云南省廢棄礦山改造為抽水蓄能電站發(fā)展前景研究

＊吳玉鯤

（云南省節(jié)能監(jiān)察中心 云南 650041）

1.引言

根據(jù)云南省發(fā)展和改革委員印發(fā)的《云南省“十四五”生態(tài)退化地區(qū)綠色發(fā)展實施方案》[1]，各地可以在綜合考慮環(huán)境、市場與成本等因素下，穩(wěn)步發(fā)展抽水蓄能、風電、光伏、生物質(zhì)能源等可再生資源。為了提高電力運行質(zhì)量與水平，政府支持有水資源保證和成庫條件的縣域，建設發(fā)展抽水蓄能電站，提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。

云南省大力發(fā)展抽水蓄能的前提是前期在礦產(chǎn)開發(fā)過程中遺留下了大量的采空區(qū)及地下空間，具有空間大、安全可靠的特點，又因為云南本地水資源相對充足，為利用廢棄礦山空間發(fā)展井下抽水蓄能電站打下了基礎[2]。

在云南省因地制宜開展抽水蓄能工作，通過合理攔蓄和利用水資源，不僅能夠提升當?shù)厮h(huán)境治理水平，提高所在區(qū)域水土資源利用率；還可以提高礦山生態(tài)修復能力，最大限度減少礦山開采活動對生態(tài)資源造成的影響和破壞[3]。通過建設抽水蓄能電站，可以提高原有系統(tǒng)的靈活性和快速啟動能力，可以減少系統(tǒng)停機造成的經(jīng)濟損失，從而提高電網(wǎng)用電品質(zhì)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.云南省抽水蓄能電站發(fā)展模式

根據(jù)云南特有的地形特點和現(xiàn)有的抽水蓄能發(fā)展模式，可以將抽水蓄能電站分為全地表露天礦坑模式、半地表塌陷礦井模式和全地下廢棄礦井利用模式[4]。

(1)露天礦坑全地表模式

圖1 全地表抽水蓄能模式[6]

廢棄的露天礦坑，可以根據(jù)當?shù)氐牡匦翁攸c，作為抽水蓄能電站的上水庫或下水庫進行改造利用[5]。具體為，在露天礦坑附近較低洼或較高的位置修建相配套的下水庫或上水庫，機房安防在上水庫和下庫之間，內(nèi)置有可逆式抽水蓄能機組；通過引水隧洞將上水庫和機房連通，在引水隧洞上游或下游的機房內(nèi)安置調(diào)壓室；攔污柵安放在引水流道的上下水庫接口處；采用尾水隧洞將機房與下水庫連通；采用通風和運輸系統(tǒng)將機電硐室與地面連通，便于加強機電硐室與地面的換氣以及人員物資的輸運。

一般而言，全地表抽水蓄能發(fā)展模式受經(jīng)濟、安全和法律法規(guī)等因素的制約較少，選址和改造較為簡單。廣州抽水能電站作為我國第一座大型全地表抽水能電站起到了示范作用。為我國遼寧阜新海州、河北灤平小營鄉(xiāng)露天礦坑等的設計提供了參考。經(jīng)驗表明，露天廢棄礦坑附近是否擁有與相對應的水庫或湖泊作為抽水蓄能電站的下水庫或上水庫，還需要結(jié)合附近地質(zhì)和空間條件考察是否能夠建設蓄水池。相比于露天煤礦，露天金屬礦具有更加優(yōu)越的地質(zhì)條件，內(nèi)部支護條件更好，更具經(jīng)濟性。

(2)塌陷礦井半地表模式

一些廢棄礦坑具有典型的多層地下結(jié)構(gòu)，其地表部分的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，但是礦井地下工程結(jié)構(gòu)保存完好，可以將露天地表作為上水庫，地下完好的采空區(qū)作為下水庫。比如，德國北威州魯爾區(qū)就在一座廢棄的煤礦中建設半地下抽水蓄能電站，進行可行性研究。

圖2 半地下礦坑發(fā)展模式

(3)廢棄礦井全地下利用模式

對于結(jié)構(gòu)保持良好、空間充足、未出現(xiàn)坍塌的廢棄礦井，可以利用其不同層高的開采巷道作為上下水庫。在利用半地表和全地下的廢棄礦井結(jié)構(gòu)進行抽水蓄能電站的改造時，需要充分考慮廢棄礦井結(jié)構(gòu)是否擁有足夠的改造空間，同一高度水平的不同巷道應該具有較小的高低差，并且保證具有良好的連通性。

中國國家能源集團在神東煤礦建設了國內(nèi)首個全地下抽水蓄能電站，累計建成了3條地下水庫。華電淄川多能互補能源綜合體項目對淄川廢棄礦區(qū)礦坑進行改造，計劃建設光儲氫熱一體化智慧能源項目，地表建設30萬千瓦風光互補電站，地下建設22萬千瓦抽水蓄能電站，項目計劃總投資33億元，首期投資5億元，配套搭建水源熱泵供暖系統(tǒng)，構(gòu)建以新能源為主體的全新電力系統(tǒng)，構(gòu)建集生態(tài)農(nóng)業(yè)、光伏發(fā)電、抽水蓄能、水源熱泵為一體的能源利用新模式，助力碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)，為全國廢棄礦區(qū)升級改造提供樣板[7]。

