王龍飛，王 帥，李 慶，李瑞華，向 軼，武 進(jìn)，邴 喆

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710054)

0 引言

氣候變化是全人類(lèi)面臨的共同挑戰(zhàn)，隨著全球氣候變化問(wèn)題的日益嚴(yán)重，極端天氣的強(qiáng)度和頻次也在持續(xù)增加，目前已有120多個(gè)國(guó)家制定碳中和目標(biāo)，加快能源轉(zhuǎn)型和清潔能源開(kāi)發(fā)，以減少溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)政府在2020年提出“力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，將推動(dòng)一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，應(yīng)對(duì)氣候變化降低碳排放，有利于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快形成綠色生產(chǎn)和生活方式，助推經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[1]。

煤炭作為我國(guó)主要的能源來(lái)源，對(duì)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要影響，煤炭開(kāi)發(fā)利用過(guò)程是我國(guó)主要的碳排放源之一，其排放量約占全國(guó)碳排放總量的60%～70%[2]。其中煤炭開(kāi)采過(guò)程中，礦井采掘、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)需要消耗能源，排放大量的二氧化碳，僅依靠其自身節(jié)能優(yōu)化，可一定程度上減少二氧化碳排放，但難以實(shí)現(xiàn)碳中和要求，探索煤炭行業(yè)可再生能源的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)，對(duì)于煤炭開(kāi)采過(guò)程實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

當(dāng)前煤炭企業(yè)正面臨保障能源供應(yīng)和減少碳排放的雙重壓力，將煤炭開(kāi)采過(guò)程與地區(qū)可再生能源開(kāi)發(fā)耦合協(xié)同，是降低煤炭行業(yè)能耗與碳排放的重要路徑。我國(guó)廣袤的西部地區(qū)具有豐富的可再生能源資源，同時(shí)西部地區(qū)的煤炭探明儲(chǔ)量資源占到了全國(guó)的57%[3-4]。風(fēng)、光等可再生能源資源的波動(dòng)性是制約其成為主要能源的因素之一，因此發(fā)展基于煤礦用能特征的多能互補(bǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦低碳、可靠、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采供能，對(duì)降低煤礦生產(chǎn)成本和環(huán)境污染具有重要意義。

筆者聚焦“雙碳”目標(biāo)下礦井自身的能源需求及礦井周邊資源條件，提出將煤礦開(kāi)采過(guò)程耗能與可再生能源供能相結(jié)合，建立以風(fēng)、光等可再生能源為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，解決煤礦自身生產(chǎn)用能需求，實(shí)現(xiàn)煤礦的低碳清潔轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 西部地區(qū)煤礦用能現(xiàn)狀

西部地區(qū)擁有豐富的煤炭資源儲(chǔ)量，2022年我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量2 070.12億t，其中西部地區(qū)內(nèi)蒙古、新疆、陜西的儲(chǔ)量之和占全國(guó)的50.43%；2022 年我國(guó)原煤產(chǎn)量45.6億t，其中內(nèi)蒙古、新疆、陜西的產(chǎn)量之和占全國(guó)的51.14%，按噸煤生產(chǎn)能耗7.28 kg標(biāo)煤計(jì)算，我國(guó)西部蒙陜新地區(qū)能耗為1 698萬(wàn)t/a(標(biāo)煤)。一般煤礦開(kāi)發(fā)過(guò)程主要的用能需求為電能、熱能，消耗的能源種類(lèi)主要以電力為主，煤炭、成品油等為輔，以位于西部蒙陜礦區(qū)產(chǎn)能12.0 Mt/a的門(mén)克慶煤礦為例，礦井生產(chǎn)能源消耗總量見(jiàn)表1。

表1 門(mén)克慶煤礦生產(chǎn)能源資源消耗量

1.1 電能供給情況

門(mén)克慶煤礦電力負(fù)荷主要分為井下負(fù)荷和地面電負(fù)荷，井下設(shè)備主要包括綜采、綜掘、帶式輸送機(jī)、主排水泵、井底煤倉(cāng)給料機(jī)、主立井井底窩水泵等，井下負(fù)荷總計(jì)24 739.27 kW；地面負(fù)荷主要包括行政生活區(qū)電負(fù)荷、工業(yè)場(chǎng)地電負(fù)荷、黃泥灌漿站、副立井提升、主立井提升、通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮站、綜采設(shè)備庫(kù)試驗(yàn)電源、日用消防泵房、鍋爐房、原煤倉(cāng)、選煤廠等，地面負(fù)荷總計(jì)28 790.51 kW。門(mén)克慶煤礦電力負(fù)荷分布如1所示。

