【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及综合能源系统构建，尤其涉及一种针对工业园区用能场景下的近零碳能源系统的构建方法。
技术介绍
1、随着全球气候变化和环境污染问题的日益严重，减少碳排放和提高能源利用效率已成为当务之急。工业园区作为工业生产的重要载体，是能源消耗和碳排放的重要来源。因此，在工业园区构建近零碳能源系统，实现能源的高效利用和低碳排放，对于推动园区可持续发展具有重要意义。
2、目前，许多工业园区的能源系统主要依赖于传统的化石燃料，如煤炭、石油和天然气等，这些能源的开采和使用过程中会产生大量的碳排放，对环境造成严重污染。为了解决这些问题，全球各国和地区都在积极推动能源结构的转型，寻求替代传统化石燃料的清洁能源解决方案。一些工业园区开始探索近零碳能源系统的构建，旨在减少碳排放，提高能源利用效率，并促进可持续发展。这些系统通常包括可再生能源发电(如太阳能、风能、水能和生物质能)、能源存储技术(如电池储能系统)、能源管理系统(如智能电网和需求响应系统)以及能效提升措施(如节能设备和工艺改进)。
3、然而，现有的近零碳能源系统构建方法仍存在一些局限性。一方面，现有的近零碳能源系统构建方法往往仅考虑建筑用能和交通用能领域，对于工业用能领域的研究甚少，现有的工业基础设施可能不完全兼容近零碳能源系统，需要进行改造或升级；另一方面，工业园区中通常包含大量能源密集型产业，对能源质量和供应可靠性有特殊要求，现有的近零碳能源系统构建方法往往缺乏针对不同类型的工业园区特定能源需求的定制化解决方案，这导致了在实施过程中的一些不匹配问题，从而影响了
技术实现思路
1、针对上述现存的问题和不足，本专利技术提出了一种工业园区的近零碳能源系统的构建方法，旨在根据不同类型工业园区的能源需求、产业特性和资源条件，设计个性化的近零碳能源系统，以解决现有方法在工业园区应用中的局限性，满足工业园区特殊能源需求的同时，实现近零碳供能的目标。
2、一种工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
3、s1、分析工业园区的用能现状与能源需求，评估工业园区内可利用的自然资源，规划可再生能源发电设施的最佳布局和规模。
4、s2、根据步骤s1中对工业园区负荷特征和能量需求分析的基础上进行供能技术筛选，对工业领域设备的近零碳替代方案进行比选与替代边界分析，选择最适合工业园区需求的高效、清洁能源技术，确保替代技术与园区现有基础设施兼容。
5、s3、根据步骤s2中确定的供能技术替代方案，设计近零碳能源系统，对能源系统进行数学建模以及设计与运行优化，确保能源供应的稳定性和可靠性。
6、s4、根据步骤s3中工业园区近零碳能源系统优化结果，对能源系统进行详细的综合评价，对系统的经济效益、环境效益和社会效益等进行评估，以验证系统的可行性和优越性。
7、优选的，所述s1中的所述的用能现状包括工业园区的能源消耗、能源设备及效率、成本和碳排放量，所述的能源需求包括工业园区的能量用途、用能负荷、能量品质要求(如用热温度、用冷温度、电压稳定性、频率控制等)，工业园区可利用的自然资源包括太阳能资源、风能资源、水力资源、地热资源、生物质资源、天然气资源。
8、优选的，所述s2中的所述的供能技术包括供电技术、供热技术、供冷技术和储能技术。
9、进一步地，园区供电技术包括冷热电三联供系统、光伏系统、风力发电系统、生物质能发电系统、燃料电池以及市政电网，园区供热技术包括冷热电三联供系统、燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、太阳能集热器(平板型、真空管型、槽式太阳能集热器等)、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵及工业余热，园区供冷技术包括冷热电三联供系统、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵、电驱动冷水机组和由高温热源驱动的吸收式冷水机组，储能技术包括锂电池、铅酸电池、钠离子电池、抽水蓄能、压缩空气储能、熔融盐储热、显热蓄能、相变蓄能、合成气储能以及超导磁能储存。
10、优选的，所述s2中的所述的工业领域设备近零碳替代方案如表1所示，通过采取近零碳方案，逐步减少煤炭石油等化石燃料在工业能源消费中的比例，加快推进工业生产过程中的电气化，提高绿氢、甲烷等绿色低碳原料的使用比重，从而实现工业领域的近零碳改造。
11、表1 工业领域设备近零碳替代方案
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14、进一步地，根据园区实际用能和工艺需求筛选合适的近零碳替代方案，同时考虑近零碳方案的替代边界，包括：
15、替代方案的投资成本增加，同时系统复杂程度增高，需要更高的维护成本，影响经济效益；
