一次能源消费占比分别为92.7%、7.3%，至2019年底，化石能源、非化石能源一次能源消费占比分别为84.7、15.3%，非化石能源一次能源消费占比提升了8个百分点，预测2030年底、2050年底非化石能源一次能源消费占比分别上升至20%、50%。

目前，风能、太阳能等可再生能源受到广泛关注，已成为中国清洁能源开发利用的主力。但是，由于可再生能源的风力和光照强度自身的随机性、波动性、间歇性及地理条件的特殊性，使其出力曲线产生的反调峰特性制约了新能源的并网容量，影响了发电的稳定性和连续性，甚至还可能无法并网发电[7–8]。为了提高可再生能源发电的利用率，储能技术的开发和利用显得尤为重要。近年来，储能技术因其降低能耗、成本和具有替代其他能源进行能源转型的可能性而获得了研究人员和政策制定者的极大关注[9–10]。

在发展形成的众多储能技术中，目前应用最为广泛的是压缩空气蓄能（compressed air energy storage，CAES）技术和抽水蓄能（pumped hudroelectric storage，PHS）技术，其能够实现与电网匹配，可长期、大规模储能。抽水蓄能电站的建立对地质条件有苛刻的要求，同时需要较大的前期资金投入[11–12]。还可能存在未知的生态污染、潜在的地质灾害和人员迁移等问题。而CAES可以避免这些问题。因此，CAES技术是储能技术的最佳选择。

随着中国能源结构的转型，煤炭占能源消费结构中的比例将逐步下降，越来越多的矿井采取封井和关停措施[13]。然而，这些矿井在过去数年的开采中，已然形成大体量的地下空间。截至2016年底，全国关停煤矿可利用的地下空间超过0.75×108m2[14]。因此，可以考虑使用废弃煤矿井下稳定性好的巷道洞室作为压缩空气的储存空间。这种办法不仅可以避免进行新的开挖，还可以把地面工业建筑房屋利用起来；既促进了清洁能源的发展，还可以节省大量时间和资金投入。

20世纪80年代，Nordwest Deutsche Kraftwerke在德国北部建造了世界上第一个商用CAES发电站，并命名为Huntort发电站[15]。从岩洞应用于CAES的可行性出发，学者们对坚硬岩层开挖形成的岩洞进行了一定的研究。在20世纪90年代末，日本对坚硬岩石洞的小型CAES进行了可行性试验[16]。韩国也对硬岩洞室进行了压气储能试验[17]。俄罗斯、法国、南非、英国等国家都已开展了实验室研究。国内夏才初等[18]则通过对洞室形式和尺寸的数值模拟来研究大型压气储能的稳定性。实际上，地下岩洞作为CAES系统储存空间的关键问题是封闭层的结构稳定性和透气性。Rutqvist[19]和Kim[20]等则研究了用作CAES储存空间的具有内衬洞穴的地质力学性能，表明作用在混凝土衬砌上的空气压力，有效抗拉应力可能导致受拉裂缝张拉裂缝，而热应力的影响相对可忽略。Rutqvist等[21]对地下50 m和115 m裂缝性花岗岩不同衬砌类型岩洞的气密性进行了研究，其结果表明混合衬砌岩洞可以确保洞室的稳定性。蒋中明等[22]在中国湖南建设了地下储气室，现场试验表明了地下存储库密封性能良好。因此，利用地下废弃矿井作为CAES的储存空间具有可行性。

基于此，本文提出将废弃矿井地下空间与风能和太阳能（wind and solar，WS）相结合的WS–CAES混合系统。通过对中国风能、太阳能及废弃煤矿地下空间等可利用资源分布特征分析，研究WS–CAES混合系统的发展潜力，并从煤矿巷道深度、衬砌和围岩渗透率及巷道类型3个方面对巷道储存高压气体的能力进行分析，确定储气室在煤矿巷道的可利用位置，探究利用废弃煤矿进行压气蓄能的开发潜力和可行性，这对于中国资源合理化利用和加速能源结构的转型具有重要指导意义。

1 CAES系统简介

CAES是当能源供应低于基本负荷时，利用电网剩余的电力或者可再生能源产生的弃风电、弃光电等将空气进行高压压缩，并将高压空气密封在地下盐穴、矿洞等大型储气室中，当有电力需求时，大型储气室的高压空气被释放并驱动发动机进行发电的一种储能方式。按照运行原理，目前的CAES系统可以分为补燃式和非补燃式两类，其系统流程简图如图1所示，目前应用最多的是非补燃式CAES系统。

