矿山供水管线水能发电系统应用的研究

矿山供水管线水能发电系统应用的研究

郑晓玲

玉溪大红山矿业有限公司     653405

摘要：玉溪大红山矿业有限公司是我国著名的矿产，每年在生产上都会消耗大量的电能，随着产量的不断增加，导致电力消耗和碳排放增加。为响应国家“双碳”“双控”发展规划及强制性政策要求，玉溪大红山矿业有限公司开展了井下400万t/a二期供水管线水能发电工作，该水能发电系统利用巨大的水位差，将重力势能转化为电能，其发电效率完全满足了斜坡道1523盏，总功率45.6kW，电压等级AC220V负荷稳定波动±5％之间的照明设施的照明需求，降低的碳排放量，对我国碳中和和环境保护，生态保护都有着巨大意义。

关键字：供水管线；水能发电；大红山

前言：我国的工业发展离不开电力的使用，自改革开放以后，我国工业日新月异的进步，同时对电力的需求也越来越大。这促使我国对化石燃料的开采有了极高的需求，长此以往，必然会导致我国的化石燃料枯竭，同时大量的碳排放会导致我国的生态环境受到严重破坏，不利于我国能源的可持续利用和发展。自2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出:"中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。" 起，实现“双碳”目标已经成为所有中国人民共同的目标。“碳中和”指排出的二氧化碳或温室气体被植树造林、节能减排等形式抵消。为达到“碳中和”的目标，可以采用植树造林，增加空气中二氧化碳的吸收量以及通过投资开发运用可再生能源和低碳清洁技术，减少二氧化碳的排放量。为响应“双碳”目标，矿业公司采取了利用供水管线水能进行发电来为厂内提供一定量的电力的措施。该水能发电系统的水源是一个1万立方米高位的水池群，通过自流的方式将水流落差形成的势能转化为电能，按照电力消耗碳排放量系数0.5271t co2/Mwh测算，此水能发电系统年发电量45万kw·h，折合绿色电能，每年可减少二氧化碳排放237t/年。按消耗标准煤当量值系数1.229吨标准煤/万千瓦时测算，年可减少55.3吨标准煤消耗。为实现“双碳”、低碳生产进一份力。

一、发电系统工作的基本条件

人员：玉溪大红山矿业有限公司有着专业的电气、供电系统、给水排水技术团队。经过多年岗位历练、项目技改积累、外送学习提升，完全具备项目开展技术条件。

设备：水力发电的设备发展到现在已有140多年的历史，随着设备生产工艺逐步完善和优化，目前水力发电设备已经完全可以实现针对不同水流量和水头灵活配置发电机的需求，依据矿山公司供水状况，立柱式和卧式发电机组均能够满足此项目使用需求。

水源：供水点是10000m3的高位水池群，水源为南恩河、戛洒江供水及尾矿库回水，水源充足。供水机器设备开动率仅是58%，可以根据供水需求灵便调整供水水源，总体供给量超出发电需求量。

方法：此方法充足参考了一般水电工程技术，该系统的优势在于水源稳定，所需供水线路在建厂初期便已建成，发电机组安放空间利用闲置回风巷道，减少了土建投资，产生电能就地消耗。

环境：大红山铁矿坐落于云南玉溪市新平县戛洒、老厂、新化三县交汇处。 地处云南高原中间衰牢山脉以东，座标东经101°39，北纬度24°06，矿区海拔高度在600m ~ 1850m范围。夏天酷热，最高温度42℃，最低温度1℃，平均温度23.5℃。矿业公司主要供水水源为戛洒江取水、南恩河取水、尾矿库回水，水量供应充沛。

测量：根据近些年对矿业公司供水管路的工作压力、流量、流速、水头等运行数据的精确测量和追踪，平均流量90 m³/h，压力3 Mpa，水质为Ⅲ类水体水质，日均供水2200m³/d,累计供水量160.6万m³，不受丰、平、枯季节性变化影响等特点，具备可将供水管线流动的水能转换为电能的基本条件，满足基本建设小型水电站的前提条件。

二、矿山供水管线水水能发电系统主要技术

把水流起伏落差所引起的重力势能转化成机械动能，机械动能再根据电流的磁效应转化成电磁能。此项目采用400万t/a二期供水管路在生产用水前发电，发电后回归生产用水。全部发电全过程不耗费生产用水，发电量用于斜坡道1523盏，总功率45.6kW照明设施的持续照明。

