一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法

摘要

本发明公开了一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，针对工业园区内综合能源系统及工业用户的结构，在原有能量供应、转换、存储设备模型的基础上，建立了综合能源系统氢气制取模型、二氧化碳回收利用及存储模型、生产原料存储区模型；构建工业用户不同车间能耗的多能耦合模型及工厂生产约束模型；以园区内综合能源系统所有设备的运行效率、工业用户不同车间的多能耦合模型及工厂生产流程为约束条件，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，构建园区内综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型；求解协同优化模型，得到园区综合能源系统各设备出力计划及工厂生产调度安排，减少了园区内综合能源系统及工业用户日运行能耗总费用。

说明书

技术领域

本发明涉及能源配置优化技术领域，尤其是一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法。

背景技术

随着对电力、天然气、供热和制冷等各种能源需求的不断增加，现代电力系统正向综合能源系统方向发展。综合能源系统被认为是减少化石燃料使用、降低能源成本以及提高传统能源系统效率和灵活性的有效模式。其能源输入包括天然气和电力，输出类型可同时包括电力、供热、制冷、天然气等多种能源。由于工业负荷需要大量的电、热、冷能源，因此在终端用户中扮演着重要的角色；然而，传统的工厂运营模式缺乏对多能源的管理和优化，严重影响了企业的经济效益和能源效率；因此，有必要研究工业园区综合能源系统和工业用户的能耗优化策略。

随着环境问题的日益关注，在综合能源系统中，许多研究工作将碳排放考虑在内，并提出了各种框架来优化园区综合能源系统的运行，以降低能源成本；此外，在需求响应中，工业负荷的管理和优化被广泛用于提高经济效益和能源效率。然而将园区综合能源系统能量转换与工厂用户生产计划协同优化调度的研究很少；并且没有考虑园区综合能源系统二氧化碳回收利用，以及工厂生产所消耗的不同能源之间具有的耦合关系，也没有考虑工业用户的日生产任务来进行需求响应，严重影响了用户参积极性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，减少园区内综合能源系统及工业用户日运行能耗总费用，提高能源综合利用率，降低碳排放。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，包括如下步骤：

步骤S1、针对工业园区内综合能源系统及工业用户的结构，在原有能量供应、转换、存储设备模型的基础上，建立了综合能源系统氢气制取模型、二氧化碳回收利用及存储模型、生产原料存储区模型；

步骤S2、园区综合能源管理中心接收到工业用户的生产任务、车间能耗类型、生产约束，构建工业用户不同车间能耗的多能耦合模型及工厂生产约束模型；

步骤S3、园区综合能源管理中心将接收到工业用户信息、综合能源系统的设备信息、外部气网及电网的价格、功率信息进行整合，在完成工厂的日生产任务前提下，以园区内综合能源系统所有设备的运行效率、工业用户不同车间的多能耦合模型及工厂生产流程为约束条件，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，并构建综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型；

步骤S4、园区综合能源管理中心对综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型求解，得到园区综合能源系统各设备出力计划及工厂生产调度安排；

步骤S5、园区综合能源管理中心按照求解结果控制综合能源系统的运行，并将求得的结果发送给工厂用户，使其按相应的安排从事生产活动。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中能量的供应设备模型包括天然气网、电网、光伏发电机组、太阳能热水器；能量的转换设备模型包括燃气锅炉、燃气轮机、P2G单元、吸收式制冷机、电制冷机；能量的存储设备模型包括电能存储设备；综合能源系统氢气制取模型包括电解水单元；二氧化碳回收利用及存储模型包括二氧化碳捕获设备；生产原料存储区模型包括初始原料仓库、车间1中间产品存储仓库、车间2中间产品存储仓库、车间z中间产品存储仓库。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述P2G单元及电解水单元模型为：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中综合能源系统二氧化碳回收利用及存储模型为：

上式中：

上式中：

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中综合能源系统二氧化碳存储模型为：

上式中：CO

上式表示二氧化碳初末时刻二氧化碳存储量保持不变；

0≤CO

上式中：CO

上式中：

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中车间能耗类型包括纯电能车间、纯冷能车间、纯热能车间、电热耦合车间、电冷耦合车间、热冷耦合车间。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中工业用户不同车间能耗的多能耦合模型为：

上式中：P

上式中：P

上式中：P

其中：

上式中：

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中生产约束包括不同车间的生产顺序、生产速度、运行状态，以及存储仓库的初始数量、剩余容量；

P

具体的，中间产品存储仓库模型：

上式中：

上式表示初末时刻中间产品存储量保持不变；

上式中：

υ

上式中：υ

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3的具体过程如下：

完成工厂的日生产任务前提下，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，具体包括向电网购电成本、天然气站购气成本、二氧化碳排放成本、捕获二氧化碳售出的收入、电解水制氢副产品氧气售出收入；

