期刊首页 优先出版 当期阅读 过刊浏览 作者中心 关于期刊 English

《中国工程科学》 >> 2023年 第25卷 第5期 doi: 10.15302/J-SSCAE-2023.05.010

煤矿区综合能源微网架构及低碳运行优化研究

1. 智能电网教育部重点实验室(天津大学),天津 300072;

2. 天津市智慧能源与信息技术重点实验室(天津大学),天津 300072;

3. 天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072

资助项目 :中国工程院咨询项目“我国煤炭行业碳中和发展科学体系及战略路径研究”(2022-XBZD-09);国家自然科学基金项目(52222704) 收稿日期: 2023-09-22 修回日期: 2023-10-18 发布日期: 2023-10-30

下一篇 上一篇

摘要

在推行煤炭清洁开采、构建绿色低碳循环能源新发展格局的背景下,当前煤矿区能源的孤立开发方式和以煤炭发电、电网供电为主的供能模式已不再适应新形势,需要构建综合能源微网以增强煤矿区能源综合利用水平并控制碳排放量。本文讨论了煤矿区综合能源微网应用的基本需求及天然优势,提出了一种煤矿区综合能源微网架构并分析了蕴含的新能源发电、储能、伴生能源利用、多能耦合转换、能量优化调度等发展要素;建立了煤矿区的物质流 ‒ 能量流 ‒ 碳流枢纽模型,实现了针对典型煤矿区的综合能源微网碳能协同低碳运行优化。结果表明,将综合能源微网应用于煤矿区,能够发挥风、光、瓦斯、空气热、涌水热等资源优势并进行高效整合利用,储能装置则进一步提高供能与负荷需求的匹配度,充分降低煤矿区的电网购电量与用电碳排放量;煤矿区碳能协同低碳运行优化过程考虑了各类设备的碳能耦合关系,支持制定低碳经济的运行策略。煤矿区综合能源微网架构及碳能协同低碳运行优化,可为煤矿区经济社会高质量发展提供新的理念与技术支撑。

图片

图1

图2

图3

图4

图5

参考文献

[ 1 ] 国家统计局‍ . 中国统计年鉴2021 [M]. 北京 : 中国统计出版社 , 2022 .
National Bureau of Statistics . China statistical yearbook 2021 [M]. Beijing : China Statistics Press , 2022 .

[ 2 ] 谢克昌‍ . 面向2035年我国能源发展的思考与建议 [J]. 中国工程科学 , 2022 , 24 6 : 1 ‒ 7 .
Xie K C . China´s energy development for 2035: Strategic thinking and suggestions [J]. Strategic Study of CAE , 2022 , 24 6 : 1 ‒ 7 .

[ 3 ] 张博 , 孙旭东 , 刘颖 , 等‍ . 能源新技术新兴产业发展动态与2035战略对策 [J]. 中国工程科学 , 2020 , 22 2 : 38 ‒ 46 .
Zhang B , Sun X D , Liu Y , et al . Development trends and strategic countermeasures of China´s emerging energy technology industry toward 2035 [J]. Strategic Study of CAE , 2020 , 22 2 : 38 ‒ 46 .

[ 4 ] 李姗姗 , 袁亮‍ . 煤炭工业全生命周期碳排放核算与影响因素 [J]. 煤炭学报 , 2023 , 48 7 : 2925 ‒ 2935 .
Li S S , Yuan L . Carbon emission accounting and influencing factors for whole life cycle of coal industry [J]. Journal of China Coal Society , 2023 , 48 7 : 2925 ‒ 2935 .

[ 5 ] 任世华 , 谢亚辰 , 焦小淼 , 等‍ . 煤炭开发过程碳排放特征及碳中和发展的技术途径 [J]. 工程科学与技术 , 2022 , 54 1 : 60 ‒ 68 .
Ren S H , Xie Y C , Jiao X M , et al . Characteristics of carbon emission from coal development process and technological approaches for carbon neutral development [J]. Advanced Engineering Sciences , 2022 , 54 1 : 60 ‒ 68 .

