文摘

存储是目前促进氢能源的一个主要障碍。储氢在废弃的煤矿可以实现地下空间的有效利用,同时满足日益增长的需求能量储存设施,从而带来经济和环境效益。然而,在这一领域的研究一直局限于概念上的讨论阶段,没有建立一个科学的评价方法,修改和利用废弃煤矿的潜力空间。在这项研究中,基于网络分析法(ANP),介绍了先验的算法挖掘关联规则的各种影响因素。第一,先天算法应用于矿井指标之间的关联规则,消除不必要的影响关系,简化了网络结构模型,并优化ANP重量计算结果;第二,解决的方法与三角模糊数判断矩阵得到了改进,和指标权重由模糊解决九标志而不是九规模的方法,这是专家给模糊规模虽然方便更好的反映专家的意见。最后,ANP算法应用于等级获得的影响因素的权重,与更高的权重,讨论的主要因素和分析的可行性将候选人煤矿转化为氢储存设施使用派生的评价方法研究。本研究提出的评价方法和结论提供分析工具和决策依据的可行性分析将废弃煤矿的地下空间转化为氢储存设施和评估经济指标。

1。介绍

控制温室气体排放的关注和保证稳定的能源供应,新技术的开发利用清洁能源已经加速缓解能源短缺风险,恢复自然生态1- - - - - -3]。经济、大规模储能技术起着关键作用使公用事业行业更多的可再生能源集成到网格(4]。许多国家已经开始设定目标利用氢能源在工业、建筑、电力、和交通行业(5]。利用多余的窗口和太阳能发电不能接受电网电解水成氢和氧,氢的生产成本可以显著减少氢能源链的概念也将大大降低CO₂排放(6]。氢能源被认为是未来清洁能源的研究方向和发展由于其清洁、高效、零碳和可持续利用。然而,氢能源的发展仍然面临着许多挑战,其中存储是最关键的一个(7]。大型储氢可能以两种方式实现:(1)通过将氢存储集成到可再生能源系统;(2)通过使用“electricity-to-gas”技术,在多余的电力来自可再生能源转化为氢通过电解水,然后暂时存储在高峰使用的需求8),以适应每日和季节性变化对发电和氢供应的需求。作为可再生能源,氢可以用来解决这个供需不平衡(9,10]。

目前,最常用的储氢方法包括以下几点:高压气态储存、低温液体存储和存储合金(11]。高压气态储氢具有低成本和更快的填充和放电,但它消耗了大量的能源在压缩过程中,需要配备高强度,耐压,耐腐蚀容器,如泄漏和破裂风险(10]。低温液态储氢的最大的优点是储氢的密度相对较高,但是液体氢很容易挥发,和储运过程需要低温支持设备,这是昂贵的。此外,液体氢容易热分层存储在一个大型贮水池的时候,这可能会导致沸腾的液体氢和破裂的坦克。储氢合金储氢密度更大、更好的安全性能相比,上述两种方法(5,6),但性能不稳定和服务寿命并不理想后重复使用(12]。

与上面的储氢方法相比,地下储氢的优势如下(13):(1)高存储安全和低的可能性突然火灾风险;(2)较小的土地占用和方便与地面设备连接;(3)设备成本低,适用性高,适用于地质条件在许多国家和地区(14]。目前,已建成地下储氢盐洞在美国和英国,和地下储氢的可行性也被学者讨论(13)指的是天然气存储的实际经验。然而,该研究内容的使用地下空间的储氢煤矿仍然是罕见的。

煤炭是主要能源来源在许多国家(15,16],在长时间的开采,可开采的储量的许多往往是耗尽或已经耗尽,关闭,这些废弃的煤矿提供大量的地下空间,如轴、隧道、室,和其他地下空间资源17,18]。地下空间的使用废弃的煤矿储存氢转换提供了一个新的想法,开发和利用煤矿关闭。

地下储氢带来的好处在地下存储空间充分利用,提高能源效率,减少储气库的成本。它在调峰方面扮演着重要的角色,一个安全、稳定的燃料供给。然而,地下空间的使用储氢需要考虑许多安全和经济成本因素,其影响权力应该适当加权可行性研究、选址阶段(19]。在这项研究中,我们使用先验的算法结合网络分析法(ANP)方法来筛选各种影响因素,找出关键影响因素评估的可行性储氢在地下煤矿空间(20.,21]。

