废弃煤矿抽水蓄能发电新技术可行性分析

裴 鹏,任天佑,李 信,欧祥吉,李德宇,江 雪,商大成

(贵州大学 矿业学院,贵阳 550025)

抽水蓄能电站是通过水泵将下游水库的水经过管道输送到上游水库储存起来,由此将电能转换为势能[1]。在电网负荷大时,存储在上部水库中的水可以通过涡轮机返回到下游水库,势能重新转化电能。它可以将夜间多余的电能转变为白天的高价值电能。此外,抽水蓄能电站还具有调节电网频率、调节电网相位、黑启动等重要功能。同时因为火电站和核电站的起停周期较长,因此抽水蓄能电站还可减少电网中火电站和核电站的启停频率,提高发电效率。这样,既避免了火电机组自身运行的一些弊端,又增加了电力系统的供电能力,从而提高了电力系统运行的可靠性和经济性。抽水蓄能电站属于大型工程项目,其项目工程量巨大、建设周期长、建设资金投入多，且投资大部分用于上下游水库和水道的修建。此外,项目的选址还受山川河流等地形地貌条件的约束。利用废弃矿井改建为抽水蓄能电站可以减少地形地貌的限制,既便于施工，也可以实现废弃矿井的二次利用。

随着煤炭等矿产资源的不断开采以及我国不可再生能源的枯竭等多种原因,大量因资源开发而遗留下的矿洞随之废弃。矿藏开采后遗留下的矿洞具有巷道长、可利用空间大、结构简单、便于再次利用和水来源充足等特点,为利用废弃矿井建设地下抽水蓄能电站的设想提供了基础。从经济的角度上来说,利用开发过的矿井改建地下抽水蓄能电站,能明显减少电站建设的工程量和使用土地资源的费用,节约项目的投资资金[2-5]。因此,利用废旧的矿井降低电站水库建设投资的效果显著。此外,相对于露天水库而言,矿井内的水资源蒸发小,且有地下水源作为补充。

从生态环境的角度看,利用废弃矿井对地表的沉降起到一定的控制作用,促进矿区自然生态环境的恢复,对建设绿色生态矿山具有更深远的意义[6-8]。

综上,利用地下废旧矿井资源改建为抽水蓄能电站的技术应用前景十分广阔,可以对废弃矿井进行再利用,由此对生态绿色矿山的建设迈出了崭新的一步。但是，目前对于利用地下废弃矿井建设抽水蓄能电站只停留在概念阶段,尚未见到有详细的研究设计和技术经济分析,对于利用地下矿井建设抽水蓄能电站是否真的具有技术经济上的可行性尚不明确。本研究以某实际废弃煤矿的井巷布局为依托,设计了地下抽水蓄能电站,提出了电站的布局,计算了主要设计参数,并且分析了技术经济特性[9-12]。

1 研究方法

本文选择贵州某中小型废弃矿井作为研究对象,该矿井地质条件较好、巷道布置方式简单。基本计算流程分为抽水和输水两部分。抽水部分计算首先根据矿井基本参数计算上下游井巷(水库)容积、抽水流量,再由抽水流量选择适宜的水管管径,然后计算出抽水工况的水头损失,继而计算出抽水工况的平均扬程,根据扬程及流量选择合适的水泵,最后得出水泵每日工作的最大耗电量。输水部分因抽水与输水均用相同的上下游水库、同一条管路,所以输水流量、输水管管径部分的计算不再重复。首先由发电工况的水头损失继而计算出发电工况的平均水头,再根据矿井基本参数和计算结果选择合适的水轮发电机,最后根据建设抽水蓄能电站的成本和抽水蓄能电站运行30 a产生的经济效益进行经济技术分析。其详细计算流程如图1所示。

图1 设计基本计算流程Fig.1 Basic calculation process

2 假设

设计过程中,在确定上、下游水仓蓄水库容时,以容积较小的上水仓最大容积为蓄水库容(且假设上、下游水仓库容相等)，每日发电时间设为5 h，每日抽水时间设为5 h;另外,设计中仅仅考虑技术因素,其他不可控及不确定的影响水头损失的因素不予考虑。本设计是以某矿现有废弃巷道作为研究原型,通过技术分析来讨论抽水蓄能电站项目的可行性,不是指设计项目一定可行。废弃矿井改建为抽水蓄能电站示意图如图2所示。

图2 废弃矿井改建为抽水蓄能电站示意图Fig.2 Pumped storage power station reconstructed from the abandoned coal mine

3 计算过程

矿上游水仓选用二采区运输上山和运输大巷,二采区运输上山高差为87 m,倾斜角度5°,长度为977 m,大巷长度为763 m,二采区运输上山和运输大巷总容积为25 233 m3。下游水仓为+1 315 m井底车场,其容积31 541 m3,蓄水高度为4.2 m。上游水仓正常蓄水位+1 612 m,下游水仓正常蓄水位+1 319.2 m。上游水仓与下游水仓容积之比为4:5,因此定上游水仓为最大库容量。废弃矿井改建为抽水蓄能电站参数如表1所示。