[ 6 ] 中华人民共和国国家发展和改革委员会 , 国家能源局‍ . 关于印发煤炭工业发展“十三五”规划的通知 [EBOL]. 2016-12-22 [ 2023-08-26 ]. https:www.ndrc.gov.cnxxgkzcfbghwb201612t20161230_962216.html .
National Development and Reform Commission, National Energy Administration . Notice on the issuance of the 13th Five-Year Plan for the development of the coal industry [EBOL]. 2016-12-22 [ 2023-08-26 ]. https:www.ndrc.gov.cnxxgkzcfbghwb201612t20161230_962216.html . 链接1

[ 7 ] 中华人民共和国国家发展和改革委员会 , 国家能源局‍ . 关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见 [EBOL]. 2022-01-30 [ 2023-08-26 ]. https:www.gov.‍cnzhengcezhengceku2022-0211content_5673015.htm .
National Development and Reform Commission, National Energy Administration . Opinions on improving institutional mechanisms and policy measures for green and low-carbon energy transition [EBOL]. 2022-01-30 [ 2023-08-26 ]. https:www.gov.cnzhengcezhengceku2022-0211content_5673015.htm . 链接1

[ 8 ] 高蕊‍ . “双碳”目标下煤矿低碳运行模式研究与探讨 [J]. 中国煤炭 [ J]. 2022 , 48 12 : 102 ‒ 108 .
Gao R . Research and discussion on low carbon operation mode of coal mine under the goals of carbon peak and carbon neutrality [J]. China Coal , 2022 , 48 12 : 102 ‒ 108 .

[ 9 ] 康红普 , 王国法 , 王双明 , 等‍ . 煤炭行业高质量发展研究 [J]. 中国工程科学 , 2021 , 23 5 : 130 ‒ 138 .
Kang H P , Wang G F , Wang S M , et al . High-quality development of China´s coal industry [J]. Strategic Study of CAE , 2021 , 23 5 : 130 ‒ 138 .

[10] 袁亮 , 张通 , 张庆贺 , 等‍ . 双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考 [J]. 煤炭学报 , 2022 , 47 6 : 2131 ‒ 2139 .
Yuan L , Zhang T , Zhang Q H , et al . Construction of green, low-carbon and multi-energy complementary system for abandoned mines under global carbon neutrality [J]. Journal of China Coal Society , 2022 , 47 6 : 2131 ‒ 2139 .

[11] 李全生 , 张凯‍ . 我国能源绿色开发利用路径研究 [J]. 中国工程科学 , 2021 , 23 1 : 101 ‒ 111 .
Li Q S , Zhang K . The path for green development and utilization of energy in China [J]. Strategic Study of CAE , 2021 , 23 1 : 101 ‒ 111 .

[12] 唐晓城 , 张伟 , 任一鑫 , 等 . 煤炭矿区能源集成利用体系研究 [J]. 矿冶工程 , 2014 , 34 1 : 110 ‒ 114 .
Tang X C , Zhang W , Ren , Y X , et al . Research on integrated energy-utilization system in coal mine [J]. Mining and Metallurgical Engineering , 2014 , 34 1 : 110 ‒ 114 .

[13] 中华人民共和国国家发展和改革委员会‍ . 关于印发《“十四五”现代能源体系规划》的通知 [EBOL]. 2022-01-29 [ 2023-08-26 ]. https:www.‍gov.‍cnzhengcezhengceku2022-0323content_5680759.htm .
National Development and Reform Commission . Notice on the issuance of the Fourteenth Five-Year Plan for modern energy system [EBOL]. 2022-01-29 [ 2023-08-26 ]. https:www.gov.cnzhengcezhengceku2022-0323content_5680759.htm . 链接1

[14] 刘畅 , 卓建坤 , 赵东明 , 等‍ . 利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 [J]. 中国电机工程学报 , 2020 , 40 1 : 1 ‒ 18
Liu C , Zhuo J K , Zhao D M , et al . A review on the utilization of energy storage system for the flexible and safe operation of renewable energy microgrids [J]. Proceedings of the CSEE , 2020 , 40 1 : 1 ‒ 18 .

[15] 中国气象局风能太阳能中心‍ . 2021年中国风能太阳能资源年景公报 [EBOL]. 2022-04-28 [ 2023-08-26 ] https:www.cma.gov.cnzxgkigkonrloxbg1202204120220429_4798342.html .
China Meteorological Administration Wind Energy Solar Energy Center . China´s wind and solar energy resources annual outlook bulletin in 2021 [EBOL]. 2022-04-28 [ 2023-08-26 ] https:www.cma.gov.cnzxgkigkonrloxbg1202204120220429_4798342.html . 链接1

[16] 王双明 , 刘浪 , 赵玉娇 , 等‍ . “双碳”目标下赋煤区新能源开发——未来煤矿转型升级新路径 [J]. 煤炭科学技术 , 2023 , 51 1 : 59 ‒ 79 .
Wang S M , Liu L , Zhao Y J , et al . New energy exploitation in coal-endowed areas under the target of "double carbon": A new path for transformation and upgrading of coal mines in the future [J]. Coal Science and Technology , 2023 , 51 1 : 59 ‒ 79 .

