一种基于云边协同的综合能源环保系统及控制方法与流程

1.本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种基于云边协同的综合能源环保系统及控制方法。


背景技术：

2.综合能源系统包括能量生产、转换、传递和利用设备，并融合余热回收和储能等技术，实现能量管理与存储、用户侧能量分配等功能。综合能源系统需要考虑供需能量的随机性、波动性与时空差异性，统筹协调不同类型能源，以满足用户的多目标需求，并且冷、热、电不同类型能量在能源网络中存在传递、转换和存储等复杂的关联过程，当前主要采用经验参数基于本地控制实现。其缺点在于若采用较复杂的模型，则需要本地强大的计算能力，且各地综合能源系统的均处于孤立状态，其运行状态和运行参数不能实时进入数据仓库中，不便于基于大数据技术实现是及时的系统参数优化。
3.综合环保系统需要考虑对工业三废的脱硫、脱硝、脱碳、脱水和除尘处理，在全球环保要求日益提升的当下，企业必须考虑环保问题，如何将综合环保系统与综合能源系统集成，有效降低总投入，充分利用本地能源和设施，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的第一目的在于提供一种基于云边协同的综合能源环保系统，本发明的第二目的在于根据此系统，提供相应的基于云边协同的综合能源环保系统控制方法；本发明提供的基于云边协同的综合能源环保系统适用于机加工企业、轻化工企业等现代工业企业，不适用于重化工和金属冶炼等高耗能高污染企业。
5.技术方案：本发明的基于云边协同的综合能源环保系统，包括云端控制中心、本地控制中心、本地能源系统和本地环保系统；所述云端控制中心部署于为企业提供综合能源环保系统的系统集成公司处，本地控制中心、本地能源系统、本地环保系统部署于工业企业处，云端控制中心与多个本地控制中心远程连接，每个本地控制中心均连接并控制本地能源系统和本地环保系统。
6.所述本地能源系统中各单元均接受本地控制中心控制，并将自身采集的数据提交至本地控制中心；本地能源系统包含以下单元中的部分单元或全部单元：可再生能源利用单元、余热回收利用单元、动力单元、调峰单元、储能单元、能量传输单元、负荷单元。
7.所述本地环保系统中各单元均接受本地控制中心控制，并将自身采集的数据提交至本地控制中心；本地环保系统包含以下单元中的部分单元或全部单元：储废单元、脱硫单元、脱硝单元、脱碳单元、脱水单元、除尘单元。
8.可再生能源利用单元用于将太阳能、生物质能、风能、地热能转换成电能、热能、冷能送往能量传输单元的电网、热网和冷网，也可将多余能源送至储能单元中的储电设备、储气设备、储热设备和储冷设备；余热回收单元将企业废热基于能量梯度分别使用余热锅炉、烟气型吸收式热泵机组、余热热水换热器转换成电能和热能，送至能量传输单元和储能单
元；动力单元和调峰单元将企业自产能源包括水煤气、焦炉煤气、高炉煤气以及外部输入能源包括市电和天然气通过燃气内燃机、燃气轮机、斯特林机、燃料电池、直燃机组、燃气锅炉、电制冷设备转换成电能、热能和冷能，送至能量传输单元；储能单元连接能量传输单元，在必要时可将储能单元中各种能量传输至能量传输单元；能量传输单元连接负荷单元，为负荷单元提供各种能量。
9.进一步地，所述可再生能源利用单元包括光伏发电设备、光热转换设备、生物质发电设备、风力机、地热源泵中部分或全部设备；所述余热回收利用单元包括余热锅炉、烟气型吸收式热泵机组、余热热水换热器中部分或全部设备。
10.进一步地，所述动力单元包括燃气内燃机、燃气轮机、斯特林机、燃料电池中部分或全部设备；调峰单元包括直燃机组、燃气锅炉、电制冷设备中部分或全部设备。
11.进一步地，所述储能单元包括储电设备、储气设备、储热设备、超冷设备中部分或全部设备；能量传输单元包括电网、热网和冷网；负荷单元包括各种电负荷、热负荷、冷负荷、热水负荷。