图1 系统流程简图Fig. 1 Flow diagram of system

按照是否与其他热力循环系统混合来进行分类的话，CAES系统可分为：传统的压缩空气储能系统、CAES和燃气轮机混合动力系统、CAES–燃气轮机和蒸汽轮机联合循环系统、CAES和内燃机混合动力系统、CAES制冷系统、CAES–可再生能源耦合系统[23]。

为了可再生能源的大规模连续利用，加快能源结构转型和提高能源的利用率，本文提出使用与风能和太阳能可再生能源相结合的非补燃式的WS–CAES混合系统。通过该系统将具有丰富风能和太阳能地区的剩余能量转换为空气内能和热能，将空气内能储存在废弃的矿井洞室内，将太阳能收集在太阳能热储能（solar thermal energy storage，STES）集热器中，从而提高系统的输出功率和总效率，此举还具有节能减排的功效。

WS–CAES混合系统采用了蓄热/换热（热交换器）装置来代替传统的CAES燃烧室，鉴于三北地区冬季缺水和冬季环境温度极低，热交换器采用天然岩石热能储存填充床（packed bed of thermal energy storage，PBTES）来充当固体介质，具有成本低、高效率和可靠性特点。该系统主要包括了用于压缩空气的动力单元、分级压缩机、蓄热/热交换装置、储气室和分级涡轮机，其系统原理如图2所示。

图2 WS–CAES混合系统流程图Fig. 2 Schematic diagram of WS–CAES hybrid system

该系统主要包括储能和释能两个阶段。在储能阶段，利用风力发电厂的剩余电力，通过压缩机将空气多次压缩成高压空气，并储存在衬砌煤巷（lined mine roaduay，LMR）储气室中；每一次压缩的空气都经过PBTES进行热量交换，使其压缩空气的温度冷却至环境温度，并将压缩热能储存在PBTES热交换器的热储罐中；在释能阶段，压缩空气通过PBTES的热储罐的空气预热和进入储存了太阳能的STES进行空气加热后，再进入每级膨胀涡轮机以产生电力；每次释能结束后，PBTES会自然冷却到环境温度；在整个放电过程中，为保持恒定的膨胀率，在LMR的出口设置了一个节流阀系统。

2 WS–CAES混合系统潜在区域分析

研究WS–CAES混合系统是否具有发展潜力，需从以下3个方面入手：1）确定具有充足风力资源和太阳能资源的潜在区域；2）有适当的地质条件以获取足够的地下空间来储存压缩空气；3）所处区域的电网系统能够提供空气压缩的过余电力和输出压缩气体产出的电力。具体潜在区域分析如下。

2.1 风能潜在区域

陆地上10 m高度层的风能资源总储量为32.26×108kW，陆地上实际可开发利用的风能资源储量为2.53×108kW，近海可开发利用的储量为 7.5×108kW。陆地上 50 m的风能资源理论储量约 73×108kW，且年平均风电密度大于300 W/m2。

根据年有效风电密度和风速年累计小时数，中国可划分为4个不同等级风能区域[24]，具体见表1。结合中国主要风能资源分布情况[25]，中国陆上具有风能资源优势的地区主要集中在东北、西北、华北北部3大区域。其中，新疆北部、内蒙古等地区的有效风电密度在200 W/m2以上。

表1 中国风能资源等级划分标准[24]Tab. 1 Classification criteria for wind energy resources in China[24]

近几年中国风能产业发展迅速，风电装机容量急速增加，并取得不错的成绩，目前中国已经超过美国成为最大的风电市场。图3为中国2008—2021年的风电总装、新增机量及其增加率。由图3可知，至2021年，中国风电总装机量达到330×109W[26–27]。

图3 2008—2021年中国风电总装、新增机量及增加率[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]

从2010—2021年，中国风电弃风量及弃风率的变化情况（图4）来看：2018年之前，弃风率居高不下；在2012年的弃风率为17.12%，达到历史最高水平；随后有所下降，到2016年弃风率又上升到17%；随着近几年风电利用水平的不断提高，风电弃风率持续降低，从2019年到2021年底，其弃风率已降低到行业公认的5%左右的范围以下，但弃风量仍然偏高。

