一种能源综合利用配置与运行方法技术

本发明专利技术属于矿井余热资源利用领域，公开了一种能源综合利用配置与运行方法。该能源综合利用配置与运行方法通过将能源综合利用系统的系统组成、用户负荷需求、资源条件和设备参数的输入条件输入考虑系统经济性与环保性的优化配置模型，并确定运行条件和系统性能，并将运行条件输入考虑系统经济性与环保性的优化运行模型计算得到能源综合利用系统的最优运行策略。该能源综合利用配置与运行方法同时考虑了系统的经济性和环保性，在保证煤矿井筒防冻的热量和系统总体经济效益需求的情况下，实现了能源的梯级利用，实现了节能减排，能有效提高能源综合利用效率，具有良好的经济效益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种能源综合利用配置与运行方法


[0001]本专利技术涉及矿井余热资源利用领域，公开了一种能源综合利用配置与运行方法及能源综合利用系统。

技术介绍

[0002]煤矿企业在冬季有着井筒防冻需求，目的是防止寒冷空气进入井筒后遇到井筒淋水和潮湿空气，导致在井壁、罐道梁等地方结冰，堵塞井筒的部分断面，影响井筒风流，会对提升设备和人员的安全构成严重威胁。目前，煤矿井筒防冻热需求主要通过燃煤锅炉或燃气锅炉满足，前者存在能耗高、热效率低、污染严重等问题，后者存在燃料供应不稳定、运行费用高和氮氧化物排放高等问题。近年来，随着大气环境形势的日益严峻和我国对环境问题的日益重视，国家相关部门对燃煤锅炉吨位提出了严格的限制要求，全国多地规定每小时10蒸吨及以下燃煤锅炉全部淘汰。煤矿供热用燃煤锅炉大多吨位处在拆除范围内，因此亟需寻求一种既符合节能减排要求，又经济可行的供热方式。
[0003]与此同时，煤矿企业拥有种类丰富的余热资源，主要包括空压机余热、矿井水余热、矿井回风余热、瓦斯热能、洗浴废水余热等。这些余热总量大，若对余热资源加以利用，再辅以空气能、太阳能等可再生能源，可替代燃煤或燃气锅炉解决矿区井筒防冻热需求，具有节能、环保、经济性好的优势，符合煤矿企业绿色低碳发展的趋势。
[0004]对于上述这种使用煤矿余热的多输入
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多输出的复杂能源系统，没有普遍适用的技术方案，系统的形式、主辅设备及其容量可选范围大，它的配置与用户负荷需求及所在地区的资源条件、气候特征、能源价格及供应情况等密切相关。这种系统优势的充分发挥必须建立在合理优化配置和优化运行的基础上，即优化选择主要设备的种类、容量、台数，并优化设备开机台数、开机负荷率。
[0005]对于复杂能源系统的优化配置和优化运行，基于模型的数学规划方法被广泛应用。然而，现有方法都以典型日负荷为计算基础，未考虑极端负荷，直接应用于煤矿井筒防冻系统，往往会导致配置结果偏小，无法满足极端工况下的井筒防冻需求，严重时会造成井筒结冰等安全事故。实际上，整个供能期的负荷是不断变化的，往往与典型日相去甚远，根据典型日负荷获得的系统最优运行策略无实际意义，性能结果也不足够准确，往往会误导决策者做出错误的决策。最后，现有方法大多只关注系统经济性，面对日益严峻的环境问题，只考虑经济效益的方法已不能满足使用要求，在考虑经济性的同时还需考虑环保性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种能源综合利用配置与运行方法，能够综合考虑多种因素，在保证煤矿井筒防冻系统的热量和经济效益需求的情况下，能够节能减排，提高能源利用效率，具有良好的经济效益。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]该能源综合利用配置与运行方法包括如下步骤：
[0009]S1、确定输入条件，输入条件包括：能源综合利用系统的系统组成、用户负荷需求、资源条件和设备参数；
[0010]S2、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化配置模型；
[0011]S3、确定运行条件和系统性能，运行条件包括全年逐时持续负荷、供能系统最优结构和设备最优配置，供能系统最优结构、设备最优配置和系统性能由输入条件输入优化配置模型计算得出；
[0012]S4、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化运行模型；
[0013]S5、将确定运行条件输入优化运行模型计算获得能源综合利用系统最优运行策略。
[0014]可选地，步骤S2中，优化配置模型的经济目标函数为年总费用最小，优化配置模型的环保目标函数为CO2年排放量最小；年总费用为年购电费用、年购天然气费用、年维护费用和初投资年等值费用之和并扣除售电收入，CO2年排放量为消耗天然气的排放、购电的排放和制冷剂泄露的排放之和。
[0015]可选地，步骤S2中，优化配置模型的约束条件包括设备的种类、容量和数目约束，设备运行特性约束以及系统能流平衡约束；
[0016]设备的种类、容量和数目约束由下式决定：
[0017][0018]式中，二元变量γ
ij
表示第i种容量为j的设备是否被选择，其中γ
ij
＝0时代表不选择，γ
ij
＝1时代表选择，最多可以选N
ij
台；
[0019]设备运行特性约束由设备的输入功率与输出功率的功性决定。
[0020]可选地，步骤S4中，优化运行模型的经济目标函数为年总费用最小，优化运行模型的环保目标函数为CO2年排放量最小。
[0021]可选地，步骤S4中，优化运行模型的约束条件包括设备运行特性约束和系统能流平衡约束，设备运行特性约束由设备的输入功率与输出功率的特性决定。
[0022]可选地，步骤S3中，设备最优配置包括设备的种类、容量和台数的选取，系统性能包括系统的能耗、排放和经济效益。
[0023]可选地，步骤S1中，用户负荷需求包括典型日逐时负荷和极端负荷；资源条件包括余热、可再生能源和化石能源；设备参数包括性能、投资及维护成本。
