廢棄礦井抽水蓄能多場景利用可行性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

韓楊　張小珩　汪勝和　謝毓廣　楊力

摘 要：為了更好地利用廢棄礦井遺留下的大量空間和工程資源，對多場景廢棄礦洞利用開發(fā)的模式進(jìn)行了分析，探討了全地表、半地表和全地下三種場景利用模式;不同場景條件下廢棄礦井的抽水蓄能利用的技術(shù)可行性;從靜態(tài)效益、動態(tài)效益兩個維度對廢棄礦井抽水蓄能利用的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行評價。分析表明，利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站能夠克服電站選址的局限，大幅減少建設(shè)成本與建設(shè)周期，帶來靜態(tài)、動態(tài)方面效益，為廢棄礦井抽水蓄能利用更好地發(fā)揮其綜合效益提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：廢棄礦井;抽水蓄能;多場景模式;可行性;利用效益

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.11.103

0 引言

抽水蓄能電站作為一種利用水力和勢能發(fā)電及蓄電的電力設(shè)施，在全球節(jié)能減排以及中國煤炭行業(yè)去產(chǎn)能的大背景下，正迎來快速的發(fā)展期。抽水蓄能電站可以對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰填谷，解決電網(wǎng)供需矛盾，與其他類型的能源產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)?！度虺樗钅茈娬拘袠I(yè)市場》提出到2020年，美國抽水蓄能電站總裝機(jī)可增加3.5GW;歐洲地區(qū)國家其風(fēng)電等可再生能源的發(fā)展推動了抽水蓄能電站的發(fā)展;而亞洲地區(qū)由于其巨大的煤電及核電投資也需要抽水蓄能電站配合對電網(wǎng)調(diào)峰填谷。因此，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

我國也在大力推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)。國家“十三五”規(guī)劃抽水蓄能達(dá)到6000萬千瓦，到2025年達(dá)到9000萬千瓦，已投產(chǎn)機(jī)組包括：瓊中抽蓄電站、深圳抽水蓄能電站。開工建設(shè)機(jī)組包括：福建永泰抽水蓄能電站;河北豐寧抽水蓄能電站;陜西鎮(zhèn)安等抽水蓄能電站進(jìn)入主題施工階段。此外，還有一批抽水蓄能電站已完成規(guī)劃，項目將快速展開。2018年，青海省、貴州、廣西、河南五岳、湖南江平、山西渾源、福建云霄、安徽桐城抽水蓄能電站選點規(guī)劃通過評審。

而與此同時，作為我國傳統(tǒng)能源的支柱—煤炭，經(jīng)過幾十年的高強(qiáng)度開發(fā)及行業(yè)去產(chǎn)能政策的影響下，產(chǎn)生了大量的廢棄的礦井，如果不加以再次利用，不僅浪費資源還容易產(chǎn)生地表沉降塌陷以及沖擊波等地質(zhì)災(zāi)害，對所在地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。廢棄礦井遺留有大量的優(yōu)質(zhì)地下空間資源及地下水資源，如廢棄礦坑、地下準(zhǔn)備巷道、開拓巷道和礦井水，這都為改建抽水蓄能電站提供了良好的工程和資源條件。針對廢棄礦井抽水蓄能利用的模式及效益，本文針對性地探討了不同廢棄礦井場景條件下抽水蓄能的利用模式，以及對不同場景模式下技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析，最后對廢棄礦井抽水蓄能利用效益評價方法進(jìn)行了探析。

1 廢棄礦井抽水蓄能利用的經(jīng)濟(jì)意義

對廢棄礦井進(jìn)行抽水蓄能電站改造，在工程上能夠減少筑壩工程量和征地費用，節(jié)約項目投資。廢棄礦坑以及礦洞與抽水蓄能電站建設(shè)所需的上下水庫以及創(chuàng)造水力勢能所需的高低差條件相仿，如果能夠加以利用則可以減少大量的工程建設(shè)費用以及征地建設(shè)費用，節(jié)約土地資源，提高設(shè)施的利用水平。例如，呼和浩特抽水蓄電站其水庫的土石開挖費用占到電站總建設(shè)費用的近10%。而廢棄礦坑和礦井所擁有的低洼、塌陷和地下空間可以作為抽水蓄能電站不同高程的上、下水庫加以利用，進(jìn)而減少建設(shè)投資，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另外，傳統(tǒng)的抽水蓄能電站上下水庫均暴露于地表，其儲存的水資源容易蒸發(fā)流失。而廢棄礦井一般都留有大量的地下礦井水，因此可以減少水分蒸發(fā)，節(jié)約水資源。

