一种工业园区低碳分析及优化规划方法技术

本发明专利技术提供了一种工业园区低碳分析及优化规划方法，该方法通过当量满负荷运行时间法和概率分布对特定场景进行负荷预测。建立各能源单元的规划建设成本及设备运行维护成本模型和报废成本模型，以全生命周期年折算成本最小为上层规划模型的优化目标，以碳手迹成本最低为下层优化模型的优化目标，建立工业园区能源系统双层优化规划模型，同时满足各类平衡性、限制性约束。通过碳足迹及碳手迹求解进行低碳分析，将上下层模型连接，采用改进遗传算法求解双层模型并进行方案寻优，迭代求解直至收敛，优化求解得到工业园区系统的产量计划、设备装机容量及碳手迹抵消方案。本发明专利技术可应用于工业园区的规划设计和低碳分析下的规划减排方案优化设计。排方案优化设计。排方案优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种工业园区低碳分析及优化规划方法


[0001]本专利技术属于综合能源系统的工业园区低碳分析与优化规划结合领域，具体涉及一种工业园区优化规划方法。

技术介绍

[0002]工业园区是我国城镇发展支撑动力，其能源系统的智慧化升级是构建以综合能源系统为主的现代化智慧城镇的必由路径，也是实现城市整体安全、稳定、友好、和谐运行的条件之一。当前，我国工业园区呈现加速发展趋势，规模不断扩大，并趋向于集中式、分布式能源互补运行方式，即采用多能协同互补、多端供需互动、信息能量融合的集中供能范式，接入风、光、电等个性特异的分布式供能形式，对于提高工业园区供能可靠性和灵活性具有重要意义。
[0003]工业园区的规划设计是保障其安全，高效，经济，可靠运行的首要关键技术，工业园区包含多种供能方式和多种用能负载，其规划设计是一个复杂的系统工程。工业园区的二氧化碳排放量占全国的31％，在国家双碳战略要求下，面对庞大复杂的工业园区综合能源系统，企业需要平衡好经济效益和环境效益，给工业园区的规划设计提出了重大挑战，传统的规划设计方法难以完成目前工业园区的需求，主要体现在：(1)工业园区的生产流程复杂，其能源系统包含多种能源单元，在以往的规划设计方法中缺少完整的低碳分析，缺乏低碳分析的理论依据；(2)工业园区的低碳分析需要全产业链全生命周期内的碳核算，目前缺乏针对性的核算基线，碳足迹核查仅仅核算工业园区内自身的碳排放净值，无法体现出规划方案中潜在的环境效益和提供的产品或服务通过减少他人碳足迹带来的环境收益；(3)传统规划设计方法相对比较简单的将碳排放作为优化目标求解方案，减碳方案设计停留在理论上，亟需能够对减碳方案进行优化的规划设计方法。
[0004]虽然目前已经有相关研究，针对工业生产企业的碳基线盘查、分布式能源的双层优化规划方法，如专利202110769556.7“一种考虑多种分布式能源运行的配电网双层优化规划方法”、专利201711092907.5“一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法”和专利20180133288.8“针对源、荷、储协调互动的综合能源系统设计方法”在规划阶段考虑了综合运行成本、能量损耗和安全性环保性的问题，并考虑了通过优化运行策略来指导规划设计，但在规划阶段并没有考虑设备的容量可变性和周期性，导致在应对规划设计时多周期的负荷变动、设备升级等问题时综合经济效益有限，同时缺少对于环境效益的明确考量。专利201811497857.3“一种碳盘查/碳核查管理系统及方法”主要针对企业的全流程温室气体排放量进行计算和分析管理，但没有给出明确的对于园区规划建设或节能减排方案的指导。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有规划方案未详细考虑碳排放对于工业园区能源系统调节能力的影响，导致现有的规划方案各设备装机容量难以完全适应未来国家的碳配额要
求，提出了一种通过碳足迹和碳手迹协同的工业园区低碳分析及优化规划方法。本专利技术在保证满足供求平衡约束及良好的经济性条件下，优化选择热电联产锅炉、储能系统、地源热泵、光伏系统等设备装机容量，再建立综合成本经济型评价指标的基础上进行方案优化，减少了传统能源系统规划设计可能产生的装机容量过大，温室气体超高排放等问题，提高了工业园区能源系统规划设计水平。
