煤礦分布式能源微網(wǎng)智能調(diào)控系統(tǒng)

甘海龍，肖 露，靳妮倩君

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著社會對能源的需求越來越大，提高能源利用率，發(fā)展分布式能源[1]，充分利用低品位熱能，實現(xiàn)能源的多能互補集成優(yōu)化是未來能源技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。煤礦生產(chǎn)過程中存在大量不同品位的熱能，如瓦斯發(fā)電高溫?zé)煔鉄崮?、地?zé)崮堋⒖諌簷C熱源、太陽能等。煤礦生產(chǎn)和職工生活中又存在冷、熱、電等多種不同品位的用能需求。結(jié)合煤礦現(xiàn)有各種能源和需求之間的關(guān)系，建立分布式能源微網(wǎng)智能調(diào)控系統(tǒng)[2]，將低濃度瓦斯蓄熱氧化熱能[3]、發(fā)電機組高溫尾氣熱能、太陽能、地?zé)崮?、電能等各種能源進行連通，利用智能調(diào)控系統(tǒng)分析各能源之間的匹配關(guān)系。針對計算終端用戶的用能需求，根據(jù)白天和夜晚不同的用能時間段合理分配能源，因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用傳統(tǒng)能源和新能源，建立冷、熱、電三聯(lián)供分布式能源智能微網(wǎng)[4]，實現(xiàn)煤礦能源在時間和空間上的合理調(diào)配，提高煤礦能源利用效率，節(jié)約燃煤、燃?xì)夂碗娔?。最終實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用，使礦區(qū)能源消耗量達到最合理狀態(tài)。

1 煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)主要由一次能源[5]、二次能源、用能負(fù)荷、能源轉(zhuǎn)化設(shè)備、數(shù)據(jù)分析中心[6]、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，一次能源主要由瓦斯、地?zé)崮堋⑻柲?、風(fēng)能構(gòu)成；二次能源主要有外部電網(wǎng)電能。用能負(fù)荷包括：用電負(fù)荷、制冷負(fù)荷、井筒加熱[7]、采暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷等。能源轉(zhuǎn)化設(shè)備包括：蓄熱氧化裝置、瓦斯發(fā)電機[8]、太陽能發(fā)電設(shè)備[9]、溴化鋰制冷機組[10]、換熱器等。數(shù)據(jù)分析中心作為系統(tǒng)的核心單元，主要作用是對數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)白天和夜晚不同時間段，計算各個用能負(fù)荷，再通過智能分析，確定最經(jīng)濟合理的能源供給方式，將整個煤礦的能耗降至最低?？刂葡到y(tǒng)接收數(shù)據(jù)分析中心的指令，然后再向各執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號。

圖1 煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)原理

煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)以煤礦瓦斯作為主要一次能源，以地?zé)崮?、太陽能、風(fēng)能為輔助一次能源，實現(xiàn)對煤礦的冷、熱、電三聯(lián)供。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 煤礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)流程圖

圖2中，瓦斯從瓦斯泵房進入低濃度瓦斯安全輸送保障系統(tǒng)[11]，保證低濃度瓦斯的輸送安全，阻止后端可能發(fā)生的意外火源傳入瓦斯泵房。后端瓦斯氣分2路進入瓦斯利用系統(tǒng)：

第1路瓦斯經(jīng)過調(diào)節(jié)閥V1進入混配器[12]，該裝置主要將瓦斯氣和空氣混合，保證混合后的氣體甲烷濃度(體積分?jǐn)?shù)，下同)在 0.6%～1.2%，防止甲烷濃度超限；瓦斯風(fēng)機將混合后的瓦斯氣送往瓦斯蓄熱氧化裝置；蓄熱氧化裝置將甲烷濃度0.6%～1.2%的瓦斯氣安全、穩(wěn)定地氧化，并產(chǎn)生約900 ℃的高溫?zé)煔鈁13]，該裝置為此方案的核心設(shè)備，因為甲烷濃度小于5%時無法直接燃燒，甲烷濃度在5%～15%時遇火會發(fā)生爆炸[14]，通過配合混配器能將甲烷濃度小于15%的甲烷加以利用。高溫?zé)煔夥?路加以利用：第1路煙氣進入溴化鋰制冷機組，產(chǎn)生冷水，夏季可用于辦公樓制冷[15]；第2路煙氣進入新風(fēng)換熱器加熱空氣，被加熱后的空氣與來自新風(fēng)風(fēng)機的冷空氣混合后進入井筒，用于井下供暖；第3路煙氣進入蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽，冬季可用于辦公樓供暖。降溫后的尾氣最終都進入煙囪排空。