然而,当ANP方法用于调查之间的关联因素,复杂的计算过程显著提高和更大的计算能力是必需的。先验的算法是第一个关联规则挖掘算法和最常用的一个21]。它分裂迭代方法和发现协会的逐层搜索和现在常用的数学评价模型。当与ANP方法相结合,不同元素的关联可以首先开采由先验的算法,消除影响功率相对较低的元素,因此使ANP计算过程更简洁。该方法被用于评估电网安全风险因素和交通部门(22,23]。

本研究的目的是分析和研究影响因素建立氢储存设施废弃煤矿的地下空间使用先验的算法结合网络分析法(ANP)分析方法。的可行性研究将废弃煤矿空间转换成氢气储存设施,许多因素及其关联需要评估,包括地质因素、气体储存条件,人类的技术因素。传统的方法如层次分析法不能满足精度的要求。在这项研究中,先天的ANP方法改进算法是用来评估和等级地下储氢的影响因素在废弃的煤矿。在这项研究中提出的方法提供了足够的准确性而简洁,可以作为一个可靠的方法可行性研究、选址利用废弃的煤矿地下储氢设施的建设。

2。地下储氢的影响因素在废弃的煤矿

主要影响因素储氢在废弃的煤矿的地下空间通常可以分为3类,即地质因素,天然气储存条件,和人类的技术因素,如图1。

2.1。地质因素

2.1.1。发展的缺点/骨折

骨折的主要组件围岩构造裂缝,主要骨折,二次骨折(20.]。主要骨折不受隧道开挖的影响。(25)二次骨折和构造裂缝会被隧道开挖扰动后得到进一步的发展。岩体的渗透性更由二级和构造裂缝26]。因此,围岩裂缝发展的程度直接决定了其渗透性,有重要影响氢储存设施的安全。

2.1.2。岩体的稳定性

煤矿开采后,原岩应力状态改变。当地下空间作为氢储存设施,岩体的应力状态和稳定也改变了周期性变化由于注气压力和卸货26),这将导致对氢储存设施的稳定性产生影响。

2.1.3。煤层深度

当煤层深度浅,上覆岩层层工作表面上很容易产生沉降;矿区的上覆岩层的稳定性差;和煤层埋藏深度决定了大小,方向,和原岩应力分布状态,最大允许储气压力,影响储气条件和围岩的应力状态。

2.1.4。煤层倾角

煤层倾角影响采空区的顶板的破坏状态。煤层倾角较大时,上覆岩层在采空区上覆岩层的应力分布更为复杂和裂缝骨折更发达,所以稳定性很差16]。

2.1.5节讨论。地下水

当地下水进入存储和导电空间内的岩石,它改变了岩体的应力状态和力学性能;储气库的可用空间减少,风险增加。

2.2。天然气的储存条件

2.2.1。最大储气压力

由于煤矿的地质条件的复杂性,岩体的有效应力也将改变过程中注入,注入氢气。当储气压力大于围岩的地应力、围岩处于拉伸状态,影响岩体的稳定性。此外,由于大量的机械弱面岩体中提取区域,疲软的表面可能会扩大储氢水库的建设后,有一个重要的影响水库储氢的稳定性。

2.2.2。的变化率储气压力

注入和排出氢的过程中,岩体受到交变应力周期,和转换的存储压力影响的变化速度和频率在围岩有效应力,形成对围岩的稳定性产生影响。

2.2.3。储气压力的变化

下长期注射引起的交变应力和放电循环,岩体的力学性质就会发生改变,和压力的大小变化是影响因素之一。

2.2.4。可用天然气存储空间

废弃的煤矿的地下空间主要包括轴、道路,钱伯斯和采空区。并不是所有的空间都用于储氢,因此有效的可用空间储氢影响储氢水库建设的可行性。

2.3。人类的技术因素

2.3.1。好位置布局

根据不同的注入和泵送要求和储气条件下,需要根据具体情况安排好位置。不同的位置将决定气流在存储空间,这将影响到注入和泵效率和经济成本。

2.3.2。储气持续时间

储气持续时间决定了围岩应力变化的频率和影响围岩的稳定性。

2.3.3。原来的采煤方法

不同的采矿方法导致不同采空区顶板的接触区域。例如,在房柱式开采,采空区的接触面积相对较小,有利于稳定的氢存储结构;在长臂类型的矿业、采空区的接触面积更大,不利于稳定的氢存储结构。

2.3.4。压力扰动附近的煤矿

在开挖爆破振动所产生的应力扰动和附近的煤矿生产过程产生的诱导应力矿业可能被转移到周围的储氢储层的岩石,这可能重叠与储层本身的围岩压力,影响气体存储结构的稳定性。

2.3.5。密封性治疗

为了防止漏储氢的过程中,有必要进行密封性的地下空间。因此,它是一个重要因素的可行性评价的地下储氢在废弃的煤矿27]。

3所示。先验的算法和确定性算法

因为相关的不确定性因素在ANP方法,指标之间的相互关系,关联规则,消除不必要的因素由先验的挖掘算法的内部影响因素的基础上,由专家(28),因此简化了ANP的网络结构。

