一种基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统

1.本发明涉及一种矿井地热利用系统，具体是一种基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，属于矿井能源低碳生产技术领域。


背景技术：

2.我国煤炭资源丰富，煤炭是我国主要能源之一，据中国2021年国民经济和社会发展统计公报显示，我国煤炭消费量占能源消费总量的56％。煤炭开采属于高能耗产业，如何实现煤矿节能经济生产是业内关注的问题。
3.由于我国北方地区冬季温度低，需要对矿区进风井口进行加热防冻，这一举措既保证了风机正常运行，又可确保井下人员相对适宜的工作环境。目前矿区取热的方式大多通过燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉来满足，燃煤锅炉存在热效率低、污染物直接排放、资源浪费等问题，目前已逐步被燃气锅炉或电锅炉取代，但燃气锅炉存在氮氧化物排放高、运行费用高等问题，电锅炉虽然运行相对安全，但应用受煤矿电容量限制、且运行费用也较高，因此现有技术中出现利用矿井地热资源进行矿区取热的技术方案，如采用热泵技术将煤矿乏风或煤矿涌水中的余热进行利用，但存在热源输送能耗大的问题。
4.当前我国煤矿开采依然以井工开采为主，井工型煤矿占比超88％，井下采掘完毕后通常会形成巨大的采空区，而采空区通常是进行填充以减小对地表环境的破坏，但充填采空区不仅耗能大、而且会造成地下空间资源的浪费，因此现有技术中出现利用采空区存储物资进行再利用的技术方案，如针对缺水矿区、将采空区充填封堵覆岩导水裂隙带后再造形成地下储水空间，但充填封堵覆岩导水裂隙带作业繁琐。
5.目前我国在煤矿衍生能源及地下空间资源开发利用方面还处于分类探索阶段，缺乏矿山余热资源、地下空间储能、地热资源等多能互补模式联合开发和综合利用的技术手段及能源调度方案。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，能够实现综合利用矿井涌水资源、矿井井下余热资源、采后地下空间及地热资源，达到多能互补、联合开发和综合利用的目的。
7.为实现上述目的，基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统包括井下涌水水仓抽排部分、涌水余热利用部分、涌水回灌势能发电部分和水资源回渗循环部分；
8.井下涌水水仓抽排部分包括位于矿井下的涌水水仓以及涌水排水机组，井下排水槽通过可变速抽水蓄能机组与涌水水仓连接，涌水水仓通过涌水排水机组与抽取通道连接；
9.涌水余热利用部分包括水源热泵机组，水源热泵机组的换热进水端口与抽取通道的输出端连接；
10.涌水回灌势能发电部分包括地表水库、回灌通道以及水力发电机组，地表水库的
补水输入端与水源热泵机组的换热出水端口连接，地表水库的排水端与回灌通道的输入端连接，水力发电机组的水轮机设置在回灌通道内；
11.水资源回渗循环部分包括设置在涌水水仓上方采空区的采空工作面蓄水池，回灌通道的排水端与采空工作面蓄水池连接，采空工作面蓄水池与涌水水仓之间具有岩层裂隙；
12.基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统具体包括以下步骤：
13.a.矿井涌水提升：矿井开采过程中岩层含水层渗出的富热涌水沿井下排水槽汇集至涌水水仓，在满足涌水水仓容量安全裕度的基础上依据涌水量设定涌水排水机组排水流量，并响应实时电价启动涌水排水机组将带有余热资源的矿井涌水提升至地面；
14.b.涌水余热利用：矿井涌水被提升至地面后，通过涌水水源热泵机组将涌水中汲取的地热资源与换热介质进行换热，同时考虑实时购热成本与购电成本，由水源热泵机组以电制热和外购热能共同供应热负荷需求；
15.c.涌水回灌势能发电：将换热后的涌水输送至地表水库，在满足地表水库容量安全裕度的基础上打开地表水库的排水端将地表水库的水经回灌通道回输至采空工作面蓄水池，期间由水力发电机组将回灌水的势能转化成电能；
16.d.回渗蓄热：利用采空工作面蓄水池作为长期储水空间、并利用回灌水通过岩层裂隙回渗至涌水水仓的过程中吸收地热资源以形成富热涌水的一部分，实现涌水的循环利用。
17.涌水水仓模型为
[0018][0019]
