首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 煤矿巷道压缩空气储能发电技术的应用研究

煤矿巷道压缩空气储能发电技术的应用研究

2024-11-04 54 上传者：管理员

摘要：煤矿废弃巷道的治理和利用是绿色矿山建设的重要内容。设计了一种巷道压缩空气储能发电系统，搭建了储能系统在发电模式下的仿真模型，研究了膨胀机在发电模式下做功过程特性变化，分析了随着发电负荷变化膨化机输出转速和压力的变化特点，验证了该储能发电技术的可行性，对于提高煤矿废旧巷道的利用率和经济价值具有重要意义。

关键词：
仿真模型
储能
压缩空气
煤矿废弃巷道
绿色矿山建设
加入收藏

煤炭是我国的主体能源，是推动经济发展和维护社会稳定的主要能源支撑。改革开放以来我国原煤产量累计已达到1 000亿t，为社会的发展提供70%的一次能源，其中井下煤矿产能占比为82%。在矿产资源开发过程中，大量矿山逐渐进入闭坑或停产状态，留下了众多井下废弃巷道（腔体），不仅造成资源浪费，也对环境造成破坏。废弃巷道空间的治理和利用是一门重要的研究课题，常见的废弃巷道治理方式有压缩空气储能、旅游资源开发、建设地下水库等，其中压缩空气储能发电技术具有巨大的经济价值和广阔的推广前景。

煤矿废旧巷道压缩空气发电技术即压缩空气储能技术在煤矿废旧巷道中的应用，实现发电与储能的双向能量转换，是一种具有广阔发展前景的大规模储能技术。压缩空气储能系统主要分为储能和释能2个过程：①储能过程在电网负荷低谷或可再生能源电力富余时，利用电动机驱动空气压缩机，将空气压缩并储存到作为储气室的密闭大容量地下空间，如煤矿废旧巷道，在此过程中电能被转化为储存在空气中的内能；②释能过程当电网负荷高峰或电力不足时，将储气室中的高压空气释放出来，通过膨胀机做功驱动发电机发电，将储存的内能转化为电能回馈电网。

1、巷道压缩空气储能发电系统的结构分析

巷道压缩空气储能发电系统是一种利用电力系统负荷低谷时的多余电量，通过电动机带动空气压缩机将空气压缩并储存在地下巷道中，待电力系统发电量不足时释放压缩空气进行发电的储能技术。巷道压缩空气储能系统主要由以下几个关键部件组成：①压缩机压缩机是提升气体压力的设备，将空气压缩至高压状态，以便储存。压缩机的种类和压缩方式各不相同，但设计者会关注其进出口压力、压缩比、进出口温度或绝热效率以及压缩功率与流量等关键指标。②储气库（地下巷道）井下巷道作为储气库，用于存储压缩机压缩后的高压空气。这些巷道需要具有良好的气密性，以确保空气在储存过程中不会泄漏。③膨胀机膨胀机是释能过程中的关键设备，将高压空气释放并推动其膨胀做功，将空气的压力能和热能转化为机械能。④发电机膨胀机输出的机械能通过发电机转化为电能，供电网使用。⑤电动机在储能过程中，电动机用于驱动空气压缩机工作。⑥控制系统包括传感器、控制器等，用于监测系统运行状态，控制各部件的协调工作，确保系统安全、高效运行。

巷道压缩空气储能技术原理如图1所示。

图1 巷道压缩空气储能发电技术原理图

该系统工作模式包括储能模式和发电模式。当其工作在储能模式下，分布式电源产生电能大于用电负荷，开启储气库二位二通换向阀，永磁同步电动机带动压缩机做功，将微电网中多余电能存储在巷道压缩空气储能器中，其能量转换过程是电能→机械能→液压能→可压缩空气内能。当其工作在液压发电模式下，分布式电源产生电能不足以满足用电负荷需求，开启储气库二位二通换向阀，高压油驱动膨胀机带动发电机发电，经变换器向微电网提供能量，其能量转换过程为可压缩空气内能→液压能→机械能→电能。

2、巷道压缩空气发电模式仿真分析

(1）巷道压缩空气发电系统仿真模型的建立

搭建了巷道压缩空气储能发电模式联合仿真模型，巷道压缩空气发电模式仿真工具1的部分仿真模型如图2所示，巷道压缩空气发电模式仿真工具2的部分仿真模型如图3所示。为了验证其可行性，当微电网系统负载调整时，通过控制比例调速阀来调节膨胀机的转速，从而调整膨胀机的输出功率。设定在t=0.6 s时负载由1 kW增加到1.5 kW。

图2 巷道压缩空气发电模式仿真工具1的部分仿真模型

图3 巷道压缩空气发电模式仿真工具2的部分仿真模型

系统主要器件参数：

(2）巷道压缩空气发电系统仿真分析

根据所搭建的巷道压缩空气储能系统在发电模式下仿真模型和给定的相应参数进行了仿真验证。膨胀机负载变化曲线如图4所示，膨胀机转速变化曲线如图5所示，膨胀机输入压缩空气压力变化曲线如图6所示。

图4 膨胀机负载变化曲线

图5 膨胀机转速变化曲线

图6 膨胀机输入压缩空气压力变化曲线

随着发电机负载变化，膨胀机负载也出现相应变化。

通过对图4和图5分析可知，当膨胀机负载为1.13 kW时，膨胀机转速经瞬间的振荡后从260 r/min缓慢上升；在0.6 s时刻，膨胀机负载增加到1.68 kW，膨胀机转速经短暂振荡稳定到410 r/min，随后开始缓慢地增加。以上证明通过调节比例调速阀来控制膨胀机转速能够调节膨胀机的功率。

通过对图4和图6分析可知，当膨胀机负载为1.13 kW时，膨胀机输入压缩空气压力开始从2.3 MPa缓慢下降；在0.6 s时刻，负载增加到1.68 kW，该压力出现小幅度跌落，然后开始平滑降低，相比于前一段时间降低幅度明显增大。整体来看，巷道压缩空气储能在发电模式下，膨胀机输入压缩空气压力呈现不断下降的趋势。

3、结语

本文设计了一种巷道压缩空气储能系统，搭建了巷道压缩空气发电模式的仿真模型，研究分析了在发电负荷调整的情况下膨胀机输出转速和压缩空气压力的变化特点，验证了该储能系统在发电模式下具有一定的可行性，提高了废旧巷道资源利用率和经济价值，为推动煤矿能源结构向低碳、绿色方向发展提出了一种新的思路，为资源枯竭矿井探索出一条资产效益最大化的可持续发展之路。

参考文献:

[2]李欣芮,周蜜,段昱,等.世界煤炭储量预测及研究[J].科技创新导报,2017,14(11):37-39.

[4]林伯强.中国新能源发展战略思考[J].中国地质大学学报(社会科学版),2018,18(2):76-83.

[5]杜俊生,陈结,姜德义,等.中国废弃煤矿压气蓄能潜力与初步可行性研究[J].工程科学与技术,2023,55(1):253-264.

[6]李允超,宋华伟,马洪涛,等.储能技术发展现状研究[J].发电与空调,2017,38(4):56-61.

基金资助:山西省重点研发计划项目(202202020101005);天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目重点项目(2022-2-TD-ZD001);山西天地煤机装备有限公司科技重大项目(M2023-ZD12);

文章来源:刘国鹏.煤矿巷道压缩空气储能发电技术的应用研究[J].煤矿机械,2024,45(11):147-149.