综合能源系统在露天矿的应用<br/>——以霍林河某露天矿为例

综合能源系统在露天矿的应用
——以霍林河某露天矿为例

2022-08-01徐晓凤

光源与照明 2022年3期

徐晓凤，李洁

内蒙古科技大学，内蒙古包头 014017

0 引言

改革开放以来，随着经济的快速发展，我国煤炭行业进入高速发展阶段。但随着矿山数量增多、规模变大，能耗问题日益突出[1]。矿山的绿色生态发展成为煤矿企业发展目标。2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第75 届联合国大会向国际社会作出“碳达峰、碳中和”的郑重承诺，标志我国碳达峰、碳中和“3060目标”低碳新时代的开启。煤矿作为重要的常规化石能源，其生产过程会消耗大量的能源[2]。矿山作为能耗管控的源头，需要降低其污染，系统性地加快绿色生态发展[3]。

煤矿作为传统能源，即将步入绿色发展、高效发展的行列。与数字化、智慧化和清洁能源相结合也成为必然趋势。各主要采煤省份积极响应号召并出台相关政策，各大研究机构、团体也都加大了资金投入和研发力度，智慧矿山建设正在如火如荼地进行。在绿色矿山的建设中，降低能耗及能源的高效利用成为发展的核心。

1 项目概况

1.1 自然条件

内蒙古自治区地处东经97°10'～126°9'，北纬37°24'～53°20'，整个区域为东北—西南向的狭长地带，区域面积超过110×104km2。全区以温带大陆性季风气候为主，年平均气温为0～8 ℃，气温年差平均在34～36 ℃，气温日差平均在12～16 ℃，全年平均大风日数在10～40 d，70%发生在春季。内蒙古地区自然资源充足，风能及太阳能资源丰富。

本项目场址的代表年水平面总辐射量取值为5 448.24 MJ/m2。根据文献[4]，其处于5 040～6 300 MJ/m2范围内，年水平面总辐射量属于B 类（很丰富）；太阳能资源稳定度为0.28，项目所在地的太阳能资源属于C 类（一般）；场址的太阳能资源直射比年平均值为0.62，太阳能资源直射比属于A 类（直接辐射主导）。因此，从太阳能资源的角度，本项目具备较大的开发潜力。

项目场址位于内蒙古某露天煤矿排土场内，场区地势较开阔。项目占地面积约为33.33 hm2，交通方便，地理位置优越，但拟选场址地质条件较差。三期规划建设光伏电站容量为15 MW，电站主要由光伏区组成，接入某变电站。进场道路沿用灰场的道路，道路设计标准确定为厂矿四级道路。场地无其他高大遮挡物，阳光接收条件较好，有利于太阳能电池板的布置。

1.2 电气系统特点

项目三期装机容量为直流侧20 MWp，属中型光伏发电系统，由6 个方阵组成。本项目拟通过集电线路接入66 kV 某变电站，开关站内电气设备以共用为主，新增为辅为原则。

电气系统由66 kV 某变电站提供低压侧6 kV 配电供给，6 kV 系统采用经消弧线圈接地的非直接接地系统，共有备用间隔8 个，额定负荷在5～8 MW。

本期工程规划直流侧容量为6.449 MWp，二期工程地面光伏直流侧容量为6.449 MWp，屋顶分布式光伏直流侧容量为1.240 2 MWp，三期工程直流侧容量为6.449 MWp，直流侧总容量为20.58 MWp。三期合建一座6 kV 开关站，拟以三回6 kV 并网线路接入66 kV某变电站6 kV 侧母线。最终的接入系统方案以电网主管部门审查通过的接入系统报告及接入系统批复文件为准。

工程各期分别通过一回6 kV 线路接入某变电站6 kV侧备用间隔。新建6 kV 开关站的6 kV 侧采用多段单母线接线，共三段单母线。6 kV 集电线路全部采用电缆形式，通过直埋和电缆沟敷设进站。一期6 kV Ⅰ段母线上接有集电线路进线柜、并网出线柜、6 kV 无功补偿出线柜、站用电源柜、母线设备柜；二期6 kV Ⅱ段母线上接有集电线路进线柜、并网出线柜、6 kV 无功补偿出线柜、母线设备柜；三期6 kV Ⅲ段母线上接有集电线路进线柜、并网出线柜、6 kV 无功补偿出线柜、母线设备柜。

1.3 负荷情况

露天煤矿电气系统白天最大负荷为4 MW，夜间最大负荷为7 MW，平均负荷为5 MW。目前执行一般工商业峰平谷电价，非竞价上网电价，考虑到电车蓄电池一般为谷时充电（本阶段换电重卡及换电站均是拟建阶段，未明确运行方式及电价），故电车蓄电池采用谷时电价。各期工程电价计算结果如表1 所示。