其中，v为水仓容量，单位：m3；q为正常涌水量，单位：m3/h；vk为水仓空仓容量，单位：m3；
[0020]
涌水排水机组模型为
[0021][0022]
其中，wg为排水机组运行流量，单位：m3/h；pg为排水机组运行功率，单位：kw；p为介质比重，水取1000kg/m3；g为重力加速度，取9.8n/kg；hg为排水机组扬程，单位：m；ηg为排水机组运行效率。
[0023]
涌水调度约束为
[0024]vt+1
＝v
t
+q
t-w
t
[0025]
其中，v
t
为t时刻水仓中的涌水量；q
t
为t时刻涌水的涌出量；w
t
为t时刻排水机组抽取的涌水量；
[0026]
可变速抽水蓄能机组的出力约束为
[0027][0028]
式中：分别为可变速抽水蓄能机组j在时段t的发电功率和抽水功率，单位：kw；分别为可变速抽水蓄能机组j的最小和最大发电和抽水功率，单位：kw；
[0029]
地表水库库容水量折算的等值可发电量为
[0030][0031]
式中：ηj为可变速抽水蓄能机组j的抽水蓄能效率，取值为75％；j为可变速抽水蓄能机组总数；
[0032]
地表水库可发电量约束为
[0033]emin
≤e
t
≤e
max
[0034]
式中：e
min
、e
max
分别为地表水库最小库容等值可发电量和最大库容等值可发电量；
[0035]
涌水回灌始末时刻地表水库库容关系约束为
[0036]et,end
＝β
·et0
[0037]
式中：e
t,end
、e
t0
分别为涌水回灌的末时刻地表水库库容和涌水回灌的初始时刻地表水库库容；β为系数，β取值为1。
[0038]
水源热泵模型为
[0039][0040]
其中，cop为水源热泵机组的制热性能系数；c
hp,p
为水源热泵机组的电制热量，单位：kw；p
hp
为水源热泵机组消耗的电功率，单位：kw；c
hp,y
为水源热泵机组从热源侧吸收的热量，单位：kw；c为循环工质的比热容，单位：j/(kg
·
℃)；q为循环工质的质量流量，单位：kg/s；t
hp,in
、t
hp,out
分别为水源热泵蒸发器侧入口和出口温度，单位：℃；c为水源热泵机组总制热量，单位：kw。
[0041]
系统电能量平衡约束为
[0042]
p
hp
+p+p
im
＝p
grid
+p
ex
[0043]
其中，p为煤矿电负荷功率，单位：kw；p
im
为可变速抽水蓄能机组用电功率，单位：kw；p
grid
为系统向外部电网购电功率，单位：kw；p
ex
为水力发电机组发电功率，单位：kw；
[0044]
系统热能量平衡约束为
[0045]
c＝c
hp
+c
buy
[0046]
其中，c为系统的总热需求功率，单位：kw；c
buy
为系统的外购热功率，单位：kw；以系统日运行经济性最优为目标，将目标函数表示如下
[0047]
z＝λ
p
·
p
grid
+λc·cbuy
[0048]
其中，z为系统运行的购能总成本，单位：元；λ
p
为分时电价，单位：元/kwh；λc为分时热价，单位：元/kwh。
[0049]
与现有技术相比，本基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统可以在满足涌
水安全排出要求的同时，通过实时响应电价变化的灵活涌水抽排利用模式，既实现了涌水余热资源充分利用和排水经济性调度，还能利用涌水回灌势能发电形成清洁电源，在长时间尺度中利用水资源回渗充分吸收地热资源形成富热水，可实现矿井采中及采后涌水资源的整合及利用，不仅可满足煤矿涌水的安全抽排需求，同时实现了富热涌水资源及采后井下空间的充分利用，降低煤矿安全生产要求下的伴生资源浪费，提升能源资源的转换利用效率，具有良好的环境、社会与经济综合效益及较高的工程应用价值，特别适用于矿井涌水资源、矿井井下余热资源、采后地下空间及地热资源的综合利用。
附图说明
[0050]
图1是基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统的组成示意图；
[0051]
图2是山西某煤矿采用本基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统的经济性调度结果对比图；
[0052]
图3是山西某煤矿的煤矿涌水情况及热泵机组cop变化示意图；
[0053]
