黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能利用潛力評估

卞正富，朱超斌，周躍進(jìn)，徐雨農(nóng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)上提出“中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，爭取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)統(tǒng)計(jì)，2021 年，與能源相關(guān)CO2排放量達(dá)到363 億t，煤炭使用產(chǎn)生的碳排放占全球CO2排放增量的40%以上，達(dá)到153 億t，均創(chuàng)歷史新高。中國CO2排放量達(dá)到119 億t，約占全球碳排放總量的33%[2]。2021 年10 月，國務(wù)院印發(fā)《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，提出“構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，推動(dòng)清潔電力資源大范圍優(yōu)化配置”。當(dāng)前我國正構(gòu)建以光、風(fēng)、水、核為主體的新能源電力系統(tǒng)，并推動(dòng)電力行業(yè)從高碳向低碳、從以化石能源為主向以清潔能源為主的發(fā)展方向[3-4]。在新能源電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，風(fēng)、光等可再生能源存在強(qiáng)間歇性、隨機(jī)性與波動(dòng)性等諸多問題[5]，迫切需要建設(shè)儲(chǔ)能電站，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。在諸多儲(chǔ)能方式中，抽水蓄能電站是促進(jìn)新能源大規(guī)模利用、實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、打造安全可靠與經(jīng)濟(jì)靈活電力系統(tǒng)的最可靠方法[6]。

抽水蓄能電站具有技術(shù)成熟、容量大、能源效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，然而其建設(shè)受到地形、土地可利用性和較高的資金成本的限制，同時(shí)易對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，抽水蓄能電站選址成為亟待解決的重要科學(xué)問題。針對礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中形成的大小、形態(tài)不一的巷道、硐室及采空區(qū)等地下空間[7]，袁亮、謝和平、顧大釗等院士和專家提出了廢棄礦井抽水蓄能電站利用的戰(zhàn)略構(gòu)想[8]。廢棄礦井巷道具有空間大、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，進(jìn)行簡易加固密封后即可使用，是建設(shè)抽水蓄能電站地下水庫的理想場所[9]，為抽水蓄能電站選址提供了新的方向。利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站可以減少土地占用和景觀破壞，降低電站建設(shè)投資[10]，縮短建庫周期[11]，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

伴隨煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深化，黃河流域九省區(qū)均推行煤炭行業(yè)化解過剩產(chǎn)能政策，關(guān)閉了數(shù)量眾多的資源枯竭型或落后產(chǎn)能煤礦，形成了大量廢棄礦井地下空間。為實(shí)現(xiàn)空間資源高效利用，筆者開展廢棄礦井抽水蓄能利用潛力評估，提出一種廢棄礦井抽水蓄能選址評價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行典型廢棄礦井抽水蓄能電站實(shí)例分析，以2016-2020 年黃河流域九省區(qū)關(guān)閉煤礦資料為基礎(chǔ)，對黃河流域廢棄礦井抽水蓄能電站利用潛力進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)效益定量計(jì)算分析，以期為黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)提供參考。

1 廢棄礦井抽水蓄能電站發(fā)展現(xiàn)狀與工作原理

20 世紀(jì)初，美國麻省注冊了一個(gè)結(jié)合風(fēng)車的半地下、半地表蓄能裝置[12]，但該前瞻性想法在之后幾十年并未實(shí)現(xiàn)。20 世紀(jì)60 年代起，以美國、德國為主的許多國家開始進(jìn)行地下抽水蓄能電站的基礎(chǔ)研究[13-15]。1960 年，R.D.Harza[16]提出可使用地下或露天礦山建設(shè)抽水蓄能電站。美國提出建設(shè)Mount Hope 抽水蓄能電站項(xiàng)目[17]，其上水庫是在地面開挖的人工水池，下水庫則是利用地下約760 m 深處廢棄的礦井空間，但該項(xiàng)目并未成功利用廢棄礦井作為下水庫。隨著理論與技術(shù)的不斷完善，廢棄礦井抽水蓄能電站逐步由理論走向工程實(shí)踐。奧地利在阿爾卑斯山的Nassfeld 成功建造首個(gè)真正意義的半地下抽水蓄能電站，上水庫為2 km 的人工隧道群，下水庫為天然湖泊[18]，為廢棄礦井抽水蓄能電站工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。澳大利亞計(jì)劃用露天金礦建設(shè)抽水蓄能電站，儲(chǔ)能規(guī)模預(yù)計(jì)為250 MW[19]，并于2021 年舉行Kidston 抽水蓄能發(fā)電站破土動(dòng)工典禮。南非規(guī)劃利用Fast West Rand 區(qū)廢棄的深井金礦建設(shè)一個(gè)大型全地下抽水蓄能電站[20]，目前該項(xiàng)目正在做大量詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析及可行性分析。德國正在利用廢棄的Prosper-Haniel 煤礦改建為半地下抽水蓄能電站，若項(xiàng)目實(shí)施成功將成為世界第一個(gè)廢棄煤礦抽水蓄能電站，同時(shí)下薩克森州能源研究中心也在規(guī)劃將廢棄金屬礦巷道改建為全地下的抽水蓄能電站[21-22]，當(dāng)前進(jìn)行試驗(yàn)型抽水蓄能電站建設(shè)。國外廢棄礦井抽水蓄能電站工程設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 國外部分廢棄礦井抽水蓄能電站工程設(shè)計(jì)參數(shù)[23]Table 1 Engineering design parameters of some pumped storage power plants using abandoned mines abroad[23]

