废弃矿井抽水蓄能多场景利用可行性及技术经济研究

来源:用户上传      作者:韩杨　张小珩　汪胜和　谢毓广　杨力

　　摘 要：为了更好地利用废弃矿井遗留下的大量空间和工程资源，对多场景废弃矿洞利用开发的模式进行了分析，探讨了全地表、半地表和全地下三种场景利用模式;不同场景条件下废弃矿井的抽水蓄能利用的技术可行性;从静态效益、动态效益两个维度对废弃矿井抽水蓄能利用的经济可行性进行评价。分析表明，利用废弃矿井建设抽水蓄能电站能够克服电站选址的局限，大幅减少建设成本与建设周期，带来静态、动态方面效益，为废弃矿井抽水蓄能利用更好地发挥其综合效益提供指导。
　　关键词：废弃矿井;抽水蓄能;多场景模式;可行性;利用效益
　　中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.11.103
　　0 引言
　　抽水蓄能电站作为一种利用水力和势能发电及蓄电的电力设施，在全球节能减排以及中国煤炭行业去产能的大背景下，正迎来快速的发展期。抽水蓄能电站可以对电网进行调峰填谷，解决电网供需矛盾，与其他类型的能源产生互补效应。《全球抽水蓄能电站行业市场》提出到2020年，美国抽水蓄能电站总装机可增加3.5GW;欧洲地区国家其风电等可再生能源的发展推动了抽水蓄能电站的发展;而亚洲地区由于其巨大的煤电及核电投资也需要抽水蓄能电站配合对电网调峰填谷。因此，发展潜力巨大。
　　我国也在大力推进抽水蓄能电站建设。国家“十三五”规划抽水蓄能达到6000万千瓦，到2025年达到9000万千瓦，已投产机组包括：琼中抽蓄电站、深圳抽水蓄能电站。开工建设机组包括：福建永泰抽水蓄能电站;河北丰宁抽水蓄能电站;陕西镇安等抽水蓄能电站进入主题施工阶段。此外，还有一批抽水蓄能电站已完成规划，项目将快速展开。2018年，青海省、贵州、广西、河南五岳、湖南江平、山西浑源、福建云霄、安徽桐城抽水蓄能电站选点规划通过评审。
　　而与此同时，作为我国传统能源的支柱—煤炭，经过几十年的高强度开发及行业去产能政策的影响下，产生了大量的废弃的矿井，如果不加以再次利用，不仅浪费资源还容易产生地表沉降塌陷以及冲击波等地质灾害，对所在地区人民生命财产安全产生威胁。废弃矿井遗留有大量的优质地下空间资源及地下水资源，如废弃矿坑、地下准备巷道、开拓巷道和矿井水，这都为改建抽水蓄能电站提供了良好的工程和资源条件。针对废弃矿井抽水蓄能利用的模式及效益，本文针对性地探讨了不同废弃矿井场景条件下抽水蓄能的利用模式，以及对不同场景模式下技术的可行性进行了分析，最后对废弃矿井抽水蓄能利用效益评价方法进行了探析。
　　1 废弃矿井抽水蓄能利用的经济意义
　　对废弃矿井进行抽水蓄能电站改造，在工程上能够减少筑坝工程量和征地费用，节约项目投资。废弃矿坑以及矿洞与抽水蓄能电站建设所需的上下水库以及创造水力势能所需的高低差条件相仿，如果能够加以利用则可以减少大量的工程建设费用以及征地建设费用，节约土地资源，提高设施的利用水平。例如，呼和浩特抽水蓄电站其水库的土石开挖费用占到电站总建设费用的近10%。而废弃矿坑和矿井所拥有的低洼、塌陷和地下空间可以作为抽水蓄能电站不同高程的上、下水库加以利用，进而减少建设投资，具有明显的经济效益。另外，传统的抽水蓄能电站上下水库均暴露于地表，其储存的水资源容易蒸发流失。而废弃矿井一般都留有大量的地下矿井水，因此可以减少水分蒸发，节约水资源。
