“双碳”目标下西部地区煤矿多能互补供能研究

2023-11-13王龙飞李瑞华

中国煤炭 2023年10期

王龙飞，王帅，李庆，李瑞华，向轶，武进，邴喆

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西省西安市，710054)

0 引言

气候变化是全人类面临的共同挑战，随着全球气候变化问题的日益严重，极端天气的强度和频次也在持续增加，目前已有120多个国家制定碳中和目标，加快能源转型和清洁能源开发，以减少温室气体的排放，实现可持续发展。我国政府在2020年提出“力争2030年前实现二氧化碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标，将推动一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，应对气候变化降低碳排放，有利于推动经济结构绿色转型，加快形成绿色生产和生活方式，助推经济实现高质量发展[1]。

煤炭作为我国主要的能源来源，对碳达峰碳中和目标的实现具有重要影响，煤炭开发利用过程是我国主要的碳排放源之一，其排放量约占全国碳排放总量的60%～70%[2]。其中煤炭开采过程中，矿井采掘、运输、加工等环节需要消耗能源，排放大量的二氧化碳，仅依靠其自身节能优化，可一定程度上减少二氧化碳排放，但难以实现碳中和要求，探索煤炭行业可再生能源的应用与开发，对于煤炭开采过程实现“双碳”目标具有重要的现实意义和战略意义。

当前煤炭企业正面临保障能源供应和减少碳排放的双重压力，将煤炭开采过程与地区可再生能源开发耦合协同，是降低煤炭行业能耗与碳排放的重要路径。我国广袤的西部地区具有丰富的可再生能源资源，同时西部地区的煤炭探明储量资源占到了全国的57%[3-4]。风、光等可再生能源资源的波动性是制约其成为主要能源的因素之一，因此发展基于煤矿用能特征的多能互补技术，实现煤矿低碳、可靠、平稳、经济开采供能，对降低煤矿生产成本和环境污染具有重要意义。

笔者聚焦“双碳”目标下矿井自身的能源需求及矿井周边资源条件，提出将煤矿开采过程耗能与可再生能源供能相结合，建立以风、光等可再生能源为基础的多能互补综合能源系统，解决煤矿自身生产用能需求，实现煤矿的低碳清洁转型发展。

1 西部地区煤矿用能现状

西部地区拥有丰富的煤炭资源储量，2022年我国煤炭储量2 070.12亿t，其中西部地区内蒙古、新疆、陕西的储量之和占全国的50.43%；2022 年我国原煤产量45.6亿t，其中内蒙古、新疆、陕西的产量之和占全国的51.14%，按吨煤生产能耗7.28 kg标煤计算，我国西部蒙陕新地区能耗为1 698万t/a(标煤)。一般煤矿开发过程主要的用能需求为电能、热能，消耗的能源种类主要以电力为主，煤炭、成品油等为辅，以位于西部蒙陕矿区产能12.0 Mt/a的门克庆煤矿为例，矿井生产能源消耗总量见表1。

表1 门克庆煤矿生产能源资源消耗量

1.1 电能供给情况

门克庆煤矿电力负荷主要分为井下负荷和地面电负荷，井下设备主要包括综采、综掘、带式输送机、主排水泵、井底煤仓给料机、主立井井底窝水泵等，井下负荷总计24 739.27 kW；地面负荷主要包括行政生活区电负荷、工业场地电负荷、黄泥灌浆站、副立井提升、主立井提升、通风机、空气压缩站、综采设备库试验电源、日用消防泵房、锅炉房、原煤仓、选煤厂等，地面负荷总计28 790.51 kW。门克庆煤矿电力负荷分布如1所示。

