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基于热能梯次利用的矿场多能互补供能系统及工作方法

申请号 CN202311639929.4 申请日 2023-11-30 公开(公告)号 CN117937528A 公开(公告)日 2024-04-26
申请人 国网山东省电力公司莱芜供电公司; 发明人 王琨; 王宁; 成晓君; 张磊; 闫耀双; 倪广魁; 魏延彬; 罗健; 郭帅; 杨祥; 张富饶; 李燕; 吴峰; 张云海;
摘要 本公开提供了基于 热能 梯次利用的 铁 矿场多能互补供能系统的工作方法,涉及铁矿源‑网‑荷‑储一体化多能互补技术领域,包括 电能 侧、热能侧以及高温 相变 储热模 块 ;所述电能侧和热能侧之间通过交直流多端口 能量 路由器进行耦合,实现电热转换,所述热能侧连接高温相变储热模块,所述热能侧向 钢 铁矿场热负荷供能,同时通过高温相变储热模块存储多余热能,所述高温相变储热模块利用高温余热转化为二次 能源 驱动负载工作,负载工作后散发的低温余热再向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。本公开通过配备高温相变储热,实现热能的梯次利用,同时通过多端口能量路由器实现热电转换,建立有效的热电耦合关系,提高能量利用效率。
权利要求

1.基于热能梯次利用的矿场多能互补供能系统,其特征在于,多能互补供能系统包括电能侧、热能侧以及高温相变储热模
所述电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换,所述热能侧连接高温相变储热模块,所述热能侧向铁矿场热负荷供能,同时通过高温相变储热模块存储多余热能,所述高温相变储热模块利用高温余热转化为二次能源驱动负载工作,负载工作后散发的低温余热再向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
2.如权利要求1所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述电能侧包括电池储能模块、光伏发电模块以及发电;所述热能侧包括光能集热、燃气加热以及电加热。
3.如权利要求2所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述电能侧的电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电模块与交直流多端口能量路由器相连,实现源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网的有机连接;所述电池储能模块能够储存电能,电能侧向钢铁矿场交直流电负荷进行供能。
4.如权利要求2所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能,同时存储多余热能,电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,所述交直流多端口能量路由器连接电加热模块,实现电热转换。
5.如权利要求1所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述多能互补供能系统连接钢铁矿场综合能源系统监控平台,所述钢铁矿场综合能源系统监控平台实时监测电网‑源‑荷‑储运行状态以及供能需求,通过集中决策实现多能互补供能的过程。
6.如权利要求3所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述交、直流混合微电网包括交流微网和直流微网,所述交流微网向站内交流负荷以及作业设备提供电能,所述直流微网通过DC/AC逆变器连接破碎机,向破碎机进行供能。
7.如权利要求1所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述高温相变储热模块为钢铁矿场热负荷供能,包括:井口加热、发电机发电以及蒸汽驱动页轮工作;燃气加热模块用于井口加热以及站内取暖,发电机发电的余热以及页轮工作的余热再用于站内取暖以井口加热。
8.如权利要求6所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其特征在于,所述直流微网通过DC/AC逆变器向电机供能,由电驱动页轮工作,页轮驱动注机工作。
9.基于权利要求1‑8任一项所述的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统的工作方法,其特征在于,包括:
基于钢铁矿场多能互补供能系统,将钢铁矿场负荷需求及其能源供给形式相结合,源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网有机连接;
电能侧以电网、光伏以及风电为源侧,配备电储能模块,向钢铁矿场交直流负荷提供电能;
热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备相变储热,结合高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能同时存储多余热能,高温相变储热模块利用高温余热加热水变成蒸汽,驱动汽轮发电机及注水机工作,再利用驱动发电机及注水机工作后的低温余热,向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