第2路瓦斯經(jīng)調(diào)節(jié)閥V2進入燃?xì)鈾C，在燃?xì)鈾C內(nèi)燃燒做功，燃?xì)鈾C帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生電能進入配電設(shè)備后輸往用電負(fù)荷，同時配電設(shè)備還可以將外部電網(wǎng)、風(fēng)能、太陽能作為用電負(fù)荷的補充和安全備用電源。燃?xì)鈾C產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谝酝贾苯优趴?，該方案中，對高溫?zé)煔馔ㄟ^3種方式加以利用：第1路通過調(diào)節(jié)閥V7進入溴化鋰制冷機組，用于制冷；第2路通過調(diào)節(jié)閥V6進入蒸汽鍋爐，產(chǎn)生高溫蒸汽用于供暖；第3路通過調(diào)節(jié)閥V8進入熱水換熱器，產(chǎn)生熱水用于職工生活洗浴。如果當(dāng)?shù)赜械責(zé)崮埽€可以直接利用地?zé)崮苌a(chǎn)熱水。

3 熱能負(fù)荷供需匹配

煤礦區(qū)用能負(fù)荷主要有：夏季供冷、冬季供熱、風(fēng)井供熱、熱水負(fù)荷。能源供給有：瓦斯蓄熱氧化供熱、地?zé)崮芄?、瓦斯發(fā)電機煙氣余熱。

1)風(fēng)井加熱負(fù)荷：由瓦斯蓄熱氧化和瓦斯發(fā)電機高溫?zé)煔鉄崃刻峁?，在進風(fēng)溫度(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不低于 2 ℃)、風(fēng)井進風(fēng)量固定不變的情況下，風(fēng)井加熱負(fù)荷隨著環(huán)境溫度的變化而變化。 高溫?zé)煔饬髁亢蜔崃糠峙溟yV4與環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，控制閥V4會隨之聯(lián)動，以保證進風(fēng)溫度不低于2 ℃。

2)制冷負(fù)荷：夏季制冷負(fù)荷由兩部分能源提供，分別是蓄熱氧化高溫?zé)煔夂屯咚拱l(fā)電機高溫?zé)煔?。環(huán)境溫度的變化，會導(dǎo)致制冷負(fù)荷的變化，應(yīng)保證瓦斯發(fā)電煙氣流量為最大流量且為定值，將瓦斯發(fā)電高溫?zé)煔獾哪芰咳坷?，不足部分由瓦斯蓄熱氧化熱能提供。通過蓄熱氧化高溫?zé)煔饬髁康淖兓瘉響?yīng)對制冷負(fù)荷的變化，以環(huán)境溫度為變量，將進入溴化鋰制冷機的蓄熱氧化高溫?zé)煔饬髁靠刂崎yV3與環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)，環(huán)境溫度的變化將改變控制閥V3的開度。

3)采暖負(fù)荷：冬季采暖負(fù)荷由兩部分能源提供，分別是蓄熱氧化高溫?zé)煔夂屯咚拱l(fā)電高溫?zé)煔?。環(huán)境溫度的變化，會導(dǎo)致采暖負(fù)荷的變化，必須保證瓦斯發(fā)電煙氣流量為最大流量且為定值，將瓦斯發(fā)電高溫?zé)煔獾哪芰咳坷?，僅通過蓄熱氧化高溫?zé)煔饬髁康淖兓瘉響?yīng)對采暖負(fù)荷的變化，通過調(diào)節(jié)V5閥來控制瓦斯蓄熱氧化高溫?zé)煔獾牧髁俊?/p>

蓄熱氧化的總熱量Q=風(fēng)井加熱負(fù)荷+制冷負(fù)荷+采暖負(fù)荷。為應(yīng)對3個用能負(fù)荷的變化，通過調(diào)節(jié)閥V1來控制瓦斯進入蓄熱氧化裝置的流量。

4 電力負(fù)荷匹配

電力主要由外部電網(wǎng)、瓦斯發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電4部分供應(yīng)。數(shù)據(jù)中心根據(jù)收集的歷史用電數(shù)據(jù)，智能分析用電高峰和用電低谷，根據(jù)用電需求的波動變化提前做好電能供應(yīng)準(zhǔn)備，使用瓦斯發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電作為礦區(qū)的主要電力來源，不用或少用外部電網(wǎng)電力，如果發(fā)電量多余且條件滿足，甚至可以向外部電網(wǎng)供電。瓦斯發(fā)電量的變化通過該系統(tǒng)控制閥V2的開度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