图4 2010—2021年中国风电弃风量及弃风率[27]Fig. 4 Quantity and ratio of abandoned wind of China’s wind power in 2010—2021[27]

弃风问题造成了清洁能源的巨大浪费，逐渐成为制约风力发电开发的一个重要因素。因此，建立空气压缩系统，将风能储存起来，并在高峰期提供电能，已成为减少风电等清洁能源浪费的有效途径，将给社会带来巨大的经济效益和环境效益。

2.2 太阳能潜在区域

中国太阳能资源十分丰富，每年地表太阳总辐射能达到1.47×1016kWh，太阳辐射值为1 050 ～2 450 kWh/(m2·a)，年平均日太阳辐射量为180 W/m2；并且太阳能资源的分布受纬度、地形和气候特征的影响，全国各地的辐射能也不同，其太阳能辐射值总体分布趋势为西高东低[28–29]。

图5为2008—2021年全国光伏发电装机总量、新增装机量和增加率。由图5可知：2016年以前，光伏发电装机增加速率较快，从2011年到2016年底，光伏的总装机量提高了数十倍；至2021年，光伏发电总装机量达到307×109W，连续7年位居全球首位，这为中国发展光伏发电新能源提供了有利保障。

图5 2008—2021年全国太阳能装机总量、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]

近年来，中国光伏发电主要集中在青海、西藏、宁夏、陕西、山西、新疆等地，其光伏发电利用率高达97.9%。结合太阳能资源分布特征来看[28]，新疆东南边缘、西藏、青海中西部、内蒙古西部等地构成了太阳能资源最丰富的地带。部分地区年总辐射量达到2 000 kW/m2。因此，太阳主要辐射区域和主要光伏发电量区域基本一致，这些区域可为CAES混合系统提供充足清洁太阳能，这与风能资源的潜在使用区域基本一致。

2.3 煤矿地下空间储能潜在区域

风能和太阳能资源丰富的三北地区没有深盐矿资源（平顶山市除外）和含水层资源，仅有部分油气田与风能和太阳能地区重叠。因此，三北地区不适合利用盐穴或含水层作为WS–CAES混合系统进行储气。此外，中国煤炭资源储量主要分布在山西、内蒙古、贵州、陕西、新疆、宁夏等省（自治区），主要集中在东部、中部、西部区域，该3个区域的资源总量占全国总量比重80%以上，且这些区域的矿业多数处于衰退时期。

图6为2014—2016年全国部分省（直辖市、自治区）关停煤矿数量、截至2016年底现存煤矿数量及其井巷可利用空间[14]。由图6可知：全国各省（自治区）已关停煤矿总数有2 858个，意味着在未来几年里将形成数亿m3的地下可用空间；从截至2016年底全国已关停煤矿的井巷可利用空间统计数据可知，山西省、内蒙古自治区、陕西省、贵州省、黑龙江省等地区可利用空间和剩余矿井数量相对较多，中国废弃煤矿井下的大部分可利用巷道主要分布在华北、华东、西北地区。

图6 2014—2016年全国部分省（直辖市、自治区）关停煤矿数量、截至2016年底现存煤矿数量及其井巷可利用空间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

废弃矿山的井下巷道深度可达数百米，巷道周围温度等周围特征变化较小，比一般的地下储备空间或者地面储存更具有安全性和稳定性。利用废弃矿山井下巷道作为储存空间，只需对巷道进行一定的改造、加固和维修即可，不仅资金投入相对少，且对土地资源、环境问题都有改善效果。结合国内外将废弃矿山改造成发电可用资源案例，利用废弃矿山井下巷道作为储备能源位置具有一定的稳定性、经济性和可行性。

2.4 电网系统潜在区域

中国电网已实现“14交12直”26项特高压工程的建成投运。根据《国家电网有限公司2020社会责任报告》显示，目前已建成的12条特高压直流已实现了内蒙古、新疆、山西等重要地区的输电工程，并且吉泉直流特高压工程实现了新疆昌吉—安徽皖南段的1 100 kV的特高压直流输电。在14条交流特高压输电工程中，榆横—潍坊段、锡盟—山东段、蒙西—天津南段等多线段实现了陕西、山东、内蒙古等地区的1 000 kV的特高压交流输电工程。在“十四五”期间，国家电网规划“24交14直”特高压工程，到2025年，输电能力预计实现3.0×108kW，输送清洁能源占比可达50%，进一步完善了新型电力系统的结构调整。近年中国电网的输电能力不断提高，逐步实现输电通道荷载满送，解决了“双碳背景”下的跨区调配输电难题。因此，从目前的电网输送区域和输电能力来看，具备了建立WS–CAES混合系统的基本条件。

