基于废弃矿井的空气压缩蓄能电站应用研究

牛文进 王璐 柳研青

摘要：我国有大量的废弃矿井且多数废弃矿井地下空间利用率很低，结合目前压缩空气蓄能电站储气设施建设不足造成压缩空气蓄能电站发展缓慢的现状，以废弃矿井地下空间作为蓄能电站储气设施。在地下空间合理位置布置瓦斯抽取装置与储水槽保证储气空间安全，储气空间增加了恒温加热装置用以提高蓄能电站的工作效率。该技术具有较高的经济与社会价值。

关键词：废弃矿井;空气压缩;发电

中图分类号：TD324       文献标识码：A

压缩空气蓄能电站是一种新型蓄能电站。它利用电力系统低容负荷时的多余电能将空气压缩储存在地下洞穴中，需要时再放出，经加热后通过燃气轮机发电机组发电，以供尖峰负荷的需要[1，2]。但是受到建设大规模储气设施方面限制，压缩空气蓄能电站整体发展缓慢。目前我国有超过4000座的废弃矿井，大量废弃的矿井地下空间开发利用率很低[3]，以废弃矿井井筒、采掘巷道、硐室等地下空间作为空气压缩蓄能电站的储气设施，一方面极大的降低了压缩空气蓄能电站的建设成本，另一方面实现了废弃矿井的开发利用，具有较高的经济与社会价值。

2    空气压缩蓄能电站优点

（1）改进电网负荷率，提高了经济性，使系统中大型发电机组的负荷波动机组的负荷波动减小，可起到负荷平衡、提高供电质量的作用。

（2）系统灵活性高，压缩空气储能电站在压缩空气瞬间即可使用，在无照明条件下也可以启动且速度较快，三分钟即可从空载达到额定出力，适于作旋转备用。

（3）可以实现模块化，压缩空气储能电站可以积木式地组装，一座220MW的电站可用25～50MW的小型压缩空气储能电站积木式地逐年扩建发展。

3  系统结构

3.1 地上部分

地上部分主要是热电厂建筑设施，包括空气透平、燃气轮机发电机组等。另外包括空气储能电站建筑，空气压缩机，气压、瓦斯浓度监测站，燃烧室，燃料库等。

3.2地下部分

废弃矿井的地下空间主要包括矿井的主副井、采掘巷道与硐室主要场所。为提高其密封性，在其表面涂层密封性物质黏胶。在地下密闭空间内放置恒温加热装置，以提高压缩空气的能量。

废弃矿井地下空间会有矿井瓦斯甚至是矿井水的渗入，瓦斯作为易爆气体，为避免发生瓦斯事故，在采空区的倾斜方向的上部安装瓦斯抽取装置，配套有瓦斯浓度传感器。针对矿井水会影响压缩空气的质量，影响高温高压气体与燃料混合燃烧的充分程度，故在地下空间下部挖置储水槽，将渗入地下空间的水聚集起来利用高压水泵将水从内部抽出。在地面安装测量地下空间压强的检测装置，保证其气压能够达到8～10个大气压。放气管道和矿井抽水经副井通向地表，再与其他设备连接。进气管道、压力表气体压力传递管道、瓦斯抽取管道经主井通向地表，再与其他设备连接。

4   工作原理

利用废弃煤矿的地下空间作为压缩空气储气室，将其单独建设成为一个相对密闭的空间，以煤矿的主井和副井分别作为压缩空气的进气管道井和出气管道井。进气管道井口放置空气压缩机，电动机供给电源为电网负荷低谷时的剩余电能，将外界空气压缩通过进气管道进入储气室，随着外界空气的不断压入，储气室内部空气压力和温度不断增加，此过程中通过压缩空气将电能转化成储存在空气中的内能。为了使被压缩的高温高压气体与天然气燃料能够进行更完全、产生热量更高的燃烧反应，在地下储气室中放置若干恒温加热片，保证储气室内气体的温度，进而保证气体储存有足够的能量。电网负荷高时，需要压缩空气储能电站进行放气发电。打开放气阀门和燃料库阀门，此时高温高压气体会急速涌入燃烧室内，与天然气燃料混合产生剧烈的燃烧反应，同时产生大量的燃烧气，燃烧气通过管道进入燃气透平推动涡轮发电机组发电进入电网。此外，矿井中残余瓦斯的存在必不可少，因此为提高系统安全性，在密闭空间顶部安置浓度监测仪与抽取装置，控制瓦斯浓度在安全极限内。同时在地下空间底部挖设凹槽，抽取礦井水，提高压缩空气质量。

5  结论

以废弃矿井地下空间作为蓄能电站储气设施，一方面极大的降低了压缩空气蓄能电站的建设成本，另一方面实现了废弃矿井的开发利用。在地下空间合理位置布置瓦斯抽取装置与储水槽用以保证空气压缩蓄能电站运行期间的安全，并在储气空间增加了恒温加热装置用以提高蓄能电站的工作效率。该技术具有较高的经济与社会价值。

参考文献：

[1]刘文毅，杨勇平，张昔国，等.压缩空气蓄能（CAES）电站及其现状和发展趋势[J].山东电力技术，2007（2）：10-14.

[2]刘澧源，蒋中明，王江营，等.压气储能电站地下储气库之压缩空气热力学过程分析[J].储能科学与技术，2018，7（2）：78-85.

[3]李庭.废弃矿井地下水污染风险评价研究[D].2014.

基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2018PEE007）