表1 矿山峰谷电价表

项目为自发自用、余电上网模式，根据内蒙古自治区《内能新能字〔2021〕82 号文》要求，余电上网比例不得超过25%（上网电价为0.303 5 元/kW·h）。考虑到光伏发电与本项目负荷都存在波动性大的特点，本项目暂以新增换电重卡（含电铲）的电池作为有序负荷考虑，当矿区负荷无法实时消纳光伏发电时，对电池进行充电。经过相关专业初步分析，光伏发电基本可以全额消纳。

通过分析，项目发电是否可以全额消纳、各阶段电价消纳比例及重卡电价是项目财务是否可行的关键，建议项目单位提供项目小时级负荷情况表、明确重卡用电电价，以进一步夯实测算结果。

2 露天矿综合能源系统设计方案

2.1 综合能源系统配套设备

为了进一步加强矿山清洁能源的综合利用，文章设计了一个集合地源热泵、光伏阵列、蓄电池的综合能源系统，如图1 所示。利用检修厂区的屋顶，根据检修厂区的供暖需求，设计了13 000 m2的厂区供暖方案，设计了为矿山的检修区（厂房）提供地源热泵和蓄热的热水系统。为了降低光伏发电的弃光现象，合理地配置了一部分蓄电池，可以在峰谷发电时转移电能。

图1 综合能源系统配套示意图

2.2 综合能源系统设计方案

为了适应国家能源局发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》，全面落实“源网荷储一体化”和“风光火储一体化”能源利用方式和能源结构，矿山从原有的分布式发展规划向两个一体化的政策靠近。由于矿山具有实际负荷和增量负荷，因此，大力发展源网荷储一体化，就地解决光伏的自发自用问题，可以为电网解决就地消纳提供有力的支撑。

当地存在七个月的实际供暖需求，结合偏远设备厂房的供暖需求，加入地源热泵和电极式电加热锅炉，全面接入综合系统，为矿山的综合能源利用起到推广示范作用[5]。结合之前的调研方案，全方位研究了矿山的能源需求，汇集各位专家的相关建议，将传统分布式光伏的建设方案规划为具备光伏发电、地源热泵和分散式风电的综合能源系统。通过给换电重卡使用储能电池、保持电能波动平稳等举措，建立一个综合、平稳、绿色、低碳的综合能源系统[6]。

3 露天矿综合能源系统发展趋势

3.1 电力负荷的快速增长

随着无人驾驶技术的快速发展、柴油重卡的逐步淘汰、换电重卡的普及以及电热系统的普及，矿山的负荷会发生重大变化。传统高能耗的柴油重卡会逐步被换电重卡替代，换电重卡充电桩会更加普及。大规模的电池负荷会成为未来露天矿山的重要负荷类型。现有的锂电池、铅酸电池、镍锌动力电池将成为主要的负荷。由于各种电池的使用寿命和充电特性不一致，导致充电站负荷特性发生重要变化。为适应矿山重卡的运输频次和运输工况，快速充放电的特性、高功率的充电匹配将成为负荷的重要特征。

3.2 综合能源的统一调配

能源系统作为生产的重要保障，已成为企业系统性研究的内容。传统能源系统将热网、电网、燃气网分开考虑，这样不仅导致能源浪费，也大大影响各种能源之间的互补利用。现阶段综合能源系统正在逐步替代传统分立式的能源系统，向着多能综合利用方向发展。综合能源系统是以电能、太阳能、风能或地热为供能设备，辅以节能设备（热泵、冰蓄冷等）和电能替代设备（电锅炉、电地暖等）的综合能源系统，其核心媒介是电网。电网通过连接发电设备和用电设备实现电网负荷的平衡供给，通过热泵和冰蓄冷等方式建立电能和热能之间的转换。将传统的电网“蓄水池”变向地迁移为以热能为储蓄的能源，这样可以大大降低成本。

另外，矿山上换电重卡的备用电池作为很好的电储能设备，也为综合能源系统带来了新的储蓄容量。合理的调配和优化系统能量的流动和匹配各种能源的配比，可以大大提高矿山能源的综合利用性能，实现绿色可持续发展。

3.3 数字化能源系统

综合能源系统的实现需要数字化采集、传输、计算和决策系统的支持。把综合能源管控纳入智慧矿山已经是行业的共识。因此，在发展数字化矿山时，需要发展数字化能源，这是实现矿山节能减排和绿色发展是必要的手段。

3.4 较高的能源利用率

未来规划的综合能源系统如图2 所示，综合能源系统作为未来区域或者园区能源的重要承载方式，其将风能、太阳能、地热能、生物质能、燃气、电能等多种能源形式汇集到不同形式的电网或者微电网中，转化为消费主体所需的冷、热、电等能量形式，优化不同能源的使用方式[7]。高效合理的规划可以提高综合能源利用效率、减小分布式电源随机性和波动性对电网的影响、促进可再生能源全面应用及能耗的全面降低[8]。面对当今对环保性和碳排放的环保要求，矿山综合能源系统实现经济性和环保性综合优化的重要方法，高效实现系统多能互补是解决未来区域能源需求的最佳途径。