利用煤矿废弃巷道进行压缩蓄能电站的储气室研究

利用煤矿废弃巷道进行压缩蓄能电站的储气室研究

0煤矿废弃空间利用技术研究进展中国是一个以煤炭为主要能源的国家。它有着悠久的煤炭开采历史，每年形成数十亿个矿区。与此同时,大量的矿井已因资源的枯竭而报废。据统计,仅1953年至1998年间,我国国有重点煤矿中就有459处矿井报废。在中国煤炭信息研究院调查的82个国有重点矿务局中,69%的矿务局有报废矿井。煤矿废弃矿井的再利用,已成为煤矿绿色安全生产的重要组成部分。近年来关于矿山井下废弃空间的二次利用引起了众多学者的关注,由中国矿业大学钱鸣高院士领导的研究团队针对粗放型的煤炭开采所引发的严重矿难灾害、环境破坏和资源浪费现象,率先提出的实现煤炭资源绿色开采的理念,已得到学术界和工业界的高度关注。中国矿业大学(北京校区)对利用井下废弃空间来安全处置工业垃圾做了相关研究。河南理工大学对废弃矿井采空区用于封存CO2的相关技术做了研究。而在国外,德国在1978年利用2个处于岩盐层的废弃矿井巷道作为储气室,建立了额定功率为290MW,发电能力为4h的芬道夫压缩空气万能电站,已商业运行至今。美国俄亥俄州从2001年开始,利用位于地下670.6m处的地下岩盐层洞穴作为储气室,建设一座2700MW的大型压缩空气蓄能商业电站。日本新能源基金会和电力开发公司从1990年代开始,研究建造了一座35MW的压缩空气试验电站。近些年,随着国内电网装机容量的不断扩大,使得电网的调峰能力普遍不足,急需一种新型调峰机组,这就为利用煤矿废弃巷道建设压缩空气蓄能电站创造了条件,而2003年开始实施的峰谷分时电价机制更保证了其经济可行性。本文提出了与煤矿废弃巷道相结合的压缩空气蓄能电站系统,并以实例证明了其技术经济的可行性。1caes电站压缩空气蓄能(compressedairenergystorage,CAES)技术是一种能实现大规模储存电能的新技术。其原理是:利用电力系统负荷低谷时的剩余电量,用电动机来带动压缩机,将空气直接压入大容量的储气室,从而将不能储存的电能以压缩空气气压势能的形式储存于储气室中。当电网负荷达到高峰、电力系统发电量不能满足要求时,压缩空气经换热器预热后与天然气或油混合燃烧,烟气被导入燃气轮机进行做功发电,进而满足系统的调峰需求。对整个电力系统起到了移峰填谷的作用。CAES电站具有如下优点:(1)启动时间较短,可在9min内完成紧急启动且运行方式灵活,污染物排放量较少;运行成本较低仅为同容量常规燃气轮机电站的1/3;(2)单位造价低于常规燃气轮机电站,但其调节电网峰谷差、提高供电质量的能力却是常规燃气轮机电站的2倍以上;(3)系统性能好,可以储/释能上万次,寿命可达40~50a,并且其效率可以达到70%左右。2基于弹簧蓄能的caes电站为充分利用废弃矿井资源,除了将巷道作为储气室外,还可将原有生活区的建筑及设备改造后,作为CAES电站的生活区使用。如果为煤电联产企业,则可继续利用原有电站的输送电线路,能进一步节省CAES电站的投资成本。利用废弃巷道作为压缩空气储气室的关键在于密封,由于我国这方面经验较少,可借鉴日本比较成熟的技术,采用橡胶里衬的密封方式。与废弃矿井结合的压缩空气蓄能电站系统如图1所示。该压缩空气蓄能(CAES)电站的储能子系统由电机/发电机-联轴器-低压压气机-冷却器1-高压压气机-冷却器2-阀门1-矿井巷道(储气室)构成,由于在压缩空气蓄能的过程中,矿井巷道内的空气压力一直处于变化状态,压气机总在变工况下运行,并且气体的储存压力远远大于燃气轮机入口处的空气压力,该子系统采用中间冷却两级压缩的形式,且其高压压气机压比和低压压气机压比相等。发电子系统由电机/发电机-联轴器-空气透平-燃烧室-燃气透平-回热器-阀门2-矿井巷道(储气室)构成。由于矿井巷道出来的压缩空气压力较大,为了能充分利用这部分能量,该子系统在燃气透平前再加空气透平,并利用回热器预热进入透平的空气,提高了整体效率。当电网负荷处于低谷时,联轴器1连接,储能子系统运行,将电能通过压缩空气储存起来。当电网负荷处于高峰时,联轴器1断开、联轴器2连接,发电子系统运行,将压缩空气储存的能量转换成电能并入电网。3机组运行效率为了进一步研究利用矿井废弃巷道建设压缩空气蓄能(CAES)电站的经济可行性,笔者以徐州权台煤矿为背景,进行了投资经济性分析。考虑到该煤矿主要废弃巷道所处深度为500m,有效容积为21.9万m3。