當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者在廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站方面研究較少。2010 年，神東大柳塔礦建設(shè)煤礦地下分布式水庫示范工程[24]，顧大釗院士團(tuán)隊(duì)建立了煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系[25]，為廢棄礦井抽水蓄能地下水庫建設(shè)提供了借鑒。2015 年，謝和平院士團(tuán)隊(duì)全面闡述了煤礦井下抽水蓄能發(fā)電的概念與技術(shù)[26]。2021 年中煤能源大屯煤電公司對2022 年底即將閉坑的江蘇沛縣龍東煤礦抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)項(xiàng)目開展前期可行性研究。2022 年山東省地礦局八〇一隊(duì)與中國華電集團(tuán)山東公司、山東省科學(xué)院合作，在淄博市啟動(dòng)廢棄礦井抽水蓄能發(fā)電多能互補(bǔ)能源綜合體項(xiàng)目，計(jì)劃利用閉坑煤礦建設(shè)分布式礦坑水抽水蓄能電站及供暖能源站，開啟我國廢棄礦井抽水蓄能電站工程應(yīng)用新篇章。

廢棄礦井抽水蓄能電站工作原理與常規(guī)抽水蓄能原理一致，其不同之處在于水庫建設(shè)采用礦井原有的塌陷區(qū)或巷道群。當(dāng)電網(wǎng)在負(fù)荷低谷期時(shí)，利用富余電能將下水庫水抽至上水庫，當(dāng)電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰期時(shí)，將上水庫水放至下水庫發(fā)電。依據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有廢棄礦井抽水蓄能電站工程實(shí)踐規(guī)劃與工作原理，黃河流域九省區(qū)廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站構(gòu)建原理如圖1 所示。本文提出黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)的2 種模式：第一種為半地下式，上水庫利用塌陷區(qū)，下水庫利用巷道群(圖1a)；第二種為全地下式，上下水庫為處于不同水平的回風(fēng)巷道群與運(yùn)輸巷道群(圖1b)。廢棄礦井抽水蓄能電站模型主要由上水庫(礦山巷道群/塌陷區(qū))、下水庫(礦山下水平巷道群/上水平巷道群)，及在礦井主/副井中布置的引水系統(tǒng)與地下廠房等組成。

圖1 廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)模式Fig.1 Construction modes of pumped storage power plant using abandoned mine

不同模式的廢棄礦井抽水蓄能電站各有其優(yōu)缺點(diǎn)，半地下式抽水蓄能電站優(yōu)點(diǎn)在于地下空間需求較少和改建要求相對較低，缺點(diǎn)是上水庫的建造需利用沉陷區(qū)或工程開掘，且存在水的蒸發(fā)損失；全地下抽水蓄能電站的優(yōu)點(diǎn)是減少了上水庫的土地占用、減輕了水資源的蒸發(fā)損失，缺點(diǎn)是對地下水庫要求較高，既要保持上下水庫的有效庫容大致相當(dāng)，又需避免上下水庫串通。黃河流域礦區(qū)生態(tài)以綠色、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展為導(dǎo)向，許多礦區(qū)采用綠色采礦方法防止形成塌陷區(qū)，同時(shí)加強(qiáng)了礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)工作，該區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈。據(jù)此，全地下式模式更適合黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站的建設(shè)。

