CN114396822A - 一种能源综合利用配置与运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

一种能源综合利用配置与运行方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
对于上述这种使用煤矿余热的多输入-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。
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。
发明内容
本发明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。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
该能源综合利用配置与运行方法包括如下步骤：
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；
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，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；
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。
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。
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；
设备的种类、容量和数目约束由下式决定：
Figure BDA0003472828210000031
式中，二元变量γij表示第i种容量为j的设备是否被选择，其中γij＝0时代表不选择，γij＝1时代表选择，最多可以选Nij台；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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，
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
太阳能集热机组能够将初始循环水加热为第二循环水，光伏发电机组能够产生电能；
电加热机组分别与瓦斯发电机组和光伏发电机组电连接，电加热机组能够利用电能加热初始新风为第二新风；
高温新风机组分别与水源热泵、空气源热泵、热水锅炉、瓦斯发电机组的冷却水及太阳能集热机组连通，高温新风机组能够利用第二循环水加热初始新风为第二新风；
风力发电机组能够利用风能产生电能；
电源分别与瓦斯发电机组、光伏发电机组、风力发电机组及蓄电装置电连接；蓄电装置的输入端分别与瓦斯发电机组、光伏发电机组、风力发电机组及电源电连接，输出端分别与水源热泵、空气源热泵及电加热机组电连接。
可选地，乏风利用装置包括乏风换热器、喷淋塔和热管式换热器，乏风换热器和热管式换热器用于将初始新风加热为第一新风，喷淋塔用于将初始循环水加热为第一循环水。
有益效果：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，并可减少对燃煤、等化石能源的依赖，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，保证了供能的安全性、稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的能源综合利用配置与运行方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式提供的能源综合利用系统的系统组成的示意图。
图中：
10、乏风利用装置；11、乏风换热器；12、喷淋塔；13、热管式换热器；
21、矿井水换热器；22、低温新风换热器；23、水源热泵；24、空气源热泵；
31、蒸汽锅炉；32、蒸汽新风机组；33、热水锅炉；34、热风锅炉；
41、瓦斯余热锅炉；42、瓦斯发电机组；
51、太阳能集热机组；52、光伏发电机组；
61、电加热机组；62、高温新风机组；
70、风力发电机组；80、电源；90、蓄电装置；100、用户用电设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
请参考图1-图2，在本实施例中，该能源综合利用配置与运行方法包括如下步骤：
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；可选地，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。
