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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)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(shí)現(xiàn)能源的多能互補(bǔ)集成優(yōu)化是未來(lái)能源技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中存在大量不同品位的熱能，如瓦斯發(fā)電高溫?zé)煔鉄崮堋⒌責(zé)崮堋⒖諌簷C(jī)熱源、太陽(yáng)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(jī)組高溫尾氣熱能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、電能等各種能源進(jìn)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(duì)計(jì)算終端用戶(hù)的用能需求，根據(jù)白天和夜晚不同的用能時(shí)間段合理分配能源，因地制宜、統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)、互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)煤礦能源在時(shí)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(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用，使礦區(qū)能源消耗量達(dá)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?、太?yáng)能、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(jī)[8]、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備[9]、溴化鋰制冷機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)白天和夜晚不同時(shí)間段，計(jì)算各個(gè)用能負(fù)荷，再通過(guò)智能分析，確定最經(jīng)濟(jì)合理的能源供給方式，將整個(gè)煤礦的能耗降至最低。控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)分析中心的指令，然后再向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)。

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?yáng)能、風(fēng)能為輔助一次能源，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(jìn)入瓦斯利用系統(tǒng)：

第1路瓦斯經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥V1進(jìn)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(jī)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?yàn)榧淄闈舛刃∮?%時(shí)無(wú)法直接燃燒，甲烷濃度在5%～15%時(shí)遇火會(huì)發(fā)生爆炸[14]，通過(guò)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(jìn)入溴化鋰制冷機(jī)組，產(chǎn)生冷水，夏季可用于辦公樓制冷[15]；第2路煙氣進(jìn)入新風(fēng)換熱器加熱空氣，被加熱后的空氣與來(lái)自新風(fēng)風(fēng)機(jī)的冷空氣混合后進(jìn)入井筒，用于井下供暖；第3路煙氣進(jìn)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(jìn)入煙囪排空。

第2路瓦斯經(jīng)調(diào)節(jié)閥V2進(jìn)入燃?xì)鈾C(jī)，在燃?xì)鈾C(jī)內(nèi)燃燒做功，燃?xì)鈾C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生電能進(jìn)入配電設(shè)備后輸往用電負(fù)荷，同時(shí)配電設(shè)備還可以將外部電網(wǎng)、風(fēng)能、太陽(yáng)能作為用電負(fù)荷的補(bǔ)充和安全備用電源。燃?xì)鈾C(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谝酝贾苯优趴?，該方案中，?duì)高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)3種方式加以利用：第1路通過(guò)調(diào)節(jié)閥V7進(jìn)入溴化鋰制冷機(jī)組，用于制冷；第2路通過(guò)調(diào)節(jié)閥V6進(jìn)入蒸汽鍋爐，產(chǎn)生高溫蒸汽用于供暖；第3路通過(guò)調(diào)節(jié)閥V8進(jìn)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(jī)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(jī)高溫?zé)煔鉄崃刻峁?，在進(jìn)風(fēng)溫度(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不低于 2 ℃)、風(fēng)井進(jìn)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(shí)，控制閥V4會(huì)隨之聯(lián)動(dòng)，以保證進(jìn)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(jī)高溫?zé)煔?。環(huán)境溫度的變化，會(huì)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茫蛔悴糠钟赏咚剐顭嵫趸療崮芴峁Ｍㄟ^(guò)蓄熱氧化高溫?zé)煔饬髁康淖兓瘉?lái)應(yīng)對(duì)制冷負(fù)荷的變化，以環(huán)境溫度為變量，將進(jìn)入溴化鋰制冷機(jī)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(kāi)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)煔狻－h(huán)境溫度的變化，會(huì)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茫瑑H通過(guò)蓄熱氧化高溫?zé)煔饬髁康淖兓瘉?lái)應(yīng)對(duì)采暖負(fù)荷的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)V5閥來(lái)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(duì)3個(gè)用能負(fù)荷的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)閥V1來(lái)控制瓦斯進(jìn)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(yáng)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(dòng)變化提前做好電能供應(yīng)準(zhǔn)備，使用瓦斯發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電作為礦區(qū)的主要電力來(lái)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(mǎn)足，甚至可以向外部電網(wǎng)供電。瓦斯發(fā)電量的變化通過(guò)該系統(tǒng)控制閥V2的開(kāi)度來(lái)實(shí)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(duì)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(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并由此得到其輸出值u(t)，計(jì)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(duì)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(dòng)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(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、進(jìn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)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(dòng)、智能的調(diào)節(jié)功能，能對(duì)復(fù)雜變量(如非線(xiàn)性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量、環(huán)境擾動(dòng)等)進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)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(yùn)行效果分析

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

圖4 陽(yáng)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(yáng)煤五礦瓦斯蓄熱氧化利用系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)煤礦的熱能、電力負(fù)荷進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。冬季時(shí)，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(dòng)調(diào)節(jié)瓦斯氣流的大小和高溫?zé)煔獾牧髁?。部分運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 瓦斯發(fā)電機(jī)和蓄熱氧化裝置部分運(yùn)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(dòng)增大瓦斯蓄熱氧化裝置的進(jìn)氣閥V1開(kāi)度，讓蓄熱氧化裝置產(chǎn)出更多的熱量。同時(shí)由于總的瓦斯供應(yīng)量不變，因此需要減小進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)的瓦斯氣量,相應(yīng)的V2開(kāi)度減小。

7 結(jié)語(yǔ)

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(dú)立能源系統(tǒng)與外部電網(wǎng)連接起來(lái)，通過(guò)對(duì)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(jì)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(shí)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(jī)和太陽(yáng)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(shí)，利用瓦斯蓄熱氧化熱量和發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔鈦?lái)制冷，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(jià)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(gè)煤礦能耗費(fèi)用降低。