12.进一步地，所述储废单元可选储备池或储槽和储罐；脱硫单元可选用干式氧化装置、湿式氧化装置或湿式吸收装置。
13.进一步地，所述脱硝单元可选用sncr+scr装置、半干法sdr装置、液态催化氧化装置或活性焦装置。
14.进一步地，所述脱碳单元可选用变压吸附装置、膜分离装置或醇胺吸收装置。
15.进一步地，所述脱水单元可选用低温脱水装置、溶剂吸收装置、固体吸附装置；所述除尘单元可选用湿法除尘装置、旋风除尘装置、电除尘装置、过滤除尘装置。
16.本发明的基于云边协同的综合能源环保系统的控制方法，包括如下步骤：
17.步骤一、系统集成公司根据工业企业实际负荷需求，通过基于云边协同的综合能源环保系统设计方法，在综合能源环保系统中选取部分单元，为工业企业完成设计、安装和调试；
18.步骤二、系统集成公司根据工业企业实际负荷需求、各项需求优先级、设备特征参数，确定工业企业综合能源环保系统各单元运行的约束条件和目标函数，确定各单元运行策略和初始运行参数，并交由本地控制中心控制各单元协同工作；
19.步骤三、系统运行过程中，云端控制中心基于企业当地气候等因素，通过大数据分析，预估未来一段时间可再生能源的产出情况，以此为依据，优化未来各单元运行参数以及调峰单元、储能单元、储废单元的运行策略，发送至本地控制中心；
20.步骤四、本地控制中心收集各单元运行过程中采集的数据，根据初始设定完成实时控制调度，同时将采集的数据以及实施的控制调度策略传至云端控制中心；
21.步骤五、云端控制中心将从各地的本地控制中心收集到的数据，包括运行参数、各单元采集的数据存入数据库，结合企业实际需求，进行大数据分析，获得优化的调度方法，传送至各本地控制中心。
22.进一步地，步骤一中，所述通过基于云边协同的综合能源环保系统设计方法包括以下步骤：
23.(1)根据企业需求，结合云端控制中心的数据库中该类型企业经验数据，确定企业电负荷、热负荷、冷负荷和热水负荷，构建基于时间的初始能量负载函数：电负载函数
热负载函数冷负载函数和热水负载函数其中n为企业能源负荷子项目数量，load_ei(t)、load_hi(t)、load_ci(t)、load_hwi(t)分别表示能源负荷子项i的电负荷函数、热负荷函数、冷负荷函数和热水负荷函数；
24.(2)根据企业需求，分析企业三废产出情况，包括三废来源、数量、类型，选取三废处理方法，基于废气需要实时处理、废水和固废可做短暂存储，进行错峰处理的原则，确定三废处理所需能量，构建基于时间的初始能量负载函数：废气负载函数load_g(t)＝{load_g_e(t)，load_g_h(t)，load_g_c(t)，load_g_hw(t)}、废水负载函数load_w(t)＝{load_w_e(t)，load_w_h(t)，load_w_c(t)，load_w_hw(t)}、固废负载函数load_s(t)＝{load_s_e(t)，load_s_h(t)，load_s_c(t)，load_s_hw(t)}，将废气、废水、固废负载函数中的电、热、冷、热水负载分别合并至企业初始能量负载函数的电负载函数load_e(t)、热负载函数load_h(t)、冷负载函数load_ci(t)和热水负载函数load_hw(t)中；
