廢棄礦井抽水蓄能多場景利用可行性及技術經濟研究

韓楊　張小珩　汪勝和　謝毓廣　楊力

摘 要：為了更好地利用廢棄礦井遺留下的大量空間和工程資源，對多場景廢棄礦洞利用開發的模式進行了分析，探討了全地表、半地表和全地下三種場景利用模式;不同場景條件下廢棄礦井的抽水蓄能利用的技術可行性;從靜態效益、動態效益兩個維度對廢棄礦井抽水蓄能利用的經濟可行性進行評價。分析表明，利用廢棄礦井建設抽水蓄能電站能夠克服電站選址的局限，大幅減少建設成本與建設周期，帶來靜態、動態方面效益，為廢棄礦井抽水蓄能利用更好地發揮其綜合效益提供指導。

關鍵詞：廢棄礦井;抽水蓄能;多場景模式;可行性;利用效益

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.11.103

0 引言

抽水蓄能電站作為一種利用水力和勢能發電及蓄電的電力設施，在全球節能減排以及中國煤炭行業去產能的大背景下，正迎來快速的發展期。抽水蓄能電站可以對電網進行調峰填谷，解決電網供需矛盾，與其他類型的能源產生互補效應。《全球抽水蓄能電站行業市場》提出到2020年，美國抽水蓄能電站總裝機可增加3.5GW;歐洲地區國家其風電等可再生能源的發展推動了抽水蓄能電站的發展;而亞洲地區由于其巨大的煤電及核電投資也需要抽水蓄能電站配合對電網調峰填谷。因此，發展潛力巨大。

我國也在大力推進抽水蓄能電站建設。國家“十三五”規劃抽水蓄能達到6000萬千瓦，到2025年達到9000萬千瓦，已投產機組包括：瓊中抽蓄電站、深圳抽水蓄能電站。開工建設機組包括：福建永泰抽水蓄能電站;河北豐寧抽水蓄能電站;陜西鎮安等抽水蓄能電站進入主題施工階段。此外，還有一批抽水蓄能電站已完成規劃，項目將快速展開。2018年，青海省、貴州、廣西、河南五岳、湖南江平、山西渾源、福建云霄、安徽桐城抽水蓄能電站選點規劃通過評審。

而與此同時，作為我國傳統能源的支柱—煤炭，經過幾十年的高強度開發及行業去產能政策的影響下，產生了大量的廢棄的礦井，如果不加以再次利用，不僅浪費資源還容易產生地表沉降塌陷以及沖擊波等地質災害，對所在地區人民生命財產安全產生威脅。廢棄礦井遺留有大量的優質地下空間資源及地下水資源，如廢棄礦坑、地下準備巷道、開拓巷道和礦井水，這都為改建抽水蓄能電站提供了良好的工程和資源條件。針對廢棄礦井抽水蓄能利用的模式及效益，本文針對性地探討了不同廢棄礦井場景條件下抽水蓄能的利用模式，以及對不同場景模式下技術的可行性進行了分析，最后對廢棄礦井抽水蓄能利用效益評價方法進行了探析。

1 廢棄礦井抽水蓄能利用的經濟意義

對廢棄礦井進行抽水蓄能電站改造，在工程上能夠減少筑壩工程量和征地費用，節約項目投資。廢棄礦坑以及礦洞與抽水蓄能電站建設所需的上下水庫以及創造水力勢能所需的高低差條件相仿，如果能夠加以利用則可以減少大量的工程建設費用以及征地建設費用，節約土地資源，提高設施的利用水平。例如，呼和浩特抽水蓄電站其水庫的土石開挖費用占到電站總建設費用的近10%。而廢棄礦坑和礦井所擁有的低洼、塌陷和地下空間可以作為抽水蓄能電站不同高程的上、下水庫加以利用，進而減少建設投資，具有明顯的經濟效益。另外，傳統的抽水蓄能電站上下水庫均暴露于地表，其儲存的水資源容易蒸發流失。而廢棄礦井一般都留有大量的地下礦井水，因此可以減少水分蒸發，節約水資源。