2.5 WS–CAES混合系统最佳潜在区域

根据风能、太阳能、煤矿地下空间储能分布及电网系统分析，中国华南、西南、东部沿海地区和华中地区均缺乏1个或多个CAES站点的必要因素，例如，东部沿海地区风力、电网容量和盐穴丰富，但太阳能较差，所以这些区域都不适合建立WS–CAES混合系统。综合来看，中国三北地区具备了建立WS–CAES混合系统的条件，进一步缩小区域范围，可得出以下结论：WS–CAES混合系统的最佳潜在可利用区域主要分布在新疆东西边缘、内蒙古中东部、辽宁中西部、陕西北部、甘肃西北部、青海中部、河北省、山西省等区域。因此，可以优先考虑在这些区域建立WS–CAES混合系统，对井下废弃煤矿进行综合利用，提高资源化利用率和加快能源清洁化结构的转型。

3 WS–CAES混合系统数学模型及性能分析

中国三北地区具备了发展WS–CAES混合系统的潜力，现对该系统数学模型和运行参数性能进行分析。该系统使用轴向和离心式压缩机压缩空气，每个压缩机和涡轮机具有相同的压力比。在热力学模型建立和性能计算过程中，不考虑管道、蓄热器的热损失及蓄热介质的压降和循环功耗，空气视为理想气体，气体压强和体积的变化视为等温过程。

3.1 热力学数学模型

3.1.1 压缩机

设系统工作过程是一个多变过程。设多变指数为nc，则压缩机的出口温度Tc,out可以表示为：

式中，Tc,in为压缩机进口空气温度，βc为压缩比。轴流式或离心式压缩机的效率ηc可由式（2）表示：

式中，ma=(k–1)/k，其中，k为压缩机绝热指数。

若压缩机运行的实际工况与额定工况不一致时，压缩机实际效率则可以采用修正公式（3）进行近似计算：

式中，ηc,r为额定压比的效率，acη为额定效率的下降指数，βc,f、βc,r分别为压缩机的实际和额定情况下的压缩比。

根据式（2）、（3）计算结果，则可以求得压缩机的出口温度。当单位质量的空气通过第i级空气压缩机时，压缩单位质量空气所需做的压缩功为：

式中，cp,air为空气定压的比热容，J/(kg·k)。

设压缩功率恒为Pc，则储能阶段空气质量流量表示为：

3.1.2 膨胀机

膨胀机和压缩机类似，可认为释能阶段是多变过程，通过质量和能量平衡进行建模。设多变指数为nt，则涡轮机的出口温度可以表示为：

式中，Tt,in为轮机进口空气温度，β为膨胀比。

膨胀机的多变工作效率为：

式中，mt=(k−1)/k，其中，k为膨胀机绝热系数，实际工况下的效率修正算法同压缩机算法类似。单位质量空气所需做的膨胀功为：

式中，Pt为膨胀机输出功率。

3.1.3 PBTES

文献[30]研究结果表明，PBTES能量存储器的降温和预热效果并不是一直稳定的，需要经过约20个循环，吸收/释放热量后才基本趋于稳定。为简化分析，假设在储能和释能的前70%阶段空气的出口温度能保持稳定，则通过Ergun’s方程估算PBTES系统的压降，表示如下：

式中，ρa、ua分别为空气的平均密度和速度，L为填充床的轴长，d为储能器的直径，f为储热岩石与工质总热容量之比，u为空气动力黏度。PBTES热损失可通过圆柱形绝缘层的热阻Rth进行近似计算，表示如下：

式中，Tinner为填充床岩石的平均温度，ms、cs分别为绝缘层质量和对流系数。

3.1.4 热交换器

根据文献[28]中的研究，储能和释能阶段第i级压缩机和膨胀机热交换器的出口空气温度Ti,air,out可由式（12）计算：

式中，Tm,in为热交换器内部介质的温度，Ti,air,in为热交换器入口温度， ε为热交换器效能。另外，膨胀机在等温阶段热交换器的单位吸热量可计算如下:

将式（12）和（13）结合可推导得到：

本文通过太阳能集热器将太阳能转化为热能并储存起来，在释能过程中对压缩空气进行加热。其收集到的太阳热能可以通过式（15）计算：

3.1.5 储气室

假定泄漏空气通过衬砌围岩巷道的速度较慢且符合达西定律，则气流速度可表示为：

式中，r为衬砌中心距，k为围岩或混凝土衬砌渗透率，P为空气孔隙压力。

3.2 WS–CAES混合系统性能评价指标

从WS–CAES混合系统中的能量角度来看，系统的储存能量包括Wc和Q两个部分，能量的释放能量则是来自膨胀机的膨胀功。多级压缩机的总储存能量计算公式如下：

假设压缩机和膨胀机的工作时间是相同的，则系统的耦合储能总效率η可根据式（15）、（17）和（18）来进行评价：

3.3 WS–CAES混合系统运行参数性能分析

系统的热力学模型表明，系统的效率受热交换器效能、环境温度、质量流量、总压力比和压缩机膨胀级数等参数的影响，其系统主要参数取值见表2。

表2 系统基本参数值Tab. 2 Basic parameter values of system

为了分析各主要参数对系统性能的影响，根据表2参数值对主要参数在一定范围内取值（见表3），分析各参数对系统Wt和η影响情况。

表3 WS–CAES混合系统计算参数Tab. 3 Calculation parameters of WS–CAES hybrid system

通过热力学数学模型求解计算，得到WS–CAES混合系统各参数对系统性能的影响，具体变化情况如图7所示。

由图7（a）可知，热交换器效能ε为0.85时，系统总效率最大。根据式（12）和（19）可知，热交换器效能的变化使总效率η公式的分子分母同时产生变化，两者明显不具有一次线性关系。当热交换器效能大于0.85时，系统总效率存在较为明显的降低，而系统输出功率变化不明显。因此，热交换器效能与总效率两者表现出曲线多次线性关系。根据系统输出功率和总效率的变化特征，热交换器效能对总效率的影响较系统输出功率更明显。综合来看，热交换器效能取0.85时，系统效率最佳。

由图7（b）可知，输出功率随着环境温度的升高几乎不变。对于总效率而言，随环境温度升高总效率仅有微小的增加（从46.4%到46.6%）。因此，环境温度不是影响系统性能的一个重要因素。由图7（c）可知，质量流量对总效率没有影响，但是质量流量与系统输出功率之间呈线性增加。因此，增加质量流量是增加系统输出功率的一个有效方法。

由图7（d）可知，随着总压力比的增加，总效率和系统输出功率都呈增加趋势。因此，总压力比是一个非常重要的影响参数。从图7（e）看出：压缩/膨胀级数对总效率具有显着影响。从阶段数2增加至5时，η从39.95%增加到47.26%，增幅为7.31%。至于输出功率，也可通过增加级数来提高，但增量程度远小于η。尽管增加级数是提高输出功率和整体效率的可行方法，但是增加压缩/膨胀级数，也会增加了成本和人力。

图7 不同参数条件下WS–CAES混合系统输出功率和总效率的变化Fig. 7 Variation of output power and overall efficiency of the WS–CAES hybrid system with different parameters

综上可知，压缩/膨胀级数对系统总效率影响最大，换热器效能次之，其他3个因素影响不大；质量流量对输出功率的影响最大，其次是压力比。对于WS–CAES混合系统来说，目标是使系统获得更高的效率和取得更好的经济效益。从计算结果来看，系统的总效率接近50%，利用率相对较高，但实际运用过程中，仍应根据具体情况进一步考虑系统的参数和设计方案。

4 废弃煤矿巷道可行性研究

煤矿巷道及围岩特性是建立压气蓄能洞室的关键问题。从巷道的深度、巷道混凝土衬砌（内衬）和围岩渗流能力及巷道类型3个方面利用Comsol软件进行模拟分析，本文模拟时不考虑地表和地下动力学耦合问题，初步分析巷道深度、衬砌及围岩渗透率对地下储库的气密性影响。为了避免采矿活动的影响，煤矿主要的巷道通常布置在距离上覆岩层20～30 m的坚硬岩层中，本文则模拟废弃煤矿井下存储库的位置在距离上覆岩层30 m的坚硬岩层巷道中。建立的几何模型和边界条件设置如图8所示。图8中：d0为巷道内侧半径；d1为含衬砌的巷道半径；d2为巷道开挖的近扰动区的半径；d3为巷道远扰动区域的半径；d4、d5为巷道岩层上下围岩高度；d6为巷道岩层（即储存压缩空气岩层）高度；d7为几何模型模拟的宽度，设置为50 m。