[0006]本专利技术主要的应用对象为工业园区综合能源系统，该工业园区包含能量路由器、燃机、热电联产机组、地源热泵热泵、热储能装置、建筑一体化光伏系统、工业生产线、新建碳汇等，该系统通过管网与外部电网和外部热网连接。该园区的可再生能源和工业负荷都具有一定的不确定性，如何处理不确定性设计各设备的装机容量是关键问题。
[0007]本专利技术工业园区规划方法包括特定场景负荷预测、建立工业园区能源系统双层优化规划模型、建立方案碳足迹及碳手迹求解模型、求解双层优化规划模型得到包含各设备装机容量的规划方案，具体如下：
[0008](1)生成特定场景。
[0009]生成特定场景的方法是根据能量路由器、设备单元(如燃机、可再生能源、CHP机组、热泵、储能装置)、热负荷、电负荷、冷负荷的历史运行数据，通过概率统计生成各能量源和负荷的出力概率分布，同时依据统计得到的各时段能量源和负荷的均值及标准差，采用当量满负荷运行时间法预测计算各设备各个时段相应的运行功率概率，得到特定场景。
[0010](2)建立工业园区能源系统双层优化规划模型。
[0011]所述的工业园区能源系统双层优化规划模型包括上层规划模型和下层优化模型；首先建立各能量路由器和设备单元(燃机、可再生能源、CHP机组、热泵、储能装置)的规划建设成本及设备运行维护成本模型和报废成本模型，在此基础上，以全生命周期年折算成本最小为上层规划模型的优化目标，所述全生命周期年折算成本为年化规划建设成本及设备运行维护成本和年化报废成本之和；以碳手迹成本最低为下层优化模型的优化目标，建立工业园区低碳分析及优化规划双层模型，同时满足各种平衡性约束、限制性约束(包括容量约束、时间约束、规划用地约束)；
[0012](3)求解工业园区能源系统双层优化规划模型。
[0013]根据碳基线盘查表格及核算清单，识别碳排放源、确定系统边界示意图和核算方法，采用核算因子法计算规划方案的全生命周期碳足迹，并反馈给下层模型；采用改进遗传算法和基于模拟退火修正的适应度函数，交互迭代求解所述的双层规划模型。具体方法为：采用多目标优化算法与小时级线性优化调度算法相结合的双层交互迭代求解方法，对上层规划模型进行求解以得到工业园区能源系统的容量规划方案，下层模型通过确定性算法求解器求解得到上层模型的解集对应的各设备出力时间序列；双层交互迭代直至收敛，通过上述步骤，优化求得综合能源系统的各设备装机容量，得到工业园区低碳分析优化规划的减排方案。
[0014]上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中，采用场景削减方法对场景进行聚类；
[0015]所述的当量满负荷运行时间法，具体为：
[0016]当量满负荷运行时间是指：能源单元全年运行负荷的总和与能源单元最大出力的比值，即：
[0017][0018][0019]式中，τ
i
为第i类能源单元运行当量满负荷运行时间，h；q为能源单元全年总负荷，kJ/a；q
m,i
为第i类能源单元最大出力，kJ/h；负荷率ε
i
表示第i类能源单元全年总负荷与对应的能源单元在累计运行时间内总的最大出力之和的比例；T
i
为第i类能源单元设备累计运行时间。
[0020]进一步地，步骤(2)中，所述上层规划模型满足的约束条件是能源结构约束，即各能源单元的装机容量大小约束、电热冷负荷供求平衡约束；上层规划模型的优化目标中，全生命周期年折算成本中的年化规划建设成本和设备运行维护成本是由规划建设成本和设备运行维护成本按照年利率折算得到的；所述规划建设成本包括系统前期规划设计和能源单元设备采购的费用，设备运行维护成本包括安装验证与调试确认、运行能耗、设备检修、消本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业园区低碳分析及优化规划方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)生成特定场景根据能量路由器、设备单元、热负荷、电负荷、冷负荷的历史运行数据，通过概率统计生成各能量源和负荷的出力概率分布，同时依据统计得到的各时段能量源和负荷的均值及标准差，采用当量满负荷运行时间法预测计算各设备不同时段相应的运行功率概率，生成特定场景；(2)建立工业园区能源系统双层优化规划模型所述的工业园区能源系统双层优化规划模型包括上层规划模型和下层优化模型；首先建立各能量路由器和设备单元的规划建设成本及设备运行维护成本模型和报废成本模型，在此基础上，以全生命周期年折算成本最小为上层规划模型的优化目标，所述全生命周期年折