郭朝斌， 張可倪， 李　采

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804； 2. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院， 北京 100875)

?

壓縮空氣含水層儲能系統(tǒng)設(shè)計及可行性分析

郭朝斌1， 張可倪1， 李采2

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804； 2. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院， 北京 100875)

摘要：采用數(shù)值模擬方法，以3 MW儲能規(guī)模為例，建立水平地層埋深800 m、滲透率0.5×10-12m2的壓縮空氣地下含水層儲能模型，對初始氣囊及系統(tǒng)循環(huán)過程中壓力、氣相飽和度、系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進行分析.結(jié)果表明：經(jīng)歷完整一次循環(huán)后，地層中壓力和氣相飽和度變化較??；隨著循環(huán)的繼續(xù)，地層中可供儲能釋能循環(huán)的有效氣相體積緩慢減少；周循環(huán)過程壓力變化范圍較大，對儲能系統(tǒng)要求較高.含水層作為儲氣庫進行壓縮空氣儲能具有可行性，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)條件進行相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計.

關(guān)鍵詞：壓縮空氣儲能； 含水層； TOUGH2； 數(shù)值模擬

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機的儲能技術(shù)，其原理是將燃氣輪機的壓縮機和渦輪機分開,在儲能時,用電能驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮并存于儲氣容器內(nèi),在釋放能量時，高壓空氣從儲氣室釋放進入燃燒室助燃，燃氣膨脹驅(qū)動渦輪做功發(fā)電[1].

但是，大規(guī)模的儲能系統(tǒng)需要特殊的地質(zhì)條件來建造大型儲氣庫，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，這大大限制了壓縮空氣儲能的應(yīng)用范圍[2].地下水含水層作為二氧化碳地質(zhì)封存和天然氣地下儲存的介質(zhì)被廣泛應(yīng)用，證實含水層可以對氣體進行有效儲存[3]，而且含水層分布廣泛.國外一些初步研究和試驗也表明含水層可以作為壓縮空氣儲能的“儲氣庫”，如果采用地下含水層作為“儲氣庫”，就可以大大地減少壓縮空氣儲能所受到的地質(zhì)條件限制.

選擇地下含水層作為壓縮空氣儲能的儲氣庫，主要針對地下部分進行壓縮空氣儲能系統(tǒng)設(shè)計.地下系統(tǒng)部分主要包括初始氣囊的形成以及儲能釋能的循環(huán)，利用數(shù)值模擬的方法對初始氣囊的形成及系統(tǒng)儲能釋能循環(huán)過程中壓力、氣相飽和度等進行分析.

1　研究現(xiàn)狀與進展

壓縮空氣儲能的第1個專利于1949年在美國問世，經(jīng)歷了長達半個世紀(jì)的實踐和探索，由于受地質(zhì)條件及其他一些因素的限制，一直沒有被廣泛應(yīng)用.目前世界上兩大成功壓縮空氣儲能電廠在技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗[2,4-7].已經(jīng)運行的壓縮空氣儲能電站都是采用洞穴，其氣密性好，最為合適.而如果沒有合適的天然洞穴，需要人工改造或者建造儲氣庫的話，成本將大大增加.1980年美國能源部在美國開展過一個廣泛的壓縮空氣儲能研究計劃，該研究計劃在美國伊利諾伊州的匹茲菲爾德開展了向某含水層注入和抽提空氣的試驗來驗證利用含水層進行壓縮空氣儲能的可行性[8].試驗結(jié)果確認(rèn)空氣注入到含水層中可形成一個大的氣囊，并可以一定速率將空氣抽出進行發(fā)電.近年，美國愛荷華州市政公用設(shè)施聯(lián)合協(xié)會提出一個壓縮空氣儲能項目，該項目直接和愛荷華州的一個風(fēng)電廠配合，其空氣儲存介質(zhì)選擇地下含水層，這是迄今為止第1個采用孔隙含水層儲存空氣的項目，由于儲能規(guī)模和經(jīng)濟性方面的因素，該項目處于暫停狀態(tài).