具体的，工业园区一天能源消耗总费的目标函数表达式为：

上式中：C

其中：

上式中：

约束条件包括：电热冷功率平衡约束、电网及气网交互功率约束、各能源设备运行约束、储能约束、工厂生产约束；

综合能源系统生产电、热、冷之间的关系表达式为：

上式中：

其中：

上式中：ω表示百分数；

具体的，园区内综合能源系统与工业用户电、热、冷功率平衡约束为：

具体的，电网及气网交互功率约束为：

上式中：

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提出的一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，针对工业园区内综合能源系统及工业用户的结构，在原有能量供应、转换、存储设备模型的基础上，建立了综合能源系统氢气制取模型、二氧化碳回收利用及存储模型、生产原料存储区模型；构建工业用户不同车间能耗的多能耦合模型及工厂生产约束模型；在完成工厂的日生产任务前提下，以园区内综合能源系统所有设备的运行效率、工业用户不同车间的多能耦合模型及工厂生产流程为约束条件，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，构建园区内综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型；求解所建协同优化模型，得到园区综合能源系统各设备出力计划及工厂生产调度安排，可以减少园区内综合能源系统及工业用户日运行能耗总费用，提高了能源综合利用率，降低了碳排放。

附图说明

图1是本发明园区内综合能源系统与工业用户运行的协同优化步骤框图；

图2是本发明园区内综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型的系统框图；

图3是本发明园区内工厂不同车间生产示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，包括如下步骤：

步骤S1、针对工业园区内综合能源系统及工业用户的结构，在原有能量供应、转换、存储设备模型的基础上，建立了综合能源系统氢气制取模型、二氧化碳回收利用及存储模型、生产原料存储区模型。其中，如图2所示，描述了园区综合能源系统生产电能、热能、冷能，与工厂不同工作车间消耗电能、热能、冷能的供需关系，并通过二者之间的协同优化实现综合能源系统的优化与工厂的生产调度安排，从而降低园区综合能源系统与工厂的日生产能耗总费用；其中，综合能源系统能量的供应设备模型包括天然气网、电网、光伏发电机组、太阳能热水器；能量的转换设备模型包括燃气锅炉、燃气轮机、P2G单元、吸收式制冷机、电制冷机；能量的存储设备模型包括电能存储设备；综合能源系统氢气制取模型包括电解水单元；二氧化碳回收利用及存储模型包括二氧化碳捕获设备；工厂中有N个生产车间，生产原料存储区模型包括初始原料仓库、车间1中间产品存储仓库、车间2中间产品存储仓库、车间z中间产品存储仓库。

P2G单元及电解水单元模型为：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

上式中：

综合能源系统二氧化碳回收利用模型为：

上式中：

上式中：

综合能源系统二氧化碳存储模型为：

上式中：CO

上式表示二氧化碳初末时刻二氧化碳存储量保持不变；

0≤CO

上式中：CO

上式中：

步骤S2、园区综合能源管理中心接收到工业用户的生产任务、车间能耗类型、生产约束，构建工业用户不同车间能耗的多能耦合模型及工厂生产约束模型，其中，车间能耗类型包括纯电能车间、纯冷能车间、纯热能车间、电热耦合车间、电冷耦合车间、热冷耦合车间。工业用户不同车间能耗的多能耦合模型为：

上式中：P

上式中：P

上式中：P

其中：

上式中：

生产约束包括不同车间的生产顺序、生产速度、运行状态，以及存储仓库的初始数量、剩余容量；

如图3所示，P

具体的，中间产品存储仓库模型：

上式中：

上式表示初末时刻中间产品存储量保持不变；

上式中：

υ

上式中：υ

步骤S3、园区综合能源管理中心将接收到工业用户信息、综合能源系统的设备信息、外部气网及电网的价格、功率信息进行整合，在完成工厂的日生产任务前提下，以园区内综合能源系统所有设备的运行效率、工业用户不同车间的多能耦合模型及工厂生产流程为约束条件，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，并构建综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型；具体过程如下：

完成工厂的日生产任务前提下，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，具体包括向电网购电成本、天然气站购气成本、二氧化碳排放成本、捕获二氧化碳售出的收入、电解水制氢副产品氧气售出收入；

具体的，工业园区一天能源消耗总费的目标函数表达式为：

上式中：C

其中：

上式中：

约束条件包括：电热冷功率平衡约束、电网及气网交互功率约束、各能源设备运行约束、储能约束、工厂生产约束；

综合能源系统生产电、热、冷之间的关系表达式为：

上式中：

其中：

上式中：ω表示百分数；

具体的，园区内综合能源系统与工业用户电、热、冷功率平衡约束为：

具体的，电网及气网交互功率约束为：

上式中：

步骤S4、园区综合能源管理中心对综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型求解，得到园区综合能源系统各设备出力计划及工厂生产调度安排；

步骤S5、园区综合能源管理中心按照求解结果控制综合能源系统的运行，并将求得的结果发送给工厂用户，使其按相应的安排从事生产活动。

本发明提出的一种工业园区综合能源系统与工厂生产计划协同优化方法，针对工业园区内综合能源系统及工业用户的结构，在原有能量供应、转换、存储设备模型的基础上，建立了综合能源系统氢气制取模型、二氧化碳回收利用及存储模型、生产原料存储区模型；构建工业用户不同车间能耗的多能耦合模型及工厂生产约束模型；在完成工厂的日生产任务前提下，以园区内综合能源系统所有设备的运行效率、工业用户不同车间的多能耦合模型及工厂生产流程为约束条件，以工业园区一天能源消耗总费为目标函数，构建园区内综合能源系统与工业用户运行的协同优化模型；求解所建协同优化模型，得到园区综合能源系统各设备出力计划及工厂生产调度安排，可以减少园区内综合能源系统及工业用户日运行能耗总费用，提高了能源综合利用率，降低了碳排放。