图4是山西某煤矿矿井的电热负荷需求图；
[0054]
图5是山西某煤矿涌水排水机组及水源热泵用电功率图；
[0055]
图6是山西某煤矿水力发电机组发电功率及蓄水池储存的可发电量示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0057]
如图1所示，本基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统包括井下涌水水仓抽排部分、涌水余热利用部分、涌水回灌势能发电部分和水资源回渗循环部分。
[0058]
井下涌水水仓抽排部分包括位于矿井下的涌水水仓以及涌水排水机组，井下排水槽通过可变速抽水蓄能机组与涌水水仓连接，涌水水仓通过涌水排水机组与抽取通道连接。
[0059]
涌水余热利用部分包括水源热泵机组，水源热泵机组的换热进水端口与抽取通道的输出端连接。
[0060]
涌水回灌势能发电部分包括地表水库、回灌通道以及水力发电机组，地表水库的补水输入端与水源热泵机组的换热出水端口连接，地表水库的排水端与回灌通道的输入端连接，水力发电机组的水轮机设置在回灌通道内。
[0061]
水资源回渗循环部分包括设置在涌水水仓上方采空区的采空工作面蓄水池，回灌通道的排水端与采空工作面蓄水池连接，采空工作面蓄水池与涌水水仓之间具有岩层裂隙。
[0062]
利用基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统进行地热利用，包括以下步骤：
[0063]
a.矿井涌水提升：矿井开采过程中岩层含水层渗出的富热涌水可沿井下排水槽汇集至涌水水仓，涌水水仓可在允许范围内短期存储涌水，在满足涌水水仓容量安全裕度的基础上可依据涌水量设定涌水排水机组排水流量，并响应实时电价启动涌水排水机组将带有余热资源的矿井涌水提升至地面。
[0064]
①
建立涌水水仓模型为
[0065][0066]
其中，v为水仓容量，单位：m3；q为正常涌水量，单位：m3/h；vk为水仓空仓容量，单位：m3。
[0067]
②
建立涌水排水机组模型为
[0068][0069]
其中，wg为排水机组运行流量，单位：m3/h；pg为排水机组运行功率，单位：kw；p为介质比重，水取1000kg/m3；g为重力加速度，取9.8n/kg；hg为排水机组扬程，单位：m；ηg为排水机组运行效率。
[0070]
③
建立涌水调度约束为
[0071]vt+1
＝v
t
+q
t-w
t
[0072]
其中，v
t
为t时刻水仓中的涌水量；q
t
为t时刻涌水的涌出量；w
t
为t时刻排水机组抽取的涌水量。
[0073]
b.涌水余热利用：矿井涌水被提升至地面后，通过涌水水源热泵机组将涌水中汲取的地热资源与换热介质进行换热，同时考虑实时购热成本与购电成本，由水源热泵机组以电制热和外购热能共同供应热负荷需求。
[0074]
建立水源热泵模型为
[0075][0076]
其中，cop为水源热泵机组的制热性能系数；c
hp,p
为水源热泵机组的电制热量，单位：kw；p
hp
为水源热泵机组消耗的电功率，单位：kw；c
hp,y
为水源热泵机组从热源侧吸收的热量，单位：kw；c为循环工质的比热容，单位：j/(kg
·
℃)；q为循环工质的质量流量，单位：kg/s；t
hp,in
、t
hp,out
分别为水源热泵蒸发器侧入口和出口温度，单位：℃；c为水源热泵机组总制热量，单位：kw。
[0077]
c.涌水回灌势能发电：将换热后的涌水输送至地表水库，在满足地表水库容量安全裕度的基础上打开地表水库的排水端将地表水库的水经回灌通道回输至采空工作面蓄水池，期间由水力发电机组将回灌水的势能转化成电能，形成清洁电源。
[0078]
①
煤矿涌水抽水蓄能机组运行在抽水状态时的功率与抽水蓄能机组的类型密切相关，建立可变速抽水蓄能机组的出力约束为
[0079][0080]
式中：分别为可变速抽水蓄能机组j在时段t的发电功率和抽水功率，单
位：kw；分别为可变速抽水蓄能机组j的最小和最大发电和抽水功率，单位：kw。
[0081]
②
地表水库库容水量折算的等值可发电量为
[0082][0083]
式中：ηj为可变速抽水蓄能机组j的抽水蓄能效率，取值为75％；j为可变速抽水蓄能机组总数。
[0084]
③
地表水库可发电量约束为
[0085]emin
≤e
t
≤e