近年來國內(nèi)外對于壓縮空氣儲能相關(guān)的研究主要集中在儲氣庫的選擇、新型儲能系統(tǒng)的優(yōu)化以及儲能效率、經(jīng)濟性分析等方面.關(guān)于含水層壓縮空氣儲能的研究以基本物理過程、存儲機制和利用數(shù)值模擬選擇緩沖氣為主.胡賢賢等[3]對當(dāng)前國內(nèi)外含水層壓縮空氣儲能技術(shù)進行了總結(jié)，包括項目、技術(shù)概況以及經(jīng)濟成本的分析等.Kushnir等[9]基于達西定律及部分假設(shè)前提下建立了在含水層中進行壓縮空氣儲能的數(shù)學(xué)模型，并通過解析解求解，對地層參數(shù)、鉆孔完井程度等進行了敏感性計算，分析這些參數(shù)對壓力波動的影響.最近，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Oldenburg等[10]提出一種利用CO2作為儲能緩沖氣體的方法，當(dāng)CO2從氣相過渡到超臨界相的時候，它比空氣具備更大的壓縮性能.另外，該實驗室的科學(xué)家通過構(gòu)建模型對地下水及兩相流方面進行耦合模擬，包括研究開發(fā)對含水層和鉆孔流動耦合的多相流數(shù)值模擬方法及模擬軟件等[11].

我國的空氣壓縮儲能技術(shù)起步較晚，目前尚無實際運行的商業(yè)壓縮空氣儲能站[2,12].2009年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所在國際上首次提出并開始研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng).國內(nèi)第1個兆瓦級示范裝置于2011年初在中中科學(xué)院工程熱物理研究所開工建設(shè)，于2013年通過專家組驗收.Guo等[13]通過數(shù)值模擬方法研究滲透率對壓縮空氣地下含水層蓄能過程中初始氣囊形成過程的影響，表明存在合適范圍滲透率利于系統(tǒng)循環(huán)的繼續(xù).目前限制我國壓縮空氣儲能技術(shù)推廣的主要因素之一是缺少大容量的儲氣裝置(一個100 MW的儲能電站需要10萬立方米的儲氣裝置).

2　壓縮空氣地下含水層儲能地下部分系統(tǒng)設(shè)計

與傳統(tǒng)地下巖洞壓縮空氣儲能系統(tǒng)相同，在發(fā)電較多階段進行空氣壓縮儲能，用電高峰階段釋放壓縮空氣進行發(fā)電，所不同的是選擇地下含水層作為儲氣庫，如圖1所示.

圖1　壓縮空氣地下含水層儲能系統(tǒng)設(shè)計示意圖

壓縮空氣含水層儲能地下系統(tǒng)主要包括初始氣囊的形成及后續(xù)儲能釋能循環(huán)2個階段.在開始循環(huán)前，需要注入大量的緩沖氣體形成初始氣囊，該部分緩沖氣體主要有2個作用：一是為抽氣過程提供較快的壓力支持；二是在抽氣的過程中防止抽取出液態(tài)水，影響系統(tǒng)發(fā)電.參考現(xiàn)有成熟的天然氣儲存工程，不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)對于初始氣囊的形成具有重要的影響， 地質(zhì)結(jié)構(gòu)中背斜更有利于氣體的封存.如果在實際場址選擇中，考慮選擇水平含水層作為儲氣庫，將大大擴大壓縮空氣含水層儲能的應(yīng)用范圍.因此，在本文中以水平含水層作為儲氣庫進行系統(tǒng)設(shè)計.

在初始氣囊形成后，進行系統(tǒng)儲能釋能循環(huán).在壓縮空氣含水層儲能中，系統(tǒng)循環(huán)可設(shè)計為日循環(huán)或周循環(huán).以日循環(huán)周期為例進行研究，儲能規(guī)模設(shè)定為3 MW.單次循環(huán)過程中，儲能階段的注氣量和釋能階段抽氣量相同.根據(jù)德國洪托夫電站運行時間周期，設(shè)計循環(huán)過程如圖2所示.在儲能階段，如太陽能、風(fēng)能發(fā)電較多時，設(shè)計儲能時長為12 h，注氣速率為2 kg·s-1，在用電高峰時期釋能發(fā)電3 h，抽氣速率為8 kg·s-1，中間系統(tǒng)處于關(guān)閉階段.

3　模型建立與分析

3.1模型建立

采用TOUGH2-EOS3/MP模擬器[14]進行壓縮空氣地下含水層儲能系統(tǒng)的模擬研究.TOUGH2是美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的用于地下多相流體運移如地?zé)帷⒍趸嫉刭|(zhì)封存、天然氣水合物等的模擬器，被世界眾多研究機構(gòu)廣泛使用.