10.如权利要求9所述,其特征在于,负荷需求包括:井口加热、站内供暖以及注水机工作,多余热能利用高温相变储热模块进行存储,在需要时再次用于钢铁矿场加热以及场站站内取暖,高温余热用于加热水产生蒸汽驱动页轮动作,同时直流微网通过DC/AC逆变器向电机供电,电机与蒸汽同时驱动页轮动作,实现钢铁矿场注水机工作,蒸汽驱动汽轮发电机工作,再通过AC/DC逆变器将电能输送到铁矿直流微网,驱动发电机及注水机工作后的低温余热可继续用于铁矿井口加热以及场站站内取暖,实现热能的梯次利用及热电转换。

说明书全文

基于热能梯次利用的矿场多能互补供能系统及工作方法

技术领域

[0001] 本公开涉及铁矿源‑网‑荷‑储一体化多能互补技术领域,具体涉及基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统及工作方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
[0003] 矿石生产生产过程中的机采、注、集输等地面工程系统是铁矿耗能的主要环节,且以电负荷和热负荷为主。前者主要依靠电公司或自备电厂供能,而热负荷主要采用燃烧天然气或电加热的方式提供。同时,随着光伏、电、地热等清洁可再生能源发电技术的发展,部分铁矿场内先后建设了分布式发电试点项目以及太阳能集热系统。
[0004] 但是,现有的钢铁矿场电负荷、热负荷、分布式电源以及电网均独立规划、设计与运行,未能形成统一的综合能源系统,无法实现源‑网‑荷一体化多能互补协同机制,导致能源利用效率整体偏低;传统钢铁矿场通常依靠燃烧天然气或者电加热的方式获取所需热能,而实际铁矿各生产环节存在大量热负荷,由于缺少有效的热储能系统,其热量没有充分利用,造成供需之间没有形成有效的耦合关系与能量回收利用机制。发明内容
[0005] 本公开为了解决上述问题,提出了基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统及工作方法,将铁矿场的电、热能提供方式与相应负荷需求相结合,配备高温相变储热,利用不同温度段余热,实现热电耦合及热能的梯次利用。
[0006] 根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
[0007] 基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,其中,多能互补供能系统包括电能侧、热能侧以及高温相变储热模
[0008] 所述电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换,所述热能侧连接高温相变储热模块,所述热能侧向钢铁矿场热负荷供能,同时通过高温相变储热模块存储多余热能,所述高温相变储热模块利用高温余热转化为二次能源驱动负载工作,负载工作后散发的低温余热再向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0009] 进一步的,所述电能侧包括电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电;所述热能侧包括光能集热、燃气加热以及电加热。
[0010] 进一步的,所述电能侧的电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电模块与交直流多端口能量路由器相连,实现源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网的有机连接;所述电池储能模块能够储存电能,电能侧向钢铁矿场交直流电负荷进行供能。
[0011] 进一步的,所述热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能,同时存储多余热能,电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,所述交直流多端口能量路由器连接电加热模块,实现电热转换。
[0012] 进一步的,所述多能互补供能系统连接钢铁矿场综合能源系统监控平台,所述钢铁矿场综合能源系统监控平台实时监测电网‑源‑荷‑储运行状态以及供能需求,通过集中决策实现多能互补供能的过程。
[0013] 进一步的,所述交、直流混合微电网包括交流微网和直流微网,所述交流微网向站内交流负荷以及作业设备提供电能,所述直流微网通过DC/AC逆变器连接破碎机,向破碎机进行供能。
[0014] 进一步的,所述高温相变储热模块为钢铁矿场热负荷供能,包括:井口加热、发电机发电以及蒸汽驱动页轮工作;燃气加热模块用于井口加热以及站内取暖,发电机发电的余热以及页轮工作的余热再用于站内取暖以井口加热。
[0015] 进一步的,所述直流微网通过DC/AC逆变器向电机供能,由电驱动页轮工作,页轮驱动注水机工作。
[0016] 根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
[0017] 基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统的工作方法,包括:
[0018] 基于钢铁矿场多能互补供能系统,将钢铁矿场负荷需求及其能源供给形式相结合,源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网有机连接;
[0019] 电能侧以电网、光伏以及风电为源侧,配备电储能模块,向钢铁矿场交直流负荷提供电能;