2 黃河流域九省區(qū)電力與礦產(chǎn)資源概況

2.1 電力情況

2016-2020 年，黃河流域九省區(qū)總發(fā)電裝機(jī)容量與發(fā)電量全國占比均在36%以上，發(fā)電裝機(jī)容量增速與發(fā)電量變化如圖2 所示。從圖2a 來看，黃河流域呈現(xiàn)用電量持續(xù)增長的特點(diǎn)，但火電依舊占據(jù)主體地位。由圖2b 可知，5 年間黃河流域九省區(qū)發(fā)電裝機(jī)容量增速均高于全國平均水平，反映出黃河流域九省區(qū)在全國能源發(fā)展中的重要戰(zhàn)略地位。其中，火、電裝機(jī)容量增速處于全國領(lǐng)先水平，風(fēng)、光等可再生能源裝機(jī)容量增速較快，但水電裝機(jī)容量增速僅在2017 年高于全國平均值，而最近2 年增速不到1%，水電發(fā)展陷入桎梏階段。在碳達(dá)峰碳中和(“雙碳”)目標(biāo)下，火電企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)型為新能源電力運(yùn)營商，黃河流域九省區(qū)電力供需結(jié)構(gòu)將會(huì)被打破，必將構(gòu)建以風(fēng)、光、水電等清潔能源為主體的電力系統(tǒng)。黃河流域九省區(qū)加快風(fēng)光等可再生能源開發(fā)和抽水蓄能電站建設(shè)勢在必行。

圖2 2016—2020 年黃河流域九省區(qū)電力發(fā)展情況Fig.2 Electricity development in nine provinces of Yellow River Basin in 2016—2020

2.2 礦產(chǎn)資源概況

目前我國主要的能源礦產(chǎn)是煤炭、石油與天然氣，其中，黃河流域九省區(qū)的煤炭儲(chǔ)量全國占比70.9%，石油占比34.6%，天然氣64.2%，是我國能源生產(chǎn)的重要戰(zhàn)略地帶(表2)。

表2 2020 年黃河流域九省區(qū)主要能源礦產(chǎn)儲(chǔ)量情況Table 2 Main energy mineral reserves in the nine provinces of Yellow River Basin in 2020

煤炭作為黃河流域九省區(qū)最重要的一次能源，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。隨著資源枯竭和國家政策等原因，大量礦井被關(guān)閉或廢棄[27]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016-2020 年黃河流域九省區(qū)關(guān)閉煤礦數(shù)量達(dá)到1 314 個(gè)，其中，小型礦井?dāng)?shù)量占79%，中型礦井占17%，大型礦井占4%，總規(guī)模達(dá)38 896 萬t/a(表3)。黃河流域九省區(qū)廢棄煤礦具有體量大、分布廣泛等特征，為建造廢棄礦井抽水蓄能電站創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。

表3 2016—2020 年黃河流域九省區(qū)關(guān)閉煤礦情況Table 3 Closed coal mines in the nine provinces of Yellow River Basin from 2016 to 2020

3 廢棄礦井抽水蓄能選址評價(jià)指標(biāo)體系

3.1 選址評價(jià)指標(biāo)體系的建立

廢棄礦井抽水蓄能電站目前處于探索發(fā)展階段，并非所有廢棄礦井都適宜于建設(shè)抽水儲(chǔ)能電站，在工程建設(shè)時(shí)首先需要綜合考慮各種因素，從廢棄礦井中選擇適宜建設(shè)的礦井。以廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)過程中地下水庫庫容、地下水循環(huán)、圍巖穩(wěn)定性與水質(zhì)因素這4 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題[8]為基礎(chǔ)，考慮廢棄礦井區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與資源條件因素，綜合大量研究文獻(xiàn)[28-37]，確定用于選址問題的一級指標(biāo)(B)6 個(gè)，二級指標(biāo)(C)24 個(gè)，具體如圖3 所示。

圖3 廢棄礦井抽水蓄能電站選址要素Fig.3 Factors for site selection of pumped storage power plant using abandoned mine

3.2 基于AHP 的選址步驟

由于廢棄礦井抽水蓄能選址影響因素的模糊性，選用AHP(層次分析法)確定各指標(biāo)的影響權(quán)重，該方法是將復(fù)雜問題分解為多個(gè)組成因素，并將這些因素按支配關(guān)系分組形成遞階層次，進(jìn)行定性、定量分析評價(jià)[38]。具體評估步驟如下：

第一步：確定標(biāo)度和構(gòu)造判斷矩陣。邀請5 位廢棄礦井抽水蓄能相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍x址因素進(jìn)行重要性評判，采用1-9 標(biāo)度打分法對各影響指標(biāo)兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣。

第二步：計(jì)算各層次指標(biāo)所占的權(quán)重。計(jì)算各判斷矩陣的最大特征值及對應(yīng)的特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