图8 煤矿巷道的几何模型Fig. 8 Geometric model of a coal mine roadway

在分析高压存储气体渗流问题时，高压储气库下方的坚硬岩层设置为无渗流边界，其他3个边界均设为渗流边界。因煤矿井下均设有独立的排水系统，本文设定不存在地下水渗流问题且不考虑温度及腔体压力波动对巷道围岩体的影响，尽可能降低从围岩渗透率、衬砌渗透率方面分析储气库气密性问题的干扰因素。根据张桂民[31]的研究表明，较为合适的储库埋深为600～800 m，其腔体内压可行域主要在5～10 MPa。目前，大部分毁弃矿井主要巷道的采掘深度基本都在800 m以内[32]，综合考虑腔体稳定性，可适当提高内压下限，因此，本文模拟的循环内压取6～7.5 MPa，将巷道内空气压力以正弦函数形式来近似表示气体的循环荷载。模型基本参数见表4。

表4 几何模型参数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（从100 m增至500 m）能够使气体泄漏率降低，主要由衬砌及围岩的相对渗流能力有所降低和静水压力随深度的增加而产生的压力梯度减小所引起。根据Hoseini等[33]关于应力对混凝土渗透性影响研究表明，作用在混凝土的应力在接近极限状态时，因裂纹扩展使渗透率产生变化。因此，研究巷道深度和混凝土对气体渗透性的影响是十分必要的。100 m巷道深度的气体压力分布及气体渗漏方向如图9所示。从图9可知，压力在损伤区之外迅速减小，气体从巷道岩层快速泄漏出来。混凝土衬砌强度对于气体渗流具有很大影响。

图9 100 m深度处气体压力分布及气体泄漏方向Fig. 9 Air pressure distribution and flow direction at 100 m depth

通过软件模拟计算了不同巷道深度下的气体平均年泄漏量，其结果见表5。从表5中统计的泄漏量来看，平均年泄漏量随深度的增加存在一定的减少，变化趋势越趋平缓。因此，巷道深度这一因素在储气室气体泄漏方面并无明显影响特征。但仍要保证一定的深度，防止混凝土衬砌由于空气压力过大而产生拉伸裂缝。

表5 通过混凝土衬砌的平均年泄漏量Tab. 5 Average annual leakage of air through concrete

4.2 混凝土衬砌及围岩渗透性

根据模拟的泄漏量来看，在进行衬砌渗透率分析时，设定模拟深度为600 m，气体内压为6.0～7.5 MPa。图10展示了混凝土衬砌（内衬）渗透率（Kcc）从5×10–17m2减小到10–18m2的4组气体压力分布规律。58 kg/a；当Kcc等于10–21m2时，泄漏量仅为60.45 kg/a。

由图10可知，随着衬砌渗透率的减小，气体压力变化带从巷道岩层区域缩小到混凝土衬砌范围。

图10 混凝土不同衬砌渗透率的气体压力分布Fig. 10 Air pressure distribution of the different permeability of concrete lining

为进一步分析不同渗流率的变化情况，模拟了17组不同混凝土衬砌渗透率（Kcc）的泄漏量和其变化情况如图11所示。

由图11可知：当Kcc高于10–16m2，泄漏量增速较快；在Kcc低于10–19m2，泄漏量极小，能满足储气要求；当Kcc等于10–20m2时，泄漏量仅为3

图11 混凝土不同衬砌渗透率的泄漏量和增长量Fig. 11 Leakage and growth of the different permeability of concrete lining

目前，普通的混凝土衬砌的渗透率很难达到10–19m2。虽然活性微粉混凝土具有极低的渗透率，可达到10–20m2，但是这种材料的价格高、收缩性强，不适合用于地下工程方面，即目前无法通过研究混凝土衬砌材料来直接解决井下储气泄漏问题。可以理解为混凝土衬砌主要保证系统结构的稳定性，围岩保证系统运行时的气体密封性。

由此，选择一个具有低渗透率的巷道位置对于储气室的气密性具有重要意义。Fan等[34]研究了巷道岩层不同渗透率下混合CAES系统的泄漏率及系统效率，如图12所示。

由图12可知：泥岩比其他岩石的渗透率要低，气密性要好；当渗透率大于10–15m2时，其泄漏率急剧增大，同时系统效率迅速下降。为了保证系统的泄漏率低于1%，井下围岩岩层的渗透率应不大于10–16m2。

