煤矿分布式能源微网智能调控系统

甘海龙，肖 露，靳妮倩君

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着社会对能源的需求越来越大，提高能源利用率，发展分布式能源[1]，充分利用低品位热能，实现能源的多能互补集成优化是未来能源技术的一个主要发展方向。煤矿生产过程中存在大量不同品位的热能，如瓦斯发电高温烟气热能、地热能、空压机热源、太阳能等。煤矿生产和职工生活中又存在冷、热、电等多种不同品位的用能需求。结合煤矿现有各种能源和需求之间的关系，建立分布式能源微网智能调控系统[2]，将低浓度瓦斯蓄热氧化热能[3]、发电机组高温尾气热能、太阳能、地热能、电能等各种能源进行连通，利用智能调控系统分析各能源之间的匹配关系。针对计算终端用户的用能需求，根据白天和夜晚不同的用能时间段合理分配能源，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，建立冷、热、电三联供分布式能源智能微网[4]，实现煤矿能源在时间和空间上的合理调配，提高煤矿能源利用效率，节约燃煤、燃气和电能。最终实现多能协同供应和能源综合梯级利用，使矿区能源消耗量达到最合理状态。

1 煤矿分布式能源智能调控系统结构

煤矿分布式能源智能调控系统主要由一次能源[5]、二次能源、用能负荷、能源转化设备、数据分析中心[6]、控制系统等构成。

煤矿分布式能源智能调控系统结构如图1所示。由图1可以看出，一次能源主要由瓦斯、地热能、太阳能、风能构成；二次能源主要有外部电网电能。用能负荷包括：用电负荷、制冷负荷、井筒加热[7]、采暖负荷、热水负荷等。能源转化设备包括：蓄热氧化装置、瓦斯发电机[8]、太阳能发电设备[9]、溴化锂制冷机组[10]、换热器等。数据分析中心作为系统的核心单元，主要作用是对数据进行分析处理，根据白天和夜晚不同时间段，计算各个用能负荷，再通过智能分析，确定最经济合理的能源供给方式，将整个煤矿的能耗降至最低。控制系统接收数据分析中心的指令，然后再向各执行机构发出控制信号。

图1 煤矿分布式能源智能调控系统结构示意图

2 煤矿分布式能源智能调控系统原理

煤矿分布式能源智能调控系统以煤矿瓦斯作为主要一次能源，以地热能、太阳能、风能为辅助一次能源，实现对煤矿的冷、热、电三联供。系统流程图如图2所示。

图2 煤矿分布式能源智能调控系统流程图

图2中，瓦斯从瓦斯泵房进入低浓度瓦斯安全输送保障系统[11]，保证低浓度瓦斯的输送安全，阻止后端可能发生的意外火源传入瓦斯泵房。后端瓦斯气分2路进入瓦斯利用系统：

第1路瓦斯经过调节阀V1进入混配器[12]，该装置主要将瓦斯气和空气混合，保证混合后的气体甲烷浓度(体积分数，下同)在 0.6%～1.2%，防止甲烷浓度超限；瓦斯风机将混合后的瓦斯气送往瓦斯蓄热氧化装置；蓄热氧化装置将甲烷浓度0.6%～1.2%的瓦斯气安全、稳定地氧化，并产生约900 ℃的高温烟气[13]，该装置为此方案的核心设备，因为甲烷浓度小于5%时无法直接燃烧，甲烷浓度在5%～15%时遇火会发生爆炸[14]，通过配合混配器能将甲烷浓度小于15%的甲烷加以利用。高温烟气分3路加以利用：第1路烟气进入溴化锂制冷机组，产生冷水，夏季可用于办公楼制冷[15]；第2路烟气进入新风换热器加热空气，被加热后的空气与来自新风风机的冷空气混合后进入井筒，用于井下供暖；第3路烟气进入蒸汽锅炉产生高温蒸汽，冬季可用于办公楼供暖。降温后的尾气最终都进入烟囱排空。

第2路瓦斯经调节阀V2进入燃气机，在燃气机内燃烧做功，燃气机带动发电机发电，产生电能进入配电设备后输往用电负荷，同时配电设备还可以将外部电网、风能、太阳能作为用电负荷的补充和安全备用电源。燃气机产生的高温烟气在以往都直接排空，该方案中，对高温烟气通过3种方式加以利用：第1路通过调节阀V7进入溴化锂制冷机组，用于制冷；第2路通过调节阀V6进入蒸汽锅炉，产生高温蒸汽用于供暖；第3路通过调节阀V8进入热水换热器，产生热水用于职工生活洗浴。如果当地有地热能，还可以直接利用地热能生产热水。

3 热能负荷供需匹配

煤矿区用能负荷主要有：夏季供冷、冬季供热、风井供热、热水负荷。能源供给有：瓦斯蓄热氧化供热、地热能供热、瓦斯发电机烟气余热。

1)风井加热负荷：由瓦斯蓄热氧化和瓦斯发电机高温烟气热量提供，在进风温度(标准规定不低于 2 ℃)、风井进风量固定不变的情况下，风井加热负荷随着环境温度的变化而变化。 高温烟气流量和热量分配阀V4与环境温度关联，当环境温度发生变化时，控制阀V4会随之联动，以保证进风温度不低于2 ℃。