由圖1可知，井下用電負(fù)荷主要集中在綜采、綜掘工作面及帶式輸送機(jī)上，地上用電負(fù)荷主要集中在主立井提升及選煤廠等設(shè)施，為避免停電帶來(lái)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，其用電負(fù)荷安全要求較高，目前礦井采用電網(wǎng)直供電的方式，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第四百三十六條規(guī)定[5]，礦井應(yīng)當(dāng)有兩回路電源線路(即來(lái)自2個(gè)不同變電站或者來(lái)自不同電源進(jìn)線的同一變電站的2段母線)。當(dāng)任一回路發(fā)生故障停止供電時(shí)，另一回路應(yīng)當(dāng)擔(dān)負(fù)礦井全部用電負(fù)荷。采用單回路供電時(shí)，必須有備用電源。備用電源的容量必須滿足通風(fēng)、排水、提升等要求，并保證主要通風(fēng)機(jī)等在10 min內(nèi)可靠啟動(dòng)和運(yùn)行。礦井的兩回路電源線路上都不得分接任何負(fù)荷且嚴(yán)禁裝設(shè)負(fù)荷定量器等各種限電斷電裝置。

圖1 門(mén)克慶煤礦電力負(fù)荷分布情況

1.2 熱能供給情況

礦井的供熱對(duì)象及范圍主要包括礦井工業(yè)場(chǎng)地的采暖通風(fēng)、熱水制備及井筒防凍用熱，礦井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)有人工作、休息的地方，以及地面生產(chǎn)工藝都對(duì)室溫有一定要求，因此在這些建筑物內(nèi)均應(yīng)設(shè)置采暖設(shè)施。冬季為防止井筒結(jié)冰，保證生產(chǎn)和人身安全在進(jìn)風(fēng)井筒附近設(shè)置空氣加熱設(shè)施對(duì)井筒進(jìn)行保溫。同時(shí)保障礦工身心健康，各礦井浴室燈房及職工宿舍均設(shè)有供生活熱水系統(tǒng)，門(mén)克慶煤礦熱能供應(yīng)分布如圖2所示。

圖2 門(mén)克慶煤礦-17 ℃條件下供熱量分布

受我國(guó)煤炭資源分布條件限制，煤礦大多分布在市政供熱管網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域，需要配套建立獨(dú)立的供熱熱源，大部分采用自建燃煤鍋爐房的方式進(jìn)行供暖，小部分采用市政供熱及電廠余熱。燃煤鍋爐分為燃煤熱水鍋爐和蒸汽鍋爐，噸位有10、20、35 t/h。近年來(lái)隨著國(guó)家連續(xù)出臺(tái)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等政策文件，煤礦燃煤鍋爐供熱開(kāi)始逐步向工業(yè)余熱或其他清潔供熱過(guò)渡，大量20 t/h以下小型燃煤鍋爐已被關(guān)停淘汰。隨著環(huán)保政策趨緊，礦區(qū)供熱熱源由傳統(tǒng)單一熱源向多種熱源供熱轉(zhuǎn)變，清潔供熱熱源比例逐步提高。

2 西部地區(qū)煤礦可利用能源資源現(xiàn)狀

我國(guó)西部地區(qū)擁有豐富的可再生能源資源，例如風(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮艿龋瑫r(shí)在煤炭開(kāi)采過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些排水、排風(fēng)、余熱、礦井瓦斯和伴生資源等。當(dāng)前，這些資源已經(jīng)得到了一定程度的利用。

2.1 礦井排水余熱資源

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中為了降低礦井涌水量和地下水位、減輕礦井的涌水壓力，保障礦井生產(chǎn)及井下人員安全，必須采取一定的排水措施將地下水和礦井涌水排出井外[6]。在排水過(guò)程中，通過(guò)井下排水系統(tǒng)將水從井下的集水池或井筒中抽取到地面上的處理設(shè)備中。礦井涌水含有懸浮物質(zhì)，同時(shí)具有一定的礦化程度，通常需經(jīng)過(guò)處理后再排入水體或進(jìn)行回用。不同地區(qū)及地質(zhì)條件的礦井排水量各有不同，受水文地質(zhì)條件及充水因素影響，礦井排水水溫一般恒定在15℃以上。礦井冬季用熱需求較大，而礦井排水中富含大量可利用的低位熱能，可采用熱泵技術(shù)回收和利用。以門(mén)克慶煤礦為例，其開(kāi)采深度為700 m，正常涌水量為2 110 m3/h，最大涌水量為2 382 m3/h，排水初始溫度按22 ℃、取熱溫度按5 ℃計(jì)算，其可提取熱量可達(dá)29 175 kW，礦井排水量的大小受到地質(zhì)條件、季節(jié)和開(kāi)采強(qiáng)度等多種因素的影響，其波動(dòng)性較大，在設(shè)計(jì)時(shí)一般按照正常涌水量的70%進(jìn)行計(jì)算。