图12 巷道围岩不同渗透率下CAES混合系统的泄漏率和系统效率[34]Fig. 12 Leakage rate and system efficiency of CAES hybrid system under different permeability of surrounding rock[34]

4.3 井下储气巷道类型

围岩气密性是地下压气储能的关键。在矿山建设和采煤过程中形成了各种类型巷道。以使用范围和寿命而言，主要有3种类型巷道：开拓巷道、准备巷道和采矿巷道。通常准备巷道和采矿巷道的服务年限只有2—3 a，并且巷道主要布置在煤层中，煤的开采使巷道围岩造成极大的裂隙和破裂。因此，它们无法提供一个密闭性的储气空间。而开拓巷道则一般布置在坚硬的岩层中，为整个矿山服务终身，服务年限为30—80 a，具有作为储气室的潜力。

开拓巷道主要包括竖井、主通风巷道和主要运输大巷。竖井是连接地表和地下工作场所的通道，它通过地表、含水层、煤层等在不同深度的位置可能具有不同的渗透率，很难确保煤层具有合适的渗透率。如果空气压力施加在竖井壁上，浅埋井壁处容易开裂。因此，竖井不适合储存高压气体。

主通风和运输巷道一般位于围岩相对完整的位置，布置在离上覆煤层20～30 m的底板岩层中。根据不同煤矿在各巷道深度的瓦斯压力统计，在煤层深部600 m处的瓦斯压力可以超过7 MPa[35]，这表明该类巷道及其围岩构成的系统具有足够的气密性。从图12表明，泥岩、细砂岩的低渗透性特征具有储存高压气体的潜力。

4.4 煤矿井下储气库安全性分析

压气蓄能系统运行过程中，腔体内压的不断循环波动对巷道围岩、顶板等各处产生一定程度的损伤破坏，这增加了气体泄漏率的可能性，也严重影响了煤矿井下压气蓄能运行的稳定性和安全性。因此，确定毁弃煤矿井下主要的通风巷和运输巷作为存储高压气体位置后，还需要根据顶板岩性特征、巷道深度确定合适的气体内压值，其值宜小于原位地应力的75%。在综合考虑热力耦合作用下，数值模拟研究系统运行过程中（设系统运行30 a）巷道衬砌、围岩、顶板的力学性质变化规律及腔体体积的收缩率。当储气库附近围岩的受拉受压情况均小于对应的极限强度，承受的应力和变形均在允许范围内，顶板较为稳定且下沉不明显，腔体的体积变形较小时，表明储气库围岩稳定性较高，具有良好的安全性。

5 结 论

为快速发展可再生能源和提高地下空间利用率，本文主要介绍了一种结合风能和太阳能的WS–CAES混合地下蓄能系统，对系统潜在的适用区域、可行性及储存位置进行了分析，主要结论如下：

1）该系统特点是将风能与太阳能清洁能源进行耦合，结合中国太阳能、风能资源、废弃矿山地下空间和并网配电情况，得出了WS–CAES混合系统的最佳潜在使用区域，主要包括新疆、内蒙古、青海、河北、辽宁、甘肃、山西、陕西等区域。

2）通过系统主要参数的性能分析，系统效率受压缩机和涡轮机级数、总压力比、换热器效能、质量流量和环境温度的影响。压缩/膨胀级数对系统总效率影响最为明显，质量流量对输出功率影响最大，环境温度对系统性能影响甚微。

3）数值计算表明，巷道深度对洞室气体泄漏并无明显影响特征。煤矿井下的主要通风大巷和运输大巷是压气蓄能的最佳位置，其巷道可选择在渗透率低的泥岩层中。在模拟巷道深度600 m，最高内压为7.5 MPa条件下，围岩渗透率小于10–16m2时，系统可基本满足泄漏率低于1%的要求。储气洞室稳定性与混凝土衬砌及围岩渗透率有关，混凝土衬砌主要是保证结构的稳定性，围岩保证系统运行时的气密性。

4）在具体工程案例模拟分析时，需根据实际情况综合考虑热力耦合作用下巷道围岩、衬砌的渗透率及巷道周围围岩体变形等特征，从气密性、安全性等方面对储气库潜力进行更准确、全面的综合评估。