圖2　日循環(huán)周期設(shè)計示意圖

建立理想化基本模型，選擇平面半徑為2 km的研究區(qū)域并進行剖分，形成如圖3所示的網(wǎng)格.注入目標(biāo)層位于模型中部，厚50 m，主要地層參數(shù)如表1所示.初始條件根據(jù)重力平衡計算得到，地溫梯度假設(shè)為30 °C·km-1，邊界條件為第1類邊界條件.壓縮空氣注入?yún)?shù)如表2所示.

a水平方向b垂直方向

圖3　基本模型模擬范圍網(wǎng)格剖分示意圖

3.2結(jié)果分析

對模擬結(jié)果的分析主要集中于對地層中氣相飽和度、地層壓力(注入點與監(jiān)測點)、儲能系統(tǒng)循環(huán)時間等的分析.

3.2.1壓力分析

圖4所示為初始氣囊形成過程中注入點(r=0.5 m)及兩處不同監(jiān)測點位置壓力隨時間變化圖.在注入點附近，壓力在瞬間注氣后急劇增大，然后隨著注氣的逐漸穩(wěn)定，壓力趨于平穩(wěn).監(jiān)測點1處(r=23.0 m)壓力變化趨勢平緩，在較遠距離的監(jiān)測點2處(r=142.7 m)，壓力隨著注氣逐漸增加，增速減緩.

在儲能釋能循環(huán)過程中，以1 600～1 660 h的3個具體循環(huán)為例，分析注入點及兩處監(jiān)測點壓力變化過程，如圖5所示.一次完整的儲能釋能循環(huán)包括注氣儲能、停注、抽氣釋能、停注4個階段，圖中黑色實線表示注入點壓力在一次完整循環(huán)過程中的變化.在狀態(tài)點1開始注氣儲能，持續(xù)3 h到達狀態(tài)點2，壓力逐漸增大；狀態(tài)點2到狀態(tài)點3為停注4.5 h階段，壓縮空氣驅(qū)替地下水向四周運移，壓力逐漸減??；在狀態(tài)點3到狀態(tài)點4的釋能階段，隨著連續(xù)的抽氣，壓力驟降，降速約0.8 MPa·h-1；之后進入地層恢復(fù)階段，對應(yīng)圖中狀態(tài)點4到狀態(tài)點5，此時周圍地層壓力高于注入點壓力，地下水驅(qū)替壓縮空氣向井孔附近運移，壓力逐漸恢復(fù).監(jiān)測點1處(r=23.0 m)壓力變化趨勢與注入點相同，在較遠距離的監(jiān)測點2處(r=142.7 m)，其壓力無明顯變化.

圖5　循環(huán)過程中壓力變化圖

系統(tǒng)循環(huán)中的抽氣注氣過程壓力的影響主要集中在井孔附近，不同的注氣量，其壓力影響范圍不同，但總體壓力影響范圍較小.在開始定量注入后，井孔及周圍地層壓力積聚增大，如果注氣速率較大，則瞬時注入壓力會超過地層破裂壓力，導(dǎo)致地層不穩(wěn)定.為避免瞬時壓力積聚較大，同時保證相同量壓縮空氣注入，在初始氣囊形成過程中，可分階段地逐漸增大注氣速率進行注入.

3.2.2氣相飽和度變化分析

圖6所示為對應(yīng)一次完整循環(huán)過程中地層氣相飽和度分布變化圖.以井孔下部氣相飽和度Sg=0.2暈下邊緣位置為例，圖6a中循環(huán)開始時氣相飽和度暈的下邊緣位于-923.2 m，在開始注氣后，井孔附近氣相增加，暈的下邊緣到達-928.0 m，如圖6b所示.在抽氣過程結(jié)束后，暈的下邊緣上升到-922.0 m，如圖6c所示.在該次循環(huán)結(jié)束后暈的下邊緣恢復(fù)到-923.2 m左右的位置.

a1608hb1620h

c1627.5hd1632h

圖6循環(huán)過程中氣相飽和度暈圖

Fig.6Compressed air plume evolution during one cycle of injection and production

這表明在經(jīng)歷完整一次循環(huán)后，地層中氣相飽和度變化較小，結(jié)合壓力變化分析結(jié)果，隨著循環(huán)的繼續(xù)，地層中可供儲能釋能循環(huán)的有效氣相體積緩慢減少.

3.2.3系統(tǒng)循環(huán)時間分析

隨著循環(huán)的繼續(xù)，初始氣囊中氣體向四周運移，且氣囊邊緣處氣體逐漸溶解于水中，有效氣體減少，當(dāng)減少到無法滿足循環(huán)時，循環(huán)結(jié)束.能量隨著循環(huán)的繼續(xù)不斷損失，初始氣囊中氣體可供系統(tǒng)持續(xù)循環(huán)的次數(shù)稱為系統(tǒng)循環(huán)次數(shù).

