廢棄煤礦抽水蓄能發電新技術可行性分析

裴 鵬,任天佑,李 信,歐祥吉,李德宇,江 雪,商大成

(貴州大學 礦業學院,貴陽 550025)

抽水蓄能電站是通過水泵將下游水庫的水經過管道輸送到上游水庫儲存起來,由此將電能轉換為勢能[1]。在電網負荷大時,存儲在上部水庫中的水可以通過渦輪機返回到下游水庫,勢能重新轉化電能。它可以將夜間多余的電能轉變為白天的高價值電能。此外,抽水蓄能電站還具有調節電網頻率、調節電網相位、黑啟動等重要功能。同時因為火電站和核電站的起停周期較長,因此抽水蓄能電站還可減少電網中火電站和核電站的啟停頻率,提高發電效率。這樣,既避免了火電機組自身運行的一些弊端,又增加了電力系統的供電能力,從而提高了電力系統運行的可靠性和經濟性。抽水蓄能電站屬于大型工程項目,其項目工程量巨大、建設周期長、建設資金投入多，且投資大部分用于上下游水庫和水道的修建。此外,項目的選址還受山川河流等地形地貌條件的約束。利用廢棄礦井改建為抽水蓄能電站可以減少地形地貌的限制,既便于施工，也可以實現廢棄礦井的二次利用。

隨著煤炭等礦產資源的不斷開采以及我國不可再生能源的枯竭等多種原因,大量因資源開發而遺留下的礦洞隨之廢棄。礦藏開采后遺留下的礦洞具有巷道長、可利用空間大、結構簡單、便于再次利用和水來源充足等特點,為利用廢棄礦井建設地下抽水蓄能電站的設想提供了基礎。從經濟的角度上來說,利用開發過的礦井改建地下抽水蓄能電站,能明顯減少電站建設的工程量和使用土地資源的費用,節約項目的投資資金[2-5]。因此,利用廢舊的礦井降低電站水庫建設投資的效果顯著。此外,相對于露天水庫而言,礦井內的水資源蒸發小,且有地下水源作為補充。

從生態環境的角度看,利用廢棄礦井對地表的沉降起到一定的控制作用,促進礦區自然生態環境的恢復,對建設綠色生態礦山具有更深遠的意義[6-8]。

綜上,利用地下廢舊礦井資源改建為抽水蓄能電站的技術應用前景十分廣闊,可以對廢棄礦井進行再利用,由此對生態綠色礦山的建設邁出了嶄新的一步。但是，目前對于利用地下廢棄礦井建設抽水蓄能電站只停留在概念階段,尚未見到有詳細的研究設計和技術經濟分析,對于利用地下礦井建設抽水蓄能電站是否真的具有技術經濟上的可行性尚不明確。本研究以某實際廢棄煤礦的井巷布局為依托,設計了地下抽水蓄能電站,提出了電站的布局,計算了主要設計參數,并且分析了技術經濟特性[9-12]。

1 研究方法

本文選擇貴州某中小型廢棄礦井作為研究對象,該礦井地質條件較好、巷道布置方式簡單。基本計算流程分為抽水和輸水兩部分。抽水部分計算首先根據礦井基本參數計算上下游井巷(水庫)容積、抽水流量,再由抽水流量選擇適宜的水管管徑,然后計算出抽水工況的水頭損失,繼而計算出抽水工況的平均揚程,根據揚程及流量選擇合適的水泵,最后得出水泵每日工作的最大耗電量。輸水部分因抽水與輸水均用相同的上下游水庫、同一條管路,所以輸水流量、輸水管管徑部分的計算不再重復。首先由發電工況的水頭損失繼而計算出發電工況的平均水頭,再根據礦井基本參數和計算結果選擇合適的水輪發電機,最后根據建設抽水蓄能電站的成本和抽水蓄能電站運行30 a產生的經濟效益進行經濟技術分析。其詳細計算流程如圖1所示。

圖1 設計基本計算流程Fig.1 Basic calculation process

2 假設

設計過程中,在確定上、下游水倉蓄水庫容時,以容積較小的上水倉最大容積為蓄水庫容(且假設上、下游水倉庫容相等)，每日發電時間設為5 h，每日抽水時間設為5 h;另外,設計中僅僅考慮技術因素,其他不可控及不確定的影響水頭損失的因素不予考慮。本設計是以某礦現有廢棄巷道作為研究原型,通過技術分析來討論抽水蓄能電站項目的可行性,不是指設計項目一定可行。廢棄礦井改建為抽水蓄能電站示意圖如圖2所示。

圖2 廢棄礦井改建為抽水蓄能電站示意圖Fig.2 Pumped storage power station reconstructed from the abandoned coal mine

3 計算過程

礦上游水倉選用二采區運輸上山和運輸大巷,二采區運輸上山高差為87 m,傾斜角度5°,長度為977 m,大巷長度為763 m,二采區運輸上山和運輸大巷總容積為25 233 m3。下游水倉為+1 315 m井底車場,其容積31 541 m3,蓄水高度為4.2 m。上游水倉正常蓄水位+1 612 m,下游水倉正常蓄水位+1 319.2 m。上游水倉與下游水倉容積之比為4:5,因此定上游水倉為最大庫容量。廢棄礦井改建為抽水蓄能電站參數如表1所示。