25.(3)确定企业能量来源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、企业自产水煤气、焦炉煤气、高炉煤气、企业废热、天然气和外接市电；其中太阳能可转换成电能、冷能、压缩空气和热水，生物质能、风能、地热能均转换成电能、冷能、压缩空气，企业自产水煤气、焦炉煤气、高炉煤气、企业废热、天然气可转换成电能、热能、冷能、压缩空气和热水，外接市电可提供电能和冷能；根据实际勘测情况以及云端数据库中各种能源在该区域的经验数据，针对每项能源构建基于时间的能量供能函数：太阳能供能函数energy_s(t)＝{energy_s_e(t)，energy_s_c(t)，energy_s_g(t)，energy_s_hw(t)}、生物质能供能函数energy_bm(t)＝{energy_bm_e(t)，energy_bm_c(t)，energy_bm_g(t)}、风能供能函数energy_wd(t)＝{energy_wd_e(t)，energy_wd_c(t)，energy_wd_g(t)}、地热能供能函数energy_g(t)＝{energy_g_e(t)，energy_g_c(t)，energy_g_g(t)}、水煤气供能函数energy_wt(t)＝{energy_wt_e(t)，energy_wt_h(t)，energy_wt_c(t)，energy_wt_g(t)，energy_wt_hw(t)}、焦炉煤气供能函数energy_c(t)＝{energy_c_e(t)，energy_c_h(t)，energy_c_c(t)，energy_c_g(t)，energy_c_hw(t)}、高炉煤气供能函数energy_bf(t)＝{energy_bf_e(t)，energy_bf_h(t)，energy_bf_c(t)，energy_bf_g(t)，energy_bf_hw(t)}、天然气供能函数energy_n(t)＝{energy_n_e(t)，energy_n_h(t)，energy_n_c(t)，energy_n_g(t)，energy_n_hw(t)}、企业废热供能函数energy_wh(t)＝{energy_wh_e(t)，energy_wh_h(t)，energy_wh_c(t)，energy_wh_g(t)，energy_wh_hw(t)}、市电供能函数energy_e(t)＝{energy_e_e(t)，energy_e_c(t)}，其中{}中为各项能源生成的供能子函数，energy_x_e(t)表示能源x生成的电能子函数，energy_x_h(t)表示能源x生成的热能子函数，energy_x_c(t)表示能源x生成的冷能子函数,energy_x_g(t)表示能源x生成的压缩空气子函数，energy_x_hw(t)表示能源x生成的热水子函数；
26.(4)将(3)中各项能源的电能子函数、热能子函数、冷能子函数、压缩空气子函数、热水子函数分别求和，得到电能供能函数热能供能函数冷能供能函数冷能供能函数压缩空气供应函数热水供能函
数
27.(5)确定储能单元存储量，储电设备存储量(5)确定储能单元存储量，储电设备存储量其中t0为任意初始时间，te为储电设备能连续存储多余电量的最大时间；基于相同算法可得储热设备存储量设备能连续存储多余电量的最大时间；基于相同算法可得储热设备存储量其中t0为任意初始时间，th为储热设备能连续存储多余热量的最大时间；储冷设备存储量其中t0为任意初始时间，tc为储冷设备能连续存储多余冷量的最大时间；储气设备存储量其中t0为任意初始时间，tg为储气设备能连续存储多余冷量的最大时间；
28.(6)系统集成公司与企业共同根据以上步骤的数据，在基于云边协同的综合能源环保系统框架下，确定可再生能源利用单元、余热回收单元、动力单元、调峰单元、储能单元、储废单元、脱硫单元、脱硝单元、脱碳单元、脱水单元、除尘单元的设备选型，明确规格和数量，根据企业实际情况设计能量传输单元，完成各单元设备的安装调试。
29.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
30.(1)本发明的采用了本地控制中心和云端控制中心双重控制，有效解决因为本地控制中心算力不足导致的无法及时依据约束条件的变化实现目标函数的问题；