基本模型中系統(tǒng)可循環(huán)111.79 d.為使系統(tǒng)可持續(xù)循環(huán)，設(shè)計2種方法補充含水層中有效氣體：一種方法為在日循環(huán)注氣過程中多注入一定量氣體；另一種方案為在地層中有效氣體不足時，進行另一次氣囊的注入，從而維持系統(tǒng)可持續(xù)循環(huán).對2種方案進行模擬分析，在日循環(huán)過程注氣補充方案中，設(shè)計不同注氣速率(基本模型中注入速率為2 kg·s-1)，如圖7所示，從2 kg·s-1增大到6 kg·s-1.隨著注氣速率的增大，單次初始氣囊可供系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)呈對數(shù)形式增大，當(dāng)增大到一定程度后，系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)增量減小.這是因為在循環(huán)進行過程中，補充過量的氣體導(dǎo)致注入點與四周壓力產(chǎn)生較大壓力差，能量損失較大，導(dǎo)致地層中可利用氣體達到飽和后不再增加.

圖7　相同初始氣囊不同循環(huán)注氣速率對應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)

Fig.7System cycle time variation with daily make-up injection under the same initial gas bubble

另一種方法為在循環(huán)停止后補充與初始氣囊相同量的壓縮空氣，模擬結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出，初始氣囊可供循環(huán)次數(shù)最大，補充氣囊可供循環(huán)的次數(shù)差異不大，約為97次.初始氣囊比補充氣囊系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)大的原因是因為初始氣囊形成過程中其氣相暈半徑較小，氣體損失較少，當(dāng)補充氣囊注入后，地層中氣體單位時間損失量達到穩(wěn)定.如圖9所示，在相同循環(huán)次數(shù)下，補充氣囊的井底氣相飽和度低于初始氣囊的井底飽和度.

圖8　　　　初始氣囊補充次數(shù)與系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)(每次補充氣囊后的循環(huán)次數(shù))關(guān)系

Fig.8System cycle time variation with make-up gas bubble formation (System cycle times in this figure mean the cycle times after one gas bubble formed)

圖9　不同補充氣囊下井底氣相飽和度變化圖

3.2.4含水層壓縮空氣儲能周循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

在實際應(yīng)用中，儲能釋能可根據(jù)需要進行周循環(huán)，如周六日儲能，周一到周五用電高峰期間釋能，根據(jù)此循環(huán)周期情景，設(shè)計如表3所示的壓縮空氣地下含水層儲能周循環(huán)系統(tǒng).與日循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計類似，每周的注氣量與抽氣量相同.

表3　壓縮空氣地下含水層儲能周循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

對比日循環(huán)和周循環(huán)情景模式下井底壓力變化，如圖10所示.周循環(huán)模式下儲能階段發(fā)生在周末，故循環(huán)開始階段壓力積聚大于日循環(huán)模式，釋能初始階段最高壓力和最低壓力高于日循環(huán)模式，隨著釋能過程逐天降低，在結(jié)束階段最高壓力和最低壓力均小于日循環(huán)過程.整個周循環(huán)過程壓力變化范圍較大，對地面發(fā)電設(shè)備需求較高.

圖10　周循環(huán)與日循環(huán)壓力變化對比圖

4　結(jié)語

以地下含水層作為儲氣庫進行壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設(shè)計，考慮地下系統(tǒng)部分中初始氣囊的形成及系統(tǒng)儲能釋能的循環(huán)過程.利用數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)過程中壓力、氣相飽和度及系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)進行分析，結(jié)果證實了含水層作為儲氣庫進行壓縮空氣儲能的可行性.基本模型中，初始氣囊可供系統(tǒng)循環(huán)111.79 d，利用2種方式對氣囊的進行補充可使得系統(tǒng)循環(huán)繼續(xù).對日循環(huán)和周循環(huán)情景模式進行模型對比分析，結(jié)果表明周循環(huán)情景模式下壓力變化范圍相對日循環(huán)大，地面配套設(shè)備要求相應(yīng)提高.采用地下含水層作為儲氣庫，不僅在地質(zhì)條件上更容易獲得，且成本還可以進一步降低.含水層壓縮空氣儲能還有大量的基礎(chǔ)問題需要探討，包括不同參數(shù)對系統(tǒng)儲能規(guī)模及效率等影響的研究.

參考文獻:

[1]姜楠. 退役礦井在可再生能源開發(fā)中再利用的研究與思考[J]. 可再生能源, 2014, 32(6): 896.