能源综合利用系统的系统组成是该能源综合利用系统中所有设备的集合及其相互的连接方式，具体包括发电设备、煤矿井筒加热设备、电源80、蓄电装置90和用户用电设备100；电源80分别与发电设备及蓄电装置90电连接，蓄电装置90的输入端分别与发电设备及电源80电连接，蓄电装置90的输出端分别与煤矿井筒加热设备和用户用电设备100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。以上这些设备的连接方式、设备性能、投资及维护成本均为现有技术或本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。具体地，上述可再生能源具体包括太阳能和风能，化石能源包括天然气和瓦斯。
请参考图2，图2给出了本实施例中步骤S1中能源综合利用系统的系统组成的示意图，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80、蓄电装置90和用户用电设备100；电源80分别与发电设备及蓄电装置90电连接，蓄电装置90的输入端分别与发电设备及电源80电连接，蓄电装置90的输出端分别与煤矿井筒加热设备和用户用电设备100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。
S2、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化配置模型；
在本实施例中，在本实施例中，考虑系统经济性时，需要考虑该能源综合利用系统所需的年总费用，对应上述优化配置模型的经济目标函数；考虑环保性时，需要考虑该能源综合利用系统的年CO2排放，对应上述优化配置模型的环保目标函数。
可选地，步骤S2中，经济目标函数取为年总费用Ztotal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，即：
Figure BDA0003472828210000091
其中：i为设备种类，假定系统中共有I种可选设备；k为典型日时段(全年划分为多个典型日，每个典型日又均分为多个时段)，全年总共划分为K个时段；α为天然气价，单位为元/kWh，需要说明的是α对于消耗天然气的设备才有意义，否则α取值为0；Δt为每个时段持续的时间，单位为h/天；D为典型日全年持续的天数，单位为天/年；x为设备输入能量功率，单位为kW；β为购电价格，单位为元/kWh；z为购自电网的电量，单位为kW；φ为设备单位输出能量的维护成本，单位为元/kWh；y为设备输出能量功率，单位为kW；R为资本投资回收系数，，r为贷款年利率，τ为设备使用年限，计算中r、τ的取值分别为5％、15年；j为设备容量，单位为kW，假定第i种设备有Ji种容量可供选择；c为设备单元成本，单位为元/台；n为设备实际选择的数目；es为蓄电装置；χ为售电价格，单位为元/kWh；S为售电量，单位为kW。
环保目标函数取为CO2年排放量(t/年)最小，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，消耗天然气的排放为天然气燃烧的CO2排放、天然气燃烧中CH4和N2O的等值排放和天然气生产运输分配中难测的泄露的等值排放之和，即：
Figure BDA0003472828210000092
其中：CENG为天然气燃烧的排放因子，单位为kgCO2/GJ，取为52.8；CMEF为天然气燃烧过程CH4的排放因子，单位为kgCH4/TJ，取为1.4；EGWPCH4为甲烷的全球增温潜能，取为21；CNEF为天然气燃烧过程N2O的排放因子，单位为kgN2O/TJ，取为2.3；EGWPN2O为N2O的全球增温潜能，取为310；CMLR为天然气生产运输分配中泄露排放因，单位为kgCH4/GJ，取为0.3；VANG为系统年耗天然气的热量，单位为GJ/年；CEFy为电力排放因子，单位为tCO2/MWh，取为0.89355；Epurchased为系统年购电量，单位为MWh；线损率取为7％；CER为R22泄露率，单位为tCO2/MWh，取为0.05；EGWPR22为R22的全球增温潜能，取为1700；QFV为R22，即氟利昂-22的系统充注量，单位为t。
Figure BDA0003472828210000101
其中：QFV0为电制冷系统的单位充注量，每产生106kcal/h冷量的R22系统充注约为474.6kg；Qc_max为电制冷系统的最大制冷量，单位为kW。
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；
其中，设备的种类、容量和数目约束由下式决定：
Figure BDA0003472828210000102
式中，二元变量γij表示第i种容量为j的设备是否被选择，其中γij＝0时代表不选择，γij＝1时代表选择，最多可以选Nij台；
设备运行特性约束由设备的输入功率和输出功率的功性决定，具体如下：
对于蓄电设备，即上文中的蓄电装置90，蓄能、释能是一个动态过程，即每个时段的运行必须考虑其前、后时段的运行，因此蓄电装置90的模型采用动态数学模型：