31.(2)由于云端控制中心连接多地的本地控制中心，实现了实时采集大量系统运行数据，构成大数据技术分析的基础；
32.(3)由于可再生能源如光能、风能具有不稳定性，本地控制中心较难实现基于预判的未来能源系统运行策略，本系统基于大数据技术，可在一定程度上预测未来一段时间可再生能源的供能情况，有利于制定全局最优的生产计划；
33.(4)系统集成公司可通过大数据技术完成系统优化调度、系统优化选型的迭代工作，可持续提升系统运行效率，加强系统集成公司的竞争力；
34.(5)本系统将本地能源系统与本地环保系统融合，即符合政策引领的方向，也满足企业的实际需求，还能通过综合调度提升调度效率，解决了传统大型企业能源系统和环保系统孤立运行的弊端；
35.(6)本系统独有的储废单元能充分配合调峰单元工作，且能降低储能单元建设成本，由于储废单元的建设成本远低于储能单元建设成本，故本系统能在降低造价的情况下，更有效利用能源，节省企业总运行成本。
附图说明
36.图1为基于云边协同的综合能源环保系统详细结构示意图；
37.图2为基于云边协同的综合能源环保系统总体框图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
39.实施例
40.以某机械加工企业为例，该企业主要从事机械加工，包括：激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等；其加工分为冷加工和热加工两种方式，冷加工是指在常温下加工，不引起工件的化学或物相变化，常见的有切削加工和压力加工等方式；热加工指在高于或低于常温状态的加工，会引起工件的化学或物相变化，常见有热处理、锻造、铸造和焊接等方式。
41.该企业的能源来源包括：太阳能、天然气和电能，其中太阳能主要用于发电，天然气主要用于热处理加热炉使用，热处理加热炉产生的废热一般回收用做预热助燃空气或产生热水，电能用于调峰及补充供能。
42.该企业的三废包括：
43.(1)有害气体：so2、h2s、co、no
x
、hf、o3；
44.(2)烟尘、粉尘、锰尘；
45.(3)废渣：熔炼炉渣、浇注废渣、热处理熔渣、焊接废渣、电镀废渣、锻造氧化皮等；
46.(4)废水：电镀含cn、cr
+6
、cd
+2
、ba
+2
、c1-1
、so
4-2
、no
3-1
等废水，工业炉窑冷却废水、切削液、清洗液、涂装废水等；
47.(5)噪声：机械噪声、电磁鼓噪声、空气动力噪声等；
48.(6)其它：包括光、热辐射、电磁辐射、放射性等的物理污染。
49.基于本发明的综合能源环保系统设计方法包括以下步骤：
50.步骤一、根据企业需求，企业电能需求主要用于生产供电、三废处理、办公用电、生活用电，主要由太阳能提供，不足部分由市电提供；企业热能需求主要用于热加工，由天然气提供；企业冷能需求主要用于生产、办公环境制冷，主要由太阳能提供，不足部分由市电提供；企业热水需求主要用于生活用水；结合云端控制中心的数据库中该类型企业经验数据，确定企业电负荷、热负荷、冷负荷和热水负荷，构建基于时间的初始能量负载函数：电负载函数热负载函数热负载函数冷负载函数和热水负载函数其中n为企业能源负荷子项目数量，load_ei(t)、load_hi(t)、load_ci(t)、load_hwi(t)分别表示能源负荷子项i的电负荷函数、热负荷函数、冷负荷函数和热水负荷函数；
51.步骤二、根据企业需求，分析企业三废产出情况，确定需要处理的三废包括废气、烟尘、废水、废渣，分析其数量和类型，选取三废处理方法为：废气采用活性焦装置以活性炭吸附+催化燃烧法进行处理；废水选用膜分离装置；固废转交专业处理公司处理；其中有机废气可以通过自身的热平衡进行处理，不需要电加热，所需能量很少，所有废气实时处理，不进行调峰，其能量消耗仅限于少量电力，故负载函数load_g(t)＝{load_g_e(t)}；膜分离装置需要通过电加压，故废水采用储槽存放，错峰处理，其能量消耗仅限于电力，故负载函数load_w(t)＝{load_w_e(t)}；固废交由专业公司处理，不考虑能源消耗，将废气、废水负载函数中的电负载合并至企业初始能量负载函数的电负载函数load_e(t)中，即load_e(t)＝load_e(t)+load_g_e(t)+load_w_e(t)；
