利用煤礦廢棄巷道進(jìn)行壓縮蓄能電站的儲氣室研究

利用煤礦廢棄巷道進(jìn)行壓縮蓄能電站的儲氣室研究

0煤礦廢棄空間利用技術(shù)研究進(jìn)展中國是一個以煤炭為主要能源的國家。它有著悠久的煤炭開采歷史，每年形成數(shù)十億個礦區(qū)。與此同時,大量的礦井已因資源的枯竭而報廢。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅1953年至1998年間,我國國有重點(diǎn)煤礦中就有459處礦井報廢。在中國煤炭信息研究院調(diào)查的82個國有重點(diǎn)礦務(wù)局中,69%的礦務(wù)局有報廢礦井。煤礦廢棄礦井的再利用,已成為煤礦綠色安全生產(chǎn)的重要組成部分。近年來關(guān)于礦山井下廢棄空間的二次利用引起了眾多學(xué)者的關(guān)注,由中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)針對粗放型的煤炭開采所引發(fā)的嚴(yán)重礦難災(zāi)害、環(huán)境破壞和資源浪費(fèi)現(xiàn)象,率先提出的實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采的理念,已得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))對利用井下廢棄空間來安全處置工業(yè)垃圾做了相關(guān)研究。河南理工大學(xué)對廢棄礦井采空區(qū)用于封存CO2的相關(guān)技術(shù)做了研究。而在國外,德國在1978年利用2個處于巖鹽層的廢棄礦井巷道作為儲氣室,建立了額定功率為290MW,發(fā)電能力為4h的芬道夫壓縮空氣萬能電站,已商業(yè)運(yùn)行至今。美國俄亥俄州從2001年開始,利用位于地下670.6m處的地下巖鹽層洞穴作為儲氣室,建設(shè)一座2700MW的大型壓縮空氣蓄能商業(yè)電站。日本新能源基金會和電力開發(fā)公司從1990年代開始,研究建造了一座35MW的壓縮空氣試驗(yàn)電站。近些年,隨著國內(nèi)電網(wǎng)裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大,使得電網(wǎng)的調(diào)峰能力普遍不足,急需一種新型調(diào)峰機(jī)組,這就為利用煤礦廢棄巷道建設(shè)壓縮空氣蓄能電站創(chuàng)造了條件,而2003年開始實(shí)施的峰谷分時電價機(jī)制更保證了其經(jīng)濟(jì)可行性。本文提出了與煤礦廢棄巷道相結(jié)合的壓縮空氣蓄能電站系統(tǒng),并以實(shí)例證明了其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性。1caes電站壓縮空氣蓄能(compressedairenergystorage,CAES)技術(shù)是一種能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲存電能的新技術(shù)。其原理是:利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時的剩余電量,用電動機(jī)來帶動壓縮機(jī),將空氣直接壓入大容量的儲氣室,從而將不能儲存的電能以壓縮空氣氣壓勢能的形式儲存于儲氣室中。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到高峰、電力系統(tǒng)發(fā)電量不能滿足要求時,壓縮空氣經(jīng)換熱器預(yù)熱后與天然氣或油混合燃燒,煙氣被導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行做功發(fā)電,進(jìn)而滿足系統(tǒng)的調(diào)峰需求。對整個電力系統(tǒng)起到了移峰填谷的作用。CAES電站具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)啟動時間較短,可在9min內(nèi)完成緊急啟動且運(yùn)行方式靈活,污染物排放量較少;運(yùn)行成本較低僅為同容量常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)電站的1/3;(2)單位造價低于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)電站,但其調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差、提高供電質(zhì)量的能力卻是常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)電站的2倍以上;(3)系統(tǒng)性能好,可以儲/釋能上萬次,壽命可達(dá)40~50a,并且其效率可以達(dá)到70%左右。