由图1可知，井下用电负荷主要集中在综采、综掘工作面及带式输送机上，地上用电负荷主要集中在主立井提升及选煤厂等设施，为避免停电带来的作业风险，其用电负荷安全要求较高，目前矿井采用电网直供电的方式，根据《煤矿安全规程》第四百三十六条规定[5]，矿井应当有两回路电源线路(即来自2个不同变电站或者来自不同电源进线的同一变电站的2段母线)。当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应当担负矿井全部用电负荷。采用单回路供电时，必须有备用电源。备用电源的容量必须满足通风、排水、提升等要求，并保证主要通风机等在10 min内可靠启动和运行。矿井的两回路电源线路上都不得分接任何负荷且严禁装设负荷定量器等各种限电断电装置。

图1 门克庆煤矿电力负荷分布情况

1.2 热能供给情况

矿井的供热对象及范围主要包括矿井工业场地的采暖通风、热水制备及井筒防冻用热，矿井工业场地内有人工作、休息的地方，以及地面生产工艺都对室温有一定要求，因此在这些建筑物内均应设置采暖设施。冬季为防止井筒结冰，保证生产和人身安全在进风井筒附近设置空气加热设施对井筒进行保温。同时保障矿工身心健康，各矿井浴室灯房及职工宿舍均设有供生活热水系统，门克庆煤矿热能供应分布如图2所示。

图2 门克庆煤矿-17 ℃条件下供热量分布

受我国煤炭资源分布条件限制，煤矿大多分布在市政供热管网不能覆盖的区域，需要配套建立独立的供热热源，大部分采用自建燃煤锅炉房的方式进行供暖，小部分采用市政供热及电厂余热。燃煤锅炉分为燃煤热水锅炉和蒸汽锅炉，吨位有10、20、35 t/h。近年来随着国家连续出台《打赢蓝天保卫战三年行动计划》《大气污染防治行动计划》等政策文件，煤矿燃煤锅炉供热开始逐步向工业余热或其他清洁供热过渡，大量20 t/h以下小型燃煤锅炉已被关停淘汰。随着环保政策趋紧，矿区供热热源由传统单一热源向多种热源供热转变，清洁供热热源比例逐步提高。

2 西部地区煤矿可利用能源资源现状

我国西部地区拥有丰富的可再生能源资源，例如风能、太阳能和地热能等，同时在煤炭开采过程中也会产生一些排水、排风、余热、矿井瓦斯和伴生资源等。当前，这些资源已经得到了一定程度的利用。

2.1 矿井排水余热资源

煤矿生产过程中为了降低矿井涌水量和地下水位、减轻矿井的涌水压力，保障矿井生产及井下人员安全，必须采取一定的排水措施将地下水和矿井涌水排出井外[6]。在排水过程中，通过井下排水系统将水从井下的集水池或井筒中抽取到地面上的处理设备中。矿井涌水含有悬浮物质，同时具有一定的矿化程度，通常需经过处理后再排入水体或进行回用。不同地区及地质条件的矿井排水量各有不同，受水文地质条件及充水因素影响，矿井排水水温一般恒定在15℃以上。矿井冬季用热需求较大，而矿井排水中富含大量可利用的低位热能，可采用热泵技术回收和利用。以门克庆煤矿为例，其开采深度为700 m，正常涌水量为2 110 m3/h，最大涌水量为2 382 m3/h，排水初始温度按22 ℃、取热温度按5 ℃计算，其可提取热量可达29 175 kW，矿井排水量的大小受到地质条件、季节和开采强度等多种因素的影响，其波动性较大，在设计时一般按照正常涌水量的70%进行计算。

2.2 矿井回风余热

在井工煤矿生产过程中，为了保证井下矿工的安全和健康，通过通风系统向矿井提供新鲜空气，通风量的大小影响矿井内氧气含量、瓦斯浓度和煤尘浓度等关键指标，对于煤矿生产的安全具有重要影响[7]。通常煤矿的通风量会根据矿井规模、矿井深度、瓦斯含量等因素进行计算和规划，并通过通风风门、风筒、风机等设备进行控制和调节。矿井回风具有风量、温度、湿度保持基本恒定的特点，原生态矿井回风温度高、含湿量大，是空气源热泵取热十分理想的低温热源。以门克庆煤矿为例，开采深度700 m时回风量为268 m3/s，其回风温度为16 ℃，相对湿度85 %，按取热后出风温度-4 ℃计算，相对湿度95%，其回风余热资源的利用量可达12 787 kW。