此发电项目的水源信息：400万t/a二期供水，水源由10000m³ 高位水池（标高：745m）自流自各用水点，主供水管管径φ273mm,日均供水量约2200m³/d,平均流量90 m³/h，压力3 Mpa，水质为Ⅲ类水体水质。根据生产计划，用水呈白天用水需求大夜间用水逐步下降变化趋势，流量波动范围（60-130）m³/h。

基本建设场地规划：1）供水管道实际走向：720米井口、720米平台、710米下坡道井口、380米人行井。2）上坡斜道440m回风连道区域，巷道断面宽3800mm高4000mm，有效利用的长度在60米左右。巷道距400万t/a二期供水主管有40m的直线距离，工程施工难度系数低，可以根据需求建造集水池。 3）在巷道里有废弃的临时风机配电间，深度在5米左右，宽高各4米，可按照实际工程项目需要加以利用。

依据以上水源信息及基本建设场地规划，运用井下供水管路建设水力发电设施从技术上是可行的，一管一机，装机量75kW，年使用时长7200h，年发电量45万kWh，供电系统产能能为斜坡上1523个照明设备持续供电，折合功率相当于45.6kW，工作电压等级为AC220V，其负荷波动在5%左右。

该发电项目的核心由矿山进口蓄水池、压力管道、工业厂房、尾水渠、倒虹吸构成。电站主要基本参数如下：

供水发电所选用的设备参数如下表所示：

表 1 供水系统设备参数

根据现有水文数据，在确保不影响正常供水前提下，该供电系统能够确保斜坡道照明设施稳定供电，同时通过此项目实施可以加强对管道水流输送过程分流、泄压、供变化等因数对发电出力影响的研究，为下一步400万t/a一期供水、1号铜供水水能发电提高理论数据支撑。

三、供水管线水能发电的效益

3.1. 经济效益

该供水线路水能发电系统的输出功率可以通过以下公式进行测算：

p=9.8 gQH

在公式中P值代表的是输出，功率单位是千瓦；9.8为数值常量，代表的是重力加速度； g为一般效力，一般情况下，该数值可以取0.8~0.9之间，这里以最低值0.8来算； Q在公式中代表的是每秒的水流量； H在公式中表示的是毛水头上下游在水电站的水位差，单位为米。

将数值代入公式后得到9.8×0.8×0.025×305≈59kW。

最后将线路损耗率系数0.967、90%的年度作业率代入公式当中，能够算出每年的发电量大概为 q=0.9×PDT×0.967=0. 9×59×24×365×0.967≈45万kW.h。

按照矿山公司2021年电费年均值0.43元/度、年度折旧6万元/a、2.5万元/a的维护检测成本来进行测算，可以得到新增加经济效益大概为：45×0.43-（6+2.5）=10.85万元/a。

3.2. 对社会的效益

促进新能源技术的应用与推广，塑造绿色、环保节能、低碳的发展理念，激励员工进行低碳生活、低碳生产。利用大红山此次供水线路水能发电项目，实现储备“碳达峰”“碳中和”，创建专业的技术团队，为实现我国碳中和的目标做准备。

3.3. 环境保护效益

按照电力消耗碳排放量系数0.5271t co2/Mwh测算，年发电量45万kw·h，折合绿色电能可减少二氧化碳排放237t/年。按消耗标准煤当量值系数1.229吨标准煤/万千瓦时测算，年可减少55.3吨标准煤消耗。

结论

碳中和是近些年来我国一直想要实现的生产标准，通过低碳生产、植树造林、使用清洁能源等方式，做到我国工业生产的碳排放降到最低，极大程度上保护我国的生态环境，维持绿色可持续发展。大红山矿业通过供水线路实现水能发电，来促进新能源的使用，分担工厂生产时对电能的消耗，实现工厂生产自给自足。该水能发电系统有着严格的发电标准，通过高水位的重力势能，转化为机械能再转化为电能，该系统具有一定的稳定性，且转化效率较高，为工厂的工业生产、生态环境带来了极高的效益。推动和发展大红山矿业的供水管线水能发电，培养专业的技术团队，对我国实现碳中和、走绿色持续发展道路有着巨大的帮助。

参考文献

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