　　当废弃矿井改建成抽水蓄能电站，接入电网开始运作时，相较于传统的火电机组，抽水蓄能机组参与调峰填谷具有以下三方面优势：一是火电机组启动成本高，而抽水蓄能利用水的势能放电，几乎不需要耗费任何的能源，因此启动机组启动成本低;二是原有火电机组发电配合使用抽水蓄能，可调节市场动荡变化与火电发电机组均衡工作发电之间的矛盾，使火电机组运行保持在高负荷的高效区域，保持燃料资源的高利用率;三是调峰填谷产生的电力市场消费的经济效益。在电力市场消费低迷时，电价较低时，通过抽水蓄能将富余的电力储存起来，在电力需求消费旺盛，电价较高时，将储存的电力资源输入电网，利用时间差以低价电置换高价电。
　　2 废弃矿井建设抽水蓄能电站的多场景利用模式
　　从废弃矿井所处的状态情景，可以分为三种不同的场景及利用模式：第一种为露天矿坑全地表利用模式，對于废弃的露天矿坑，可以将其作为抽水蓄能电站的上水库或下水库加以利用，在露天矿坑周边地势较低洼或较高的地方修建下水库或上水库。机电硐室设置在上水库和下水库之间的洞室内;机电硐室内设置有可逆式抽水蓄能机组;调压室可以安置在引水隧洞上游或下游的机电硐室内;分别在引水隧道的上下水库接口处设置拦污栅;引水隧洞一端连通上水库，另一端连通上水库;尾水隧洞一端连通机电硐室，另一端连通下水库;通风和运输系统一端与节点硐室连通，另一端与地面连通，用于机电硐室与地面的通风以及行人和设备的输运。第二种为塌陷矿井半地表利用模式，对于具有多层地下结构的废弃矿井，靠近地表部分的结构出现塌陷，露天地表形成矿坑，但其余矿井地下工程结构保存完好，具有地下采空区为储水空间的煤矿地下水库，以及完备的库间水道系统。可以利用暴露于地表的塌陷地形作为上水库，地下保存完好的巷道作为下水库。第三种为废弃矿井全地下利用模式，对于未出现坍塌，地下空间充足，支护条件良好的废弃矿井，可以利用其不同高程的巷道空间作为上下水库。
　　从不同废弃矿井所处状态情景来看。世界各国在废弃矿井不同的利用模式上，发展水平存在差别。
　　第一种露天矿坑利用模式，我国在这个方面的研究探索较为深入。如辽宁阜新海州露天矿、河北滦平露天矿坑等均已完成规划设计。并且这类矿坑的利用包含煤矿及各类金属矿，其中金属矿的地质条件相对于煤矿和传统抽水蓄能电站更加优越，煤矿矿坑内部支护条件较好，如加以合理利用则更具经济性。
　　对于第二种和第三种利用模式，中国和欧美国家均做出了探索。美国准备在纽约Moriah镇的废弃矿井中建造一个全地下的抽水蓄能电站。德国北威州鲁尔区在一座即将废弃的煤矿中开展了半地下抽水蓄能利用可行性研究。中国国家能源集团在神东煤矿首创了全地下水库技术体系，累计建成了32间地下水库，储水量3100万平方米。 　　3 废弃矿井建设抽水蓄能多场景利用技术可行性分析
　　3.1 全地表废弃矿坑抽水蓄能利用可行性
　　对于全地表露天的矿坑的利用方式是将其作为抽水蓄能电站的上水库或下水库。其是否能够进行抽水蓄能利用取决于露天废弃矿坑周边是否具有与其蓄水容积相匹配的水库或湖泊作为相应的下水库或上水库加以利用，或者附近地质和空间条件是否能够建设蓄水池。其建设模式与常规抽水蓄能电站差异不大，但依赖于工程环境，需要不同的矿坑之间具有足够的高低差，并且在地理距离上相近。地形条件方面，利用煤矿采空区塌陷而构成的露天矿坑，不同矿坑间具有数十米到几百米的垂直距离，从而具备地形落差条件。
　　3.2 半地表和全地下的废弃矿井抽水蓄能利用可行性
　　对于没有出现地表塌陷以及地表出现塌陷的废弃矿井，只要地下巷道空间保存完好，可以将其作为下水库加以利用，但具体在技术上是否可行需要考虑到以下几个方面：
　　（1）废弃矿井地下是否具备足够大的可利用空间。地下空间不存在裂隙带，密闭性和稳定性良好。矿井内部作为上、下库利用的巷道容积充足，另外对于影响矿井水流动的反坡和不通畅的空间不应计入水库容积中。
　　（2）同一高度水平的不同巷道高低差较小。对于利用多个巷道作为上水库或下水库进行分布式储水的情况下，若同作为上水库或下水库的多个巷道间高低差较大则会影响水流的速度，而水流的速度是带动水轮机组放电的重要驱动要素。