當廢棄礦井改建成抽水蓄能電站，接入電網開始運作時，相較于傳統的火電機組，抽水蓄能機組參與調峰填谷具有以下三方面優勢：一是火電機組啟動成本高，而抽水蓄能利用水的勢能放電，幾乎不需要耗費任何的能源，因此啟動機組啟動成本低;二是原有火電機組發電配合使用抽水蓄能，可調節市場動蕩變化與火電發電機組均衡工作發電之間的矛盾，使火電機組運行保持在高負荷的高效區域，保持燃料資源的高利用率;三是調峰填谷產生的電力市場消費的經濟效益。在電力市場消費低迷時，電價較低時，通過抽水蓄能將富余的電力儲存起來，在電力需求消費旺盛，電價較高時，將儲存的電力資源輸入電網，利用時間差以低價電置換高價電。

2 廢棄礦井建設抽水蓄能電站的多場景利用模式

從廢棄礦井所處的狀態情景，可以分為三種不同的場景及利用模式：第一種為露天礦坑全地表利用模式，對于廢棄的露天礦坑，可以將其作為抽水蓄能電站的上水庫或下水庫加以利用，在露天礦坑周邊地勢較低洼或較高的地方修建下水庫或上水庫。機電硐室設置在上水庫和下水庫之間的洞室內;機電硐室內設置有可逆式抽水蓄能機組;調壓室可以安置在引水隧洞上游或下游的機電硐室內;分別在引水隧道的上下水庫接口處設置攔污柵;引水隧洞一端連通上水庫，另一端連通上水庫;尾水隧洞一端連通機電硐室，另一端連通下水庫;通風和運輸系統一端與節點硐室連通，另一端與地面連通，用于機電硐室與地面的通風以及行人和設備的輸運。第二種為塌陷礦井半地表利用模式，對于具有多層地下結構的廢棄礦井，靠近地表部分的結構出現塌陷，露天地表形成礦坑，但其余礦井地下工程結構保存完好，具有地下采空區為儲水空間的煤礦地下水庫，以及完備的庫間水道系統。可以利用暴露于地表的塌陷地形作為上水庫，地下保存完好的巷道作為下水庫。第三種為廢棄礦井全地下利用模式，對于未出現坍塌，地下空間充足，支護條件良好的廢棄礦井，可以利用其不同高程的巷道空間作為上下水庫。

從不同廢棄礦井所處狀態情景來看。世界各國在廢棄礦井不同的利用模式上，發展水平存在差別。

第一種露天礦坑利用模式，我國在這個方面的研究探索較為深入。如遼寧阜新海州露天礦、河北灤平露天礦坑等均已完成規劃設計。并且這類礦坑的利用包含煤礦及各類金屬礦，其中金屬礦的地質條件相對于煤礦和傳統抽水蓄能電站更加優越，煤礦礦坑內部支護條件較好，如加以合理利用則更具經濟性。

對于第二種和第三種利用模式，中國和歐美國家均做出了探索。美國準備在紐約Moriah鎮的廢棄礦井中建造一個全地下的抽水蓄能電站。德國北威州魯爾區在一座即將廢棄的煤礦中開展了半地下抽水蓄能利用可行性研究。中國國家能源集團在神東煤礦首創了全地下水庫技術體系，累計建成了32間地下水庫，儲水量3100萬平方米。

3 廢棄礦井建設抽水蓄能多場景利用技術可行性分析

3.1 全地表廢棄礦坑抽水蓄能利用可行性

對于全地表露天的礦坑的利用方式是將其作為抽水蓄能電站的上水庫或下水庫。其是否能夠進行抽水蓄能利用取決于露天廢棄礦坑周邊是否具有與其蓄水容積相匹配的水庫或湖泊作為相應的下水庫或上水庫加以利用，或者附近地質和空間條件是否能夠建設蓄水池。其建設模式與常規抽水蓄能電站差異不大，但依賴于工程環境，需要不同的礦坑之間具有足夠的高低差，并且在地理距離上相近。地形條件方面，利用煤礦采空區塌陷而構成的露天礦坑，不同礦坑間具有數十米到幾百米的垂直距離，從而具備地形落差條件。

3.2 半地表和全地下的廢棄礦井抽水蓄能利用可行性

對于沒有出現地表塌陷以及地表出現塌陷的廢棄礦井，只要地下巷道空間保存完好，可以將其作為下水庫加以利用，但具體在技術上是否可行需要考慮到以下幾個方面：

（1）廢棄礦井地下是否具備足夠大的可利用空間。地下空間不存在裂隙帶，密閉性和穩定性良好。礦井內部作為上、下庫利用的巷道容積充足，另外對于影響礦井水流動的反坡和不通暢的空間不應計入水庫容積中。