JIANG Nan. Study on recycling of ex-service mine shaft in developing renewable energy [J]. Renewable Energy Resources, 2014, 32(6): 896.

[2]張新敬,陳海生,劉金超,等. 壓縮空氣儲能技術(shù)研究進展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù),2012,1(1):26.

ZHANG Xinjing, CHEN Haisheng, LIU Jinchao,etal. Research progress in compressed air energy storage system [J]. Energy Storage Science and Technology, 2012, 1(1): 26.

[3]胡賢賢, 張可霓, 郭朝斌. 壓縮空氣地下咸水含水層儲能技術(shù) [J]. 新能源進展, 2014, 2(5): 390.

HU Xianxian, ZHANG Keni, GUO Chaobin. Compressed air energy storage using saline aquifer as storage reservoir [J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014, 2(5): 390.

[4]Oldenburg C M, Pan L. Porous media compressed-air energy storage (PM-CAES): theory and simulation of the coupled wellbore-reservoir system [J]. Transport Porous Media, 2013, 97(2): 201.

[5]Zhuang X Y, Huang R Q, Liang C,etal. A coupled thermo-hydro-mechanical model of jointed hard rock for compressed air energy storage [EB/OL].[2015-06-30]. Http://dx.doi.org/10.1155/2014/179169.

[6]Cleary B, Duffy A, O'connor A,etal. Assessing the benefits of compressed air energy storage on the 2020 Irish Power System[C]//Proceedings of the 48th International Universities' Power Engineering Conference (UPEC). Dublin: IEEE, 2013: 1-6.

[7]Crotogino F, Mohmeyer K, Scharf R. Huntorf CAES: more than 20 years of successful operation[C]//Solution Mining Research Institute Meeting. Orlando: Solution Mining Research Institute, 2001.

[8]Allen R D, Doherty T J, Kannberg L D. Summary of selected compressed air energy storage studies[R]. Richland: Pacific Northwest Laboratory, 1985.

[9]Kushnir R, Ullmann A, Dayan A. Compressed air flow within aquifer reservoirs of CAES plants [J]. Transport Porous Media, 2010, 81(2): 219.

[10]Oldenburg C M, Pan L. Utilization of CO2as cushion gas for porous media compressed air energy storage [J]. Greenhouse Gases: Science and Technology, 2013, 3(2): 124.

[11]Pan L. T2Well/ECO2N Version 1.0: multiphase and non-isothermal model for coupled wellbore-reservoir flow of carbon dioxide and variable salinity water [R]. Berkeley: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2011.

[12]Mclarnon F R, Cairns E J. Energy storage [J]. Annual Review of Energy, 1989, 14(1): 241.

[13]Guo C, Zhang K, Li C. Influence of permeability on the initial gas bubble evolution in compressed air energy storage in aquifers[C]// Proceedings of the TOUGH Symposium 2015. Berkeley: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2015.

[14]Zhang K, Wu Y, Pruess K. User’s guide for TOUGH2-MP: a massively parallel version of the TOUGH2 code [R]. Berkeley: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2008.

收稿日期：2015-09-08

基金項目：上海市科委項目(13dz1203103); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2015KJJCB17)

通訊作者：張可倪(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為多相流體數(shù)值模擬. E-mail：keniz@#edu.cn

中圖分類號：TK02

文獻標(biāo)志碼：A

Subsurface System Design and Feasibility Analysis of Compressed Air Energy Storage in Aquifers

GUO Chaobin1, ZHANG Keni1, LI Cai2

(1. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. China Institute of Geo-environmental Monitoring, Beijing 100875, China)

Abstract：A concept model for compressed air energy storage system in aquifer (at a depth of 800 m and with a permeability of 0.5×10-12m2) was designed and investigated through numerical simulations. The pressure variation, gas plume evolution and system cycle times during the formation of initial gas bubble and system daily cycle were analyzed. The modeling results show that there is a small change in pressure and gas saturation after each daily cycle. However, the total effective gas volume in gas bubble decreases with cycle continuing. Make-up gas should be injected into gas bubble during daily cycle or carry out another gas bubble injection after cycle is ceased. The comparisons of daily cycle and weekly cycle scenarios indicate that weekly cycle needs higher requirement for system. Aquifers as storage tank for compressed air energy storage is feasible and should be designed according to the specific geological conditions.

Key words：compressed air energy storage; aquifers; TOUGH2; numerical simulation

第一作者： 郭朝斌(1989—)，博士生，主要研究方向為多相流體數(shù)值模擬. E-mail：cugbgcb@163.com