16、大量的电能替代接入需要稳定的供电和电力基础设施，同时对电网造成额外的负荷，导致电网的升级需求；
17、生物质、氢能等原料收集、储存和运输可能会受到季节性和地域性的限制；
18、光伏、风电、太阳能热等装置需要较大的园区场地面积，出力波动大，需要配备辅助供能设备以及蓄能装置。
19、所述s3中的所述的能源系统的数学建模除给出基本的设备能量转换效率外，还应考虑不同气象参数和设备负荷率对设备性能系数的修正影响，构建出全工况下的系统设备动态运行模型。
20、进一步地，根据所述的能源系统的数学模型，构建能源系统的设计和运行优化模型。
21、能源系统设计优化模型的目标函数包括费用年值、碳生产率和系统能源自给率，其中，费用年值包括能源系统的年折算投资成本、年能源成本和年维护成本，碳生产率为园区年产值和园区年二氧化碳排放量之比，系统能源自给率为能源系统自身生产的能源与总能耗之比；优化模型的约束条件包括系统能量平衡约束，园区可再生能源最大装机容量约束、园区电网传输功率约束，其中，系统能量平衡包括电能平衡、热能平衡、冷能平衡等，以保证园区的能源需求与能源系统的供应达到供需平衡，园区可再生能源最大装机容量约束是由于光伏、风电机组以及太阳能集热器的安装需要占用园区内的屋顶和空地面积，因此在园区中安装可再生能源发电设备的装机容量根据园区实际情况存在容量上限，园区电网传输功率约束主要包括电网线路传输功率约束、变电站容量约束、电压稳定约束以及电力质量约束等约束条件，以确保园区电网的安全稳定运行，防止过载和电压波动等问题。
22、能源系统运行优化模型的目标函数包括经济成本和环境成本，其中经济成本采用系统每日能源成本和每日维护成本，环境成本采用碳社会成本，两者相加作为系统运行优化的综合运行成本目标函数；优化模型的约束条件包括供能设备容量约束和储能设备容量及功率约束，其中，供能设备容量约束是指各种供能设备的最大输出功率应受到设备最大容量限制，以保证设备在其供能范围内稳定运行，储能设备容量及功率约束是指储能设备在运行过程中，能够存储的能量总量受到设备本身容量的限制，并且储能设备在单位时间内可以储存或放出的能量也会受到设备技术和成本等因素的影响。
23、进一步地，根据优化模型的设定计算出近零碳能源系统中各本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、分析工业园区的用能现状与能源需求，评估工业园区内可利用的自然资源，规划可再生能源发电设施的最佳布局和规模。；S2、根据步骤S1中对工业园区负荷特征和能量需求分析的基础上进行供能技术筛选，对工业领域设备的近零碳替代方案进行比选与替代边界分析，选择最适合工业园区需求的高效、清洁能源技术，确保替代技术与园区现有基础设施兼容；S3、根据步骤S2中确定的供能技术替代方案，设计近零碳能源系统，对能源系统进行数学建模以及设计与运行优化，确保能源供应的稳定性和可靠性；S4、根据步骤S3中工业园区近零碳能源系统优化结果，对能源系统进行详细的综合评价，对系统的经济效益、环境效益和社会效益等进行评估，以验证系统的可行性和优越性。
2.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S1中的用能现状包括工业园区的能源消耗、能源设备及效率、成本和碳排放量，能源需求包括工业园区的能量用途、用能负荷、能量品质要求，工业园区可利用的自然资源包括太阳能资源、风能资源、水力资源、地热资源、生物质资源、天然
3.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S2中的供能技术包括供电技术、供热技术、供冷技术和储能技术。
4.根据权利要求3所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，园区供电技术包括冷热电三联供系统、光伏系统、风力发电系统、生物质能发电系统、燃料电池以及市政电网，园区供热技术包括冷热电三联供系统、燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、太阳能集热器(平板型、真空管型、槽式太阳能集热器等)、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵及工业余热，园区供冷技术包括冷热电三联供系统、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵、电驱动冷水机组和由高温热源驱动的吸收式冷水机组，储能技术包括锂电池、铅酸电池、钠离子电池、抽水蓄能、压缩空气储能、熔融盐储热、显热蓄能、相变蓄能、合成气储能以及超导磁能储存。