（2）同一高度水平的不同巷道高低差較小。對于利用多個巷道作為上水庫或下水庫進行分布式儲水的情況下，若同作為上水庫或下水庫的多個巷道間高低差較大則會影響水流的速度，而水流的速度是帶動水輪機組放電的重要驅動要素。

（3）同一高度水平的不同巷道連通性良好。作為分布式儲水的地下巷道，其同一高度不同巷道間的連通性也是影響地下匯水能力，最終影響地下水流量和流速能否達到發電機組流量要求。

（4）上、下水庫間的高低差不應太大。抽水蓄能電站進行工作的關鍵取決于可逆式水泵水輪機組的性能水平能否達到適宜的工作條件。若上、下水庫間高程太大超過水頭限制，將導致水泵工作效率下降、震動強烈、穩定性降低，甚至無法抽水等情況。另外，設計水頭過高會導致機組生產和研發能力增加。

（5）上、下水庫間的高低差不應太小。若廢棄礦井內部作為上、下庫巷道的高低差太小，相應所需的水頭會降低，但對蓄水空間的要求就越大，這對地下空間有限的廢棄礦井來說是限制條件。

4 廢棄礦井抽水蓄能多場景利用效益評價分析

對于抽水蓄能電站效益的評價，美國電力研究院、麻省理工學院、中國水力發電工程學會和清華大學等國內外機構與高校的學者，將抽水蓄能效益區分為靜態效益和動態效益兩個維度。而這在總體上也適用于分析廢棄礦井抽水蓄能利用所帶來的價值，但在具體評價細節上仍存在差異。

4.1 廢棄礦井抽水蓄能利用的靜態效益

對于靜態效益的評價可以進一步從容量效益、調峰填谷效益、排放效益和建設成本節約效益。

（1）容量效益，是指建設抽水蓄能電站的運行和建設費用低于建設同等規模的替代性火電機組的運行和建設費用的節約所產生的效益。可見，通過利用廢棄礦井改建抽水蓄能電站相比火力發電機組在建設和運行費用上均具有顯著優勢，其效益公式如下：

式中：Bc表示廢棄礦井進行抽蓄改造后每年的容量效益，萬元;Ot代表同等規模火電機組的運行費用;Ct代表同等規模火電機組的建設費用;Oam代表廢棄礦井抽蓄改造后的機組運行費用;Cam代表廢棄礦井抽蓄改造后的建設費用。

（2）調峰填谷效益，是指抽水蓄能電站低成本調峰填谷的經濟效益。與傳統抽蓄電站功能相同，廢棄礦井改建抽蓄電站替代原有火電機組進行調峰填谷會減少能源消耗產生效益。由于電力消費市場需求多變，但電力生產供應高效要求發電廠維持地均衡生產。而抽蓄電站可調節市場動蕩變化與火電發電機組均衡發電工作之間的矛盾，使火電機組運行保持在高負荷的高效區域，保持燃料資源的高利用率。因此，抽蓄電站的電量效益表現在調峰和填谷兩個方面：調峰效益表現在抽水蓄能電站替代火電機組后，減少火電機組調峰燃料消耗所得到的效益。填谷效益表現在抽蓄電站避免火電機組降負荷運行所損失的燃料利用率，利用時間差將填谷低價電力換取市場需求良好時的高價電，產生效益。綜合公式如下：

式中：Bpv為廢棄礦井抽水蓄能改造后每年調峰填谷所產生的效益，萬元;Cpi是參與調峰火電機組在調峰時段的燃料消耗量;C′pi是參與調峰火電機組在非調峰時段的燃料消耗量;C′vi是參與填谷火電機組在非填谷時段的燃料消耗量;Cvi是參與填谷火電機組在填谷時段的燃料消耗量;pc是煤炭市場的實時價格。

（3）排放效益。不同于傳統的火電站在發電過程中會產生二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物，抽水蓄能電站幾乎是零排放，因此其排放效益表現在抽水蓄電發電量替代同等發電規模火電站所減少的有害氣體排放量。

（4）建設成本節約效益。表現在利用廢棄礦井進行改建利用所節約的建設成本。對于廢棄礦井抽水蓄能建設的成本效益，可以從相同規模的抽水蓄能電站建設的筑壩工程量、征地費用、土石開挖量和水資源投入等建設成本的支出減去廢棄礦井改建抽水蓄能電站的成本支出得到。