圖3 全地下發(fā)展模式

3.廢棄礦山抽蓄電站的計算實例

以空場采礦方法為主是云南省內(nèi)礦山主要特征，該方法會造成井下具有大量的采空區(qū)，因此，其“大高差、多空區(qū)”的特點為云南省抽水蓄能系統(tǒng)的建設提供了便利。選取云南省某廢棄礦山及周圍有地勢高度差的山體建設上、下水庫。采用露天礦坑全地表模式，以廢棄礦坑作為下水庫，對現(xiàn)有山體進行部分改造作為上水庫，抽水蓄能機組的原理圖如圖4所示。

圖4 抽水蓄能機組

選取上水庫上水平標高為980m，上水庫下水平標高為920m，則上水庫平均水位為950m，下水庫水平標高為780m，下水庫正常蓄水水位為820m，下水庫平均水位800m。輸水巷道長度為1500m。抽水蓄能電站裝機容量為1MW時，選用單級混流可逆式水泵水輪機，計算上下水庫所需容量。

沿程損失為：

式中：Hf為計算沿程水頭損失，m；μ為沿程阻力系數(shù)，0.02；l為設計段長度，為1500m；v為水流流速，取2.4m/s；d為輸水管直徑，取0.5m。

局部水頭損失為：

式中，Hj為局部水頭損失，m；ξ為局部水頭損失系數(shù)，ξ值為1.0；v為水流流速，值為1.75m/s。

發(fā)電工況的水頭損失為：

抽水工況的水頭損失為：

發(fā)電工作的平均水頭為：

抽水工況下的揚程為：

式中：Zs為設計上水庫的平均水位，m；Zx為下水庫的水位，m；Ht為發(fā)電工況下的損失，m；Hp為抽水工況水頭損失，m。

輸水發(fā)電及抽水耗電時的流量為：

式中：V為上水庫蓄能庫容，m3；t為抽水/輸水時間，取1.8×104s；Ht為發(fā)電工況水頭損失，m。

發(fā)電機最大發(fā)電量為：

Wzf=H2Vgρη2（8）

式中：Wzf為發(fā)電機最大發(fā)電量，kW·h；H2為發(fā)電時的平均水頭，m；V為上水庫總?cè)莘e，m3；g為重力加速度，取9.8m/s2；ρ為水的密度，為1.0×103kg/m3；η2為發(fā)電機的機械效率，取92%。

裝機容量為：

P=H2Qη3（9）

式中：P為裝機總?cè)萘?，kW；H2為發(fā)電工況平均水頭，m；η3為效率系數(shù)（9.8×η4）；η4為系統(tǒng)綜合效率，一般取0.80～0.90。

水泵耗電量為：

式中：Wzh為水泵的耗電量，kW·h；H1為平均揚程，m；V為上水庫總?cè)莘e，m3；g為重力加速度，取9.8m/s2；ρ為水的密度，為1.0×103kg/m3；η1為水泵的機械效率，取87%。

在上下水庫平均水位差為150m時，計算得到沿程水頭損失為17.63m，局部水頭損失為0.16m，發(fā)電工作平均水頭為132.21m，抽水工況的平均揚程為167.79m，抽水時間為18000s，抽水流量為9.46m3/s，上水庫蓄能庫容為170182.39m3，下水庫庫容為170182.39m3，發(fā)電機一次性最大發(fā)電量為56350kW·h，水泵最大耗電量為89347.45kW·h。

4.發(fā)展前景分析

云南省目前可以用于建設抽水蓄能電站的礦井采空區(qū)約為1.2×108m3，按照抽水蓄能電站年工作1825h，凈水頭高度為600m計算[8]，云南省抽水蓄能電站年最大發(fā)電量可以達到3.29×1010kW·h。

按照云南省每度電售價為0.447元，抽水蓄能每度電發(fā)電成本為0.282元計算，系統(tǒng)年發(fā)電量為3.29×1010kW·h，綜合收益為5.43×109元。

通過建設抽水蓄能電站能夠減少電網(wǎng)負荷峰谷差，能夠適應系統(tǒng)負荷要求，對電網(wǎng)進行調(diào)頻、調(diào)相和負荷調(diào)整，具有靈活啟動和快速響應的能力，還可以與風能、光伏等可再生能源相結(jié)合，能夠減弱氣候、晝夜等因素對電網(wǎng)造成的沖擊，根據(jù)負荷的瞬時變化快速調(diào)節(jié)調(diào)整，使系統(tǒng)適應負荷變化的要求，從而達到穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的要求，能夠提高系統(tǒng)運行的可靠性。