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    • 論文
    主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

    研究建立可直接應用的煤礦綜合能源系統多目標雙層優化模型

    2021-10-08

      煤炭作為我國重要的一次能源,2020年度其消費量在能源總消費量中占比56.8%,仍是我國目前消費量最多的能源主體。

      

      而在煤礦的能源系統中,粗放的能源利用、管理方式導致大量冗余的二氧化碳排放至大氣中,嚴重阻礙了“碳達峰、碳中和”目標的實現。因此,如何建設智慧化的煤礦能源系統,對能源設備進行合理的優化配置,推動新能源與傳統化石能源的綜合利用,是助力實現“30·60”雙碳目標的有效途徑。

      

      近日,中國礦業大學梁睿教授團隊聯合國網常州供電公司科研人員,聯合在《電網技術》發表《計及碳約束下的煤礦綜合能源系統多目標配置雙層優化》研究成果,黃宏旭博士為第一作者。研究提出了煤礦綜合能源系統配置-運行多目標雙層優化模型及多種群協作的NSGA-Ⅱ算法,在雙層優化框架下進行規劃-日內調度的兩階段滾動優化,生成煤礦綜合能源系統的多目標配置方案Pareto 解集,通過在山西太原某真實煤礦實際應用,驗證了模型和方法的有效性。

      

      在煤炭資源的開采過程中,往往伴隨著乏風、礦井涌水、低濃度瓦斯等衍生的廢棄資源產生。這些衍生能源蘊含著大量可以回收利用的能量,具有巨大的脫碳潛力。煤礦衍生能源的利用涉及電/熱/冷三種不同能源類型,且礦區的生產、生活需要多種大量能源。

      

      因此,建設煤礦綜合能源系統(coal mine integratedenergy system, CMIES)能夠最大限度滿足用戶多類能源需求,在有效保護化石能源和自然環境的同時,提升綜合能源利用效能。然而,衍生能源設備配置需要在年度時間尺度下,根據礦區資源稟賦特征、日內調度策略、對系統的設備選型、容量配置、運行策略等進行優化計算,從而獲得系統經濟、環保等多個目標最優解集。

      

    考慮衍生能源利用的礦區綜合能源系統架.jpg

      考慮衍生能源利用的礦區綜合能源系統架構

      

      煤礦綜合能源系統由外部供能系統、可再生能源系統、不同類型能源的負荷及衍生能源綜合利用設備構成,其中包括水源熱泵、煤矸石發電單元、燃氣輪機、乏風氧化發電單元、電制冷機、余熱鍋爐、儲熱罐、吸收式制冷機和燃氣鍋爐;多余的熱量可以通過儲熱裝置存儲,進行靈活調度;煤礦負荷主要包括了煤礦生產負荷以及生活辦公負荷;外部供能模塊主要考慮需要向外部購買的能源,其中電能來源于電網,熱能則通過購買天然氣通過燃氣鍋爐供能。

      

      煤礦綜合能源系統的設備配置規劃決定運行調度策略中的決策變量,而系統運行的碳排放與經濟成本也會影響設備配置規劃決策。二者互相耦合,需要建立雙層優化模型求解。梁睿研究團隊在計及煤礦衍生能源利用的基礎上,考慮系統碳排放與運行成本,將煤礦綜合能源系統設備配置與運行調度構建為多目標雙層優化模型。

      

      研究提出了一種改進的多種群協作NSGA-II 算法,用以改善單一種群NSGA-II 算法易于陷入局部最優的問題。根據迭代次數、種群規模、種群變異遺傳因子產生多個種群,在每一個種群的迭代過程中共享群體最優解集,最后,當滿足迭代條件時輸出群體最優解集。

      

      在山西太原某煤礦的實際應用中,研究考慮四種衍生能源能源與可再生能源參與配置的場景,將不考慮衍生能源能源和可再生能源利用的煤礦用能場景設為對照場景。

      

      場景一:只考慮煤矸石的綜合利用;

      

      場景二:考慮煤矸石與瓦斯的綜合利用;

      

      場景三:考慮煤矸石、瓦斯、乏風的綜合利用;

      

      場景四:考慮光伏、煤矸石、瓦斯與乏風的綜合利用。

      

    四種場景下配置方案對照圖.jpg

      四種場景下配置方案對照圖

      

      山西太原某煤礦的實際算例表明:

      

      (1)煤礦衍生能源的綜合利用能很大程度地提升礦區用能的經濟性和環境效益。隨著煤礦衍生能源利用程度的不斷提升,優化配置后的煤礦綜合能源系統的碳排放當量顯著降低,經濟成本有較大幅度的下降;

      

      (2)多種群協作NSGA-Ⅱ算法能夠更好地獲取煤礦綜合能源系統多目標優化Pareto 前沿??尚薪獾亩鄻有暂^改進前平均提升110.2%;不同場景下,算法改進后的Pareto 解集平均支配了原有解98.3%。對于解決復雜約束的煤礦綜合能源系統的優化提供一定的理論參考價值。

      

      最后,研究人員提出,在后續研究中,將考慮煤礦綜合能源系統中乏風、涌水熱能在礦井中的動態傳遞與時滯特性與5-10 年時間尺度下衍生能源稟賦的不確定性,對全生命周期的煤礦綜合能源配置優化進行研究。


    這項研究得到了國家自然科學基金、江蘇省“六大人才高峰”項目、江蘇省科研與實踐創新計劃項目的資金支持。


    多目標配置雙層優化框架.jpg

    多目標配置雙層優化框架


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    改進的多種群協作NSGA-Ⅱ算法流程圖


      責任編輯:宮在芹
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