表1 廢棄礦井改建為抽水蓄能電站參數Table 1 Reconstruction parameters of pumped storage power station from the abandoned coal mine

3.1 計算耗電量

3.1.1計算抽水流量

(1)

式中:V為上水庫蓄能庫容,25 233 m3;t為抽水時間,18 000 s。計算得Q為1.4 m3/s,即5 047 m3/h。

3.1.2計算抽水管直徑

(2)

式中:QC為每條輸水道最大引用流量,1.4 m3/s;vJ為經濟流速,取2.4 m/s。計算得輸水管直徑D為0.86 m,取公稱直徑為900 mm(DN900)的鑄鐵管。

3.1.3抽水工況水頭損失

1)沿程水頭損失:

(3)

式中:Hf為計算沿程水頭損失,m;λ為計算段粗率系數,0.02;l為計算段長度,1 524 m;v為計算流速,2.4 m/s;d為輸水管直徑,0.9 m;g為重力加速度,取9.81 m/s2。計算可得水管沿程水頭損失為9.94 m。

2)局部水頭損失:

(4)

式中:ξ1為公稱直徑900 mm角度為90°鑄鐵彎管局部水頭損失系數,0.71;ξ2為角度為7°緩彎管局部水頭損失系數,0.04;ξ3為角度為9°緩彎管局部水頭損失系數,0.05。計算可得抽水局部水頭損失Hj為0.26 m。

3)抽水工況水頭損失:

Hp=Hf+Hj=10.2 m .

3.1.4計算抽水工況的平均揚程

(5)

3.1.5確定水泵、電機型號

根據上式計算所得平均水頭、抽水流量、輸水管管徑等參數,以及廠商提供水泵機組參數,選用5臺型號為MD1100-86×3的水泵,其總揚程為258 m,選用3級,軸功率966 kW,配用電機功率1 250 kW,該類型水泵機械效率為87%。由水泵型號、級數、軸功率以及耗電量等參數,加上井下特殊的運行環境確定了相應匹配的電機型號,選型為YB1250KW4P6KV的防爆電機。

3.1.6計算水泵最大耗電量

(6)

3.2 計算發電部分

抽水蓄能電站輸水發電時和抽水耗電時的流量、流速是一致的,所以輸水發電和抽水耗電共用一條公稱直徑為900 mm(DN900)的鑄鐵管。輸水管直徑、發電工況水頭損失與抽水時的工況水頭損失一致,均為10.2 m,所以本文不作重復計算。

3.2.1計算發電工況平均水頭

(7)

3.2.2計算最大可發電量

(8)

3.2.3確定水輪機型號

根據上式計算所得平均水頭、抽水流量以及輸水管直徑，初選型號為SFW3000-10/1730的水輪發電機;選用型號為CJC601-W-110/2×11.5的水輪機。

3.3 發電效率

(9)

4 討論

抽水蓄能電站每日抽水5 h,每天總耗電量為20 651.7 kW·h,工業用電每度0.425元,因此每天抽水消耗的費用是8 777元。而電站每天能發電15 239.1 kW·h,以每度1.025元的價格賣出,每日收入可得15 620元,每日凈收益為6 843元，每年可收益約246萬元。

抽水蓄能電站水輪機發電機單套機組出廠價格約300萬；輸水管長度1 524 m,直徑900 mm的鑄鐵管道輸水管道費用需80.7萬元，安裝、維護、加固等總需約100萬元;購買所需的5臺抽水水泵、防爆電機需花費161.7萬元;運輸費用及安裝費用等需花費14.6萬。此電站在建設初期設備總共需要花費576.3萬元。

電站可正常工作30 a,把總投資折算入每年的費用,由下式可得:

(10)

式中:P為現值,約576.3萬元;i為年復利為10%的現值系數。計算可得年值A約為61.1萬元。

計算年利潤

L=S-A.

(11)

式中:S為年總收益,246萬元;A為年費用,61.1萬元。計算可得年利潤L為184.9萬元。

由上述計算結果可知,如不考慮人員勞務費用和設備維修費,抽水蓄能電站每年能夠盈利184.9萬元,由此可見利用廢棄煤礦地下井巷修建抽水蓄能電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 結論

1)本文依據貴州某廢棄礦井建設抽水蓄能電站,經過理論計算和實地考察分析,認為該項目能降低建庫成本,具有良好的經濟、社會和環境效益。

2)抽水蓄能電站的改建利用了貴州電費較低的有利條件,在夜晚用電谷時,電費較低,抽水將富裕的電量轉化為水的勢能儲存起來;在白天用電峰時,將水的勢能轉化為電能,既可以維持用電的穩定性又可以為礦井用電節省很大一部分開支。通過技術經濟分析,收益和成本基本持平,所以廢棄礦井修建抽水蓄能電路的方案具有一定的可行性。