[0024]可选地，步骤S1中，能源综合利用系统的系统组成包括：发电设备、煤矿井筒加热设备、电源、蓄电装置和用户用电设备；电源分别与发电设备及蓄电装置电连接，蓄电装置的输入端分别与发电设备及电源电连接，蓄电装置的输出端分别与煤矿井筒加热设备和用户用电设备电连接；煤矿井筒加热设备被配置为能够将空气和/或水加热并用于煤矿井筒防冻。
[0025]可选地，发电设备包括瓦斯发电机组、光伏发电机组和风力发电机组，煤矿井筒加热设备包括乏风利用装置、矿井水换热器、低温新风换热器、水源热泵、空气源热泵、天然气利用装置、瓦斯余热锅炉、太阳能集热机组、电加热机组和高温新风机组，
[0026]乏风利用装置利用乏风将初始新风加热为温度为第一预设温度的第一新风，和/或利用乏风将初始循环水加热为温度为第二预设温度的第一循环水；
[0027]矿井水换热器利用矿井水将初始循环水加热为第一循环水；
[0028]低温新风换热器分别与乏风利用装置和矿井水换热器连通，低温新风换热器能够利用第一循环水加热初始新风为第一新风；
[0029]水源热泵利用第一循环水将初始循环水加热为第三预设温度的第二循环水；
[0030]空气源热泵用于将初始循环水加热为第二循环水，和/或空气源热泵与水源热泵连通，并将初始循环水加热为第一循环水；
[0031]天然气利用装置包括蒸汽锅炉、蒸汽新风机组、热水锅炉和热风锅炉；蒸汽锅炉能够利用天然气燃烧产生热蒸汽，蒸汽新风机组与蒸汽锅炉连通并利用蒸汽加热初始新风为具有第四预设温度的第二新风；热水锅炉能够利用天然气燃烧加热初始循环水为第二循环水；热风锅炉利用天然气燃烧加热初始新风为第二新风；
[0032]瓦斯余热锅炉与瓦斯发电机组连通，瓦斯发电机组能够产生电能并产生瓦斯余热烟气，瓦斯余热锅炉能够利用烟气将初始循环水加热为第二循环水；
[0033]太阳能集热机组能够将初始循环水加热为第二循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定输入条件，所述输入条件包括：能源综合利用系统的系统组成、用户负荷需求、资源条件和设备参数；S2、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化配置模型；S3、确定运行条件和系统性能，所述运行条件包括全年逐时持续负荷、供能系统最优结构和设备最优配置，所述供能系统最优结构、所述设备最优配置和所述系统性能由所述输入条件输入所述优化配置模型计算得出；S4、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化运行模型；S5、将所述确定运行条件输入所述优化运行模型计算获得能源综合利用系统最优运行策略。2.根据权利要求1所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述优化配置模型的经济目标函数为年总费用最小，所述优化配置模型的环保目标函数为CO2年排放量最小；所述年总费用为年购电费用、年购天然气费用、年维护费用和初投资年等值费用之和并扣除售电收入，所述CO2年排放量为消耗天然气的排放、购电的排放和制冷剂泄露的排放之和。3.根据权利要求2所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述优化配置模型的约束条件包括设备的种类、容量和数目约束，设备运行特性约束以及系统能流平衡约束；所述设备的种类、容量和数目约束由下式决定：式中，二元变量γ
ij
表示第i种容量为j的设备是否被选择，其中γ
ij
＝0时代表不选择，γ
ij
＝1时代表选择，最多可以选N
ij
台；所述设备运行特性约束由设备的输入功率与输出功率的特性决定。4.根据权利要求1所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述优化运行模型的经济目标函数为年总费用最小，所述优化配置模型的环保目标函数为CO2年排放量最小。5.根据权利要求4所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述优化运行模型的约束条件包括设备运行特性约束和系统能流平衡约束，所述设备运行特性约束由设备的输入功率与输出功率的特性决定。6.根据权利要求1所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述设备最优配置包括设备的种类、容量和台数的选取，所述系统性能包括系统的能耗、排放和经济效益。
7.根据权利要求1所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述用户负荷需求包括典型日逐时负荷和极端负荷；所述资源条件包括余热、可再生能源和化石能源；所述设备参数包括性能、投资及维护成本。8.根据权利要求1所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述能源综合利用系统的系统组成包括：发电设备、煤矿井筒加热设备、电源(80)、蓄电装置(90)和用户用电设备(100)；所述电源(80)分别与发电设备及所述蓄电装置(90)电连接，所述蓄电装置(90)的输入端分别与所述发电设备及所述电源(80)电连接，所述蓄电装置(90)的输出端分别与所述煤矿井筒加热设备和用户用电设备(100)电连接；所述煤矿井筒加热设备被配置为能够将空气和/或水加热并用于煤矿井筒防冻。9.根据权利要求8所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述发电设备包括瓦...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨允，向艳蕾，殷卫峰，刘自学，刘东东，王浩，李佳佳，张泽飞，陈建刚，曾鑫，
申请(专利权)人：中煤科工天津清洁能源研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：