算成本为年化规划建设成本及设备运行维护成本和年化报废成本之和；以碳手迹成本最低为下层优化模型的优化目标，建立工业园区低碳分析及优化规划双层模型，同时满足各种平衡性约束、限制性约束；(3)求解工业园区能源系统双层优化规划模型根据碳基线盘查表格及核算清单，识别碳排放源、确定系统边界示意图和核算方法，采用核算因子法计算全生命周期碳足迹，并反馈给下层模型；采用多目标优化算法与小时级线性优化调度算法相结合的双层交互迭代求解方法，对上层规划模型进行求解以得到工业园区能源系统的容量规划方案，下层模型通过确定性算法求解器求解得到上层模型的解集对应的各设备出力时间序列；双层交互迭代直至收敛，通过上述步骤，优化求得综合能源系统的各设备装机容量，得到工业园区低碳分析优化规划的减排方案。2.根据权利要求1所述的工业园区低碳分析及优化规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用场景削减方法对场景进行聚类；所述的当量满负荷运行时间法，具体为：当量满负荷运行时间是指：能源单元全年运行负荷的总和与能源单元最大出力的比值，即：值，即：式中，τ
i
为第i类能源单元运行当量满负荷运行时间，h；q为能源单元全年总负荷，kJ/a；q
m,i
为第i类能源单元最大出力，kJ/h；负荷率ε
i
表示第i类能源单元全年总负荷与对应的能源单元在累计运行时间内总的最大出力之和的比例；T
i
为第i类能源单元设备累计运行时间。3.根据权利要求1所述的工业园区低碳分析及优化规划方法，其特征在于，步骤(2)中，所述上层规划模型满足的约束条件是能源结构约束，即各能源单元的装机容量大小约束、电热冷负荷供求平衡约束；上层规划模型的优化目标中，全生命周期年折算成本中的年化规划建设成本和设备运行维护成本是由规划建设成本和设备运行维护成本按照年利率折算得到的；所述规划建设成本包括系统前期规划设计和能源单元设备采购的费用，设备运行维护成本包括安装验证与调试确认、运行能耗、设备检修、消耗能源购买和碳手迹成本的
费用；所述报废成本包括固定资产年度折旧和最终的残值回收费用；所述的下层优化模型满足如下约束条件：时间约束、能量输送损失约束、规划用地约束；减排方案包括：获取碳配额、新建碳汇、国家规定的绿色低碳行为、提高能源效率、减少材料使用、使用环境友好型材料、开发产品可回收性、减少废料量、延长产品寿命和提高产品可用性。4.根据权利要求1所述的工业园区低碳分析及优化规划方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，建立各能量路由器和设备单元的规划建设成本及设备运行维护成本模型和报废成本模型的方法如下：1)规划建设成本及设备运行维护成本模型1)规划建设成本及设备运行维护成本模型式中：为第i类设备的规划建设成本，为第i类设备的运行维护成本；C
in.i
为第i类设备的年化规划建设成本费用；R为折现率；l为设备的预计运行寿命；U
i
为第i类设备单位功率建设费用；P
i
为第i类设备规划额定负荷；2)报废成本模型年化报废成本是将固定资产累计折旧按照相应比例系数，采用平均年限法折算到设备投资成本中得到，并根据报废处置费用与报废资产残值回收收入之差决定固定资产累计折旧计入总成本时是正值或负值式中：SC
i
为第i类能源单元的报废成本，SC
EAC.i
—第i类能源单元的年化报废成本。5.根据权利要求1所述的工业园区低碳分析及优化规划方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，建立的上层规划模型的优化目标和下层优化模型的优化目标如下：F
lca
(x)＝F1(x)+F2(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)(6)(6)式中，F
lca
(x)为全生命周期年折算成本；x为待优化的各能源单元设备容量集合，即各能量路由器和设备单元的装机规划容量集合；F1(x)为所有能...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟崴，赵宏飞，林小杰，王向前，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
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