2.2 礦井回風(fēng)余熱

在井工煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證井下礦工的安全和健康，通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)向礦井提供新鮮空氣，通風(fēng)量的大小影響礦井內(nèi)氧氣含量、瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度等關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于煤礦生產(chǎn)的安全具有重要影響[7]。通常煤礦的通風(fēng)量會(huì)根據(jù)礦井規(guī)模、礦井深度、瓦斯含量等因素進(jìn)行計(jì)算和規(guī)劃，并通過(guò)通風(fēng)風(fēng)門(mén)、風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。礦井回風(fēng)具有風(fēng)量、溫度、濕度保持基本恒定的特點(diǎn)，原生態(tài)礦井回風(fēng)溫度高、含濕量大，是空氣源熱泵取熱十分理想的低溫?zé)嵩?。以門(mén)克慶煤礦為例，開(kāi)采深度700 m時(shí)回風(fēng)量為268 m3/s，其回風(fēng)溫度為16 ℃，相對(duì)濕度85 %，按取熱后出風(fēng)溫度-4 ℃計(jì)算，相對(duì)濕度95%，其回風(fēng)余熱資源的利用量可達(dá)12 787 kW。

2.3 空壓機(jī)余熱

礦井開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)、風(fēng)鎬、氣腿鑿巖機(jī)、混凝土噴射機(jī)等風(fēng)動(dòng)設(shè)備和工具需要消耗大量的壓縮空氣，同時(shí)考慮井下人員壓風(fēng)自救需風(fēng)量，礦井一般配備螺桿式空氣壓縮機(jī)。空壓機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量高溫?zé)崮?，其壓縮后的熱量占總輸入功的比例可達(dá)85%左右[8]?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的熱量通過(guò)空壓機(jī)潤(rùn)滑油和壓縮空氣等工質(zhì)帶出，可回收的熱量包括工質(zhì)冷卻散熱量、后冷卻氣體散熱量、進(jìn)出口空氣含濕量差的熱量。它的溫度通常在90℃(冬春季)～105℃(夏秋季)之間，通過(guò)氣冷和水冷2種方式對(duì)空壓機(jī)潤(rùn)滑油和壓縮后的高溫氣體進(jìn)行冷卻，保證設(shè)備正常運(yùn)行和壓縮空氣溫度滿足使用需要，回收的熱量一般品位相對(duì)較高，溫度可達(dá)80 ℃以上。以門(mén)克慶煤礦為例，煤礦裝有5臺(tái)220 kW空壓機(jī)，日常運(yùn)行為4用1備，可供應(yīng)的熱能為570 kW左右，可供熱量總體較小。

2.4 礦井瓦斯

煤礦瓦斯是煤礦工作面開(kāi)采時(shí)釋放出來(lái)的可燃性氣體，主要成分為甲烷，也含有少量的乙烷、氫氣、氮?dú)獾取Ｔ诿旱V開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層壓力的變化和煤礦開(kāi)采過(guò)程中的破壞，煤層內(nèi)的瓦斯會(huì)逸出到煤礦工作面及礦井井下空間，對(duì)礦井安全造成威脅?！睹旱V安全規(guī)程》(2022)要求礦井總回風(fēng)大巷瓦斯?jié)舛炔坏酶哂?.75%，一般對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采以降低通風(fēng)瓦斯?jié)舛萚5，9]。煤礦瓦斯是一種重要的能源資源，利用煤礦瓦斯可以產(chǎn)生熱能和電能，可作為煤礦內(nèi)部的燃料供應(yīng)，也可以通過(guò)管道輸送到城市，作為城市燃?xì)馐褂?。煤礦瓦斯的利用不僅可以提高能源利用效率，降低煤炭資源的消耗，同時(shí)還可以減少煤礦的碳排放量，促進(jìn)煤礦綠色發(fā)展。