[0020] 热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备相变储热,结合高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能同时存储多余热能,高温相变储热模块利用高温余热加热水变成蒸汽,驱动汽轮发电机及注水机工作,再利用驱动发电机及注水机工作后的低温余热,向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0021] 进一步的,负荷需求包括:井口加热、站内供暖以及注水机工作,多余热能利用高温相变储热模块进行存储,在需要时再次用于钢铁矿场加热以及场站站内取暖,高温余热用于加热水产生蒸汽驱动页轮动作,同时直流微网通过DC/AC逆变器向电机供电,电机与蒸汽同时驱动页轮动作,实现钢铁矿场注水机工作,蒸汽驱动汽轮发电机工作,再通过AC/DC逆变器将电能输送到铁矿直流微网,驱动发电机及注水机工作后的低温余热可继续用于铁矿井口加热以及场站站内取暖,实现热能的梯次利用及热电转换。
[0022] 与现有技术相比,本公开的有益效果为:
[0023] 本公开的基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,与传统铁矿场电负荷、热负荷、分布式电源以及电网均独立规划、设计与运行相比,传统方案未能形成统一的综合能源系统,无法实现源‑网‑荷一体化多能互补协同机制,导致能源利用效率整体偏低。本公开结合铁矿各生产环节负荷运行特性与多源供能特点,构建的考虑热能梯次利用的钢铁矿场多能互补供能系统,有利于促进实现能源有效替代同时提高能源利用效率。
[0024] 本公开结合铁矿场多种热能提供方式与井口加热、站内供暖、注水机工作等负荷需求,通过配备高温相变储热环节,充分利用不同温度段余热,实现热能的梯次利用。同时通过多端口能量路由器实现热电转换,建立有效的热电耦合关系,提高能量利用效率。附图说明
[0025] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
[0026] 图1为本公开考虑热能梯次利用的钢铁矿场多能互补供能系统结构图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
[0028] 应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0029] 需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0030] 实施例1
[0031] 本公开的一种实施例中提供了一种基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,如图1所示,包括电能侧、热能侧以及高温相变储热模块;电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换,所述热能侧连接高温相变储热模块,所述热能侧向钢铁矿场热负荷供能,同时通过高温相变储热模块存储多余热能,所述高温相变储热模块利用高温余热转化为二次能源驱动负载工作,负载工作后散发的低温余热再向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0032] 基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统,将钢铁矿场负荷需求及其能源供给形式相结合,总体包括电能侧和热能侧,电能侧部分立足铁矿企业电网,分布式光伏与风电为电能源补充,并配备电储能环节,源‑荷‑储之间通过交直流混合微电网有机连接,满足钢铁矿场交直流电负荷供能需求。
[0033] 热能侧部分以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备高温相变储热环节,为钢铁矿场热负荷供能同时存储多余热能。电热之间通过多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换;同时基于钢铁矿场多能互补供能系统综合监控平台实时监测源、网、荷、储运行状态与供能需求,通过集中决策实现多能互补优化供能的过程。
[0034] 其中,高温相变储热环节为利用高温余热加热水变成蒸汽,驱动汽轮发电机及铁矿注水机工作,再利用驱动发电机及注水机工作后的低温余热,向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0035] 具体的,作为一种实施例,电能侧包括电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电;热能侧包括光能集热、燃气加热以及电加热;电能侧的电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电模块与交直流多端口能量路由器相连,实现源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网的有机连接;电池储能模块能够储存电能,电能侧向钢铁矿场交直流电负荷进行供能。
[0036] 电能侧部分结合钢铁矿场交直流多元电负荷与分布式电源的接入需求,建立交直流混合微电网拓扑结构。立足企业电网,分布式光伏与风电为电能源补充,并配备电储能环节,源‑荷‑储之间通过交直流混合微电网有机连接,满足钢铁矿场交直流电负荷供能需求。其中针对铁矿而言,直流微网主要通过DC/AC逆变器向破碎机供电,同时向电机供电实现对注水机页轮的电力驱动,而交流微网主要向站内交流负荷以及铁矿相关作业设备供电。
[0037] 进一步的,热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能,同时存储多余热能,电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,所述交直流多端口能量路由器连接电加热模块,实现电热转换。