2基于彈簧蓄能的caes電站為充分利用廢棄礦井資源,除了將巷道作為儲氣室外,還可將原有生活區(qū)的建筑及設(shè)備改造后,作為CAES電站的生活區(qū)使用。如果為煤電聯(lián)產(chǎn)企業(yè),則可繼續(xù)利用原有電站的輸送電線路,能進(jìn)一步節(jié)省CAES電站的投資成本。利用廢棄巷道作為壓縮空氣儲氣室的關(guān)鍵在于密封,由于我國這方面經(jīng)驗(yàn)較少,可借鑒日本比較成熟的技術(shù),采用橡膠里襯的密封方式。與廢棄礦井結(jié)合的壓縮空氣蓄能電站系統(tǒng)如圖1所示。該壓縮空氣蓄能(CAES)電站的儲能子系統(tǒng)由電機(jī)/發(fā)電機(jī)-聯(lián)軸器-低壓壓氣機(jī)-冷卻器1-高壓壓氣機(jī)-冷卻器2-閥門1-礦井巷道(儲氣室)構(gòu)成,由于在壓縮空氣蓄能的過程中,礦井巷道內(nèi)的空氣壓力一直處于變化狀態(tài),壓氣機(jī)總在變工況下運(yùn)行,并且氣體的儲存壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃?xì)廨啓C(jī)入口處的空氣壓力,該子系統(tǒng)采用中間冷卻兩級壓縮的形式,且其高壓壓氣機(jī)壓比和低壓壓氣機(jī)壓比相等。發(fā)電子系統(tǒng)由電機(jī)/發(fā)電機(jī)-聯(lián)軸器-空氣透平-燃燒室-燃?xì)馔钙?回?zé)崞?閥門2-礦井巷道(儲氣室)構(gòu)成。由于礦井巷道出來的壓縮空氣壓力較大,為了能充分利用這部分能量,該子系統(tǒng)在燃?xì)馔钙角霸偌涌諝馔钙?并利用回?zé)崞黝A(yù)熱進(jìn)入透平的空氣,提高了整體效率。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時,聯(lián)軸器1連接,儲能子系統(tǒng)運(yùn)行,將電能通過壓縮空氣儲存起來。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰時,聯(lián)軸器1斷開、聯(lián)軸器2連接,發(fā)電子系統(tǒng)運(yùn)行,將壓縮空氣儲存的能量轉(zhuǎn)換成電能并入電網(wǎng)。3機(jī)組運(yùn)行效率為了進(jìn)一步研究利用礦井廢棄巷道建設(shè)壓縮空氣蓄能(CAES)電站的經(jīng)濟(jì)可行性,筆者以徐州權(quán)臺煤礦為背景,進(jìn)行了投資經(jīng)濟(jì)性分析?？紤]到該煤礦主要廢棄巷道所處深度為500m,有效容積為21.9萬m3。選用美國通用(GE)公司生產(chǎn)的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)及配套的壓縮機(jī),機(jī)組參數(shù)如下:凈功率Pe=123.4MW;凈效率η=33.8%;壓比ξ=12.3;空氣流量Ga=403.7kg/s;燃?xì)獬鯗豻3=1124℃;排氣溫度t4=538℃;燃?xì)馀艢饬髁縂4=412.4kg/s。做如下假定:(1)由燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算可得其內(nèi)效率為0.905,空氣透平效率取88%;(2)燃燒室壓損取3%,空氣預(yù)熱器冷熱端壓損、分別取為1%和3%;(3)巷道儲氣壓力14.4MPa,空氣透平進(jìn)口壓力6.1MPa。在上述熱力系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)工況下仿真計(jì)算得出,該CAES電站發(fā)電總功率384.77MW,發(fā)電熱耗4377.35kJ/kW·h,發(fā)電電耗0.65kW·h/(kW·h)。在計(jì)算中發(fā)電總功率取380MW;天然氣價格按徐州市天然氣價格取2.2元/m3,即約1.9元/kg;天然氣低位發(fā)熱量40000kJ/kg。3.1發(fā)電效率及電價CAES電站造價約為3500元/kW,則該電站理論固定資產(chǎn)投資為13.3億元。由于建設(shè)過程中存在巷道建設(shè)投資,巷道建設(shè)造價取10000元/m。該煤礦巷道總長約為14552m,取有效長度為80%,則有效巷道長度11641m,巷道建設(shè)投資為1.16億元。利用上該煤礦的巷道,則電站實(shí)際投資12.14億元。而火電機(jī)組單位造價約為4500元/kW,建設(shè)相同容量的火電機(jī)組其投資約為17.1億元,該電站實(shí)際投資僅為相同容量火電機(jī)組的7/10。