52.步骤三、企业能量来源确定为太阳能、企业废热、天然气和外接市电，太阳能用于产生电能、冷能、压缩空气和热水，故选用光伏发电设备，用多余电能转换成冷能、热水和压缩空气，其供能函数energy_s(t)＝{energy_s_e(t)，energy_s_c(t)，energy_s_g(t)，energy_s_hw(t)}；该企业产生的废热较少，选用余热热水换热器，将废热转换成热水，供应生活用水，企业废热供能函数energy_wh(t)＝{energy_wh_hw(t)}；天然气仅用于热加工，通过直接燃烧供热，不需要专门设备，也不进入能量存储和传输单元，生产中根据需要实时使用，故不列入能量系统调度；市电用于调峰，补充太阳能及储能单元供能不足，市电供能函数energy_e(t)＝{energy_e_e(t)，energy_e_c(t)}；
53.步骤四、将步骤三中各项能源的电能子函数、热能子函数、冷能子函数、压缩空气子函数、热水子函数分别求和，得到电能供能函数热能供能函数冷能供能函数冷能供能函数压缩空气供应函数热水供能函数
54.步骤五、确定储能单元存储量，储电设备存储量步骤五、确定储能单元存储量，储电设备存储量其中t0为任意初始时间，te为储电设备能连续存储多余电量的最大时间；基于相同算法可得储热设备存储量续存储多余电量的最大时间；基于相同算法可得储热设备存储量其中t0为任意初始时间，th为储热设备能连续存储多余热量的最大时间；储冷设备存储量续存储多余热量的最大时间；储冷设备存储量其中t0为任意初始时间，tc为储冷设备能连续存储多余冷量的最大时间；储气设备存储量存储多余冷量的最大时间；储气设备存储量其中t0为任意初始时间，tg为储气设备能连续存储多余冷量的最大时间；
55.步骤六、系统集成公司与企业共同根据以上步骤的数据，在基于云边协同的综合能源环保系统框架下，确定可再生能源利用单元、余热回收单元、动力单元、调峰单元、储能单元、储废单元、脱硫单元、脱硝单元、脱碳单元、脱水单元、除尘单元的设备选型，明确规格和数量，根据企业实际情况设计能量传输单元，完成各单元设备的安装调试。
56.企业综合能源环保系统安装调试完毕，在企业生产过程中，云端控制中心和本地控制中心基于云边协同的综合能源环保系统控制方法对企业生产进行实时调度，包括如下步骤：
57.步骤一、系统集成公司根据工业企业实际负荷需求、各项需求优先级、设备特征参数，针对当前机械加工企业，根据企业订单，确定未来一段时间加工量，求出总体能源需求、时间进度安排等约束条件，初步制定生产计划；
58.步骤二、云端控制中心基于企业当地气候等因素，通过大数据分析，预估未来一段时间可再生能源的产出情况，在结合储能单元、储废单元的容量、当前状态等因素，制定调峰策略，在满足企业订单的基础上，结合产能、员工工作时间、生产成本等因素，调节企业综合能源环保系统各单元运行的参数，并交由本地控制中心控制各单元协同工作；
59.步骤三、本地控制中心收集各单元运行过程中采集的数据，根据初始设定完成实时控制调度，同时将采集的数据以及实施的控制调度策略传至云端控制中心；
60.步骤四、云端控制中心将从各地的本地控制中心收集到的数据，包括运行参数、各单元采集的数据存入数据库，结合企业实际需求，进行大数据分析，获得优化的调度方法，传送至各本地控制中心；
61.之后，重复步骤二、三、四，保障并持续优化企业生产工作。