[0038] 热能侧部分以电加热、燃气加热和光能集热为热源,选取适于铁矿热负荷温度区间的高温相变材料,配备高温相变储热环节,通过适于钢铁矿场的高效相变储热装置及其控制系统,为钢铁矿场相应热负荷供能。以上加热方式产生的多余热能可利用相变储热装置进行存储,在需要时再次用于钢铁矿场加热以及场站站内取暖。高温余热可用于加热水产生蒸汽驱动页轮动作,同时直流微网通过DC/AC逆变器向电机供电,电机与蒸汽同时驱动页轮动作,实现钢铁矿场注水机工作。此外蒸汽驱动汽轮发电机工作,再通过AC/DC逆变器将电能输送到铁矿直流微网。驱动发电机及注水机工作后的低温余热可继续用于铁矿井口加热以及场站站内取暖。从而实现热能的梯次利用及热电转换。
[0039] 进一步的,电能侧、热能侧之间通过多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换,提高能量利用效率。
[0040] 交、直流混合微电网包括交流微网和直流微网,所述交流微网向站内交流负荷以及作业设备提供电能,所述直流微网通过DC/AC逆变器连接破碎机,向破碎机进行供能。
[0041] 直流微网通过DC/AC逆变器向电机供能,由电驱动页轮工作,页轮驱动注水机工作;
[0042] 作为一种实施例,高温相变储热模块为钢铁矿场热负荷供能,包括:井口加热、发电机发电以及蒸汽驱动页轮工作;燃气加热模块用于井口加热以及站内取暖,发电机发电的余热以及页轮工作的余热再用于站内取暖以井口加热。
[0043] 作为一种实施例,多能互补供能系统连接钢铁矿场综合能源系统监控平台,所述钢铁矿场综合能源系统监控平台实时监测电网‑源‑荷‑储运行状态以及供能需求,通过集中决策实现多能互补供能的过程。
[0044] 具体的,考虑铁矿场源、网、荷、储等各环节关键参数及其矿井工况变化、可再生能源出力波动以及综合用能成本,构建钢铁矿场多能互补供能系统综合监控平台,基于该平台实时监测源、网、荷、储运行状态与供能需求,通过集中决策实现多能互补优化供能的过程。
[0045] 实施例2
[0046] 本公开的一种实施例中提供了基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统的工作方法,基于钢铁矿场多能互补供能系统,将钢铁矿场负荷需求及其能源供给形式相结合,源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网有机连接;
[0047] 其中,钢铁矿场多能互补供能系统包括电能侧、热能侧以及高温相变储热模块,电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,实现电热转换,所述热能侧连接高温相变储热模块,所述热能侧向钢铁矿场热负荷供能,同时通过高温相变储热模块存储多余热能,所述高温相变储热模块利用高温余热转化为二次能源驱动负载工作,负载工作后散发的低温余热再向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0048] 电能侧包括电池储能模块、光伏发电模块以及风力发电;热能侧包括光能集热、燃气加热以及电加热,
[0049] 热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能,同时存储多余热能,电能侧和热能侧之间通过交直流多端口能量路由器进行耦合,所述交直流多端口能量路由器连接电加热模块,实现电热转换。
[0050] 作为一种实施例,基于热能梯次利用的铁矿场多能互补供能系统额工作方法的过程包括:
[0051] 基于钢铁矿场多能互补供能系统,将钢铁矿场负荷需求及其能源供给形式相结合,源‑荷‑储之间通过交、直流混合微电网有机连接;
[0052] 电能侧以电网、光伏以及风电为源侧,配备电储能模块,向钢铁矿场交直流负荷提供电能;
[0053] 热能侧以电加热、燃气加热和光能集热为热源,配备相变储热,结合高温相变储热模块,为钢铁矿场热负荷供能同时存储多余热能,高温相变储热模块利用高温余热加热水变成蒸汽,驱动汽轮发电机及注水机工作,再利用驱动发电机及注水机工作后的低温余热,向钢铁矿场相应热负荷提供热能,实现热电转换及热能的梯次利用。
[0054] 多余热能利用高温相变储热模块进行存储,在需要时再次用于钢铁矿场加热以及场站站内取暖,高温余热用于加热水产生蒸汽驱动页轮动作,同时直流微网通过DC/AC逆变器向电机供电,电机与蒸汽同时驱动页轮动作,实现钢铁矿场注水机工作,蒸汽驱动汽轮发电机工作,再通过AC/DC逆变器将电能输送到铁矿直流微网,驱动发电机及注水机工作后的低温余热可继续用于铁矿井口加热以及场站站内取暖,实现热能的梯次利用及热电转换。
[0055] 考虑铁矿场源、网、荷、储等各环节关键参数及其矿井工况变化、可再生能源出力波动以及综合用能成本,构建钢铁矿场多能互补供能系统综合监控平台,基于该平台实时监测源、网、荷、储运行状态与供能需求,通过集中决策实现多能互补优化供能的过程。
[0056] 本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0057] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0058] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改变形仍在本公开的保护范围以内。
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