2.5 太陽(yáng)能資源

我國(guó)西部地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，與煤炭資源富集區(qū)有很大的重疊性[10]。2021年11月國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合4部門(mén)印發(fā)的《“十四五”支持老工業(yè)城市和資源型城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)示范區(qū)高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》支持利用沙漠、戈壁、荒漠以及采煤沉陷區(qū)、露天礦排土場(chǎng)、關(guān)停礦區(qū)建設(shè)風(fēng)電光伏發(fā)電基地。隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展，其用地日趨緊張，而利用采煤沉陷區(qū)受損土地發(fā)展光伏，不僅可以解決生態(tài)環(huán)境治理問(wèn)題，同時(shí)還將閑置資源變?yōu)楫?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的要素之一[11]。新疆、內(nèi)蒙古等多地利用采煤沉陷區(qū)及露天排土場(chǎng)開(kāi)展光伏發(fā)電項(xiàng)目，依托光伏的綜合能源項(xiàng)目不僅可為煤炭日常用能進(jìn)行供電，還可提供煤礦通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)在大電網(wǎng)停電時(shí)的應(yīng)急保障。

2.6 風(fēng)力資源

我國(guó)西部地區(qū)的風(fēng)能資源同樣豐富，平均風(fēng)速大于6.0 m/s的地區(qū)主要分布在東北大部、華北北部、內(nèi)蒙古大部、寧夏中南部、陜西北部。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能主要利用形式，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(GB51096-2015)中場(chǎng)址選擇要求：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變電站、集電線路等選址應(yīng)避開(kāi)不良地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域。由于地下煤層的開(kāi)采，地表會(huì)因煤層采動(dòng)引起變形，其中傾斜變形對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性影響最大[12]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)外運(yùn)行礦井與廢棄礦井均有運(yùn)行[10]，2001年美國(guó)賓夕法尼亞州薩默塞特風(fēng)電場(chǎng)在廢棄的煤礦新建運(yùn)行了6臺(tái)1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在礦井較為穩(wěn)定的主掘進(jìn)走廊的中心，并對(duì)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)進(jìn)行加固，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒上安裝傾斜傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)沉降情況[13]。礦區(qū)建設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在前期應(yīng)對(duì)采動(dòng)影響和場(chǎng)地地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的論證分析，盡量減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處的地表傾斜、水平變形、地表曲率，避開(kāi)地表變形值較大、地質(zhì)構(gòu)造處、可能的滑坡塌陷區(qū)等區(qū)域。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率較大，可在工業(yè)場(chǎng)地等預(yù)留煤柱位置建設(shè)數(shù)臺(tái)分布式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為煤礦開(kāi)采提供能源。

2.7 地?zé)豳Y源

目前地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)主要分為淺層地?zé)帷⒅猩顚拥責(zé)嵋约案蔁釒r。淺層地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)應(yīng)注意冬季取熱量與夏季儲(chǔ)熱量基本平衡的原則[14]；中深層地?zé)豳Y源不受水文地質(zhì)條件的制約，單孔換熱量大，無(wú)冷熱平衡問(wèn)題，缺點(diǎn)是初始投資較大[15]；干熱巖開(kāi)采深度較深，儲(chǔ)層激發(fā)技術(shù)還在進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)采技術(shù)難度大、成本較高[16]。對(duì)于井工煤礦來(lái)講，利用礦井排水將淺層地?zé)峤Y(jié)合水源熱泵進(jìn)行提取利用，而在礦井水量不足時(shí)可考慮采用中深層地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)。中深層地?zé)崮苈癫剌^深，其分布與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，需借助地球物理勘探結(jié)果及目標(biāo)區(qū)域周?chē)@孔、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)做出資源量的評(píng)估，目前中深層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)處于探索開(kāi)發(fā)階段，位于我國(guó)西部地區(qū)鄂爾多斯盆地的建莊、小保當(dāng)、檸條塔、大佛寺等煤礦相繼開(kāi)展了中深層地?zé)岬脑圏c(diǎn)利用項(xiàng)目，井深在3 200 m左右，井底溫度在100 ℃以上，取得了較好的取熱效果。中煤科工西安研究院在棋盤(pán)井煤礦開(kāi)展探井試驗(yàn)，完鉆井深1 508 m，垂深815 m，實(shí)測(cè)井底溫度57.1 ℃。

3 煤礦多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)