2)制冷负荷：夏季制冷负荷由两部分能源提供，分别是蓄热氧化高温烟气和瓦斯发电机高温烟气。环境温度的变化，会导致制冷负荷的变化，应保证瓦斯发电烟气流量为最大流量且为定值，将瓦斯发电高温烟气的能量全部利用，不足部分由瓦斯蓄热氧化热能提供。通过蓄热氧化高温烟气流量的变化来应对制冷负荷的变化，以环境温度为变量，将进入溴化锂制冷机的蓄热氧化高温烟气流量控制阀V3与环境温度关联，环境温度的变化将改变控制阀V3的开度。

3)采暖负荷：冬季采暖负荷由两部分能源提供，分别是蓄热氧化高温烟气和瓦斯发电高温烟气。环境温度的变化，会导致采暖负荷的变化，必须保证瓦斯发电烟气流量为最大流量且为定值，将瓦斯发电高温烟气的能量全部利用，仅通过蓄热氧化高温烟气流量的变化来应对采暖负荷的变化，通过调节V5阀来控制瓦斯蓄热氧化高温烟气的流量。

蓄热氧化的总热量Q=风井加热负荷+制冷负荷+采暖负荷。为应对3个用能负荷的变化，通过调节阀V1来控制瓦斯进入蓄热氧化装置的流量。

4 电力负荷匹配

电力主要由外部电网、瓦斯发电、太阳能发电、风力发电4部分供应。数据中心根据收集的历史用电数据，智能分析用电高峰和用电低谷，根据用电需求的波动变化提前做好电能供应准备，使用瓦斯发电、太阳能发电、风力发电作为矿区的主要电力来源，不用或少用外部电网电力，如果发电量多余且条件满足，甚至可以向外部电网供电。瓦斯发电量的变化通过该系统控制阀V2的开度来实现调节。

5 智能控制方法与模型

该智能控制方案主要采用模糊控制和PID控制相结合的技术。PID控制器对系统给定值r(t)同系统输出值y(t)的偏差e(t)分别进行比例、积分、微分运算，并由此得到其输出值u(t)，计算公式如下：

(1)

式中:Kp为比例系数;Ki为积分系数；Kd为微分系数。

Kp、Ki、Kd可对系统的稳定性、稳态精度、响应速度和超调量等性能产生影响。

将模糊控制技术和PID控制相结合，既可克服常规PID控制器的不足，又能使PID控制器具有参数自适应能力。模糊PID控制器以数字PID控制器为基础，引入模糊集合论，PID参数根据偏差和偏差变化值的大小而动态变化。模糊PID控制模型原理如图3所示。

注：图中ec为误差变化率。

由图3可以看出，模糊PID智能控制系统通过实时监测环境温度、进气浓度、流量、管道压力参数，采集浓度及流量数据，采用模糊PID“数据采集→运算判断→执行调控→再采集→再判断→再调控”的控制流程实现自动调节，以实现预定的目标,提高了系统的安全性。该控制系统具有快速、自动、智能的调节功能，能对复杂变量(如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等)进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。采用闭环控制、定性决策及定量控制相结合的多模态控制方式，能总体自寻优。具有自适应、自组织、自学习和自协调能力。

6 智能调控系统运行效果分析

分布式能源智能调控系统在阳煤五矿风井加热系统的控制界面运行图如图4所示。

图4 阳煤五矿分布式能源智能调控系统流程图

利用该智能调控系统结合阳煤五矿瓦斯蓄热氧化利用系统，对整个煤矿的热能、电力负荷进行智能调节。冬季时，随着温度的降低，智能调控系统根据环境温度的变化自动调节瓦斯气流的大小和高温烟气的流量。部分运行数据见表1。

表1 瓦斯发电机和蓄热氧化装置部分运行数据

由表1可以看出，随着环境温度的降低，新风换热器和蒸汽锅炉需要的热量增加，因此系统自动增大瓦斯蓄热氧化装置的进气阀V1开度，让蓄热氧化装置产出更多的热量。同时由于总的瓦斯供应量不变，因此需要减小进入瓦斯发电机的瓦斯气量,相应的V2开度减小。

7 结语

煤矿分布式能源微网智能调控系统将煤矿自有的独立能源系统与外部电网连接起来，通过对历史数据的分析处理，根据白天、夜晚和季节气温的变化，计算分析白天和夜晚的风井加热负荷、采暖负荷、热水负荷、用电负荷随时间、环境温度变化而变化的规律，提前做好能源供给匹配、用能调峰工作。白天气温高，风井加热负荷小，但是办公区域多，采暖和用电负荷较大，系统减少风井加热的热量供给，提高瓦斯发电机和太阳能发电电量，减少外部电网电力供应，降低煤矿电力支出。夏季高温时，利用瓦斯蓄热氧化热量和发电机高温烟气来制冷，代替电制冷，减少外部电网电力供应量。该系统能充分利用煤矿廉价的瓦斯产热发电，减少或代替外部电网电能的消耗，合理匹配能源的消耗和供给，使整个煤矿能耗费用降低。