面向矿区的多能互补热电联供系统及容量配置优化方法与流程

本发明属于热电联供，具体涉及面向矿区的多能互补热电联供系统，本发明还涉及该系统的容量配置优化方法。

背景技术：

1、随着“双碳”目标的深入推进，煤矿结合可再生能源降低煤炭开采过程的碳排放成为重要发展趋势，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，是降低煤炭行业的能耗与碳排放的重要路径。在我国西部地区风光可再生能源资源丰富，煤炭生产重心也加快向西部优势资源地区聚集，可再生能源具有清洁、低碳、环保的天然特性，在西部煤矿能源资源开发中结合采煤沉陷区土地治理及可再生能源消纳优势，解决可再生能源开发土地资源紧张与消纳两大难题，实现新能源在煤矿矿区的大规模协同开发利用，具有广阔的技术应用前景。

2、然而不同矿区的资源禀赋条件及矿井用能需求的不同，能源利用技术多种多样，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，能源利用网络必将形态各异，若要实现高能量效率、高经济性，就需要对煤矿供能系统进行定制化的规划和优化，现有的供能系统无法满足矿区能源需求、自我消纳率等边界条件下实现经济高效环保低碳。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向矿区的多能互补热电联供系统，能够实现高能量效率、高经济性。

2、本发明的另一目的在于提供一种面向矿区的多能互补热电联供容量配置优化方法。

3、本发明所采用的第一种技术方案是，基于面向矿区的多能互补热电联供系统，包括用于提供电力的电力系统，所述电力系统通过线路连接有储电系统，电力系统还通过线路连接有电锅炉、水源热泵、地源热泵、空气源热泵和电制冷，所述电锅炉、水源热泵、地源热泵和空气源热泵构成用于提供热力的热力系统，所述热力系统还包括燃煤锅炉和吸收式热泵，热力系统中的蒸发器输出端连接有储热系统进行热源储备，所述吸收式热泵、水源热泵、地源热泵和空气源热泵中与矿井资源伴生连通；

4、所述吸收式热泵、水源热泵、地源热泵、空气源热泵和电制冷构成用于提供冷气的冷气系统，冷气系统中的冷凝器输出端连接有储冷系统进行冷源储备。

5、本发明特点还在于，

6、所述电力系统包括用于将风能转换为电能的风力发电机组；

7、用于将光能转换为电能的光伏发电机组以及瓦斯发电和上级电网，所述瓦斯发电还直接连接与所述吸收式热泵；

8、所述储电系统为飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能中任意一种。

9、所述储热系统为斜温层储热和热储水罐中任意一种。

10、本发明所采用的另一技术方案是面向矿区的多能互补热电联供容量配置优化方法，采用如上述任一项所述的面向矿区的多能互补热电联供系统，包括下述步骤：

11、s1：根据矿井规模、矿井资源、生产条件、全年气象历史数据建立负荷需求模型和矿区能源资源预测模型，通过负荷需求模型和矿区能源资源预测模型得出矿井的源荷边界；

12、s2：基于s1中源荷边界建立多能互补热电联供模型；

13、s3：以成本最小化为多能互补热电联供模型的目标函数，能量平衡和设备容量为约束条件构建多能互补热电联供容量配置优化的数学模型；

14、s4：根据s3中的数学模型得出多能互补热电联供全年运行情况及相关评价指标。

15、本发明特点还在于，

16、s1中负荷需求模型包括电能负荷需求模型和热能负荷需求模型，其中，电能负荷需求模型表达为：

17、

18、

19、式中，dp为电负荷时间序列每小时的功率，kw；ptotal为全年总电负荷量，kwh；ri为电负荷波动率；

20、热能负荷需求模型表达为：

21、dh＝uh×(t-18)×a，

22、式中，dh为热负荷需求的功率，kw；uh为热损失系数，kw/(m2·k)；t为室外温度，℃；a为供热面积，m2；

23、s1中矿区能源资源预测模型包括矿井水余热资源、压缩空气系统余热资源和瓦斯资源。

24、s2的具体内容为依据负荷侧资源侧的总量规模，配置合理的电能、热能供给网络拓扑结构，供能侧以太阳能、风能、地热能、矿井水余热、矿井回风余热、空压机余热作为系统的供能来源。

