裴 鵬,任天佑,李 信,歐祥吉,李德宇,江 雪,商大成

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴陽(yáng) 550025)

抽水蓄能電站是通過(guò)水泵將下游水庫(kù)的水經(jīng)過(guò)管道輸送到上游水庫(kù)儲(chǔ)存起來(lái),由此將電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能[1]。在電網(wǎng)負(fù)荷大時(shí),存儲(chǔ)在上部水庫(kù)中的水可以通過(guò)渦輪機(jī)返回到下游水庫(kù),勢(shì)能重新轉(zhuǎn)化電能。它可以將夜間多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榘滋斓母邇r(jià)值電能。此外,抽水蓄能電站還具有調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率、調(diào)節(jié)電網(wǎng)相位、黑啟動(dòng)等重要功能。同時(shí)因?yàn)榛痣娬竞秃穗娬镜钠鹜Ｖ芷谳^長(zhǎng),因此抽水蓄能電站還可減少電網(wǎng)中火電站和核電站的啟停頻率,提高發(fā)電效率。這樣,既避免了火電機(jī)組自身運(yùn)行的一些弊端,又增加了電力系統(tǒng)的供電能力,從而提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。抽水蓄能電站屬于大型工程項(xiàng)目,其項(xiàng)目工程量巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)資金投入多，且投資大部分用于上下游水庫(kù)和水道的修建。此外,項(xiàng)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(shí)現(xiàn)廢棄礦井的二次利用。

隨著煤炭等礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)采以及我國(guó)不可再生能源的枯竭等多種原因,大量因資源開(kāi)發(fā)而遺留下的礦洞隨之廢棄。礦藏開(kāi)采后遺留下的礦洞具有巷道長(zhǎng)、可利用空間大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于再次利用和水來(lái)源充足等特點(diǎn),為利用廢棄礦井建設(shè)地下抽水蓄能電站的設(shè)想提供了基礎(chǔ)。從經(jīng)濟(jì)的角度上來(lái)說(shuō),利用開(kāi)發(fā)過(guò)的礦井改建地下抽水蓄能電站,能明顯減少電站建設(shè)的工程量和使用土地資源的費(fèi)用,節(jié)約項(xiàng)目的投資資金[2-5]。因此,利用廢舊的礦井降低電站水庫(kù)建設(shè)投資的效果顯著。此外,相對(duì)于露天水庫(kù)而言,礦井內(nèi)的水資源蒸發(fā)小,且有地下水源作為補(bǔ)充。

從生態(tài)環(huán)境的角度看,利用廢棄礦井對(duì)地表的沉降起到一定的控制作用,促進(jìn)礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境的恢復(fù),對(duì)建設(shè)綠色生態(tài)礦山具有更深遠(yuǎn)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(shù)應(yīng)用前景十分廣闊,可以對(duì)廢棄礦井進(jìn)行再利用,由此對(duì)生態(tài)綠色礦山的建設(shè)邁出了嶄新的一步。但是，目前對(duì)于利用地下廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站只停留在概念階段,尚未見(jiàn)到有詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,對(duì)于利用地下礦井建設(shè)抽水蓄能電站是否真的具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的可行性尚不明確。本研究以某實(shí)際廢棄煤礦的井巷布局為依托,設(shè)計(jì)了地下抽水蓄能電站,提出了電站的布局,計(jì)算了主要設(shè)計(jì)參數(shù),并且分析了技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)象,該礦井地質(zhì)條件較好、巷道布置方式簡(jiǎn)單?；居?jì)算流程分為抽水和輸水兩部分。抽水部分計(jì)算首先根據(jù)礦井基本參數(shù)計(jì)算上下游井巷(水庫(kù))容積、抽水流量,再由抽水流量選擇適宜的水管管徑,然后計(jì)算出抽水工況的水頭損失,繼而計(jì)算出抽水工況的平均揚(yáng)程,根據(jù)揚(yáng)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(kù)、同一條管路,所以輸水流量、輸水管管徑部分的計(jì)算不再重復(fù)。首先由發(fā)電工況的水頭損失繼而計(jì)算出發(fā)電工況的平均水頭,再根據(jù)礦井基本參數(shù)和計(jì)算結(jié)果選擇合適的水輪發(fā)電機(jī),最后根據(jù)建設(shè)抽水蓄能電站的成本和抽水蓄能電站運(yùn)行30 a產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。其詳細(xì)計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)基本計(jì)算流程Fig.1 Basic calculation process

2 假設(shè)

設(shè)計(jì)過(guò)程中,在確定上、下游水倉(cāng)蓄水庫(kù)容時(shí),以容積較小的上水倉(cāng)最大容積為蓄水庫(kù)容(且假設(shè)上、下游水倉(cāng)庫(kù)容相等)，每日發(fā)電時(shí)間設(shè)為5 h，每日抽水時(shí)間設(shè)為5 h;另外,設(shè)計(jì)中僅僅考慮技術(shù)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(shè)計(jì)是以某礦現(xiàn)有廢棄巷道作為研究原型,通過(guò)技術(shù)分析來(lái)討論抽水蓄能電站項(xiàng)目的可行性,不是指設(shè)計(jì)項(xiàng)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(jì)算過(guò)程