[17] 张志刚 , 霍春秀‍ . 煤矿区煤层气利用技术研究进展 [J]. 矿业安全与环保 , 2022 , 49 4 : 59 ‒ 64 .
Zhang Z G , Huo C X . Research progress of CBM utilization technology in mining areas [J]. Mining Safety Environmental Protection , 2022 , 49 4 : 59 ‒ 64 .

[18] 邱中建 , 赵文智 , 胡素云 , 等‍ . 我国天然气资源潜力及其在未来低碳经济发展中的重要地位 [J]. 中国工程科学 , 2011 , 13 6 : 81 ‒ 87 .
Qiu Z J , Zhao W Z , Hu S Y , et al . The natural gas resource potential and its important status in the coming low-carbon economy [J]. Strategic Study of CAE , 2011 , 13 6 : 81 ‒ 87 .

[19] 沈金山 , 王春信 , 李美晨 , 等‍ . 低温矿井涌水用于煤矿井下集中降温的应用研究 [J]. 煤炭技术 , 2022 , 41 8 : 123 ‒ 125 .
Shen J S , Wang C X , Li M C , et al . Application of low-temperature mine surge water for centralized cooling in underground coal mines [J]. Coal Technology , 2022 , 41 8 : 123 ‒ 125 .

[20] 郭念波‍ . 矿井高温热害综合治理技术的探索和实践 [J]. 中国煤炭 , 2015 , 41 1 : 117 ‒ 122 .
Guo N B . Exploration and practice of comprehensive treatment technology on coal mine high-temperature heat-harm [J]. China Coal , 2015 , 41 1 : 117 ‒ 122 .

[21] 胡炳南 , 郭文砚‍ . 采煤沉陷区损害防治对策与技术发展方向 [J]. 煤炭科学技术 , 2022 , 50 5 : 21 ‒ 29 .
Hu B N , Guo W Y . Countermeasures for damage prevention and control in coal mining subsidence area and direction of technology development [J]. Coal Science and Technology , 2022 , 50 5 : 21 ‒ 29 .

[22] 关于请提供利用采煤沉陷区受损土地发展光伏发电有关情况的函 [EBOL]. 2021-09-20 [ 2023-09-15 ]. https:www.163.comdyarticleGKBH7P0P0511CVT1.html .
Letter requesting information on the development of photovoltaic power generation using damaged land in coal mining subsidence areas [EBOL]. 2021-09-20 [ 2023-09-15 ]. https:www.163.comdyarticleGKBH7P0P0511CVT1.html . 链接1

[23] 霍冉 , 徐向阳 , 姜耀东‍ . 国外废弃矿井可再生能源开发利用现状及展望 [J]. 煤炭科学技术 , 2019 , 47 10 : 267 ‒ 273 .
Huo R , Xu X Y , Jiang Y D . Status and prospect on development and utilization of renewable energy in abandoned mines abroad [J]. Coal Science and Technology , 2019 , 47 10 : 267 ‒ 273 .

[24] 吕荣洁 . 光伏+应用创新样本: 昔日的“采煤沉陷区”变成今天的“水上发电站” [J]. 新能源经贸观察 , 2018 9 : 87 ‒ 89 .
Lyu R J . Innovative sample of PV+ application: The former "coal mining subsidence area" becomes today´s "water power station" [J]. Energy Outlook , 2018 9 : 87 ‒ 89 .

[25] 朱双玲 , 赖强 , 吴易平‍ . 平远废弃矿区变身光伏电站 [J]. 源流 , 2017 6 : 19 .
Zhu S L , Lai Q , Wu Y P . Pingyuan abandoned mining area transformed into photovoltaic power station [J]. Origins , 2017 6 : 19 .

[26] 罗锦程 , 邓毅 , 侯贵光 , 等‍ . 清洁能源产业新兴固体废物环境管理的现状、国际经验与启示 [J]. 环境保护 , 2023 , 51 Z2 : 41 ‒ 45 .
Luo J C , Deng Y , Hou G G , et al . Current situation, international experience and insights of environmental management of emerging solid waste in clean energy industry [J]. Environmental Protection , 2023 , 51 Z2 : 41 ‒ 45 .