由發(fā)電熱耗及發(fā)電電耗可計(jì)算出該電站運(yùn)行1h天然氣耗量4.15×104kg,電耗量2.47×105kW·h。按徐州市電價,取低谷電價0.276元/度,峰值電價0.98元/度。則發(fā)電1h利潤為22.52萬元。3.2峰谷最大調(diào)峰能力該總裝機(jī)容量為380MW的CAES發(fā)電系統(tǒng),電網(wǎng)高峰時發(fā)電能力為380MW,低谷時用電能力為247MW,則其峰谷最大調(diào)峰能力為627MW。若該CAES電站的平均日調(diào)峰取600MW,目前電網(wǎng)負(fù)荷率為0.8左右,則其可用于電網(wǎng)容量為3000MW的系統(tǒng)調(diào)峰,全年調(diào)峰容量高達(dá)2.16×105MW,則相當(dāng)于每年可減少容量為300MW的火電機(jī)組啟停720次,機(jī)組啟停費(fèi)用按50萬元/臺·次,則每年可為社會節(jié)約3.6億元。3.3年有效運(yùn)行時間及費(fèi)用假設(shè)以下條件均滿足:(1)設(shè)計(jì)電站運(yùn)行壽命為30a;(2)投資建設(shè)期為5a,資金分三批到位,第1年年初到位5億元,第3年年初到位4億元,第4年年初到位3.14億元;(3)一年有效運(yùn)行時間360d,每天運(yùn)行8h。由現(xiàn)金流量表可知壽命期內(nèi)項(xiàng)目共可獲得現(xiàn)金收益146.1億元?，F(xiàn)金流量表按下列依據(jù)計(jì)算:(1)電力行業(yè)增值稅率為17%,設(shè)備購置費(fèi)用所占比例為總固定資產(chǎn)投資的71.58%,固定資產(chǎn)的增值稅占設(shè)備購置費(fèi)用的10.03%;(2)貸款利率取目前普通貸款大于5a及以上的利率為7.05%;(3)年固定運(yùn)行費(fèi)用(包括修理費(fèi)、工資福利費(fèi)、勞保統(tǒng)籌、住房基金等)約占固定資產(chǎn)的2%;(4)壽命期內(nèi)收益的所有現(xiàn)金全部存入銀行,且存款利率按目前最低利率(活期利率)0.5%。3.3.1計(jì)算折現(xiàn)率所謂財務(wù)內(nèi)部收益率即指在項(xiàng)目整個計(jì)算期內(nèi)使各年凈現(xiàn)金流量值能累計(jì)等于零時的折現(xiàn)率。計(jì)算公式:式中,Ci表示流入現(xiàn)金,C0表示流出現(xiàn)金,Ci-C0表示第t年的凈現(xiàn)金流量,n表示計(jì)算期年數(shù),本項(xiàng)目取30a。可計(jì)算得:FIRR=20%。3.3.2超額盈利的現(xiàn)金支出財務(wù)凈現(xiàn)值是用來考察某個項(xiàng)目盈利能力的絕對值指標(biāo),能反映出該項(xiàng)目在按設(shè)定折現(xiàn)率要求的盈利之外所能得到的超額盈利的現(xiàn)值。計(jì)算公式:式中,iC表示設(shè)定的折現(xiàn)率,其他符號同公式(1)。折現(xiàn)率是指未來的有限預(yù)期收益折成現(xiàn)值的比率。設(shè)定的折現(xiàn)率一般取10%,除非有確鑿證據(jù)表明有高風(fēng)險否則不能超過15%。本次計(jì)算中取ic=10%?？捎?jì)算得:FNPV=17.64億元。3.3.3從項(xiàng)目建設(shè)的年度算起投資回收期指用項(xiàng)目的凈收益來回收項(xiàng)目的投資所需要的時間(通常以年作為單位),一般是從項(xiàng)目開始建設(shè)的那年算起,如若從投產(chǎn)年開始算起需有特別說明。計(jì)算公式:式中,符號同公式(1)?？捎?jì)算得:Pt=8.5年。3.3.4設(shè)計(jì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益比重該指標(biāo)主要用來反映投資項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后的安全可靠性水平。根據(jù)從投產(chǎn)年到分析期的最后一年中各年的平均可盈利凈產(chǎn)量所占平均設(shè)計(jì)產(chǎn)量的比率測算,比率越高,項(xiàng)目安全性越好。計(jì)算公式如下:可計(jì)算得:項(xiàng)目安全率為88.28%。4空氣蓄能技術(shù)應(yīng)用分析(1)壓縮空氣蓄能發(fā)電在國外已成功商業(yè)運(yùn)行了二十多年,技術(shù)成熟,經(jīng)驗(yàn)豐富。在對徐州權(quán)臺煤礦的分析中,有相應(yīng)的燃?xì)鈾C(jī)組與其巷道空間相匹配。說明將煤礦廢棄巷道與壓縮空氣蓄能技術(shù)相結(jié)合在技術(shù)上可行。(2)基于煤礦廢棄巷道的壓縮空氣蓄能電站投資低、收益高