隨著風(fēng)光資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)，優(yōu)先利用可再生能源為煤礦提供電熱能源供給，實(shí)現(xiàn)煤礦能量需求的自給自足，進(jìn)一步降低噸煤能耗及碳排放，已成為煤炭企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的必由之路。同時(shí)，我國(guó)東部的煤炭資源日益枯竭，西部地區(qū)成為煤炭資源的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，而西部大部分煤炭資源集中在“沙戈荒”(沙漠、戈壁和荒漠的統(tǒng)稱(chēng))地區(qū)，這些地區(qū)的電力資源消納難、送出難，煤礦企業(yè)可結(jié)合沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)與治理，大力推動(dòng)風(fēng)光資源的自我消納，實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色低碳發(fā)展。

3.1 煤礦采用多能互補(bǔ)方式的必要性

煤礦主要的能源需求為電力和熱能需求，目前電能需求主要通過(guò)外部電網(wǎng)送電進(jìn)行解決，熱能需求主要通過(guò)燃燒煤、天然氣等化石燃料或者通過(guò)提取礦井回風(fēng)、礦井排水余熱進(jìn)行解決，熱能的需求隨著季節(jié)的變化而變化，隨季節(jié)波動(dòng)幅度較大，電負(fù)荷主要與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)，其波動(dòng)相對(duì)較小，當(dāng)前的煤炭開(kāi)發(fā)方式不可避免地消耗能源和帶來(lái)碳排放，依靠其自身優(yōu)化，可在一定程度上減少碳排放，但難以實(shí)現(xiàn)碳中和要求。煤礦區(qū)除煤炭資源外，還有大量的土地、風(fēng)、光等資源，具有發(fā)展可再生能源的先天優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)煤礦區(qū)煤與新能源耦合利用，是降低單位產(chǎn)品碳排放強(qiáng)度的重要途徑，推進(jìn)煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程節(jié)能提效、推動(dòng)煤與新能源耦合利用是煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程實(shí)現(xiàn)碳中和的必然要求。

3.2 煤礦源荷資源匹配

在構(gòu)建西部地區(qū)煤礦多能互補(bǔ)系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)光資源的時(shí)空分布特性與礦區(qū)冷熱電負(fù)荷的匹配關(guān)系是重要的研究?jī)?nèi)容之一。根據(jù)礦區(qū)地域、天氣等條件歷史數(shù)據(jù)，研究礦區(qū)的熱電冷等用能負(fù)荷波動(dòng)特征與可再生能源資源的供能出力特征的匹配關(guān)系，構(gòu)建基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，協(xié)調(diào)供給側(cè)可再生能源及負(fù)荷側(cè)熱電冷儲(chǔ)主動(dòng)適應(yīng)解決能源資源與負(fù)荷需求的波動(dòng)不匹配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用。

3.3 西部地區(qū)煤礦多能互補(bǔ)系統(tǒng)介紹

不同地區(qū)的資源稟賦條件及用能需求的不同，所構(gòu)建的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、容量所適應(yīng)的范圍均有所不同，能源利用技術(shù)多種多樣，能源利用網(wǎng)絡(luò)必將形態(tài)各異，要實(shí)現(xiàn)高能量效率、高經(jīng)濟(jì)性，就需要對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化，形成優(yōu)化的多能互補(bǔ)綜合能源利用網(wǎng)絡(luò)。含風(fēng)光儲(chǔ)的礦井熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，針對(duì)礦區(qū)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，需綜合考慮風(fēng)光資源條件、熱電冷用能需求以及儲(chǔ)能(熱電冷)等相關(guān)因素條件來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。

圖3 含風(fēng)光儲(chǔ)的礦井熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的能源供給側(cè)主要由電網(wǎng)供電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、瓦斯發(fā)電供給電能，礦井回風(fēng)、排水余熱、中深層地?zé)嶙鳛闊崮艿闹饕獊?lái)源，為解決能量利用時(shí)間的不匹配性問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)化技術(shù)和儲(chǔ)能(熱電冷)技術(shù)在多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)也非常重要，能量轉(zhuǎn)化設(shè)備主要由電能轉(zhuǎn)化熱能，主要設(shè)備有熱泵、電鍋爐、電制冷等轉(zhuǎn)化設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備主要采用電池儲(chǔ)能、水箱儲(chǔ)熱、冰儲(chǔ)冷等裝置組成，以實(shí)現(xiàn)能量供給的錯(cuò)峰匹配，將大量的太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)化為電能的形式避免了非采暖季太陽(yáng)能設(shè)備的閑置浪費(fèi)，同時(shí)通過(guò)電能向熱能的轉(zhuǎn)化，利用儲(chǔ)熱(冷)的方式解決儲(chǔ)電難度較大的問(wèn)題，以電能與熱能的互補(bǔ)互濟(jì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光可再生能源的穩(wěn)定消納。