Figure BDA0003472828210000111
其中：H为某时刻蓄电装置90内所蓄存的电量，单位为kWh；t——典型日时刻，每个典型日共有T个时刻；μ为蓄电装置90的损失系数，计算中取为0.02；E为某时段蓄电装置90的蓄放功率(蓄电为正，放电为负)，单位为kW。
蓄电装置90的蓄电、放电功率存在上限，蓄存电量也存在上、下限，同时考虑一个典型日内的初始和终止条件，即：
Figure BDA0003472828210000112
其中：Hv,d为蓄电装置90放电功率的上限，单位为kWh；Hv,u为蓄电装置90蓄电功率的上限，单位为kWh；Hv为蓄电装置90的容量，单位为kWh；w为每个典型日初始和终止时刻蓄电装置90中蓄存的电量。
对于光伏发电机组52、太阳能集热器51，输出能量功率取决于太阳能辐射强度、表面积，包括光伏板表面积或太阳能集热管表面积，及效率，包括光伏发电效率或太阳能集热换热效率，输出能量功率不应超过设备额定容量，即：
Figure BDA0003472828210000113
Figure BDA0003472828210000114
其中：PArea为光伏板表面积或太阳能集热管表面积，单位为m2；Solar为太阳能辐射强度，单位为kW/m2；η为光伏发电效率或太阳能集热器换热效率；δ为整型变量，表示设备机组中处于运行状态的设备数目；PV为光伏发电机组52；SH为太阳能集热器51；RcapS为光伏发电机组52或太阳能集热器51的额定容量，单位为kW。
对于风力发电机组70，当风速低于切入风速或高于切出风速时，机组停机。当风速在切入风速与额定风速之间时，机组的发电量随风速的增大而增加。当风速在额定风速与切出风速之间时，机组的发电量等于其额定容量。即：
yi(k)＝0(V(k)＜VCI∪V(k)＞VCO；i∈(WT)；k＝1,2,...,K)
Figure BDA0003472828210000121
Figure BDA0003472828210000122
其中：V为风速，单位为m/s；VCI为风力发电机组70的切入风速，单位为m/s；VCO为风力发电机组70的切出风速，单位为m/s；WT为风力发电机组70；RcapW为风力发电机组70的额定容量，单位为kW；VRS为风力发电机组70额定风速，单位为m/s；κ为风力发电机组70的发电效率。
该能源综合利用系统涉及的其它设备，如煤矿井筒加热设备及用户用电设备100等，这些设备的出力与输入能量近似呈线性关系，假定任意时刻同一种设备所有运行机组的负荷率相同，则有如下约束：
Figure BDA0003472828210000131
其中：p、q为设备的性能参数；
Figure BDA0003472828210000132
x为设备输入能量功率的上限和下限。
系统能流平衡约束包括新风热量平衡约束，第一循环水热量、第二循环水热量、烟气余热量及蒸汽热量平衡约束和电量平衡约束，具体如下所述：
新风热量平衡约束，具体如下：
Figure BDA0003472828210000133
Figure BDA0003472828210000134
其中：I’为系统中具有同一类输出能量的设备共有I’种；D为典型日逐时负荷，单位为kW；Y为设备的额定输出量，单位为kW；Dmax为极端负荷，单位为kW。
第一循环水热量、第二循环水热量、烟气余热量及蒸汽热量平衡约束，其式如下：
Figure BDA0003472828210000135
其中：I”为系统中具有同一类输入能量的设备共有I”种。
电量平衡约束，如下：
Figure BDA0003472828210000136
使用∈-constraint方法求解上述优化配置模型，即将一个多目标优化问题转化为多个单目标优化问题，主要步骤如下：
首先，以年总费用为单目标函数，不考虑CO2排放量，求解上述优化问题，可以得到此时的CO2年排放量，记此时的CO2年排放量为ECO2max。
然后，以CO2年排放量为单目标函数，不考虑经济性，求解上述优化问题，可以得到此时最小的CO2年排放量，记为ECO2min。
将CO2排放量作为一个约束条件，即CO2排放量范围为[ECO2min，ECO2max]，将此范围分成N份[ECO2min，E1，E2，…，Ek，…，EN-1，ECO2max]，控制CO2年排放量小于某个Ek，即：
CO2年排放量≤ECO2min+K×(ECO2max-ECO2min)/N
具体地，通过设备、容量和数目约束来获得综合能源利用系统的所需设备的集合，通过设备运行特性约束来获得上述所有设备在某一个时间段内的输入或输出功率特性，通过系统能流平衡约束使得该能源综合利用系统的能量和电量达到平衡，以保证该系统的所有设备用电和用热需求；通过上述约束，获得该能源综合利用系统的系统结构、设备配置和系统性能。优化问题的目标函数仍为年总费用，加入上述控制CO2排放量的约束条件，改变K的值，求解此优化问题，即可获得同时考虑经济性与环保性的帕累托多目标解。