25、s3中模型的目标函数为：

26、min(cinv+cfix+cfuel+cenv)，

27、

28、

29、

30、

31、式中，cinv为年化投资成本，元；cfix为年度固定成本，元；cfuel为年度燃料成本，元；cenv为年度环境排放成本，元；i为年化利率，％；capp为系统各设备的装机容量，元；为单位容量投资，元/kw；为单位容量固定成本，元/kw；为单位燃料成本，元/t；为单位排放环境成本，元/t；ρct为t时刻下的燃料消耗，t；为t时刻污染物排放，元/t；

32、能量平衡约束条件为电平衡约束条件和热平衡约束条件，表示如下：

33、de＝pgrid+ppv，e+pwind，e+ph+ps，

34、dh＝qs，ac+qh1+qh2+qh3+qb+qs，

35、式中：de为电力负荷需求，kw；dh为热负荷需求，kw；pgrid为电网电力供应，kw，qs，ac为矿井压缩空气系统余热资源功率；

36、设备容量约束条件表示如下：

37、0≤pgrid≤capgrid，

38、0≤qh≤caph，

39、0≤qb≤capb，

40、0≤qs，in1≤qs，in2≤qs，w，

41、0≤qs，in3≤qs，a，

42、式中：capgrid为变压器容量，kw；caph为热泵容量，kw；capb锅炉装机容量，kw，qs，a为矿井回风余热资源功率；

43、s3中矿区的多能互补热电联供系统容量配置优化数学模型包括光伏发电机组的数学模型表示为：

44、ppv，e＝η0ppvg/es，

45、η0＝1-γ(tpv-tr)，

46、式中：ppv，e为光伏发电机组光电转化的电能，kw；η0为光伏发电机组的转化效率，％；ppv为光伏发电机组的装机容量，kw；g为表面太阳辐照度，kw/m2；es为标准条件下的辐照度，1kw/m2；γ为光伏温度变动因子；tpv为光伏发电机组的工作温度，℃；tr为参考温度，℃；

47、风力发电机组的发电数学模型为：

48、

49、

50、式中：v，vin，vr，vout分别为风力发电机组的实际风速、切入风速、额定风速和切出风速，m/s；pwind，e为风力发电机组出力，kw；pwind为风力发电机组额定装机容量，kw；v1，v2分别z1、z2高度的风速，m/s；a为风切变指数；

51、矿井水水源热泵的数学模型为：

52、

53、qs，in1＝qh1-ph1，

54、式中：ph1为矿井水水源热泵机组消耗的电功率，kw；qh1为矿井水水源热泵机组提供的热量，kw；qs，ln1为矿井水低温热源的热量输入，kw；cop为矿井水水源热泵在制热工况下的性能系数；

55、瓦斯发电与矿井水吸收式热泵设为统一整体，瓦斯发电与吸收式热泵联用的数学模型为：

56、

57、式中：qh2为吸收式热泵机组提供的热量，kw；qs，g为瓦斯余热资源量，kw；cop为吸收式热泵的性能系数；qs，in2为矿井水低温热源热量输入，kw，qs，g为矿井瓦斯余热资源量；

58、矿井回风热泵的数学模型为：

59、

60、qs，in3＝qh3-ph2，

61、式中：ph2为回风热泵机组消耗的电功率，kw；qh3为回风热泵机组提供的热量，kw；qs，ln3为回风热量的输入，kw；cop为热泵在制热工况下的性能系数；

62、燃煤锅炉的数学模型为：

63、qb＝ηbfb，

64、式中：qb为锅炉机组的产热量，kw；ηb为锅炉热效率，％；fb为燃料热值，kw；

65、储电系统的数学模型为：

66、

67、ploss＝pinηps，in+poutηps，out，

68、式中：ps为当前储电系统容量，kwh；pin为储电系统输入能量，kw；pout为储电系统输出功率，kw；ploss为储电系统的储/释能损失，kw；ηps，in为储电系统储能效率，％；ηps，out为储电系统释能效率，％；

69、储热系统的数学模型为：

70、

71、qloss＝qinηhs，in+qoutηhs，out，

72、式中：qs为当前储热系统容量，kwh；qin为储热系统输入能量，kw；qout为储热系统输出功率，kw；qloss为储热系统的储/释能损失，kw；ηhs，in为储热系统储能效率，％；ηhs，out为储热系统释能效率，％；

73、储能协调系统的模型为：

74、

75、式中：es为当前储能系统储能过程功率，kw；ps，t为储电系统功率，kw；qs，t为储热系统功率，kw；socp为储电系统剩余能量，％；socq为储热系统剩余能量，％。