选用美国通用(GE)公司生产的PG9171E型燃气轮机及配套的压缩机,机组参数如下:净功率Pe=123.4MW;净效率η=33.8%;压比ξ=12.3;空气流量Ga=403.7kg/s;燃气初温t3=1124℃;排气温度t4=538℃;燃气排气流量G4=412.4kg/s。做如下假定:(1)由燃气轮机设计数据,计算可得其内效率为0.905,空气透平效率取88%;(2)燃烧室压损取3%,空气预热器冷热端压损、分别取为1%和3%;(3)巷道储气压力14.4MPa,空气透平进口压力6.1MPa。在上述热力系统及燃气轮机机组的设计工况下仿真计算得出,该CAES电站发电总功率384.77MW,发电热耗4377.35kJ/kW·h,发电电耗0.65kW·h/(kW·h)。在计算中发电总功率取380MW;天然气价格按徐州市天然气价格取2.2元/m3,即约1.9元/kg;天然气低位发热量40000kJ/kg。3.1发电效率及电价CAES电站造价约为3500元/kW,则该电站理论固定资产投资为13.3亿元。由于建设过程中存在巷道建设投资,巷道建设造价取10000元/m。该煤矿巷道总长约为14552m,取有效长度为80%,则有效巷道长度11641m,巷道建设投资为1.16亿元。利用上该煤矿的巷道,则电站实际投资12.14亿元。而火电机组单位造价约为4500元/kW,建设相同容量的火电机组其投资约为17.1亿元,该电站实际投资仅为相同容量火电机组的7/10。由发电热耗及发电电耗可计算出该电站运行1h天然气耗量4.15×104kg,电耗量2.47×105kW·h。按徐州市电价,取低谷电价0.276元/度,峰值电价0.98元/度。则发电1h利润为22.52万元。3.2峰谷最大调峰能力该总装机容量为380MW的CAES发电系统,电网高峰时发电能力为380MW,低谷时用电能力为247MW,则其峰谷最大调峰能力为627MW。若该CAES电站的平均日调峰取600MW,目前电网负荷率为0.8左右,则其可用于电网容量为3000MW的系统调峰,全年调峰容量高达2.16×105MW,则相当于每年可减少容量为300MW的火电机组启停720次,机组启停费用按50万元/台·次,则每年可为社会节约3.6亿元。3.3年有效运行时间及费用假设以下条件均满足:(1)设计电站运行寿命为30a;(2)投资建设期为5a,资金分三批到位,第1年年初到位5亿元,第3年年初到位4亿元,第4年年初到位3.14亿元;(3)一年有效运行时间360d,每天运行8h。由现金流量表可知寿命期内项目共可获得现金收益146.1亿元。现金流量表按下列依据计算:(1)电力行业增值税率为17%,设备购置费用所占比例为总固定资产投资的71.58%,固定资产的增值税占设备购置费用的10.03%;(2)贷款利率取目前普通贷款大于5a及以上的利率为7.05%;(3)年固定运行费用(包括修理费、工资福利费、劳保统筹、住房基金等)约占固定资产的2%;(4)寿命期内收益的所有现金全部存入银行,且存款利率按目前最低利率(活期利率)0.5%。3.3.1计算折现率所谓财务内部收益率即指在项目整个计算期内使各年净现金流量值能累计等于零时的折现率。计算公式:式中,Ci表示流入现金,C0表示流出现金,Ci-C0表示第t年的净现金流量,n表示计算期年数,本项目取30a。可计算得:FIRR=20%。3.3.2超额盈利的现金支出财务净现值是用来考察某个项目盈利能力的绝对值指标,能反映出该项目在按设定折现率要求的盈利之外所能得到的超额盈利的现值。计算公式:式中,iC表示设定的折现率,其他符号同公式(1)。折现率是指未来的有限预期收益折成现值的比率。设定的折现率一般取10%,除非有确凿证据表明有高风险否则不能超过15%。本次计算中取ic=10%。可计算得:FNPV=17.64亿元。3.3.3从项目建设的年度算起投资回收期指用项目的净收益来回收项目的投资所需要的时间(通常以年作为单位),一般是从项目开始建设的那年算起,如若从投产年开始算起需有特别说明。计算公式:式中,符号同公式(1)。可计算得:Pt=8.5年。3.3.4设计产量和经济效益比重该指标主要用来反映投资项目达产后的安全可靠性水平。根据从投产年到分析期的最后一年中各年的平均可盈利净产量所占平均设计产量的比率测算,比率越高,项目安全性越好。计算公式如下:可计算得:项目安全率为88.28%。4空气蓄能技术应用分析(1)压缩空气蓄能发电在国外已成功商业运行了二十多年,技术成熟,经验丰富。在对徐州权台煤矿的分析中,有相应的燃气机组与其巷道空间相匹配。说明将煤矿废弃巷道与压缩空气蓄能技术相结合在技术上可行。(2)基于煤矿废弃巷道的压缩空气蓄能电站投资低、收益高