[27] 陈海生 , 李泓 , 徐玉杰 , 等‍ . 2022年中国储能技术研究进展 [J]. 储能科学与技术 , 2023 , 12 5 : 1516 ‒ 1552 .
Chen H S , Li H , Xu Y J , et al . Research progress of energy storage technology in China in 2021 [J]. Energy Storage Science and Technology , 2023 , 12 5 : 1516 ‒ 1552 .

[28] 曾光 , 纪阳 , 符津铭 , 等‍ . 热储能技术研究现状、热点趋势与应用进展 [JOL]. 中国电机工程学报 , [ 2023-05-05 ]. http:kns.cnki.netkcmsdetail11.2107.TM.20230504.1952.006.html .
Zeng G , Ji Y , Fu J M , et al . Research status, hot trends and application progress of thermal energy storage technology [JOL]. Proceedings of the CSEE , [ 2023-05-05 ]. http:kns.cnki.netkcmsdetail11.2107.TM.20230504.1952.006.html . 链接1

[29] 谢和平 , 侯正猛 , 高峰 , 等‍ . 煤矿井下抽水蓄能发电新技术: 原理、现状及展望 [J]. 煤炭学报 , 2015 , 40 5 : 965 ‒ 972 .
Xie H P , Hou Z M , Gao F , et al . A new technology of pumped-storage power in underground coal mine: Principles, present situation and future [J]. Journal of China coal society , 2015 , 40 5 : 965 ‒ 972 .

[30] 赵同彬 , 刘淑敏 , 马洪岭 , 等‍ . 废弃煤矿压缩空气储能研究现状与发展趋势 [JOL]. 煤炭科学技术 , [ 2023-08-10 ]. http:kns.cnki.netkcmsdetail11.2402.TD.20230810.1402.001.html .
Zhao T B , Liu S M , Ma H L , et al . Research status and development trend of compressed air energy storage in abandoned coal mines [J]. Coal Science and Technology , [ 2023-08-10 ]. http:kns.cnki.netkcmsdetail11.2402.TD.20230810.1402.001.html . 链接1

[31] 郭继圣 , 张宝优‍ . 我国煤层气煤矿瓦斯开发利用现状及展望 [J]. 煤炭工程 , 2017 , 49 3 : 83 ‒ 86 .
Guo J S , Zhang B Y . Present situation and prospect of coalbed methane development and utilization in China [J]. Coal Engineering , 2017 , 49 3 : 83 ‒ 86 .

[32] 张志刚 , 霍春秀‍ . 煤矿区煤层气利用技术研究进展 [J]. 矿业安全与环保 , 2022 , 49 4 : 59 ‒ 64 .
Zhang Z G , Huo X C . Research progress of CBM utilization technology in mining areas [J]. Mining Safety Environmental Protection , 2022 , 49 4 : 59 ‒ 64 .

[33] 周言安 , 杨洋‍ . “双碳”目标下我国煤矿瓦斯利用技术发展方向 [J]. 煤炭技术 , 2022 , 41 8 : 146 ‒ 149 .
Zhou Y A , Yang Y . Development direction of coal mine gas utilization technology to realize carbon peak and carbon neutrality in China [J]. Coal Technology , 2022 , 41 8 : 146 ‒ 149 .

[34] 岑可法 , 倪明江 , 高翔 , 等‍ . 煤炭清洁发电技术进展与前景 [J]. 中国工程科学 , 2015 , 17 9 : 49 ‒ 55 .
Cen K F , Ni M J , Gao X , et al . Progress and prospects on clean coal technology for power generation [J]. Strategic Study of CAE , 2015 , 17 9 : 49 ‒ 55 .

[35] 熊云威 , 肖正‍ . 煤矿瓦斯氧化利用安全保障系统设计与应用 [J]. 矿业安全与环保 , 2018 , 45 1 : 43 ‒ 46, 51 .
Xiong Y W , Xiao Z . Design and application of safeguard system for coal mine gas oxidation [J]. Mining Safety Environmental Protection , 2018 , 45 1 : 43 ‒ 46, 51 .

[36] 向艳蕾 , 杨允 , 闫文瑞 , 等‍ . 煤矿回风余热资源利用技术现状与展望 [J]. 煤质技术 , 2021 , 36 6 : 77 ‒ 83 .
Xiang Y L , Yang Y , Yan W R , et al . Current status and prospect of waste heat utilization technologies of return air in coal mines [J]. Coal Quality Technology , 2021 , 36 6 : 77 ‒ 83 .