5 智能控制方法與模型

該智能控制方案主要采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的技術(shù)。PID控制器對系統(tǒng)給定值r(t)同系統(tǒng)輸出值y(t)的偏差e(t)分別進行比例、積分、微分運算，并由此得到其輸出值u(t)，計算公式如下：

(1)

式中:Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

Kp、Ki、Kd可對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)速度和超調(diào)量等性能產(chǎn)生影響。

將模糊控制技術(shù)和PID控制相結(jié)合，既可克服常規(guī)PID控制器的不足，又能使PID控制器具有參數(shù)自適應(yīng)能力。模糊PID控制器以數(shù)字PID控制器為基礎(chǔ)，引入模糊集合論，PID參數(shù)根據(jù)偏差和偏差變化值的大小而動態(tài)變化。模糊PID控制模型原理如圖3所示。

注：圖中ec為誤差變化率。

由圖3可以看出，模糊PID智能控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測環(huán)境溫度、進氣濃度、流量、管道壓力參數(shù)，采集濃度及流量數(shù)據(jù)，采用模糊PID“數(shù)據(jù)采集→運算判斷→執(zhí)行調(diào)控→再采集→再判斷→再調(diào)控”的控制流程實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo),提高了系統(tǒng)的安全性。該控制系統(tǒng)具有快速、自動、智能的調(diào)節(jié)功能，能對復(fù)雜變量(如非線性、快時變、復(fù)雜多變量、環(huán)境擾動等)進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力。采用閉環(huán)控制、定性決策及定量控制相結(jié)合的多模態(tài)控制方式，能總體自尋優(yōu)。具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力。

6 智能調(diào)控系統(tǒng)運行效果分析

分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)在陽煤五礦風(fēng)井加熱系統(tǒng)的控制界面運行圖如圖4所示。

圖4 陽煤五礦分布式能源智能調(diào)控系統(tǒng)流程圖

利用該智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)合陽煤五礦瓦斯蓄熱氧化利用系統(tǒng)，對整個煤礦的熱能、電力負(fù)荷進行智能調(diào)節(jié)。冬季時，隨著溫度的降低，智能調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動調(diào)節(jié)瓦斯氣流的大小和高溫?zé)煔獾牧髁俊２糠诌\行數(shù)據(jù)見表1。

表1 瓦斯發(fā)電機和蓄熱氧化裝置部分運行數(shù)據(jù)

由表1可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，新風(fēng)換熱器和蒸汽鍋爐需要的熱量增加，因此系統(tǒng)自動增大瓦斯蓄熱氧化裝置的進氣閥V1開度，讓蓄熱氧化裝置產(chǎn)出更多的熱量。同時由于總的瓦斯供應(yīng)量不變，因此需要減小進入瓦斯發(fā)電機的瓦斯氣量,相應(yīng)的V2開度減小。

7 結(jié)語

煤礦分布式能源微網(wǎng)智能調(diào)控系統(tǒng)將煤礦自有的獨立能源系統(tǒng)與外部電網(wǎng)連接起來，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)白天、夜晚和季節(jié)氣溫的變化，計算分析白天和夜晚的風(fēng)井加熱負(fù)荷、采暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷、用電負(fù)荷隨時間、環(huán)境溫度變化而變化的規(guī)律，提前做好能源供給匹配、用能調(diào)峰工作。白天氣溫高，風(fēng)井加熱負(fù)荷小，但是辦公區(qū)域多，采暖和用電負(fù)荷較大，系統(tǒng)減少風(fēng)井加熱的熱量供給，提高瓦斯發(fā)電機和太陽能發(fā)電電量，減少外部電網(wǎng)電力供應(yīng)，降低煤礦電力支出。夏季高溫時，利用瓦斯蓄熱氧化熱量和發(fā)電機高溫?zé)煔鈦碇评?，代替電制冷，減少外部電網(wǎng)電力供應(yīng)量。該系統(tǒng)能充分利用煤礦廉價的瓦斯產(chǎn)熱發(fā)電，減少或代替外部電網(wǎng)電能的消耗，合理匹配能源的消耗和供給，使整個煤礦能耗費用降低。