當(dāng)廢棄礦井改建成抽水蓄能電站，接入電網(wǎng)開始運作時，相較于傳統(tǒng)的火電機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組參與調(diào)峰填谷具有以下三方面優(yōu)勢：一是火電機(jī)組啟動成本高，而抽水蓄能利用水的勢能放電，幾乎不需要耗費任何的能源，因此啟動機(jī)組啟動成本低;二是原有火電機(jī)組發(fā)電配合使用抽水蓄能，可調(diào)節(jié)市場動蕩變化與火電發(fā)電機(jī)組均衡工作發(fā)電之間的矛盾，使火電機(jī)組運行保持在高負(fù)荷的高效區(qū)域，保持燃料資源的高利用率;三是調(diào)峰填谷產(chǎn)生的電力市場消費的經(jīng)濟(jì)效益。在電力市場消費低迷時，電價較低時，通過抽水蓄能將富余的電力儲存起來，在電力需求消費旺盛，電價較高時，將儲存的電力資源輸入電網(wǎng)，利用時間差以低價電置換高價電。

2 廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的多場景利用模式

從廢棄礦井所處的狀態(tài)情景，可以分為三種不同的場景及利用模式：第一種為露天礦坑全地表利用模式，對于廢棄的露天礦坑，可以將其作為抽水蓄能電站的上水庫或下水庫加以利用，在露天礦坑周邊地勢較低洼或較高的地方修建下水庫或上水庫。機(jī)電硐室設(shè)置在上水庫和下水庫之間的洞室內(nèi);機(jī)電硐室內(nèi)設(shè)置有可逆式抽水蓄能機(jī)組;調(diào)壓室可以安置在引水隧洞上游或下游的機(jī)電硐室內(nèi);分別在引水隧道的上下水庫接口處設(shè)置攔污柵;引水隧洞一端連通上水庫，另一端連通上水庫;尾水隧洞一端連通機(jī)電硐室，另一端連通下水庫;通風(fēng)和運輸系統(tǒng)一端與節(jié)點硐室連通，另一端與地面連通，用于機(jī)電硐室與地面的通風(fēng)以及行人和設(shè)備的輸運。第二種為塌陷礦井半地表利用模式，對于具有多層地下結(jié)構(gòu)的廢棄礦井，靠近地表部分的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，露天地表形成礦坑，但其余礦井地下工程結(jié)構(gòu)保存完好，具有地下采空區(qū)為儲水空間的煤礦地下水庫，以及完備的庫間水道系統(tǒng)?？梢岳帽┞队诘乇淼乃莸匦巫鳛樯纤畮欤叵卤４嫱旰玫南锏雷鳛橄滤畮?。第三種為廢棄礦井全地下利用模式，對于未出現(xiàn)坍塌，地下空間充足，支護(hù)條件良好的廢棄礦井，可以利用其不同高程的巷道空間作為上下水庫。

從不同廢棄礦井所處狀態(tài)情景來看。世界各國在廢棄礦井不同的利用模式上，發(fā)展水平存在差別。

第一種露天礦坑利用模式，我國在這個方面的研究探索較為深入。如遼寧阜新海州露天礦、河北灤平露天礦坑等均已完成規(guī)劃設(shè)計。并且這類礦坑的利用包含煤礦及各類金屬礦，其中金屬礦的地質(zhì)條件相對于煤礦和傳統(tǒng)抽水蓄能電站更加優(yōu)越，煤礦礦坑內(nèi)部支護(hù)條件較好，如加以合理利用則更具經(jīng)濟(jì)性。

對于第二種和第三種利用模式，中國和歐美國家均做出了探索。美國準(zhǔn)備在紐約Moriah鎮(zhèn)的廢棄礦井中建造一個全地下的抽水蓄能電站。德國北威州魯爾區(qū)在一座即將廢棄的煤礦中開展了半地下抽水蓄能利用可行性研究。中國國家能源集團(tuán)在神東煤礦首創(chuàng)了全地下水庫技術(shù)體系，累計建成了32間地下水庫，儲水量3100萬平方米。