一致性指標(biāo)CI 為：

式中：λmax為矩陣最大特征根；n為判斷矩陣階數(shù)。

隨機(jī)一致性比率CR 為：

式中：RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

第三步：一致性檢驗(yàn)分析。當(dāng)CR＜0.1，表明通過一致性檢驗(yàn)，反之則沒有通過一致性檢驗(yàn)。當(dāng)一致性檢驗(yàn)未通過時(shí)，需返還給專家檢查是否存在邏輯問題，重新判斷，再次錄入判斷矩陣進(jìn)行分析。

3.3 選址因素權(quán)重計(jì)算

通過5 位專家對各項(xiàng)指標(biāo)的重要性進(jìn)行評判，建立準(zhǔn)則層對目標(biāo)層(一級指標(biāo)對目標(biāo)層)、分析層對準(zhǔn)則層(二級指標(biāo)對一級指標(biāo))各自的判斷矩陣，采用加權(quán)平均方法并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得廢棄礦井抽水蓄能選址體系中各影響因素權(quán)重。所得一致性檢驗(yàn)與權(quán)重結(jié)果見表4-表5。

表4 一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Consistency test results

表5 廢棄礦井抽水蓄能選址各指標(biāo)權(quán)重Table 5 Weights of each index for site selection of pumped storage plant using abandoned mines

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知：C1(巷道空間體積)、C3(上下水庫水位差)、C5(巷道圍巖穩(wěn)定性)、C6(巷道圍巖滲透率)、C12(地下水循環(huán)特征)是選址的重要指標(biāo)。其中，上下水庫水位差影響著抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)電效率、裝機(jī)容量等；巷道空間體積則決定著上下水庫容量；巷道圍巖穩(wěn)定性和巷道圍巖滲透率影響廢棄礦井抽水蓄能電站地下空間重構(gòu)；地下水循環(huán)特征影響水庫環(huán)保性與機(jī)組設(shè)備效率。這些指標(biāo)對于抽水蓄能電站建設(shè)的可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性與環(huán)保性等有著舉足輕重的影響，是工程選址過程中需要考慮的關(guān)鍵因素。

4 黃河流域典型廢棄礦井抽水蓄能電站設(shè)計(jì)實(shí)例

利用廢棄礦井抽水蓄能選址評價(jià)方法，依據(jù)專家對黃河流域九省區(qū)5 座廢棄礦井綜合評價(jià)結(jié)果，選取得分最高的某礦建立全地下式抽水蓄能電站(圖4)。該礦地下空間充足，地表土地并未形成塌陷區(qū)，采取全地下式抽水蓄能電站設(shè)計(jì)。電站上水庫選用一采區(qū)回風(fēng)巷與運(yùn)輸大巷聯(lián)合構(gòu)建，并選取2 條聯(lián)絡(luò)巷保證2條巷道之間較好的水體流動(dòng)性。下水庫由三采區(qū)東西兩翼運(yùn)輸巷道組成，同樣采用車場與聯(lián)絡(luò)巷作為水體流動(dòng)性保障。電站采用軌道上下山與地表相連接，采用運(yùn)輸斜巷、二采區(qū)運(yùn)輸上山、二采區(qū)車場、三采區(qū)運(yùn)輸上山等組成輸水通道，通過井巷參數(shù)確定該抽水蓄能電站主要參數(shù)(表6)。假設(shè)廢棄礦井抽水蓄能電站所產(chǎn)生的電力均并入電網(wǎng)并出售，抽水時(shí)間和發(fā)電時(shí)間為6 h，巷道所建地下水庫不考慮死庫容，水庫運(yùn)行期間全部排空。

表6 廢棄礦井抽水蓄能電站基本參數(shù)Table 6 Basic parameters of pumped storage power plant using abandoned mine

圖4 黃河流域某廢礦廢井全地下式抽水蓄能電站設(shè)計(jì)Fig.4 Design of full-underground pumped storage power plant of an abandoned mine in Yellow River Basin

4.1 電站耗電量

(1) 平均水頭(即為上下水庫的平均高程差)：

式中：Hd為上水庫和下水庫的自然高程差，338 m；Hsd、Hud分別為上下水庫死水位，0 m；Hsg、Hug分別為上下水庫儲(chǔ)水深度，分別取值92、4.5 m。計(jì)算可得平均水頭為381.75 m。