礦上游水倉(cāng)選用二采區(qū)運(yùn)輸上山和運(yùn)輸大巷,二采區(qū)運(yùn)輸上山高差為87 m,傾斜角度5°,長(zhǎng)度為977 m,大巷長(zhǎng)度為763 m,二采區(qū)運(yùn)輸上山和運(yùn)輸大巷總?cè)莘e為25 233 m3。下游水倉(cāng)為+1 315 m井底車場(chǎng),其容積31 541 m3,蓄水高度為4.2 m。上游水倉(cāng)正常蓄水位+1 612 m,下游水倉(cāng)正常蓄水位+1 319.2 m。上游水倉(cāng)與下游水倉(cāng)容積之比為4:5,因此定上游水倉(cāng)為最大庫(kù)容量。廢棄礦井改建為抽水蓄能電站參數(shù)如表1所示。

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

3.1 計(jì)算耗電量

3.1.1計(jì)算抽水流量

(1)

式中:V為上水庫(kù)蓄能庫(kù)容,25 233 m3;t為抽水時(shí)間,18 000 s。計(jì)算得Q為1.4 m3/s,即5 047 m3/h。

3.1.2計(jì)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(jīng)濟(jì)流速,取2.4 m/s。計(jì)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(jì)算沿程水頭損失,m;λ為計(jì)算段粗率系數(shù),0.02;l為計(jì)算段長(zhǎng)度,1 524 m;v為計(jì)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(jì)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(shù),0.71;ξ2為角度為7°緩彎管局部水頭損失系數(shù),0.04;ξ3為角度為9°緩彎管局部水頭損失系數(shù),0.05。計(jì)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(jì)算抽水工況的平均揚(yáng)程

(5)

3.1.5確定水泵、電機(jī)型號(hào)

根據(jù)上式計(jì)算所得平均水頭、抽水流量、輸水管管徑等參數(shù),以及廠商提供水泵機(jī)組參數(shù),選用5臺(tái)型號(hào)為MD1100-86×3的水泵,其總揚(yáng)程為258 m,選用3級(jí),軸功率966 kW,配用電機(jī)功率1 250 kW,該類型水泵機(jī)械效率為87%。由水泵型號(hào)、級(jí)數(shù)、軸功率以及耗電量等參數(shù),加上井下特殊的運(yùn)行環(huán)境確定了相應(yīng)匹配的電機(jī)型號(hào),選型為YB1250KW4P6KV的防爆電機(jī)。

3.1.6計(jì)算水泵最大耗電量

(6)

3.2 計(jì)算發(fā)電部分

抽水蓄能電站輸水發(fā)電時(shí)和抽水耗電時(shí)的流量、流速是一致的,所以輸水發(fā)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(fā)電工況水頭損失與抽水時(shí)的工況水頭損失一致,均為10.2 m,所以本文不作重復(fù)計(jì)算。

3.2.1計(jì)算發(fā)電工況平均水頭

(7)

3.2.2計(jì)算最大可發(fā)電量

(8)

3.2.3確定水輪機(jī)型號(hào)

根據(jù)上式計(jì)算所得平均水頭、抽水流量以及輸水管直徑，初選型號(hào)為SFW3000-10/1730的水輪發(fā)電機(jī);選用型號(hào)為CJC601-W-110/2×11.5的水輪機(jī)。

3.3 發(fā)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(yè)用電每度0.425元,因此每天抽水消耗的費(fèi)用是8 777元。而電站每天能發(fā)電15 239.1 kW·h,以每度1.025元的價(jià)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(wàn)元。

抽水蓄能電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)單套機(jī)組出廠價(jià)格約300萬(wàn)；輸水管長(zhǎng)度1 524 m,直徑900 mm的鑄鐵管道輸水管道費(fèi)用需80.7萬(wàn)元，安裝、維護(hù)、加固等總需約100萬(wàn)元;購(gòu)買所需的5臺(tái)抽水水泵、防爆電機(jī)需花費(fèi)161.7萬(wàn)元;運(yùn)輸費(fèi)用及安裝費(fèi)用等需花費(fèi)14.6萬(wàn)。此電站在建設(shè)初期設(shè)備總共需要花費(fèi)576.3萬(wàn)元。

電站可正常工作30 a,把總投資折算入每年的費(fèi)用,由下式可得:

(10)

式中:P為現(xiàn)值,約576.3萬(wàn)元;i為年復(fù)利為10%的現(xiàn)值系數(shù)。計(jì)算可得年值A(chǔ)約為61.1萬(wàn)元。

計(jì)算年利潤(rùn)

L=S-A.

(11)

式中:S為年總收益,246萬(wàn)元;A為年費(fèi)用,61.1萬(wàn)元。計(jì)算可得年利潤(rùn)L為184.9萬(wàn)元。

由上述計(jì)算結(jié)果可知,如不考慮人員勞務(wù)費(fèi)用和設(shè)備維修費(fèi),抽水蓄能電站每年能夠盈利184.9萬(wàn)元,由此可見(jiàn)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(jié)論

1)本文依據(jù)貴州某廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)地考察分析,認(rèn)為該項(xiàng)目能降低建庫(kù)成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

2)抽水蓄能電站的改建利用了貴州電費(fèi)較低的有利條件,在夜晚用電谷時(shí),電費(fèi)較低,抽水將富裕的電量轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái);在白天用電峰時(shí),將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能,既可以維持用電的穩(wěn)定性又可以為礦井用電節(jié)省很大一部分開(kāi)支。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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。