指标之间的影响关系是由专家决定的方法设置为一个数据集{D},每个指标组( ){的事务D},指标我_ij( = 1,2,…,5)的项目T_我,在那里我所有指标的集合由{D{},任何子集X}=K的项目集 。然后,{子集的支持程度X}(16,20.,21)是制定

在这里,是项目集的支持{X}在 。为X满足指定的最小支持度,一口(X)需求的频繁集K项{D}。

关联规则的可靠系数 是指不仅itemset的概率而且项目集是制定

最低支持minsub (和最低可靠系数 是用来表达最低重要性根据固定的规则和最低的信心,必须满足(29日]。当满足最小支持度和最小可信度需求同时,协会建立程度;否则,关联规则是冗余的,关联关系就被消除了。

找到指标的关联规则的例子我₂₂在T₂,minsub (X)= 40%,系数 = 70%[50]定义,为了简化计算过程,及指标,不影响彼此选择根据专家的经验,如表所示1。

为了简化计算过程,相关的计算项集使用Python。计算结果是{我₁₁,我₁₂,我₁₅,我₃₅,我₃₆}。

同样的,每个指标的关联规则集如表所示2。

4所示。评估的影响因素

4.1。网络分析法(ANP)方法

网络分析法(ANP)是一个复杂的系统评价和决策方法(31日]。ANP将系统元素划分为两个主要部分。第一部分成为控制因素层,它是独立于彼此,控制的目标元素。第二部分是网络层,它由所有的相互关联和相互影响元素由控制层,和图2是一个典型的ANP结构。

4.2。F-ANP理论和计算结果

ANP方法用于建立判断矩阵,通过比较指标之间相互作用关系的大小由专家评分2×2。在决策过程中,应考虑对象的复杂性和不确定性,并建立ANP时获得的判断价值判断矩阵并不是一个固定的数值,在一定的时间间隔内可能不同。因此,本研究采用F-ANP方法,它结合了模糊评价方法和ANP方法,评估的影响因素,并利用三角模糊函数处理的不确定性影响指标之间的关系。指标的重要性并不是由一个明确的决定,但它反映了一个三角模糊函数(32]。

三角模糊数x͂,意思是“约x”,制定了相应的三角模糊函数如下:

在F-ANP,标志由九法判断标志和重新定义为模糊九标志来判断比较标志。模糊九的方法是提高了三角模糊函数不仅可以更精确地反映专家意见也接近典型的表现形式,也有一定的优势在算法程序和计算。比较标志判断模糊九标志如表所示3。

三角模糊数定义了三角函数,如表所示3。

当构建判断矩阵,如果专家可以清楚地判断重要性程度大于或小于x除了马克重要性指数x,那么索引的重要性的信息可以更明确。为了进一步阐明了专家意见(33),本研究将定义模糊数可能比x和小于x+ 1,这被定义为x͂⁺;模糊数小于x和比x - 1被定义为大x͂^{- - - - - -}。

如果任何两个模糊数的概率b_我和b_j设置是V (_我≥_j),然后计算公式如下:

在公式(4),bⁿ和b¹的上限和下限吗b;b^米的中值价值吗b和b¹≤b^米≤bⁿ。

如果定义了模糊度函数,那么潜在的程度b_我≥b_j是P (b_我≥b_j在公式()5):

的元素r_ij=p(b_我≥b_j),我,j= 1、2、3、…n。互补矩阵R= (r_ij)_n×n,r_ij= 1−r_ij,r_ij= 0.5;然后,重量(Wi)我th指数所示

应用ANP方法构造判断矩阵时(34,35),每一个指标作为subcriteria,其余指标之间和两个比较下已经建立了关联规则,和影响的大小是由三角模糊数表示。在这里,我₁₂指数为例,其余元素T₂成对比较,分别确定影响的程度我₁₂,构造判断矩阵。一致性检查,判断矩阵是根据公式,解决了如表所示4。

的判断矩阵满足一致性检验,排序向量的值ω_我矩阵作为模糊排序向量的每个索引组索引中的组T₁构造模糊权重矩阵一个= {αij},未加权的模糊supermatrix W是由索引模糊排序向量= {ω_ij}。当没有指标之间的相关性,影响程度将是0。