(2) 抽水流量：

式中：V為上水庫庫容，34 600 m3；t為抽水時(shí)間，6 h；計(jì)算抽水流量Q為1.60 m3/s。

(3) 輸水路管道直徑：

式中：Qmax為管道最大水流量，取抽水流量1.60 m3/s[39]；v為輸水管中的水流速度，取經(jīng)濟(jì)流速2.4 m/s[40]。計(jì)算得出輸水路管道直徑d約為0.9 m。

(4) 抽水總水頭損失量Hp，主要包括沿程水頭損失量(Hf)與局部水頭損失量(Hj)：

式中：β為輸水管糙率系數(shù)，取值0.018[41]；l為輸水巷道長度，2 016 m；g為重力加速度，9.8 m/s2；ξ為局部水頭損失系數(shù)，取值1[40]。

通過計(jì)算得出沿程水頭損失量為11.85 m，局部水頭損失量為0.29 m，抽水總水頭損失量為12.14 m。

(5) 水泵最大耗電量：

式中：Wpc為水泵最大耗電量，J；ρw為水的密度，1.0×103kg/m3；η1為電力系統(tǒng)的整體機(jī)械效率，取值87%。

水泵的最大耗電量為1.535×1011J，相當(dāng)于42 644 kW·h，在抽水時(shí)長為6 h 的模式下，電機(jī)的平均功率為7 107 kW。

4.2 電站發(fā)電量

(1) 最大發(fā)電量：

式中：Wpg為最大發(fā)電量；Ht為發(fā)電總水頭損失，假設(shè)其近似與抽水總水頭損失相同[40]；η2為發(fā)電系統(tǒng)的整體機(jī)械效率，取值87%。

電機(jī)最大發(fā)電量為1.162×1011J，相當(dāng)于32 277 kW·h，在發(fā)電時(shí)長為6 h 情況下，平均發(fā)電機(jī)功率為5 380 kW。

(2) 發(fā)電效率：

式中：η0為廢棄礦井抽水蓄能電站發(fā)電效率，%。

計(jì)算得到該抽水蓄能電站發(fā)電效率為75.7%，可媲美常規(guī)抽水蓄能電站。

綜上可知，該廢棄礦井抽水蓄能電站裝機(jī)容量可以選擇為5 000 kW(考慮死庫容情況和預(yù)留庫容情況水庫庫容會(huì)減少)，按照每天運(yùn)行6 h，每月3 d 停運(yùn)檢修計(jì)算，發(fā)電效率約為75.7%，則年發(fā)電量可達(dá)7.47×106kW·h。如果建設(shè)成本在可控制范圍內(nèi)，則該小型廢棄礦井抽水蓄能電站方案具有一定的可行性。

5 廢棄礦井抽水蓄能電站運(yùn)行效益

5.1 靜態(tài)效益

對于廢棄礦井抽水蓄能電站靜態(tài)效益的評價(jià)可以從容量效益、調(diào)峰填谷效益、排放效益等[42]方面進(jìn)行分析。

1) 容量效益

容量效益，是指廢棄礦井抽水蓄能電站投入后，減少同規(guī)?；痣婋娬窘ㄔO(shè)投入節(jié)約的效益。其計(jì)算公式[43]如下：

式中：Bc為抽水蓄能電站每年的容量效益，萬元；C0為火電機(jī)組固定運(yùn)行費(fèi)用，萬元；I0為火電機(jī)組的建設(shè)費(fèi)用，萬元；A為年終支付金額，萬元；P為凈值，萬元；i為年利率；y0為火電機(jī)組成本回收周期，年；C1為抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，萬元；I1為抽水蓄能機(jī)組建設(shè)成本，萬元；y1為抽水蓄能機(jī)組成本回收周期，年。

2) 調(diào)峰填谷效益

抽水蓄能重要作用之一就是調(diào)峰填谷，其中，調(diào)峰效益指抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行時(shí)減少常規(guī)調(diào)峰機(jī)組燃料所獲得的效益；填谷效益是指用電低谷期抽水蓄能電站為保持功率平衡，消耗富余電量進(jìn)行抽水，避免火電機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，提升火電機(jī)組燃料利用率所帶來的效益。綜合計(jì)算公式[42]如下：

式中：Bp為廢棄礦井抽水蓄能電站每年調(diào)峰填谷效益，萬元；分別為調(diào)峰時(shí)火電機(jī)組在調(diào)峰時(shí)段和非調(diào)峰時(shí)段燃料消耗量；分別為填谷時(shí)火電機(jī)組在非填谷時(shí)段和填谷時(shí)段的燃料消耗量；ω為市場實(shí)時(shí)煤炭價(jià)格。