76、s4中求解数学模型方法包括线性规划、粒子群算法、遗传算法；

77、s4中相关评价指标为经济性指标模型，表达为：

78、ctoal＝cgz+caz+ctj+cqt+cyb，

79、cope＝ch+ce+cm+cd，

80、式中：ctotal为静态总投资费用，元；cgz为设备购置费用，元；caz为设备安装工程费用，元；ctj为土建工程费用，元；cqt为其他费用，元；cyb为工程预备费用，元；cope为总运行费用，元；ch为供热系统运行费用，元；ce为供电系统运行费用，元；cm为维修费用，元；cd为折旧费用，元；

81、综合能效指标模型为：

82、

83、

84、

85、

86、

87、

88、式中：rh为用户端耗热量的标准煤当量折算值；rh为耗电量的标准煤当量折算值；qh为用户端耗热量，mj；e为用户端耗电量，mwh；wt，m为输入的第m种除可再生能源机组外的标准煤当量折算值；wr，n为输入的第n种可再生能源机组的标准煤当量折算值；wgrid为电网总输入耗电量的标准煤当量折算值，0.1229kgce/(kwh)；egrid为电网输入的总电能，mwh；qt，m为输入的第m种非可再生能源的热量，mj；qr，n为输入的第n种可再生能源的热量，mj；

89、环保性指标模型为：

90、

91、

92、

93、

94、pdust＝de×edust，e，

95、式中：为多能互补系统二氧化碳减排量，t；为系统二氧化碳实际排放量，t；为化石燃料燃烧直接排放二氧化碳，t；为电网购电折算二氧化碳排放，t；de为多能互补系统发电量，kwh；为燃煤发电基准机组二氧化碳排放量，t/kwh；为多能互补系统二氧化硫减排量，kg；为燃煤发电基准机组二氧化硫排放量，kg/kwh；为多能互补系统氮氧化物减排量，kg；为燃煤发电基准机组氮氧化物排放量，kg/kwh；pdust为多能互补系统烟尘减排量，kg；edust，e为燃煤发电基准机组烟尘排放量，kg/kwh；

96、安全可靠性指标模型为：

97、

98、

99、式中：ae为供电可靠率，％；te，toatal为系统实际供能总小时数，h；ne，total为系统计划供能总小时数，h；σlack为能量缺供系数，％；elack为系统在评价周期内能量缺供总量，kwh；qe，need为电负荷需求总能量，kwh；qh，need为热负荷需求总能量，kwh。

100、本发明的有益效果是：

101、(1)本发明提供了面向矿区的多能互补热电联供系统，通过综合利用风能、光伏、矿井水源、矿井回风、空压机等可再生能源，为煤矿井场供电、供热，通过热能与电能的耦合协同，提升了设备有效利用时间，达到电能与热能的互补互济相互支撑，在满足煤矿生产和生活用能需求的同时，大幅降低了煤矿的能源消耗和碳排放，实现了煤矿热电供能系统的清洁高效与低碳环保。

102、(2)本发明面向矿区的多能互补热电联供系统考虑煤矿的余热供能能力，将矿井水余热资源协调分配实现矿井水热泵、矿井水吸收式热泵以及回风余热热泵的统一协同调配，并结合煤矿用热需求，将瓦斯发电与矿井水吸收式热泵进行统筹协调，实现了矿区瓦斯高温余热的梯级经济利用，避免高温余热的低质利用。

103、(3)本发明面向矿区的多能互补热电联供系统结合煤矿储能系统运行需求以及该系统储电储热过程的单向转化特性，设计了储电与储热的协调储能过程，提升了系统安全裕度与运行弹性。

104、(4)本发明面向矿区的多能互补热电联供的容量配置优化方法，通过全年源荷模拟、构建供能系统，建立系统数学模型、求解最佳配置容量的步骤，实现在全年运行状况的模拟计算，并得出最经济目标条件下的最佳容量和运行方式，实现了经济高效环保低碳。

105、(5)本发明面向矿区的多能互补热电联供的容量配置优化方法，能够有效满足矿井用热、用电等能源需求，提高能源利用效率，降低能源成本，减少二氧化碳排放具有重要的实用价值和社会效益，特别在煤矿能源资源开发中结合采煤沉陷区土地治理及可再生能源消纳优势，解决可再生能源开发土地资源紧张与消纳两大难题，实现新能源在煤矿矿区的大规模开发利用，具有广阔的技术应用前景。