　　（3）同一高度水平的不同巷道连通性良好。作为分布式储水的地下巷道，其同一高度不同巷道间的连通性也是影响地下汇水能力，最终影响地下水流量和流速能否达到发电机组流量要求。
　　（4）上、下水库间的高低差不应太大。抽水蓄能电站进行工作的关键取决于可逆式水泵水轮机组的性能水平能否达到适宜的工作条件。若上、下水库间高程太大超过水头限制，将导致水泵工作效率下降、震动强烈、稳定性降低，甚至无法抽水等情况。另外，设计水头过高会导致机组生产和研发能力增加。
　　（5）上、下水库间的高低差不应太小。若废弃矿井内部作为上、下库巷道的高低差太小，相应所需的水头会降低，但对蓄水空间的要求就越大，这对地下空间有限的废弃矿井来说是限制条件。
　　4 废弃矿井抽水蓄能多场景利用效益评价分析
　　对于抽水蓄能电站效益的评价，美国电力研究院、麻省理工学院、中国水力发电工程学会和清华大学等国内外机构与高校的学者，将抽水蓄能效益区分为静态效益和动态效益两个维度。而这在总体上也适用于分析废弃矿井抽水蓄能利用所带来的价值，但在具体评价细节上仍存在差异。
　　4.1 废弃矿井抽水蓄能利用的静态效益
　　对于静态效益的评价可以进一步从容量效益、调峰填谷效益、排放效益和建设成本节约效益。
　　（1）容量效益，是指建设抽水蓄能电站的运行和建设费用低于建设同等规模的替代性火电机组的运行和建设费用的节约所产生的效益。可见，通过利用废弃矿井改建抽水蓄能电站相比火力发电机组在建设和运行费用上均具有显著优势，其效益公式如下：
　　式中：Bc表示廢弃矿井进行抽蓄改造后每年的容量效益，万元;Ot代表同等规模火电机组的运行费用;Ct代表同等规模火电机组的建设费用;Oam代表废弃矿井抽蓄改造后的机组运行费用;Cam代表废弃矿井抽蓄改造后的建设费用。
　　（2）调峰填谷效益，是指抽水蓄能电站低成本调峰填谷的经济效益。与传统抽蓄电站功能相同，废弃矿井改建抽蓄电站替代原有火电机组进行调峰填谷会减少能源消耗产生效益。由于电力消费市场需求多变，但电力生产供应高效要求发电厂维持地均衡生产。而抽蓄电站可调节市场动荡变化与火电发电机组均衡发电工作之间的矛盾，使火电机组运行保持在高负荷的高效区域，保持燃料资源的高利用率。因此，抽蓄电站的电量效益表现在调峰和填谷两个方面：调峰效益表现在抽水蓄能电站替代火电机组后，减少火电机组调峰燃料消耗所得到的效益。填谷效益表现在抽蓄电站避免火电机组降负荷运行所损失的燃料利用率，利用时间差将填谷低价电力换取市场需求良好时的高价电，产生效益。综合公式如下：
　　式中：Bpv为废弃矿井抽水蓄能改造后每年调峰填谷所产生的效益，万元;Cpi是参与调峰火电机组在调峰时段的燃料消耗量;C′pi是参与调峰火电机组在非调峰时段的燃料消耗量;C′vi是参与填谷火电机组在非填谷时段的燃料消耗量;Cvi是参与填谷火电机组在填谷时段的燃料消耗量;pc是煤炭市场的实时价格。
　　（3）排放效益。不同于传统的火电站在发电过程中会产生二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物，抽水蓄能电站几乎是零排放，因此其排放效益表现在抽水蓄电发电量替代同等发电规模火电站所减少的有害气体排放量。
　　（4）建设成本节约效益。表现在利用废弃矿井进行改建利用所节约的建设成本。对于废弃矿井抽水蓄能建设的成本效益，可以从相同规模的抽水蓄能电站建设的筑坝工程量、征地费用、土石开挖量和水资源投入等建设成本的支出减去废弃矿井改建抽水蓄能电站的成本支出得到。
　　4.2 废弃矿井抽水蓄能利用的动态效益
　　（1）调频效益，主要指电网供电负荷变化与消费端不匹配所产生的平衡需求，传统的调频方法是通过负荷调节快的小型火电机组参与调频。而利用抽水蓄能电站的替代小型火力发电机组进行调频，则能够减少能源损耗，其表达式如下：