3) 排放效益

排放效益是指廢棄礦井抽水蓄能電站發(fā)電量替代火電站同等發(fā)電量時(shí)所減少的有害氣體排放量，主要通過減少的二氧化碳、二氧化硫與氮氧化物等排放量進(jìn)行量化。

4) 建設(shè)成本節(jié)約效益

建設(shè)成本節(jié)約效益是指利用廢棄礦井進(jìn)行改建所節(jié)約的建設(shè)成本，當(dāng)前常規(guī)抽水蓄能電站投資標(biāo)準(zhǔn)為5 000～6 000 元/kW。目前關(guān)于廢棄礦井抽水蓄能電站成本有2 種預(yù)測結(jié)果：第一種利用煤礦建設(shè)抽水蓄能電站工程投資為17 959 元/ kW[44]；第二種基于廢棄礦井改造的抽水蓄能電站的投資為2 982 元/ kW[39]。這2 種建設(shè)投資成本差距在于廢棄礦井地下空間重構(gòu)。對于巷道加固密閉所需成本存在爭議，因此，目前對于廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)成本預(yù)估方案，需待廢棄礦井抽水蓄能地下空間穩(wěn)定性與密閉性問題的進(jìn)一步解決。

5.2 動(dòng)態(tài)效益

抽水蓄能電站具有適應(yīng)負(fù)荷快速變化的特性，機(jī)組運(yùn)行快速靈活，負(fù)荷調(diào)整范圍大，調(diào)頻、調(diào)相性能好，可滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要，提高電網(wǎng)安全可靠性，由此產(chǎn)生的效益為動(dòng)態(tài)效益。廢棄礦井抽水蓄能動(dòng)態(tài)效益主要體現(xiàn)在調(diào)頻效益、調(diào)相效益、備用效益與黑啟動(dòng)效益。

1) 調(diào)頻效益

調(diào)頻效益是抽水蓄能電站代替小型火力機(jī)組進(jìn)行增減荷，以保持頻率并提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，由此帶來的減少能源損耗的效益。實(shí)際工程中存在一些不確定參數(shù)，計(jì)算過程中結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值及實(shí)際情況進(jìn)行取值，其公式[42]如下：

式中：Bf為廢棄礦井抽水蓄能電站的調(diào)頻效益；c1i為第i臺調(diào)峰火電機(jī)組啟停時(shí)煤炭的消耗量，g/(kW·h)；xi為第i臺火電機(jī)組每日啟動(dòng)次數(shù)；c2i為第i臺機(jī)組調(diào)頻耗煤量；Ti為第i臺機(jī)組參與調(diào)頻的總時(shí)長，h；Di為第i臺機(jī)組的機(jī)組容量，萬kW；V0為機(jī)組啟動(dòng)時(shí)消耗水量；H為機(jī)組的平均工作水頭，m；η為水輪機(jī)效率；zi為廢棄礦井抽水蓄能電站日啟動(dòng)次數(shù)；mi為廢棄礦井抽水蓄能電站機(jī)組數(shù)量；js為當(dāng)前電價(jià)，元/(kW·h)。

2) 調(diào)相效益

調(diào)相效益是廢棄礦井抽水蓄能機(jī)組替代火電機(jī)組，為系統(tǒng)提供調(diào)相時(shí)節(jié)約的火電動(dòng)態(tài)成本[43]。其計(jì)算公式為：

式中：Bt為廢棄礦井抽水蓄能電站年調(diào)相效益；P0為不考慮視在容量時(shí)機(jī)組的單位有功容量投資；U為機(jī)組無功容量；cosθ為額定功率因數(shù)；is為社會(huì)折現(xiàn)率；es為廢棄礦井抽水蓄能電站設(shè)計(jì)使用期限。

3) 備用效益

備用效益是指廢棄礦井抽水蓄能機(jī)組替代火電機(jī)組，為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用所節(jié)約的火電動(dòng)態(tài)成本[43]。其計(jì)算公式如下：

式中：Bs為廢棄礦井抽水蓄能電站備用效益；E為抽水電站總裝機(jī)容量；σ為廢棄礦井抽水蓄能電站綜合效率系數(shù)。

4) 黑啟動(dòng)效益

發(fā)電廠在失去電源時(shí)自行啟動(dòng)，稱“黑啟動(dòng)”服務(wù)，確保在電力系統(tǒng)局部或整體瓦解時(shí)系統(tǒng)重新運(yùn)行，其對電網(wǎng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益稱為黑啟動(dòng)效益[45]。黑啟動(dòng)效益與電網(wǎng)全部停電概率、電網(wǎng)平均負(fù)荷、黑啟動(dòng)時(shí)間等條件相關(guān)，其經(jīng)濟(jì)效益屬于廣義范疇，暫無具體的計(jì)算公式。