2.3 空压机余热

矿井开采生产过程中风动钻机、风镐、气腿凿岩机、混凝土喷射机等风动设备和工具需要消耗大量的压缩空气，同时考虑井下人员压风自救需风量，矿井一般配备螺杆式空气压缩机。空压机长期连续运行过程中产生的大量高温热能，其压缩后的热量占总输入功的比例可达85%左右[8]。空压机产生的热量通过空压机润滑油和压缩空气等工质带出，可回收的热量包括工质冷却散热量、后冷却气体散热量、进出口空气含湿量差的热量。它的温度通常在90℃(冬春季)～105℃(夏秋季)之间，通过气冷和水冷2种方式对空压机润滑油和压缩后的高温气体进行冷却，保证设备正常运行和压缩空气温度满足使用需要，回收的热量一般品位相对较高，温度可达80 ℃以上。以门克庆煤矿为例，煤矿装有5台220 kW空压机，日常运行为4用1备，可供应的热能为570 kW左右，可供热量总体较小。

2.4 矿井瓦斯

煤矿瓦斯是煤矿工作面开采时释放出来的可燃性气体，主要成分为甲烷，也含有少量的乙烷、氢气、氮气等。在煤矿开采过程中，由于煤层压力的变化和煤矿开采过程中的破坏，煤层内的瓦斯会逸出到煤矿工作面及矿井井下空间，对矿井安全造成威胁。《煤矿安全规程》(2022)要求矿井总回风大巷瓦斯浓度不得高于0.75%，一般对煤层瓦斯进行抽采以降低通风瓦斯浓度[5，9]。煤矿瓦斯是一种重要的能源资源，利用煤矿瓦斯可以产生热能和电能，可作为煤矿内部的燃料供应，也可以通过管道输送到城市，作为城市燃气使用。煤矿瓦斯的利用不仅可以提高能源利用效率，降低煤炭资源的消耗，同时还可以减少煤矿的碳排放量，促进煤矿绿色发展。

2.5 太阳能资源

我国西部地区太阳能资源丰富，与煤炭资源富集区有很大的重叠性[10]。2021年11月国家发改委联合4部门印发的《“十四五”支持老工业城市和资源型城市产业转型升级示范区高质量发展实施方案》支持利用沙漠、戈壁、荒漠以及采煤沉陷区、露天矿排土场、关停矿区建设风电光伏发电基地。随着光伏发电的快速发展，其用地日趋紧张，而利用采煤沉陷区受损土地发展光伏，不仅可以解决生态环境治理问题，同时还将闲置资源变为当地经济增长的要素之一[11]。新疆、内蒙古等多地利用采煤沉陷区及露天排土场开展光伏发电项目，依托光伏的综合能源项目不仅可为煤炭日常用能进行供电，还可提供煤矿通风机、提升机在大电网停电时的应急保障。

2.6 风力资源

我国西部地区的风能资源同样丰富，平均风速大于6.0 m/s的地区主要分布在东北大部、华北北部、内蒙古大部、宁夏中南部、陕西北部。风力发电是风能主要利用形式，根据《风力发电场设计技术规范》(GB51096-2015)中场址选择要求：风力发电机组、变电站、集电线路等选址应避开不良地质灾害易发生区域。由于地下煤层的开采，地表会因煤层采动引起变形，其中倾斜变形对风力发电机组的安全性影响最大[12]。风力发电系统在国外运行矿井与废弃矿井均有运行[10]，2001年美国宾夕法尼亚州萨默塞特风电场在废弃的煤矿新建运行了6台1.5 MW风力发电机组，风力发电机安装在矿井较为稳定的主掘进走廊的中心，并对风机的基础进行加固，在风力发电机塔筒上安装倾斜传感器实时监测风力发电机组基础沉降情况[13]。矿区建设风力发电机组，在前期应对采动影响和场地地质条件进行详细的论证分析，尽量减小风力发电机组处的地表倾斜、水平变形、地表曲率，避开地表变形值较大、地质构造处、可能的滑坡塌陷区等区域。风力发电机组功率较大，可在工业场地等预留煤柱位置建设数台分布式风力发电机组，为煤矿开采提供能源。