　　式中：Bfm是抽水蓄能电站的调频效益;c1i是第i台调峰火电机组启停时煤炭的消耗量，g;ni是第i台火电机组每天启动次数，次;c2i是第i台机组进行调频耗煤量，g/kWh;Ti是第i台机组参与调频的总时间，h;Ni是第i台机组的机组容量，万kW;fm是市场的实时煤炭价格;V是机组启动时消耗的水量，m3/s;H是机组的平均工作水头，m;η是水轮机的效率;nH是抽水蓄能电站日启动台次，次;mH是抽水蓄能机组的数量，台;fps当前电价，元/kWh。 　　（2）调相效益，是指系统中驱动电动机和变压器的无功电源和无功负荷，其高低稳定性会影响系统中电压的高低，进而对电力质量和电力设备产生影响。抽水蓄能电站在空闲时可参与电力系统调相，从而减少其他调相设备建设投资成本和调相燃料耗费成本。
　　（3）事故备用效益，指的是电网系统中部分发电机组发生故障而无法供电，对电网电力正常运营产生影响，而抽水蓄能电站通过启动水电机组放电可以补充因事故而产生的电力负荷损失。
　　（4）黑启动效益，指的是当供电系统崩溃而出现停电，供电系统短时间内无法回复正常的情况下，抽水蓄能电站能够进行正常的供电工作，放水启动水轮机组，逐步恢复电网供电。
　　通过对统计资料的收集和综合分析，改造一座与泰安抽水蓄能电站一期规模相同的废弃矿洞，即上水库库容1168.1万立方米，下水库库容2993万立方米，装配4台额定容量250MW的可逆发电机组，总装机容量为1000MW，年发电量13.38亿kWh，年抽水用电量17.84亿kWh。可产生不小于22900万元的容量效益，约12563.33万元的调峰填谷效益，9394.54万元的调频效益，6453.33万元的调相效益，7930万元的事故备用效益，2395.3万元的系统黑启动效益。
　　在对废弃矿井抽水蓄能利用所产生的建设成本节约及排放效益方面，以辽宁阜新海州露天矿进行抽水蓄能改造为例。经过半个世纪的开采，海州矿区形成了一个长4公里、宽2公里，深350米的矿坑。项目计划利用废弃矿坑作为下水库，而在地表建设一座上水库，计划投资142亿元，分三期建设360万kWh的发电机组。从工程建设上来看，可节省约800万平米的项目征地费用及土石开挖量。项目在减少污染物排放方面，通过利用废弃露天矿坑改造为抽水蓄能代替火力煤炭发电站，其360万kWh的发电量能够减少约1440吨标准煤的消耗，3589吨二氧化碳，108吨二氧化硫以及54吨氮氧化物的排放。具有显著的建设成本和排放效益。
　　5 总结
　　利用废弃矿井抽水蓄能发电在当前正成为一个新兴的研究及实践热点。对于不同场景废弃矿井资源的利用开发将使得我国可再生能源产业发展产生新的经济增长点，并有助于减少有害气体排放、减少工程重复建设和减少地质灾害。本文通过分析研究做了如下工作：（1）对多场景条件下对废弃矿井的利用模式进行了分析;（2）对多场景条件下废弃矿井抽水蓄能利用的技术可行性进行了分析;（3）对废弃矿井抽水蓄能利用的效益进行了探讨。未来的研究有必要结合可再生清洁能源应用、智能电网联合调度以及传统能源和新能源供应比例变化趋势的系统性视角出发，为充分发挥废弃矿井抽水蓄能利用效果提供参考。
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　　基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助。
　　作者简介：韩杨（1986-），男，安徽合肥人，博士，讲师。
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