6 廢棄礦井抽水蓄能電站利用效益

由表2 可知，我國主要煤炭資源儲(chǔ)量大多集中在黃河流域九省，由于煤炭資源的不可再生性，未來廢棄礦井?dāng)?shù)量將不斷增加。文獻(xiàn)[46]表明2018 年我國共有各類廢棄礦山約9.9 萬座，黃河流域九省作為國家礦業(yè)生產(chǎn)的主要地區(qū)，廢棄礦井?dāng)?shù)量十分巨大。本次以2016-2020 年黃河流域各省區(qū)廢棄煤礦為研究對象，計(jì)算其可利用地下空間，采用靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益2 個(gè)維度，分析其應(yīng)用潛力。

將表3 數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[47]中的全國煤礦規(guī)模與其井巷可利用的地下空間量的比例系數(shù)相結(jié)合，估算得出2016-2020 年黃河流域九省區(qū)廢棄礦井井巷地下空間7 846.47 萬m3。按照煤礦關(guān)停后60%的井巷空間可以有效利用估算[47]，黃河流域九省區(qū)5 年來關(guān)閉礦井的可有效利用井巷空間為4.7×107m3，如圖5所示。

因廢棄礦井抽水蓄能電站對兩水庫間距有一定要求，所以圖5 中關(guān)閉煤礦的井巷可利用空間并非都可以作為廢棄礦井抽水蓄能電站地下水庫載體，需根據(jù)礦井開采情況，對廢棄煤礦抽水蓄能地下水庫可利用巷道進(jìn)一步估算。根據(jù)現(xiàn)有研究表明：當(dāng)上下水庫高程差在200～400 m 時(shí)，發(fā)電機(jī)組與設(shè)備成熟，但存在因水頭高度引起的電站發(fā)電效率與經(jīng)濟(jì)效益的下降；在400～600 m 時(shí)，廢棄礦井抽水蓄能電站效率與效益均較好；在600～800 m 時(shí)，電站所需發(fā)電機(jī)組及設(shè)備難度提升，但其發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)增加；當(dāng)小于200 m，電站效率較低且建設(shè)成本較高；當(dāng)大于800 m 時(shí)，現(xiàn)有的高水頭水泵水輪機(jī)不能滿足廢棄礦井抽水蓄能電站需求[48-49]。通過調(diào)研收集黃河流域九省區(qū)132 座關(guān)閉煤礦基本情況，其中小型礦井占比70%，中型礦井占比23%，大型礦井占比7%；關(guān)閉礦井采深小于200 m的占比19%，200～400 m 占比30%，400～600 m 占比34%，600～800 m 占比17%(圖6)。依據(jù)黃河流域九省區(qū)關(guān)閉礦井調(diào)研信息，按照礦井各煤層采深初步劃分為不適宜建設(shè)、半地下式和全地下式3 種類型，并按照上下水庫高差進(jìn)一步劃分，其中，采深小于200 m 且規(guī)模小于3 萬t/a 不適宜建設(shè)。半地下式與全地下式模式，根據(jù)各煤層埋深進(jìn)行上下水庫高差分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：其中25 座不適宜廢棄礦井抽水蓄能利用，95 座適宜于半地下式抽水蓄能電站建設(shè)模式，12 座適宜于全地下式抽水蓄能電站建設(shè)模式。具體各省市廢棄礦井建設(shè)模式上下水庫高差情況見表7。

表7 黃河流域九省區(qū)部分廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)模式Table 7 Construction mode of some pumped storage power plants using abandoned mines in nine provinces of Yellow River Basin

圖5 2016—2020 年黃河流域九省區(qū)關(guān)閉煤礦的井巷可利用地下空間分布(單位：萬m3)Fig.5 Distribution of available underground shaft and drift space of closed coal mines in nine provinces of Yellow River Basin from 2016 to 2020 (unit: 10 000 m3)

圖6 黃河流域九省區(qū)部分廢棄煤礦調(diào)研情況Fig.6 Investigation on some abandoned coal mines in nine provinces of Yellow River Basin

本文利用統(tǒng)計(jì)學(xué)估算的方法，提出各省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能電站各模式井巷資源量估算公式：