2.7 地热资源

目前地热资源开发主要分为浅层地热、中深层地热以及干热岩。浅层地热资源的开发应注意冬季取热量与夏季储热量基本平衡的原则[14]；中深层地热资源不受水文地质条件的制约，单孔换热量大，无冷热平衡问题，缺点是初始投资较大[15]；干热岩开采深度较深，储层激发技术还在进一步发展，开采技术难度大、成本较高[16]。对于井工煤矿来讲，利用矿井排水将浅层地热结合水源热泵进行提取利用，而在矿井水量不足时可考虑采用中深层地热资源的开发。中深层地热能埋藏较深，其分布与地下地质结构密切相关，需借助地球物理勘探结果及目标区域周围钻孔、测井数据做出资源量的评估，目前中深层地热能的开发处于探索开发阶段，位于我国西部地区鄂尔多斯盆地的建庄、小保当、柠条塔、大佛寺等煤矿相继开展了中深层地热的试点利用项目，井深在3 200 m左右，井底温度在100 ℃以上，取得了较好的取热效果。中煤科工西安研究院在棋盘井煤矿开展探井试验，完钻井深1 508 m，垂深815 m，实测井底温度57.1 ℃。

3 煤矿多能互补综合能源系统

随着风光资源的持续开发，优先利用可再生能源为煤矿提供电热能源供给，实现煤矿能量需求的自给自足，进一步降低吨煤能耗及碳排放，已成为煤炭企业绿色低碳转型的必由之路。同时，我国东部的煤炭资源日益枯竭，西部地区成为煤炭资源的开发重点，而西部大部分煤炭资源集中在“沙戈荒”(沙漠、戈壁和荒漠的统称)地区，这些地区的电力资源消纳难、送出难，煤矿企业可结合沉陷区的生态修复与治理，大力推动风光资源的自我消纳，实现煤矿的绿色低碳发展。

3.1 煤矿采用多能互补方式的必要性

煤矿主要的能源需求为电力和热能需求，目前电能需求主要通过外部电网送电进行解决，热能需求主要通过燃烧煤、天然气等化石燃料或者通过提取矿井回风、矿井排水余热进行解决，热能的需求随着季节的变化而变化，随季节波动幅度较大，电负荷主要与生产过程相关，其波动相对较小，当前的煤炭开发方式不可避免地消耗能源和带来碳排放，依靠其自身优化，可在一定程度上减少碳排放，但难以实现碳中和要求。煤矿区除煤炭资源外，还有大量的土地、风、光等资源，具有发展可再生能源的先天优势，推进煤矿区煤与新能源耦合利用，是降低单位产品碳排放强度的重要途径，推进煤炭开发过程节能提效、推动煤与新能源耦合利用是煤炭开发过程实现碳中和的必然要求。

3.2 煤矿源荷资源匹配

在构建西部地区煤矿多能互补系统时，风光资源的时空分布特性与矿区冷热电负荷的匹配关系是重要的研究内容之一。根据矿区地域、天气等条件历史数据，研究矿区的热电冷等用能负荷波动特征与可再生能源资源的供能出力特征的匹配关系，构建基于源网荷储的多能互补综合能源系统，协调供给侧可再生能源及负荷侧热电冷储主动适应解决能源资源与负荷需求的波动不匹配问题，实现可再生能源的最大化利用。