3 廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能多場景利用技術(shù)可行性分析

3.1 全地表廢棄礦坑抽水蓄能利用可行性

對于全地表露天的礦坑的利用方式是將其作為抽水蓄能電站的上水庫或下水庫。其是否能夠進(jìn)行抽水蓄能利用取決于露天廢棄礦坑周邊是否具有與其蓄水容積相匹配的水庫或湖泊作為相應(yīng)的下水庫或上水庫加以利用，或者附近地質(zhì)和空間條件是否能夠建設(shè)蓄水池。其建設(shè)模式與常規(guī)抽水蓄能電站差異不大，但依賴于工程環(huán)境，需要不同的礦坑之間具有足夠的高低差，并且在地理距離上相近。地形條件方面，利用煤礦采空區(qū)塌陷而構(gòu)成的露天礦坑，不同礦坑間具有數(shù)十米到幾百米的垂直距離，從而具備地形落差條件。

3.2 半地表和全地下的廢棄礦井抽水蓄能利用可行性

對于沒有出現(xiàn)地表塌陷以及地表出現(xiàn)塌陷的廢棄礦井，只要地下巷道空間保存完好，可以將其作為下水庫加以利用，但具體在技術(shù)上是否可行需要考慮到以下幾個方面：

（1）廢棄礦井地下是否具備足夠大的可利用空間。地下空間不存在裂隙帶，密閉性和穩(wěn)定性良好。礦井內(nèi)部作為上、下庫利用的巷道容積充足，另外對于影響礦井水流動的反坡和不通暢的空間不應(yīng)計入水庫容積中。

（2）同一高度水平的不同巷道高低差較小。對于利用多個巷道作為上水庫或下水庫進(jìn)行分布式儲水的情況下，若同作為上水庫或下水庫的多個巷道間高低差較大則會影響水流的速度，而水流的速度是帶動水輪機(jī)組放電的重要驅(qū)動要素。

（3）同一高度水平的不同巷道連通性良好。作為分布式儲水的地下巷道，其同一高度不同巷道間的連通性也是影響地下匯水能力，最終影響地下水流量和流速能否達(dá)到發(fā)電機(jī)組流量要求。

（4）上、下水庫間的高低差不應(yīng)太大。抽水蓄能電站進(jìn)行工作的關(guān)鍵取決于可逆式水泵水輪機(jī)組的性能水平能否達(dá)到適宜的工作條件。若上、下水庫間高程太大超過水頭限制，將導(dǎo)致水泵工作效率下降、震動強(qiáng)烈、穩(wěn)定性降低，甚至無法抽水等情況。另外，設(shè)計水頭過高會導(dǎo)致機(jī)組生產(chǎn)和研發(fā)能力增加。

（5）上、下水庫間的高低差不應(yīng)太小。若廢棄礦井內(nèi)部作為上、下庫巷道的高低差太小，相應(yīng)所需的水頭會降低，但對蓄水空間的要求就越大，這對地下空間有限的廢棄礦井來說是限制條件。

4 廢棄礦井抽水蓄能多場景利用效益評價分析

對于抽水蓄能電站效益的評價，美國電力研究院、麻省理工學(xué)院、中國水力發(fā)電工程學(xué)會和清華大學(xué)等國內(nèi)外機(jī)構(gòu)與高校的學(xué)者，將抽水蓄能效益區(qū)分為靜態(tài)效益和動態(tài)效益兩個維度。而這在總體上也適用于分析廢棄礦井抽水蓄能利用所帶來的價值，但在具體評價細(xì)節(jié)上仍存在差異。

4.1 廢棄礦井抽水蓄能利用的靜態(tài)效益

對于靜態(tài)效益的評價可以進(jìn)一步從容量效益、調(diào)峰填谷效益、排放效益和建設(shè)成本節(jié)約效益。

（1）容量效益，是指建設(shè)抽水蓄能電站的運行和建設(shè)費用低于建設(shè)同等規(guī)模的替代性火電機(jī)組的運行和建設(shè)費用的節(jié)約所產(chǎn)生的效益?？梢姡ㄟ^利用廢棄礦井改建抽水蓄能電站相比火力發(fā)電機(jī)組在建設(shè)和運行費用上均具有顯著優(yōu)勢，其效益公式如下：