4.2 廢棄礦井抽水蓄能利用的動態效益

（1）調頻效益，主要指電網供電負荷變化與消費端不匹配所產生的平衡需求，傳統的調頻方法是通過負荷調節快的小型火電機組參與調頻。而利用抽水蓄能電站的替代小型火力發電機組進行調頻，則能夠減少能源損耗，其表達式如下：

式中：Bfm是抽水蓄能電站的調頻效益;c1i是第i臺調峰火電機組啟停時煤炭的消耗量，g;ni是第i臺火電機組每天啟動次數，次;c2i是第i臺機組進行調頻耗煤量，g/kWh;Ti是第i臺機組參與調頻的總時間，h;Ni是第i臺機組的機組容量，萬kW;fm是市場的實時煤炭價格;V是機組啟動時消耗的水量，m3/s;H是機組的平均工作水頭，m;η是水輪機的效率;nH是抽水蓄能電站日啟動臺次，次;mH是抽水蓄能機組的數量，臺;fps當前電價，元/kWh。

（2）調相效益，是指系統中驅動電動機和變壓器的無功電源和無功負荷，其高低穩定性會影響系統中電壓的高低，進而對電力質量和電力設備產生影響。抽水蓄能電站在空閑時可參與電力系統調相，從而減少其他調相設備建設投資成本和調相燃料耗費成本。

（3）事故備用效益，指的是電網系統中部分發電機組發生故障而無法供電，對電網電力正常運營產生影響，而抽水蓄能電站通過啟動水電機組放電可以補充因事故而產生的電力負荷損失。

（4）黑啟動效益，指的是當供電系統崩潰而出現停電，供電系統短時間內無法回復正常的情況下，抽水蓄能電站能夠進行正常的供電工作，放水啟動水輪機組，逐步恢復電網供電。

通過對統計資料的收集和綜合分析，改造一座與泰安抽水蓄能電站一期規模相同的廢棄礦洞，即上水庫庫容1168.1萬立方米，下水庫庫容2993萬立方米，裝配4臺額定容量250MW的可逆發電機組，總裝機容量為1000MW，年發電量13.38億kWh，年抽水用電量17.84億kWh。可產生不小于22900萬元的容量效益，約12563.33萬元的調峰填谷效益，9394.54萬元的調頻效益，6453.33萬元的調相效益，7930萬元的事故備用效益，2395.3萬元的系統黑啟動效益。

在對廢棄礦井抽水蓄能利用所產生的建設成本節約及排放效益方面，以遼寧阜新海州露天礦進行抽水蓄能改造為例。經過半個世紀的開采，海州礦區形成了一個長4公里、寬2公里，深350米的礦坑。項目計劃利用廢棄礦坑作為下水庫，而在地表建設一座上水庫，計劃投資142億元，分三期建設360萬kWh的發電機組。從工程建設上來看，可節省約800萬平米的項目征地費用及土石開挖量。項目在減少污染物排放方面，通過利用廢棄露天礦坑改造為抽水蓄能代替火力煤炭發電站，其360萬kWh的發電量能夠減少約1440噸標準煤的消耗，3589噸二氧化碳，108噸二氧化硫以及54噸氮氧化物的排放。具有顯著的建設成本和排放效益。

5 總結

利用廢棄礦井抽水蓄能發電在當前正成為一個新興的研究及實踐熱點。對于不同場景廢棄礦井資源的利用開發將使得我國可再生能源產業發展產生新的經濟增長點，并有助于減少有害氣體排放、減少工程重復建設和減少地質災害。本文通過分析研究做了如下工作：（1）對多場景條件下對廢棄礦井的利用模式進行了分析;（2）對多場景條件下廢棄礦井抽水蓄能利用的技術可行性進行了分析;（3）對廢棄礦井抽水蓄能利用的效益進行了探討。未來的研究有必要結合可再生清潔能源應用、智能電網聯合調度以及傳統能源和新能源供應比例變化趨勢的系統性視角出發，為充分發揮廢棄礦井抽水蓄能利用效果提供參考。

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基金項目：國家電網有限公司總部科技項目資助。

作者簡介：韓楊（1986-），男，安徽合肥人，博士，講師。