式中：vik為i省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能電站建設(shè)k模式可利用井巷地下空間體積；Vi為i省區(qū)井巷可利用地下空間總體積；aik為i省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能建設(shè)k模式所占比；τ為廢棄礦井抽水蓄能電站地下水庫的井巷空間比例，取0.27[9]。

各省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能電站最大可發(fā)電量估算公式如下：

式中：Wi為i省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能電站發(fā)電總量；分別為i省區(qū)半地下式、全地下式抽水蓄能電站建設(shè)k模式平均水頭高；vsk、vak為i省區(qū)半地下式、全地下式抽水蓄能電站建設(shè)k模式可利用井巷地下空間總體積；ηsk、ηnk為i省區(qū)半地下式、全地下式抽水蓄能電站建設(shè)k模式發(fā)電效率。

通過井巷資源量估算公式計(jì)算出，黃河流域九省區(qū)5 年廢棄礦井抽水蓄能電站各建設(shè)模式可利用井巷空間為1.34×107m3(表8)。假設(shè)上下水庫高差200～400 m 的廢棄礦井抽水蓄能電站平均凈水頭高度為300 m，抽水蓄能效率為70%；400～600 m 的平均凈水頭高度為500 m，抽水蓄能效率為75%；600～800 m 的平均凈水頭高度為700 m，抽水蓄能效率為80%。按照抽水蓄能電站1 年運(yùn)行329 d，通過式(18)計(jì)算得出2016-2020 年黃河流域九省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能電站每年發(fā)電總量約為3.78×109kW·h(圖7)，根據(jù)抽水蓄能電站電能消耗與發(fā)電量之比約4∶3，則每年可消納電能5.04×109kW·h。

圖7 2016—2020 黃河流域九省區(qū)廢棄煤礦抽水蓄能發(fā)電量Fig.7 Power generation of pumped storage power plant using abandoned coal mines in nine provinces of Yellow River Basin

表8 2016—2020 黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站可利用井巷資源量Table 8 Available shaft and drift resources for pumped storage power plants in abandoned mines in nine provinces of Yellow River Basin in 2016-2020 單位：萬m3

按照2021 年全國平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗為302.5 g/(kW·h)計(jì)算，2016-2020 黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站全年發(fā)電量相當(dāng)于節(jié)約了114.3 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤。2021年，黃河流域九省區(qū)累計(jì)棄風(fēng)電量為123.5 億kW·h，棄光電量為54 億kW·h，總計(jì)177.5 億kW·h，如果利用這些廢棄煤礦建設(shè)抽水蓄能電站可滿足流域內(nèi)28.4%的棄風(fēng)、棄光電量的消納需求。統(tǒng)計(jì)2021 年黃河流域九省區(qū)峰谷電價(jià)差數(shù)據(jù)(表9)，選用各地區(qū)峰谷電價(jià)差平均值與廢棄礦井抽水蓄能發(fā)電量計(jì)算，求得2016-2020 黃河流域廢棄煤礦抽水蓄能電站的直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)21.2 億元/年。

表9 2021 年黃河流域九省區(qū)峰谷電價(jià)差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 9 Statistical data of peak-to-valley electricity price difference in nine provinces of Yellow River Basin in 2021

7 結(jié)論

a.提出黃河流域九省區(qū)廢棄礦井抽水蓄能電站建設(shè)的半地下式、全地下式2 種模式，并建立抽水蓄能電站選址決策指標(biāo)體系，包含6 個(gè)一級指標(biāo)、24 個(gè)二級指標(biāo)，其中，巷道空間體積、上下水庫水位差、巷道圍巖穩(wěn)定性、巷道圍巖滲透率、地下水循環(huán)特征是影響選址的重要因素。

b.開展了黃河流域某礦改建抽水蓄能電站的實(shí)例分析，計(jì)算出礦山可選擇機(jī)組裝機(jī)容量為5 000 kW，年發(fā)電量可達(dá)7.47×106kW·h，發(fā)電效率可達(dá)到75.7%，對廢棄礦井抽水蓄能電站的可行性具有一定的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

c.統(tǒng)計(jì)出黃河流域九省區(qū)2016-2020 年能源消耗與關(guān)閉煤礦情況，據(jù)此計(jì)算出有效利用井巷空間約4.7×107m3，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算出黃河流域九省區(qū)5 年來廢棄礦井抽水蓄能電站可利用井巷空間為1.34×107m3，進(jìn)而預(yù)估利用其建設(shè)抽水蓄能電站每年可發(fā)電3.78×109kW·h，可滿足黃河流域九省區(qū)28.4%的棄風(fēng)、棄光電量的消納需求，每年直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)21.2 億元。