表1 废弃矿井改建为抽水蓄能电站参数Table 1 Reconstruction parameters of pumped storage power station from the abandoned coal mine

3.1 计算耗电量

3.1.1计算抽水流量

(1)

式中:V为上水库蓄能库容,25 233 m3;t为抽水时间,18 000 s。计算得Q为1.4 m3/s,即5 047 m3/h。

3.1.2计算抽水管直径

(2)

式中:QC为每条输水道最大引用流量,1.4 m3/s;vJ为经济流速,取2.4 m/s。计算得输水管直径D为0.86 m,取公称直径为900 mm(DN900)的铸铁管。

3.1.3抽水工况水头损失

1)沿程水头损失:

(3)

式中:Hf为计算沿程水头损失,m;λ为计算段粗率系数,0.02;l为计算段长度,1 524 m;v为计算流速,2.4 m/s;d为输水管直径,0.9 m;g为重力加速度,取9.81 m/s2。计算可得水管沿程水头损失为9.94 m。

2)局部水头损失:

(4)

式中:ξ1为公称直径900 mm角度为90°铸铁弯管局部水头损失系数,0.71;ξ2为角度为7°缓弯管局部水头损失系数,0.04;ξ3为角度为9°缓弯管局部水头损失系数,0.05。计算可得抽水局部水头损失Hj为0.26 m。

3)抽水工况水头损失:

Hp=Hf+Hj=10.2 m .

3.1.4计算抽水工况的平均扬程

(5)

3.1.5确定水泵、电机型号

根据上式计算所得平均水头、抽水流量、输水管管径等参数,以及厂商提供水泵机组参数,选用5台型号为MD1100-86×3的水泵,其总扬程为258 m,选用3级,轴功率966 kW,配用电机功率1 250 kW,该类型水泵机械效率为87%。由水泵型号、级数、轴功率以及耗电量等参数,加上井下特殊的运行环境确定了相应匹配的电机型号,选型为YB1250KW4P6KV的防爆电机。

3.1.6计算水泵最大耗电量

(6)

3.2 计算发电部分

抽水蓄能电站输水发电时和抽水耗电时的流量、流速是一致的,所以输水发电和抽水耗电共用一条公称直径为900 mm(DN900)的铸铁管。输水管直径、发电工况水头损失与抽水时的工况水头损失一致,均为10.2 m,所以本文不作重复计算。

3.2.1计算发电工况平均水头

(7)

3.2.2计算最大可发电量

(8)

3.2.3确定水轮机型号

根据上式计算所得平均水头、抽水流量以及输水管直径，初选型号为SFW3000-10/1730的水轮发电机;选用型号为CJC601-W-110/2×11.5的水轮机。

3.3 发电效率

(9)

4 讨论

抽水蓄能电站每日抽水5 h,每天总耗电量为20 651.7 kW·h,工业用电每度0.425元,因此每天抽水消耗的费用是8 777元。而电站每天能发电15 239.1 kW·h,以每度1.025元的价格卖出,每日收入可得15 620元,每日净收益为6 843元，每年可收益约246万元。

抽水蓄能电站水轮机发电机单套机组出厂价格约300万；输水管长度1 524 m,直径900 mm的铸铁管道输水管道费用需80.7万元，安装、维护、加固等总需约100万元;购买所需的5台抽水水泵、防爆电机需花费161.7万元;运输费用及安装费用等需花费14.6万。此电站在建设初期设备总共需要花费576.3万元。

电站可正常工作30 a,把总投资折算入每年的费用,由下式可得:

(10)

式中:P为现值,约576.3万元;i为年复利为10%的现值系数。计算可得年值A约为61.1万元。

计算年利润

L=S-A.

(11)

式中:S为年总收益,246万元;A为年费用,61.1万元。计算可得年利润L为184.9万元。

由上述计算结果可知,如不考虑人员劳务费用和设备维修费,抽水蓄能电站每年能够盈利184.9万元,由此可见利用废弃煤矿地下井巷修建抽水蓄能电站成本和收入基本持平,所以修建抽水蓄能的方案具有一定的可行性。

5 结论

1)本文依据贵州某废弃矿井建设抽水蓄能电站,经过理论计算和实地考察分析,认为该项目能降低建库成本,具有良好的经济、社会和环境效益。

2)抽水蓄能电站的改建利用了贵州电费较低的有利条件,在夜晚用电谷时,电费较低,抽水将富裕的电量转化为水的势能储存起来;在白天用电峰时,将水的势能转化为电能,既可以维持用电的稳定性又可以为矿井用电节省很大一部分开支。通过技术经济分析,收益和成本基本持平,所以废弃矿井修建抽水蓄能电路的方案具有一定的可行性。