[37] 段泽敏 , 马素霞 , 郭千中‍ . 矿井余热资源利用技术 [J]. 煤矿安全 , 2014 , 45 9 : 68 ‒ 71 .
Duan Z M , Ma S X , Guo Q Z . Mine waste heat resources utilization technology [J]. Safety in Coal Mines , 2014 , 45 9 : 68 ‒ 71 .

[38] 吕超贤 , 孙文 , 梁睿 , 等‍ . 基于信息间隙决策理论的含电转气煤矿综合能源系统鲁棒调度 [JOL]. 高电压技术 , [ 2023-06-09 ]. https:doi.org10.13336j.1003-6520.hve.20230358 .
Lyu C X , Sun W , Liang R , et al . Information gap decision theory-based robust scheduling of coal mine integrated energy systems with power-to-gas [JOL]. High Voltage Engineering , [ 2023-06-09 ]. https:doi.org10.13336j.1003-6520.hve.20230358 . 链接1

[39] 梁喆 , 李梅 , 周孟然‍ . 含P2G和混合电储能的矿山综合能源系统多目标优化调度 [J]. 电力自动化设备 , 2021 , 41 10 : 122 ‒ 129 .
Liang Z , Li M , Zhou M R . Multi-objective optimal dispatch of mining area integrated energy system with P2G and hybrid electric energy storage [J]. Electric Power Automation Equipment , 2021 , 41 10 : 122 ‒ 129 .

[40] 黄武靖 , 张宁 , 董瑞彪 , 等‍ . 多能源网络与能量枢纽联合规划方法 [J]. 中国电机工程学报 , 2018 , 38 18 : 5425 ‒ 5437 .
Huang W J , Zhang N , Dong R B , et al . Coordinated planning of multiple energy networks and energy hubs [J]. Proceedings of the CSEE , 2018 , 38 18 : 5425 ‒ 5437 .

[41] Huang H X, Liang R, Lyu C X, et al. Two-stage robust stochastic scheduling for energy recovery in coal mine integrated energy system [J]. Applied Energy, 2021, 290: 116759.

[42] 王泽森 , 石岩 , 唐艳梅 , 等‍ . 考虑LCA能源链与碳交易机制的综合能源系统低碳经济运行及能效分析 [J]. 中国电机工程学报 , 2019 , 39 6 : 1614 ‒ 1626, 1858 .
Wang Z S , Shi Y , Tang Y M , et al . Low carbon economy operation and energy efficiency analysis of integrated energy systems considering LCA energy chain and carbon trading mechanism [J]. Proceedings of the CSEE , 2019 , 39 6 : 1614 ‒ 1626, 1858 .

[43] 李昊泉 , 袁乐 , 徐懂理 , 等‍ . 基于生命周期理论的区域综合能源系统-配电网博弈优化调度 [JOL]. 电力系统及其自动化学报 , [ 2023-09-20 ]. https:doi.org10.19635j.cnki.csu-epsa.001349 .
Li H Q , Yuan L , Xu B L , et al . Game optimization scheduling of regional integrated energy system-distribution network based on life cycle theory [J]. Proceedings of the CSU-EPSA , [ 2023-09-20 ]. https:doi.org10.19635j.cnki.csu-epsa.001349 . 链接1

[44] Hu H J, Sun X Y, Zeng B, et al. Enhanced evolutionary multi-objective optimization-based dispatch of coal mine integrated energy system with flexible load [J]. Applied Energy, 2021, 307: 118130.

[45] 刘昱良 , 李姚旺 , 周春雷 , 等‍ . 电力系统碳排放计量与分析方法综述 [JOL]. 中国电机工程学报 , [ 2023-06-27 ]. https:doi.org10.13334j.0258-8013.pcsee.223452 .
Liu Y L , Li Y W , Zhou C L , et al . Overview of carbon measurement and analysis methods in power systems [JOL]. Proceedings of the CSEE , [ 2023-06-27 ]. https:doi.org10.13334j.0258-8013.pcsee.223452 . 链接1

[46] 谢小荣 , 马宁嘉 , 刘威 , 等‍ . 新型电力系统中储能应用功能的综述与展望 [J]. 中国电机工程学报 , 2023 , 43 1 : 158 ‒ 169 .
Xie X R , Ma N J , Liu W , et al . Functions of energy storage in renewable energy dominated power systems: review and prospect [J]. Proceedings of the CSEE , 2023 , 43 1 : 158 ‒ 169 .

相关研究