max
[0086]
式中：e
min
、e
max
分别为地表水库最小库容等值可发电量和最大库容等值可发电量。
[0087]
④
涌水回灌始末时刻地表水库库容关系约束为
[0088]et,end
＝β
·et0
[0089]
式中：e
t,end
、e
t0
分别为涌水回灌的末时刻地表水库库容和涌水回灌的初始时刻地表水库库容；β为系数，由调度机构根据系统实际情况确定，对于日调节式抽水蓄能电站而言，β通常取值为1。
[0090]
⑤
系统电能量平衡约束为
[0091]
p
hp
+p+p
im
＝p
grid
+p
ex
[0092]
其中，p为煤矿电负荷功率，单位：kw；p
im
为可变速抽水蓄能机组用电功率，单位：kw；p
grid
为系统向外部电网购电功率，单位：kw；p
ex
为水力发电机组发电功率，单位：kw。
[0093]
⑥
系统热能量平衡约束为
[0094]
c＝c
hp
+c
buy
[0095]
其中，c为系统的总热需求功率，单位：kw；c
buy
为系统的外购热功率，单位：kw。
[0096]
⑦
以系统日运行经济性最优为目标，将目标函数表示如下
[0097]
z＝λ
p
·
p
grid
+λc·cbuy
[0098]
其中，z为系统运行的购能总成本，单位：元；λ
p
为分时电价，单位：元/kwh；λc为分时热价，单位：元/kwh。
[0099]
d.回渗蓄热：利用采空工作面蓄水池作为长期储水空间，在长时间尺度中利用回灌水通过岩层裂隙回渗至涌水水仓，回渗水在回渗过程中充分吸收地热资源、形成富热涌水的一部分，实现涌水的循环利用。
[0100]
以山西某煤矿为例，该煤矿涌水量、水源热泵机组cop、电负荷、热负荷数据等日曲线如图3图4所示，正常涌水量设定为300m3/h，水源热泵取热温差为5℃，利用matlab_r2021b调用gurobi10.0.1求解器进行仿真求解，系统中排水机组运行功率曲线与水源热泵机组用电功率曲线、水电机组发电量曲线等如图5图6所示，该煤矿经济性调度结果对比图如图2所示，可见，本基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统不仅满足了煤矿涌水的安全抽排需求，同时实现了富热涌水的余热资源及重力势能的充分利用，降低煤矿安全生产要求下的伴生资源浪费，提升能源资源的转换利用效率。

技术特征：
1.一种基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，其特征在于，包括井下涌水水仓抽排部分、涌水余热利用部分、涌水回灌势能发电部分和水资源回渗循环部分；井下涌水水仓抽排部分包括位于矿井下的涌水水仓以及涌水排水机组，井下排水槽通过可变速抽水蓄能机组与涌水水仓连接，涌水水仓通过涌水排水机组与抽取通道连接；涌水余热利用部分包括水源热泵机组，水源热泵机组的换热进水端口与抽取通道的输出端连接；涌水回灌势能发电部分包括地表水库、回灌通道以及水力发电机组，地表水库的补水输入端与水源热泵机组的换热出水端口连接，地表水库的排水端与回灌通道的输入端连接，水力发电机组的水轮机设置在回灌通道内；水资源回渗循环部分包括设置在涌水水仓上方采空区的采空工作面蓄水池，回灌通道的排水端与采空工作面蓄水池连接，采空工作面蓄水池与涌水水仓之间具有岩层裂隙；利用基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统进行地热利用时，具体包括以下步骤：a.矿井涌水提升：矿井开采过程中岩层含水层渗出的富热涌水沿井下排水槽汇集至涌水水仓，在满足涌水水仓容量安全裕度的基础上依据涌水量设定涌水排水机组排水流量，并响应实时电价启动涌水排水机组将带有余热资源的矿井涌水提升至地面；b.涌水余热利用：矿井涌水被提升至地面后，通过涌水水源热泵机组将涌水中汲取的地热资源与换热介质进行换热，同时考虑实时购热成本与购电成本，由水源热泵机组以电制热和外购热能共同供应热负荷需求；c.涌水回灌势能发电：将换热后的涌水输送至地表水库，在满足地表水库容量安全裕度的基础上打开地表水库的排水端将地表水库的水经回灌通道回输至采空工作面蓄水池，期间由水力发电机组将回灌水的势能转化成电能；d.回渗蓄热：利用采空工作面蓄水池作为长期储水空间、并利用回灌水通过岩层裂隙回渗至涌水水仓的过程中吸收地热资源以形成富热涌水的一部分，实现涌水的循环利用。2.根据权利要求1所述的基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，其特征在于，涌水水仓模型为其中，v为水仓容量，单位：m3；q为正常涌水量，单位：m3/h；v
