[发明专利]一种面向矿区的多能互补供热系统容量配置优化方法

权利要求书

1.一种面向矿区的多能互补供热系统容量配置优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立矿区多能互补供热系统结构；矿区多能互补供热系统结构以地热能、太阳能、空气能、矿井余热、天然气和燃煤作为供热热源，利用电能或一次能源驱动的供热设备，经能量转化后输送热量至用户侧；

步骤二、建立系统优化配置数学模型；

系统能耗模型：

系统供热量：

式中，G_i为供热期间第i种能源所提供的热量，单位为GJ；N为供热周期，单位为天；q_i为第i种能源的供热能力，单位为kW；t为室内计算温度，单位为℃；t_a为采暖期室外平均温度，单位为℃；t_o.a为采暖期室外计算温度，单位为℃；

系统能耗：

式中：β_i为第i种能源系统的综合能效比，无量纲；E_i为第i种能源系统消耗的能量，单位为GJ；

能源出力模型：

地热能、空气能模型：

式中，m为从地层或空气中获取的热能，单位为kW；q_dk为地热能或空气能的供热能力，单位为kW；COP为热泵机组制热系数，无量纲；

太阳能集热系统模型：

式中，q_solar为太阳能供热能力，单位为kW；f为太阳能保证率，单位为％；A为太阳能集热器面积，单位为m²；J_T为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，单位为kJ/m²；η_cd为集热器的年平均效率，单位为％；η_L为水箱和管路的热损失率，单位为％；

燃气锅炉模型：q_gas＝g_gasη_gas             式Ⅴ；

式中，q_gas为燃气锅炉供热能力，单位为kW；η_gas为燃气锅炉转换效率，单位为％；g_gas为消耗的天然气所提供的热量，单位为kW；

乏风余热模型：h＝1.0045t_air+d(2051+1.85t_air)        式Ⅵ；

式中，h为矿井回风比焓，单位为kJ/kg；t_air为空气温度，单位为℃；d为含湿量，单位为kg/kg；

q_wind＝ρV(h₁-h₂)/(1-1/COP)         式Ⅶ；

式中，q_wind为乏风供热能力，单位为kW；ρ为乏风平均空气密度，单位为kg/m³；V为乏风量，单位为m³/s；h₁为取热前乏风焓值，单位为kJ/kg；h₂为取热后乏风焓值，单位为kJ/kg；

涌水余热模型：q_water＝1.163l(t₁-t₂)/(1-1/COP)       式Ⅷ；

式中，q_water为矿井涌水供热能力，单位为kW；l为矿井涌水量，单位为m³/h；t₂为矿井冬季排水最低温度，单位为℃；t₁为热泵提取热量后矿井水排水温度，单位为℃；

空压机余热模型：q_ac＝nWεη_re            式Ⅸ；

式中，q_ac为空压机供热能力，单位为kW；n为空压机数量，单位为台；W为空压机额定功率，单位为kW；η_re为废热回收效率，单位为％；ε为空压机加载率，单位为％；

燃煤锅炉模型：q_coal＝g_coalη_coal            式Ⅹ；

式中：q_coal为燃煤锅炉供热能力，单位为kW；η_coal为燃煤锅炉转换效率，单位为％；g_coal为消耗燃煤所提供的热量，单位为kW；

碳交易模型：

碳排放配额：P_i＝k_iG_i        式ⅩⅠ；

式中，p_i为第i种能源碳排放配额，单位为吨；k_i为第i种能源供热基准值，单位为tCO₂/GJ；

碳排放量：

式中，Z_i为第i种能源供热系统CO₂排放量，单位为吨；B_i为第i种能源折标煤系数，单位为kg/kg或kg/m³；S_i为能源低位发热量，单位为kcal/kg或kcal/m³；

系统碳交易成本：Y_i＝(Z_i-P_i)x        式ⅩⅢ；

式中：Y_i为第i种能源供热系统的碳交易成本，单位为元；x为单位碳排放交易价格，单位为元/吨；

步骤三，建立目标函数及约束条件：

经济性目标函数：

建设成本：

式中，f₁为总建设成本，单位为万元；c_i.c为第i种能源供热系统建设综合单价，单位为元/kW；

运行成本：

式中，f₂为总运行成本，单位为万元；c_i.r为第i种能源供热系统运行单价，单位为元/kW·h；

维护成本：

式中，f₃为系统维护成本，单位为万元；c_i.w为第i种能源供热系统维护单价，单位为元/kW·h；T为每日供暖时长，单位为小时；

碳交易成本：

式中，f₄为碳交易成本，单位为万元；

综合经济性目标函数可表示为：minF₁＝min(f₁+f₂+f₃+f₄)           式ⅩⅧ；

清洁能源占比目标：

可再生能源占比目标：

式中：q_clear为清洁能源供热能力，单位为kW；q_re为可再生能源供热能力，单位为kW；

约束条件：

供需平衡约束：

能源出力约束：0≤q_i≤q_i.max                            式ⅩⅩⅡ；

碳排放约束：

场地约束条件：0≤A≤A_allow                          式ⅩⅩⅣ；

式中：Q为矿区总用热需求，单位为kW；A_allow为太阳能集热器系统允许的最大规模，单位为m²；

步骤四，利用快速非支配多目标优化算法求解模型。

2.根据权利要求1所述的面向矿区的多能互补供热系统容量配置优化方法，其特征在于，还包括步骤五：容量配置方案比选：

所述的方案经济性比选采用静态投资回收期比选，生态环保性采用清洁能源占比、可再生能源占比优选，两者变化区间为[0,1]，均越靠近1表示生态环保性越好，均越靠近0表示生态环保性越差。