基于廢棄礦井的空氣壓縮蓄能電站應(yīng)用研究

牛文進(jìn) 王璐 柳研青

摘要：我國(guó)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(jié)合目前壓縮空氣蓄能電站儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)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(chǔ)氣設(shè)施。在地下空間合理位置布置瓦斯抽取裝置與儲(chǔ)水槽保證儲(chǔ)氣空間安全，儲(chǔ)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(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：廢棄礦井;空氣壓縮;發(fā)電

中圖分類號(hào)：TD324?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fù)荷時(shí)的多余電能將空氣壓縮儲(chǔ)存在地下洞穴中，需要時(shí)再放出，經(jīng)加熱后通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以供尖峰負(fù)荷的需要[1，2]。但是受到建設(shè)大規(guī)模儲(chǔ)氣設(shè)施方面限制，壓縮空氣蓄能電站整體發(fā)展緩慢。目前我國(guó)有超過(guò)4000座的廢棄礦井，大量廢棄的礦井地下空間開(kāi)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(chǔ)氣設(shè)施，一方面極大的降低了壓縮空氣蓄能電站的建設(shè)成本，另一方面實(shí)現(xiàn)了廢棄礦井的開(kāi)發(fā)利用，具有較高的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。

2??? 空氣壓縮蓄能電站優(yōu)點(diǎn)

（1）改進(jìn)電網(wǎng)負(fù)荷率，提高了經(jīng)濟(jì)性，使系統(tǒng)中大型發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)減小，可起到負(fù)荷平衡、提高供電質(zhì)量的作用。

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

（3）可以實(shí)現(xiàn)模塊化，壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能電站積木式地逐年擴(kuò)建發(fā)展。

3? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 地上部分

地上部分主要是熱電廠建筑設(shè)施，包括空氣透平、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組等。另外包括空氣儲(chǔ)能電站建筑，空氣壓縮機(jī)，氣壓、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)站，燃燒室，燃料庫(kù)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(chǎng)所。為提高其密封性，在其表面涂層密封性物質(zhì)黏膠。在地下密閉空間內(nèi)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(huì)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?duì)礦井水會(huì)影響壓縮空氣的質(zhì)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(chǔ)水槽，將滲入地下空間的水聚集起來(lái)利用高壓水泵將水從內(nèi)部抽出。在地面安裝測(cè)量地下空間壓強(qiáng)的檢測(cè)裝置，保證其氣壓能夠達(dá)到8～10個(gè)大氣壓。放氣管道和礦井抽水經(jīng)副井通向地表，再與其他設(shè)備連接。進(jìn)氣管道、壓力表氣體壓力傳遞管道、瓦斯抽取管道經(jīng)主井通向地表，再與其他設(shè)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(chǔ)氣室，將其單獨(dú)建設(shè)成為一個(gè)相對(duì)密閉的空間，以煤礦的主井和副井分別作為壓縮空氣的進(jìn)氣管道井和出氣管道井。進(jìn)氣管道井口放置空氣壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)供給電源為電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電能，將外界空氣壓縮通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入儲(chǔ)氣室，隨著外界空氣的不斷壓入，儲(chǔ)氣室內(nèi)部空氣壓力和溫度不斷增加，此過(guò)程中通過(guò)壓縮空氣將電能轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存在空氣中的內(nèi)能。為了使被壓縮的高溫高壓氣體與天然氣燃料能夠進(jìn)行更完全、產(chǎn)生熱量更高的燃燒反應(yīng)，在地下儲(chǔ)氣室中放置若干恒溫加熱片，保證儲(chǔ)氣室內(nèi)氣體的溫度，進(jìn)而保證氣體儲(chǔ)存有足夠的能量。電網(wǎng)負(fù)荷高時(shí)，需要壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行放氣發(fā)電。打開(kāi)放氣閥門和燃料庫(kù)閥門，此時(shí)高溫高壓氣體會(huì)急速涌入燃燒室內(nèi)，與天然氣燃料混合產(chǎn)生劇烈的燃燒反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的燃燒氣，燃燒氣通過(guò)管道進(jìn)入燃?xì)馔钙酵苿?dòng)渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電進(jìn)入電網(wǎng)。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(cè)儀與抽取裝置，控制瓦斯?jié)舛仍诎踩珮O限內(nèi)。同時(shí)在地下空間底部挖設(shè)凹槽，抽取礦井水，提高壓縮空氣質(zhì)量。

5? 結(jié)論

以廢棄礦井地下空間作為蓄能電站儲(chǔ)氣設(shè)施，一方面極大的降低了壓縮空氣蓄能電站的建設(shè)成本，另一方面實(shí)現(xiàn)了廢棄礦井的開(kāi)發(fā)利用。在地下空間合理位置布置瓦斯抽取裝置與儲(chǔ)水槽用以保證空氣壓縮蓄能電站運(yùn)行期間的安全，并在儲(chǔ)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(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]劉澧源，蔣中明，王江營(yíng)，等.壓氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫(kù)之壓縮空氣熱力學(xué)過(guò)程分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（2）：78-85.

[3]李庭.廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].2014.

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2018PEE007）