k
为水仓空仓容量，单位：m3；涌水排水机组模型为其中，w
g
为排水机组运行流量，单位：m3/h；p
g
为排水机组运行功率，单位：kw；p为介质比重，水取1000kg/m3；g为重力加速度，取9.8n/kg；h
g
为排水机组扬程，单位：m；η
g
为排水机组运行效率。
3.根据权利要求2所述的基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，其特征在于，涌水调度约束为v
t+1
＝v
t
+q
t-w
t
其中，v
t
为t时刻水仓中的涌水量；q
t
为t时刻涌水的涌出量；w
t
为t时刻排水机组抽取的涌水量；可变速抽水蓄能机组的出力约束为式中：分别为可变速抽水蓄能机组j在时段t的发电功率和抽水功率，单位：kw；分别为可变速抽水蓄能机组j的最小和最大发电和抽水功率，单位：kw；地表水库库容水量折算的等值可发电量为式中：η
j
为可变速抽水蓄能机组j的抽水蓄能效率，取值为75％；j为可变速抽水蓄能机组总数；地表水库可发电量约束为e
min
≤e
t
≤e
max
式中：e
min
、e
max
分别为地表水库最小库容等值可发电量和最大库容等值可发电量；涌水回灌始末时刻地表水库库容关系约束为e
t,end
＝β
·
e
t0
式中：e
t,end
、e
t0
分别为涌水回灌的末时刻地表水库库容和涌水回灌的初始时刻地表水库库容；β为系数，β取值为1。4.根据权利要求3所述的基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，其特征在于，水源热泵模型为其中，cop为水源热泵机组的制热性能系数；c
hp,p
为水源热泵机组的电制热量，单位：kw；p
hp
为水源热泵机组消耗的电功率，单位：kw；c
hp,y
为水源热泵机组从热源侧吸收的热量，单位：kw；c为循环工质的比热容，单位：j/(kg
·
℃)；q为循环工质的质量流量，单位：kg/s；t
hp,in
、t
hp,out
分别为水源热泵蒸发器侧入口和出口温度，单位：℃；c为水源热泵机组总制热量，单位：kw。5.根据权利要求4所述的基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，其特征在于，系统电能量平衡约束为p
hp
+p+p
im
＝p
grid
+p
ex
其中，p为煤矿电负荷功率，单位：kw；p
im
为可变速抽水蓄能机组用电功率，单位：kw；p
grid
为系统向外部电网购电功率，单位：kw；p
ex
为水力发电机组发电功率，单位：kw；
系统热能量平衡约束为c＝c
hp
+c
buy
其中，c为系统的总热需求功率，单位：kw；c
buy
为系统的外购热功率，单位：kw；以系统日运行经济性最优为目标，将目标函数表示如下z＝λ
p
·
p
grid
+λ
c
·
c
buy
其中，z为系统运行的购能总成本，单位：元；λ
p
为分时电价，单位：元/kwh；λ
c
为分时热价，单位：元/kwh。

技术总结
本发明公开了一种基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统，包括井下涌水水仓抽排部分、涌水余热利用部分、涌水回灌势能发电部分和水资源回渗循环部分。本基于矿井涌水循环的地热利用及抽蓄发电系统可以在满足涌水安全排出要求的同时，通过实时响应电价变化的灵活涌水抽排利用模式，既实现了涌水余热资源充分利用和排水经济性调度，还能利用涌水回灌势能发电形成清洁电源，并利用水资源回渗充分吸收地热资源形成富热水，可实现矿井采中及采后涌水资源的整合及利用，不仅可满足煤矿涌水的安全抽排需求，同时实现了富热涌水资源及采后井下空间的充分利用，降低煤矿安全生产要求下的伴生资源浪费，提升能源资源的转换利用效率。率。率。


技术研发人员：梁睿 王琛 梁凯泽 李嘉翔 吕超贤 张鹏 黄宏旭 彭楠
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/28