式中：Bc表示廢棄礦井進(jìn)行抽蓄改造后每年的容量效益，萬元;Ot代表同等規(guī)模火電機(jī)組的運行費用;Ct代表同等規(guī)?；痣姍C(jī)組的建設(shè)費用;Oam代表廢棄礦井抽蓄改造后的機(jī)組運行費用;Cam代表廢棄礦井抽蓄改造后的建設(shè)費用。

（2）調(diào)峰填谷效益，是指抽水蓄能電站低成本調(diào)峰填谷的經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)抽蓄電站功能相同，廢棄礦井改建抽蓄電站替代原有火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰填谷會減少能源消耗產(chǎn)生效益。由于電力消費市場需求多變，但電力生產(chǎn)供應(yīng)高效要求發(fā)電廠維持地均衡生產(chǎn)。而抽蓄電站可調(diào)節(jié)市場動蕩變化與火電發(fā)電機(jī)組均衡發(fā)電工作之間的矛盾，使火電機(jī)組運行保持在高負(fù)荷的高效區(qū)域，保持燃料資源的高利用率。因此，抽蓄電站的電量效益表現(xiàn)在調(diào)峰和填谷兩個方面：調(diào)峰效益表現(xiàn)在抽水蓄能電站替代火電機(jī)組后，減少火電機(jī)組調(diào)峰燃料消耗所得到的效益。填谷效益表現(xiàn)在抽蓄電站避免火電機(jī)組降負(fù)荷運行所損失的燃料利用率，利用時間差將填谷低價電力換取市場需求良好時的高價電，產(chǎn)生效益。綜合公式如下：

式中：Bpv為廢棄礦井抽水蓄能改造后每年調(diào)峰填谷所產(chǎn)生的效益，萬元;Cpi是參與調(diào)峰火電機(jī)組在調(diào)峰時段的燃料消耗量;C′pi是參與調(diào)峰火電機(jī)組在非調(diào)峰時段的燃料消耗量;C′vi是參與填谷火電機(jī)組在非填谷時段的燃料消耗量;Cvi是參與填谷火電機(jī)組在填谷時段的燃料消耗量;pc是煤炭市場的實時價格。

（3）排放效益。不同于傳統(tǒng)的火電站在發(fā)電過程中會產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物，抽水蓄能電站幾乎是零排放，因此其排放效益表現(xiàn)在抽水蓄電發(fā)電量替代同等發(fā)電規(guī)模火電站所減少的有害氣體排放量。

（4）建設(shè)成本節(jié)約效益。表現(xiàn)在利用廢棄礦井進(jìn)行改建利用所節(jié)約的建設(shè)成本。對于廢棄礦井抽水蓄能建設(shè)的成本效益，可以從相同規(guī)模的抽水蓄能電站建設(shè)的筑壩工程量、征地費用、土石開挖量和水資源投入等建設(shè)成本的支出減去廢棄礦井改建抽水蓄能電站的成本支出得到。

4.2 廢棄礦井抽水蓄能利用的動態(tài)效益

（1）調(diào)頻效益，主要指電網(wǎng)供電負(fù)荷變化與消費端不匹配所產(chǎn)生的平衡需求，傳統(tǒng)的調(diào)頻方法是通過負(fù)荷調(diào)節(jié)快的小型火電機(jī)組參與調(diào)頻。而利用抽水蓄能電站的替代小型火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻，則能夠減少能源損耗，其表達(dá)式如下：

式中：Bfm是抽水蓄能電站的調(diào)頻效益;c1i是第i臺調(diào)峰火電機(jī)組啟停時煤炭的消耗量，g;ni是第i臺火電機(jī)組每天啟動次數(shù)，次;c2i是第i臺機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻耗煤量，g/kWh;Ti是第i臺機(jī)組參與調(diào)頻的總時間，h;Ni是第i臺機(jī)組的機(jī)組容量，萬kW;fm是市場的實時煤炭價格;V是機(jī)組啟動時消耗的水量，m3/s;H是機(jī)組的平均工作水頭，m;η是水輪機(jī)的效率;nH是抽水蓄能電站日啟動臺次，次;mH是抽水蓄能機(jī)組的數(shù)量，臺;fps當(dāng)前電價，元/kWh。