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；设备最优配置可为决策者提供选型依据，系统性能可为决策者提供决策依据。进一步地，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。
S4、建立同时考虑系统经济性与环保性的优化运行模型；
可选地，优化运行模型的经济性与经济目标函数相关，该经济目标函数为年总费用最小，优化运行模型的环保性与环保目标函数有关，该环保目标函数为CO2年排放量最小。
经济目标函数取为年运行费用ZO&M最小，年运行费用为年购电费用、年购天然气费用和年维护费用之和，并扣除售电收入，即：
Figure BDA0003472828210000151
其中：i为选择的消耗天然气的设备种类，共选择I种；k为全年时段，全年总共划分为K个时段；α为天然气价，单位为元/kWh；Δt为每个时段持续的时间，单位为h/天；x为设备输入能量功率，单位为kW；β为购电价格，单位为元/kWh；z为购自电网的电量，单位为kW；φ为设备单位输出能量的维护成本，单位为元/kWh；y为设备输出能量功率，单位为kW；χ为售电价格，单位为元/kWh；S为售电量，单位为kW。
进一步地，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和输出功率的特性决定。优化运行模型的环保目标函数、设备运行特性约束和系统能流平衡约束的计算方法如上述步骤S2中所述，此处不再赘述。
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。具体地，能源综合利用系统最优运行策略获得包括设备运行台数、设备运行负荷率等在内的系统最优运行策略，为决策者提供系统的控制依据。
具体地，同样使用∈-constraint方法求多目标模型的帕累托最优解，主要步骤如下：
首先，以年运行费用为单目标函数，不考虑CO2排放量，求解上述优化问题，可以得到此时的CO2年排放量，记此时的CO2年排放量为ECO2max。
然后，以CO2年排放量为单目标函数，不考虑经济性，求解上述优化问题，可以得到此时最小的CO2年排放量，记为ECO2min。
将CO2排放量作为一个约束条件，即CO2排放量范围为[ECO2min，ECO2max]，将此范围分成N份[ECO2min，E1，E2，…，Ek，…，EN-1，ECO2max]，控制CO2年排放量小于某个Ek，即：
CO2年排放量≤ECO2min+K×(ECO2max-ECO2min)/N
优化问题的目标函数仍为年运行费用，加入上述控制CO2排放量的约束条件，改变K的值，求解此优化问题，即可获得同时考虑经济性与环保性的帕累托多目标解。
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，并可减少对燃煤、等化石能源的依赖，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，保证了供能的安全性、稳定性和可靠性。
可选地，发电设备包括瓦斯发电机组42、光伏发电机组52和风力发电机组70，煤矿井筒加热设备包括乏风利用装置10、矿井水换热器21、低温新风换热器22、水源热泵23、空气源热泵24、天然气利用装置、瓦斯余热锅炉41、太阳能集热机组51、电加热机组61和高温新风机组62，
乏风利用装置10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；
矿井水换热器21利用矿井水将初始循环水加热为第一循环水；
低温新风换热器22分别与乏风利用装置10和矿井水换热器21连通，低温新风换热器22能够利用第一循环水加热初始新风为第一新风；
水源热泵23利用第一循环水将初始循环水加热为温度不低于第三预设温度的第二循环水；
空气源热泵24用于将初始循环水加热为第二循环水，和/或空气源热泵24与水源热泵23连通，并将初始循环水加热为第一循环水；
天然气利用装置包括蒸汽锅炉31、蒸汽新风机组32、热水锅炉33和热风锅炉34；蒸汽锅炉31能够利用天然气燃烧产生热蒸汽，蒸汽新风机组32与蒸汽锅炉31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33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34利用天然气燃烧加热初始新风为第二新风；
瓦斯余热锅炉41与瓦斯发电机组42连通，瓦斯发电机组42能够产生电能并产生瓦斯余热烟气，瓦斯余热锅炉41能够利用烟气将初始循环水加热为第二循环水；
太阳能集热机组51能够将初始循环水加热为第二循环水，光伏发电机组52能够产生电能；
电加热机组61分别与瓦斯发电机组42和光伏发电机组52电连接，电加热机组61能够利用电能加热初始新风为第二新风；