3.3 西部地区煤矿多能互补系统介绍

不同地区的资源禀赋条件及用能需求的不同，所构建的多能互补综合能源系统结构、容量所适应的范围均有所不同，能源利用技术多种多样，能源利用网络必将形态各异，要实现高能量效率、高经济性，就需要对能量系统进行规划和优化，形成优化的多能互补综合能源利用网络。含风光储的矿井热电冷联供系统结构如图3所示，针对矿区的多能互补综合能源系统，需综合考虑风光资源条件、热电冷用能需求以及储能(热电冷)等相关因素条件来进行构建。

图3 含风光储的矿井热电冷联供系统结构

系统的能源供给侧主要由电网供电、风力发电、光伏发电、瓦斯发电供给电能，矿井回风、排水余热、中深层地热作为热能的主要来源，为解决能量利用时间的不匹配性问题，能量转化技术和储能(热电冷)技术在多能互补综合能源系统也非常重要，能量转化设备主要由电能转化热能，主要设备有热泵、电锅炉、电制冷等转化设备，储能设备主要采用电池储能、水箱储热、冰储冷等装置组成，以实现能量供给的错峰匹配，将大量的太阳能资源转化为电能的形式避免了非采暖季太阳能设备的闲置浪费，同时通过电能向热能的转化，利用储热(冷)的方式解决储电难度较大的问题，以电能与热能的互补互济实现风光可再生能源的稳定消纳。

3.4 系统容量优化

对多能互补综合能源系统的系统出力、消纳能力、能效分析评估需要风电出力时间序列、光伏出力时间序列、热电冷等负荷需求序列作为基础数据进行评估计算。可根据多种规划目标参考式(1)～(3)，建立线性规划模型对不同容量配比方式的多能互补综合能源系统进行全年8 760 h的逐时平衡模拟，计算得出最佳的容量配比，为系统的容量确定做出参考依据。

目标函数f(x)为如综合能效、经济性、环保、可靠性等指标组成的多目标或单目标优化函数；g(x)为8 760 h每一时刻系统的能量供需平衡，主要为热电冷需求与热电冷供应设备出力之间的平衡；h(x)为单一设备的最大出力范围为边界条件，如风光发电设备、热泵、电锅炉、电制冷出力上限等边界条件。

3.5 系统运行控制

传统粗放式的供能控制方式无法满足多能互补综合能源系统的运行要求，由于多个热源的协同供能，基于煤矿的多能互补综合能源系统的供能控制方式需结合用能需求进行协调优化，优先采用边际成本较低的供能方式实现能量梯度利用，才能有效提升能源利用效率，降低用能成本。由于煤矿的用热需求较大，其随季节天气的变化波动较大，需同时结合供需两侧能量供给与消耗的监测数据以及对未来时段的负荷预测数据，利用协同优化算法，计算获得系统运行成本最低的最优设备运行策略，从而使清洁能源系统运行在最优状态，在保证系统运行可行性和可靠性的同时，实现系统整体的供需协同优化，达到整体经济效益最大化的目标。

3.6 经济社会环保效益分析

随着碳达峰、碳中和的深入推进，矿区降低能耗、减少碳排放的要求日益严格，新能源的消纳与高效利用等问题也随之而来；需综合考虑矿区用能条件以实现与新能源的相互优化匹配才能实现综合效能最大化。在经济效益层面，通过构建以新能源为主体的煤矿供能方式，采用“自发自用，余电上网”方式，可降低煤矿容量电费和电量电费，推动吨煤开采成本进一步降低；在社会效益层面，通过矿区分布式的多能互补综合能源系统建设，提升在自然灾害、战争等极端条件下的煤炭供能系统保证安全可靠，对维护我国能源安全具有重要意义；在环保效益层面，矿区多能互补综合能源系统为矿区生产开采过程减少二氧化碳排放探索出可行路径，可为减少温室气体排放发挥好生态环境效益提供支撑。