（2）調(diào)相效益，是指系統(tǒng)中驅(qū)動電動機(jī)和變壓器的無功電源和無功負(fù)荷，其高低穩(wěn)定性會影響系統(tǒng)中電壓的高低，進(jìn)而對電力質(zhì)量和電力設(shè)備產(chǎn)生影響。抽水蓄能電站在空閑時可參與電力系統(tǒng)調(diào)相，從而減少其他調(diào)相設(shè)備建設(shè)投資成本和調(diào)相燃料耗費成本。

（3）事故備用效益，指的是電網(wǎng)系統(tǒng)中部分發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障而無法供電，對電網(wǎng)電力正常運營產(chǎn)生影響，而抽水蓄能電站通過啟動水電機(jī)組放電可以補(bǔ)充因事故而產(chǎn)生的電力負(fù)荷損失。

（4）黑啟動效益，指的是當(dāng)供電系統(tǒng)崩潰而出現(xiàn)停電，供電系統(tǒng)短時間內(nèi)無法回復(fù)正常的情況下，抽水蓄能電站能夠進(jìn)行正常的供電工作，放水啟動水輪機(jī)組，逐步恢復(fù)電網(wǎng)供電。

通過對統(tǒng)計資料的收集和綜合分析，改造一座與泰安抽水蓄能電站一期規(guī)模相同的廢棄礦洞，即上水庫庫容1168.1萬立方米，下水庫庫容2993萬立方米，裝配4臺額定容量250MW的可逆發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1000MW，年發(fā)電量13.38億kWh，年抽水用電量17.84億kWh?？僧a(chǎn)生不小于22900萬元的容量效益，約12563.33萬元的調(diào)峰填谷效益，9394.54萬元的調(diào)頻效益，6453.33萬元的調(diào)相效益，7930萬元的事故備用效益，2395.3萬元的系統(tǒng)黑啟動效益。

在對廢棄礦井抽水蓄能利用所產(chǎn)生的建設(shè)成本節(jié)約及排放效益方面，以遼寧阜新海州露天礦進(jìn)行抽水蓄能改造為例。經(jīng)過半個世紀(jì)的開采，海州礦區(qū)形成了一個長4公里、寬2公里，深350米的礦坑。項目計劃利用廢棄礦坑作為下水庫，而在地表建設(shè)一座上水庫，計劃投資142億元，分三期建設(shè)360萬kWh的發(fā)電機(jī)組。從工程建設(shè)上來看，可節(jié)省約800萬平米的項目征地費用及土石開挖量。項目在減少污染物排放方面，通過利用廢棄露天礦坑改造為抽水蓄能代替火力煤炭發(fā)電站，其360萬kWh的發(fā)電量能夠減少約1440噸標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，3589噸二氧化碳，108噸二氧化硫以及54噸氮氧化物的排放。具有顯著的建設(shè)成本和排放效益。

5 總結(jié)

利用廢棄礦井抽水蓄能發(fā)電在當(dāng)前正成為一個新興的研究及實踐熱點。對于不同場景廢棄礦井資源的利用開發(fā)將使得我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長點，并有助于減少有害氣體排放、減少工程重復(fù)建設(shè)和減少地質(zhì)災(zāi)害。本文通過分析研究做了如下工作：（1）對多場景條件下對廢棄礦井的利用模式進(jìn)行了分析;（2）對多場景條件下廢棄礦井抽水蓄能利用的技術(shù)可行性進(jìn)行了分析;（3）對廢棄礦井抽水蓄能利用的效益進(jìn)行了探討。未來的研究有必要結(jié)合可再生清潔能源應(yīng)用、智能電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度以及傳統(tǒng)能源和新能源供應(yīng)比例變化趨勢的系統(tǒng)性視角出發(fā)，為充分發(fā)揮廢棄礦井抽水蓄能利用效果提供參考。

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基金項目：國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目資助。

作者簡介：韓楊（1986-），男，安徽合肥人，博士，講師。