5.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S2中工业电力的近零碳替代方案包括光伏、风电、冷热电三联供系统、生物质能发电；工业用中低温热的近零碳替代方案包括冷热电三联供、热泵技术、工业余热回收、太阳能热；工业用蒸汽的近零碳替代方案包括电锅炉、生物质锅炉、冷热电三联供；陶瓷、建材等烧制工艺1000℃以上高温热的近零碳替代方案包括电窑炉、电阻炉、生物质窑炉、电制氢气燃烧；冶炼金属用1350-2000℃高温的近零碳替代方案包括电解法(冶炼铝)、电弧炉、氢气还原、生物质碳还原、碳捕集技术；交通物流运输的近零碳替代方案包括电动叉车、电动卡车、氢燃料电池。
6.根据权利要求5所述的工业领域近零碳替代方案，其特征在于，工业领域近零碳替代方案的替代边界包括替代方案的投资成本增加，同时系统复杂程度增高，需要更高的维护成本，影响经济效益；大量的电能替代接入需要稳定的供电和电力基础设施，同时对电网造成额外的负荷，导致电网的升级需求；生物质、氢能等原料收集、储存和运输可能会受到季节性和地域性的限制；光伏、风电、太阳能热等装置需要较大的园区场地面积，出力波动大，需要配备辅助供能设备以及蓄能装置。
7.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S3中能源系统的数学建模除给出基本的设备能量转换效率外，还应考虑不同气象参数和设备负荷率对设备性能系数的修正影响，构建出全工况下的系统设备动态运行模型。
8.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S3中能源系统的设计和运行优化模型目标函数包括费用年值、碳生产率、能源自给率和经济环境综合成本，约束条件包括系统能量平衡约束，园区可再生能源最大装机容量约束、园区电网传输功率约束、供能设备容量约束和储能设备容量及功率约束。
9.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述S4中的系统综合效益评价，其指标包括系统投资改造成本、单位供能成本、投资回收期、碳排放强度下降率、噪声等级、可再生能源供能率、系统综合能效、效率、系统综合节能率、电网交互功率波动量、系统失负荷概率、设备利用率、企业满意度、原有生态保持率。
...【技术特征摘要】
1.一种工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、分析工业园区的用能现状与能源需求，评估工业园区内可利用的自然资源，规划可再生能源发电设施的最佳布局和规模。；s2、根据步骤s1中对工业园区负荷特征和能量需求分析的基础上进行供能技术筛选，对工业领域设备的近零碳替代方案进行比选与替代边界分析，选择最适合工业园区需求的高效、清洁能源技术，确保替代技术与园区现有基础设施兼容；s3、根据步骤s2中确定的供能技术替代方案，设计近零碳能源系统，对能源系统进行数学建模以及设计与运行优化，确保能源供应的稳定性和可靠性；s4、根据步骤s3中工业园区近零碳能源系统优化结果，对能源系统进行详细的综合评价，对系统的经济效益、环境效益和社会效益等进行评估，以验证系统的可行性和优越性。
2.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述s1中的用能现状包括工业园区的能源消耗、能源设备及效率、成本和碳排放量，能源需求包括工业园区的能量用途、用能负荷、能量品质要求，工业园区可利用的自然资源包括太阳能资源、风能资源、水力资源、地热资源、生物质资源、天然气资源。
3.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述s2中的供能技术包括供电技术、供热技术、供冷技术和储能技术。
4.根据权利要求3所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，园区供电技术包括冷热电三联供系统、光伏系统、风力发电系统、生物质能发电系统、燃料电池以及市政电网，园区供热技术包括冷热电三联供系统、燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、太阳能集热器(平板型、真空管型、槽式太阳能集热器等)、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵及工业余热，园区供冷技术包括冷热电三联供系统、空气源热泵、土壤源热泵、水源热泵、电驱动冷水机组和由高温热源驱动的吸收式冷水机组，储能技术包括锂电池、铅酸电池、钠离子电池、抽水蓄能、压缩空气储能、熔融盐储热、显热蓄能、相变蓄能、合成气储能以及超导磁能储存。
5.根据权利要求1所述的工业园区的近零碳能源系统的构建方法，其特征在于，所述s...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑万冬，夏诗尧，桑煜峰，李家兴，叶天震，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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