基于廢棄礦井的空氣壓縮蓄能電站應用研究

牛文進 王璐 柳研青

摘要：我國有大量的廢棄礦井且多數(shù)廢棄礦井地下空間利用率很低，結合目前壓縮空氣蓄能電站儲氣設施建設不足造成壓縮空氣蓄能電站發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀，以廢棄礦井地下空間作為蓄能電站儲氣設施。在地下空間合理位置布置瓦斯抽取裝置與儲水槽保證儲氣空間安全，儲氣空間增加了恒溫加熱裝置用以提高蓄能電站的工作效率。該技術具有較高的經濟與社會價值。

關鍵詞：廢棄礦井;空氣壓縮;發(fā)電

中圖分類號：TD324?????? 文獻標識碼：A

壓縮空氣蓄能電站是一種新型蓄能電站。它利用電力系統(tǒng)低容負荷時的多余電能將空氣壓縮儲存在地下洞穴中，需要時再放出，經加熱后通過燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，以供尖峰負荷的需要[1，2]。但是受到建設大規(guī)模儲氣設施方面限制，壓縮空氣蓄能電站整體發(fā)展緩慢。目前我國有超過4000座的廢棄礦井，大量廢棄的礦井地下空間開發(fā)利用率很低[3]，以廢棄礦井井筒、采掘巷道、硐室等地下空間作為空氣壓縮蓄能電站的儲氣設施，一方面極大的降低了壓縮空氣蓄能電站的建設成本，另一方面實現(xiàn)了廢棄礦井的開發(fā)利用，具有較高的經濟與社會價值。

2??? 空氣壓縮蓄能電站優(yōu)點

（1）改進電網負荷率，提高了經濟性，使系統(tǒng)中大型發(fā)電機組的負荷波動機組的負荷波動減小，可起到負荷平衡、提高供電質量的作用。

（2）系統(tǒng)靈活性高，壓縮空氣儲能電站在壓縮空氣瞬間即可使用，在無照明條件下也可以啟動且速度較快，三分鐘即可從空載達到額定出力，適于作旋轉備用。

（3）可以實現(xiàn)模塊化，壓縮空氣儲能電站可以積木式地組裝，一座220MW的電站可用25～50MW的小型壓縮空氣儲能電站積木式地逐年擴建發(fā)展。

3? 系統(tǒng)結構

3.1 地上部分

地上部分主要是熱電廠建筑設施，包括空氣透平、燃氣輪機發(fā)電機組等。另外包括空氣儲能電站建筑，空氣壓縮機，氣壓、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測站，燃燒室，燃料庫等。

3.2地下部分

廢棄礦井的地下空間主要包括礦井的主副井、采掘巷道與硐室主要場所。為提高其密封性，在其表面涂層密封性物質黏膠。在地下密閉空間內放置恒溫加熱裝置，以提高壓縮空氣的能量。

廢棄礦井地下空間會有礦井瓦斯甚至是礦井水的滲入，瓦斯作為易爆氣體，為避免發(fā)生瓦斯事故，在采空區(qū)的傾斜方向的上部安裝瓦斯抽取裝置，配套有瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌ａ槍ΦV井水會影響壓縮空氣的質量，影響高溫高壓氣體與燃料混合燃燒的充分程度，故在地下空間下部挖置儲水槽，將滲入地下空間的水聚集起來利用高壓水泵將水從內部抽出。在地面安裝測量地下空間壓強的檢測裝置，保證其氣壓能夠達到8～10個大氣壓。放氣管道和礦井抽水經副井通向地表，再與其他設備連接。進氣管道、壓力表氣體壓力傳遞管道、瓦斯抽取管道經主井通向地表，再與其他設備連接。

4?? 工作原理

利用廢棄煤礦的地下空間作為壓縮空氣儲氣室，將其單獨建設成為一個相對密閉的空間，以煤礦的主井和副井分別作為壓縮空氣的進氣管道井和出氣管道井。進氣管道井口放置空氣壓縮機，電動機供給電源為電網負荷低谷時的剩余電能，將外界空氣壓縮通過進氣管道進入儲氣室，隨著外界空氣的不斷壓入，儲氣室內部空氣壓力和溫度不斷增加，此過程中通過壓縮空氣將電能轉化成儲存在空氣中的內能。為了使被壓縮的高溫高壓氣體與天然氣燃料能夠進行更完全、產生熱量更高的燃燒反應，在地下儲氣室中放置若干恒溫加熱片，保證儲氣室內氣體的溫度，進而保證氣體儲存有足夠的能量。電網負荷高時，需要壓縮空氣儲能電站進行放氣發(fā)電。打開放氣閥門和燃料庫閥門，此時高溫高壓氣體會急速涌入燃燒室內，與天然氣燃料混合產生劇烈的燃燒反應，同時產生大量的燃燒氣，燃燒氣通過管道進入燃氣透平推動渦輪發(fā)電機組發(fā)電進入電網。此外，礦井中殘余瓦斯的存在必不可少，因此為提高系統(tǒng)安全性，在密閉空間頂部安置濃度監(jiān)測儀與抽取裝置，控制瓦斯?jié)舛仍诎踩珮O限內。同時在地下空間底部挖設凹槽，抽取礦井水，提高壓縮空氣質量。

5? 結論

以廢棄礦井地下空間作為蓄能電站儲氣設施，一方面極大的降低了壓縮空氣蓄能電站的建設成本，另一方面實現(xiàn)了廢棄礦井的開發(fā)利用。在地下空間合理位置布置瓦斯抽取裝置與儲水槽用以保證空氣壓縮蓄能電站運行期間的安全，并在儲氣空間增加了恒溫加熱裝置用以提高蓄能電站的工作效率。該技術具有較高的經濟與社會價值。

參考文獻：

[1]劉文毅，楊勇平，張昔國，等.壓縮空氣蓄能（CAES）電站及其現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].山東電力技術，2007（2）：10-14.

[2]劉澧源，蔣中明，王江營，等.壓氣儲能電站地下儲氣庫之壓縮空氣熱力學過程分析[J].儲能科學與技術，2018，7（2）：78-85.

[3]李庭.廢棄礦井地下水污染風險評價研究[D].2014.

基金項目：山東省自然科學基金資助項目（ZR2018PEE007）