和W是增加解决模糊加权超矩阵W^”,也就是说,W^”=α_我×ω_ij。每个元素的矩阵W′值模糊重量是网格索引的指标体系。为了反映元素之间的相互关系,限制相对模糊权重向量计算的超矩阵W′

最后,一个独特的和收敛矩阵W′,和W′的列向量,这是该指数限制模糊的重量我_ij。

最后,最后得到每个指标的权重排名在表5。

4.3。案例分析

上述方法选择的影响因素可以用来排序和选择候选人的废弃煤矿建设氢储存设施。本节将介绍一个案例研究来说明这个过程。本例中选择10个矿山在贵州省,中国西部,澄清度影响因素,如表所示6,然后屏幕10矿山根据排名的影响因素。候选人网站筛选后的顺序表中提到的影响因素5节4.2我₂₄,我₃₅,我₁₂,我₂₁,我₁₁,我₃₂。首先,最重要的影响因素我₂₄比较。然后,通过网站的相应的因素进行了比较。最后,筛选最合适的网站。在案例研究中,立方厘米是最合适的。通过这种筛选方法,选址过程变得更加合理和直观。

5。讨论

上述计算结果表明我₂₄,我₃₅,我₁₂是重要的影响因素储氢,我₁₁,我₂₁,我₃₂储氢影响因素更重要。具体讨论和分析如下。

5.1。最重要的影响指标

指示器我₂₄是可用的气体存储空间。它占据了最高的体重指数。最大化的主要原因是地下的好处,和足够的气体存储空间是必要的。如果氢存储空间不足,储氢设备的基本功能不能保证,和经济效益是不够好。

指示器我₃₅密封性是治疗。原因是如果密封性治疗不足,氢会逃避,不能大量储存。易燃易爆气体,它也将增加氢储存设施的风险因素。氢逃进骨折有可能恢复骨折,裂缝,降低岩体的有效应力和削弱其机械强度。

指示器我₁₂是岩体的稳定性。原因是岩体的应力状态和稳定性变化的影响下的周期性压力注气和泵。为了确保安全的氢储存设施,重建的成本将会增加,这将影响储氢的效率和对储氢的可行性有重要影响。

5.2。第二大影响指标的重要性

指示器我₂₁是最大储气压力。原因是,当最大储气压力大于围岩的压力,围岩将处于拉伸状态。由于岩石的抗拉强度通常是低,岩体的稳定性将受到严重冲击,从而影响氢储存设施的安全。此外,如果氢不能储存在足够的压力,泵排出气体的成本将会增加,这将影响储氢的效率。

指示器我₁₁是断层裂隙发育程度。原因是围岩断裂和裂缝的发展程度直接决定了渗透率和机械围岩的稳定性,从而提高防渗处理的难度和成本,并产生重大影响氢储存设施。

指示器我₃₂是气体存储时间。原因是天然气存储时间决定了频率的注入和排出氢的储存设施和影响围岩压力的频率同时,已对围岩的稳定性产生影响。它增加了安全成本输入和影响储氢的效率。

该方法提供了一个方法来评估影响因素和排名的网站。然而,这里的因素考虑可能不是普遍的,应该在实践中补充情况。

6。结论

评估储氢的影响因素在废弃的煤矿的地下空间有一个重要的角色在废弃的煤矿的重用和提供大规模储氢的选择。本研究建立了一个系统评价的主要影响因素评估储氢在地下空间重建和废弃的地下空间的结构特点和使用网络分析来计算它们的值。结论如下:(1)当使用储氢的地下空间废弃的煤矿,有许多需要考虑的因素,其中,可用气体存储空间,密封性治疗,和岩体稳定是最重要的,其次是最大的存储压力,断层断裂的程度发展,存储时间。(2)这项研究分析了储氢的影响因素在地下煤矿,建立了评价指标体系。储氢的可行性,利用废弃的煤矿和储氢的潜力进行评估。研究结果为储氢的潜力提供了一个可行的评价体系在废弃矿山的地下空间。(3)这项研究的重要性,介绍了原因地下储氢的影响因素,分析了不同影响因素的权重。它可以作为研究工具用于未来地下空间的改造潜力的评价。(4)本研究的研究方法和结论可以进一步促进地下空间的改造和利用废弃的矿山。

命名法

符号

一个:	目标层
T:	标准层
C:	指标层
我:	因素水平
x:	模糊的规模
αij:	判断矩阵元素。

希腊字母

ωij:

权向量。

缩写

层次分析法:	层次分析法
ANP:	网络分析法。

数据可用性

所有数据、模型和代码生成或使用在研究过程中都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号:52066005)和贵州省自然科学基金(批准号:[2020]2 y025)。