高温新风机组62分别与水源热泵23、空气源热泵24、热水锅炉33、瓦斯发电机组42的冷却水及太阳能集热机组51连通，高温新风机组62能够利用第二循环水加热初始新风为第二新风；
风力发电机组70能够利用风能产生电能；
电源80分别与瓦斯发电机组42、光伏发电机组52、风力发电机组70及蓄电装置90电连接；蓄电装置90的输入端分别与瓦斯发电机组42、光伏发电机组52、风力发电机组70及电源80电连接，输出端分别与水源热泵23、空气源热泵24及电加热机组61电连接。
进一步地，乏风利用装置10包括乏风换热器11、喷淋塔12和热管式换热器13，乏风换热器11和热管式换热器13用于将初始新风加热为第一新风，喷淋塔12用于将初始循环水加热为第一循环水。可选地，第一预设温度为5℃，第二预设温度取值范围为15至25℃，第三预设温度不小于45℃，本实施例中选为45℃，第四预设温度的取值范围为5至50℃。具体地，上述乏风换热器11为间壁式换热器，上述矿井水换热器21为板式换热器。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

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：
Figure FDA0003472828200000021
式中，二元变量γij表示第i种容量为j的设备是否被选择，其中γij＝0时代表不选择，γij＝1时代表选择，最多可以选Nij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斯发电机组(42)、光伏发电机组(52)和风力发电机组(70)，所述煤矿井筒加热设备包括乏风利用装置(10)、矿井水换热器(21)、低温新风换热器(22)、水源热泵(23)、空气源热泵(24)、天然气利用装置、瓦斯余热锅炉(41)、太阳能集热机组(51)、电加热机组(61)和高温新风机组(62)，
所述乏风利用装置(10)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；
所述矿井水换热器(21)利用矿井水将所述初始循环水加热为所述第一循环水；
所述低温新风换热器(22)分别与所述乏风利用装置(10)和所述矿井水换热器(21)连通，所述低温新风换热器(22)能够利用所述第一循环水加热所述初始新风为所述第一新风；
所述水源热泵(23)能够利用所述第一循环水将所述初始循环水加热为温度不低于第三预设温度的第二循环水；
所述空气源热泵(24)用于将所述初始循环水加热为所述第二循环水，和/或所述空气源热泵(24)与所述水源热泵(23)连通，并将所述初始循环水加热为所述第一循环水；
所述天然气利用装置包括蒸汽锅炉(31)、蒸汽新风机组(32)、热水锅炉(33)和热风锅炉(34)；所述蒸汽锅炉(31)能够利用天然气燃烧产生热蒸汽，所述蒸汽新风机组(32)与所述蒸汽锅炉(31)连通并利用所述蒸汽加热所述初始新风为具有第四预设温度的第二新风；所述热水锅炉(33)能够利用天然气燃烧加热所述初始循环水为所述第二循环水；所述热风锅炉(34)利用天然气燃烧加热所述初始新风为所述第二新风；
所述瓦斯余热锅炉(41)与所述瓦斯发电机组(42)连通，所述瓦斯发电机组(42)能够产生电能并产生瓦斯余热烟气，所述瓦斯余热锅炉(41)能够利用所述烟气将所述初始循环水加热为所述第二循环水；
所述太阳能集热机组(51)能够将所述初始循环水加热为所述第二循环水，所述光伏发电机组(52)能够产生电能；
所述电加热机组(61)分别与瓦斯发电机组(42)和所述光伏发电机组(52)电连接，所述电加热机组(61)能够利用电能加热所述初始新风为所述第二新风；
所述高温新风机组(62)分别与所述水源热泵(23)、所述空气源热泵(24)、所述热水锅炉(33)、所述瓦斯发电机组(42)的冷却水及所述太阳能集热机组(51)连通，所述高温新风机组(62)能够利用所述第二循环水加热所述初始新风为所述第二新风；
所述风力发电机组(70)能够利用风能产生电能；
所述电源(80)分别与所述瓦斯发电机组(42)、所述光伏发电机组(52)、所述风力发电机组(70)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瓦斯发电机组(42)、所述光伏发电机组(52)、所述风力发电机组(70)及所述电源(80)电连接，输出端分别与所述水源热泵(23)、所述空气源热泵(24)及电加热机组(61)电连接。
10.根据权利要求9所述的能源综合利用配置与运行方法，其特征在于，所述乏风利用装置(10)包括乏风换热器(11)、喷淋塔(12)和热管式换热器(13)，所述乏风换热器(11)和所述热管式换热器(13)用于将所述初始新风加热为所述第一新风，所述喷淋塔(12)用于将所述初始循环水加热为所述第一循环水。
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