3.4 系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化

對(duì)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)出力、消納能力、能效分析評(píng)估需要風(fēng)電出力時(shí)間序列、光伏出力時(shí)間序列、熱電冷等負(fù)荷需求序列作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。可根據(jù)多種規(guī)劃目標(biāo)參考式(1)～(3)，建立線性規(guī)劃模型對(duì)不同容量配比方式的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行全年8 760 h的逐時(shí)平衡模擬，計(jì)算得出最佳的容量配比，為系統(tǒng)的容量確定做出參考依據(jù)。

目標(biāo)函數(shù)f(x)為如綜合能效、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保、可靠性等指標(biāo)組成的多目標(biāo)或單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；g(x)為8 760 h每一時(shí)刻系統(tǒng)的能量供需平衡，主要為熱電冷需求與熱電冷供應(yīng)設(shè)備出力之間的平衡；h(x)為單一設(shè)備的最大出力范圍為邊界條件，如風(fēng)光發(fā)電設(shè)備、熱泵、電鍋爐、電制冷出力上限等邊界條件。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行控制

傳統(tǒng)粗放式的供能控制方式無(wú)法滿足多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行要求，由于多個(gè)熱源的協(xié)同供能，基于煤礦的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的供能控制方式需結(jié)合用能需求進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，優(yōu)先采用邊際成本較低的供能方式實(shí)現(xiàn)能量梯度利用，才能有效提升能源利用效率，降低用能成本。由于煤礦的用熱需求較大，其隨季節(jié)天氣的變化波動(dòng)較大，需同時(shí)結(jié)合供需兩側(cè)能量供給與消耗的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)未來(lái)時(shí)段的負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用協(xié)同優(yōu)化算法，計(jì)算獲得系統(tǒng)運(yùn)行成本最低的最優(yōu)設(shè)備運(yùn)行策略，從而使清潔能源系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)，在保證系統(tǒng)運(yùn)行可行性和可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的供需協(xié)同優(yōu)化，達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。

3.6 經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)保效益分析

隨著碳達(dá)峰、碳中和的深入推進(jìn)，礦區(qū)降低能耗、減少碳排放的要求日益嚴(yán)格，新能源的消納與高效利用等問(wèn)題也隨之而來(lái)；需綜合考慮礦區(qū)用能條件以實(shí)現(xiàn)與新能源的相互優(yōu)化匹配才能實(shí)現(xiàn)綜合效能最大化。在經(jīng)濟(jì)效益層面，通過(guò)構(gòu)建以新能源為主體的煤礦供能方式，采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”方式，可降低煤礦容量電費(fèi)和電量電費(fèi)，推動(dòng)噸煤開(kāi)采成本進(jìn)一步降低；在社會(huì)效益層面，通過(guò)礦區(qū)分布式的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)建設(shè)，提升在自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等極端條件下的煤炭供能系統(tǒng)保證安全可靠，對(duì)維護(hù)我國(guó)能源安全具有重要意義；在環(huán)保效益層面，礦區(qū)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)為礦區(qū)生產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程減少二氧化碳排放探索出可行路徑，可為減少溫室氣體排放發(fā)揮好生態(tài)環(huán)境效益提供支撐。

4 結(jié)論

隨著“雙碳”目標(biāo)的深入推進(jìn)，煤礦結(jié)合可再生能源降低煤炭開(kāi)采過(guò)程的碳排放成為重要發(fā)展趨勢(shì)。

(1)煤礦的用能主要集中在電能和熱能，并且電能和熱能均涉及到煤礦的安全生產(chǎn)運(yùn)行，其供給需平穩(wěn)可靠。

(2)西部地區(qū)煤礦可利用的能源資源有礦井開(kāi)采的伴生能源及風(fēng)光可再生能源，礦井伴生資源目前利用技術(shù)較為成熟，礦區(qū)的風(fēng)光可再生能源資源的開(kāi)發(fā)利用處于快速發(fā)展階段。

(3)結(jié)合煤礦的用能需求提出了基于風(fēng)光可再生能源資源的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，系統(tǒng)的選型定容及優(yōu)化控制是其發(fā)展的重要關(guān)鍵因素。