綜合能源系統在露天礦的應用
——以霍林河某露天礦為例

徐曉鳳，李 潔

內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014017

0 引言

改革開放以來，隨著經濟的快速發展，我國煤炭行業進入高速發展階段。但隨著礦山數量增多、規模變大，能耗問題日益突出[1]。礦山的綠色生態發展成為煤礦企業發展目標。2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第75 屆聯合國大會向國際社會作出“碳達峰、碳中和”的鄭重承諾，標志我國碳達峰、碳中和“3060目標”低碳新時代的開啟。煤礦作為重要的常規化石能源，其生產過程會消耗大量的能源[2]。礦山作為能耗管控的源頭，需要降低其污染，系統性地加快綠色生態發展[3]。

煤礦作為傳統能源，即將步入綠色發展、高效發展的行列。與數字化、智慧化和清潔能源相結合也成為必然趨勢。各主要采煤省份積極響應號召并出臺相關政策，各大研究機構、團體也都加大了資金投入和研發力度，智慧礦山建設正在如火如荼地進行。在綠色礦山的建設中，降低能耗及能源的高效利用成為發展的核心。

1 項目概況

1.1 自然條件

內蒙古自治區地處東經97°10'～126°9'，北緯37°24'～53°20'，整個區域為東北—西南向的狹長地帶，區域面積超過110×104km2。全區以溫帶大陸性季風氣候為主，年平均氣溫為0～8 ℃，氣溫年差平均在34～36 ℃，氣溫日差平均在12～16 ℃，全年平均大風日數在10～40 d，70%發生在春季。內蒙古地區自然資源充足，風能及太陽能資源豐富。

本項目場址的代表年水平面總輻射量取值為5 448.24 MJ/m2。根據文獻[4]，其處于5 040～6 300 MJ/m2范圍內，年水平面總輻射量屬于B 類（很豐富）；太陽能資源穩定度為0.28，項目所在地的太陽能資源屬于C 類（一般）；場址的太陽能資源直射比年平均值為0.62，太陽能資源直射比屬于A 類（直接輻射主導）。因此，從太陽能資源的角度，本項目具備較大的開發潛力。

項目場址位于內蒙古某露天煤礦排土場內，場區地勢較開闊。項目占地面積約為33.33 hm2，交通方便，地理位置優越，但擬選場址地質條件較差。三期規劃建設光伏電站容量為15 MW，電站主要由光伏區組成，接入某變電站。進場道路沿用灰場的道路，道路設計標準確定為廠礦四級道路。場地無其他高大遮擋物，陽光接收條件較好，有利于太陽能電池板的布置。

1.2 電氣系統特點

項目三期裝機容量為直流側20 MWp，屬中型光伏發電系統，由6 個方陣組成。本項目擬通過集電線路接入66 kV 某變電站，開關站內電氣設備以共用為主，新增為輔為原則。

電氣系統由66 kV 某變電站提供低壓側6 kV 配電供給，6 kV 系統采用經消弧線圈接地的非直接接地系統，共有備用間隔8 個，額定負荷在5～8 MW。

本期工程規劃直流側容量為6.449 MWp，二期工程地面光伏直流側容量為6.449 MWp，屋頂分布式光伏直流側容量為1.240 2 MWp，三期工程直流側容量為6.449 MWp，直流側總容量為20.58 MWp。三期合建一座6 kV 開關站，擬以三回6 kV 并網線路接入66 kV某變電站6 kV 側母線。最終的接入系統方案以電網主管部門審查通過的接入系統報告及接入系統批復文件為準。

工程各期分別通過一回6 kV 線路接入某變電站6 kV側備用間隔。新建6 kV 開關站的6 kV 側采用多段單母線接線，共三段單母線。6 kV 集電線路全部采用電纜形式，通過直埋和電纜溝敷設進站。一期6 kV Ⅰ段母線上接有集電線路進線柜、并網出線柜、6 kV 無功補償出線柜、站用電源柜、母線設備柜；二期6 kV Ⅱ段母線上接有集電線路進線柜、并網出線柜、6 kV 無功補償出線柜、母線設備柜；三期6 kV Ⅲ段母線上接有集電線路進線柜、并網出線柜、6 kV 無功補償出線柜、母線設備柜。

1.3 負荷情況

露天煤礦電氣系統白天最大負荷為4 MW，夜間最大負荷為7 MW，平均負荷為5 MW。目前執行一般工商業峰平谷電價，非競價上網電價，考慮到電車蓄電池一般為谷時充電（本階段換電重卡及換電站均是擬建階段，未明確運行方式及電價），故電車蓄電池采用谷時電價。各期工程電價計算結果如表1 所示。

表1 礦山峰谷電價表

項目為自發自用、余電上網模式，根據內蒙古自治區《內能新能字〔2021〕82 號文》要求，余電上網比例不得超過25%（上網電價為0.303 5 元/kW·h）。考慮到光伏發電與本項目負荷都存在波動性大的特點，本項目暫以新增換電重卡（含電鏟）的電池作為有序負荷考慮，當礦區負荷無法實時消納光伏發電時，對電池進行充電。經過相關專業初步分析，光伏發電基本可以全額消納。

通過分析，項目發電是否可以全額消納、各階段電價消納比例及重卡電價是項目財務是否可行的關鍵，建議項目單位提供項目小時級負荷情況表、明確重卡用電電價，以進一步夯實測算結果。

2 露天礦綜合能源系統設計方案

2.1 綜合能源系統配套設備

為了進一步加強礦山清潔能源的綜合利用，文章設計了一個集合地源熱泵、光伏陣列、蓄電池的綜合能源系統，如圖1 所示。利用檢修廠區的屋頂，根據檢修廠區的供暖需求，設計了13 000 m2的廠區供暖方案，設計了為礦山的檢修區（廠房）提供地源熱泵和蓄熱的熱水系統。為了降低光伏發電的棄光現象，合理地配置了一部分蓄電池，可以在峰谷發電時轉移電能。

圖1 綜合能源系統配套示意圖

2.2 綜合能源系統設計方案

為了適應國家能源局發布的《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》，全面落實“源網荷儲一體化”和“風光火儲一體化”能源利用方式和能源結構，礦山從原有的分布式發展規劃向兩個一體化的政策靠近。由于礦山具有實際負荷和增量負荷，因此，大力發展源網荷儲一體化，就地解決光伏的自發自用問題，可以為電網解決就地消納提供有力的支撐。

當地存在七個月的實際供暖需求，結合偏遠設備廠房的供暖需求，加入地源熱泵和電極式電加熱鍋爐，全面接入綜合系統，為礦山的綜合能源利用起到推廣示范作用[5]。結合之前的調研方案，全方位研究了礦山的能源需求，匯集各位專家的相關建議，將傳統分布式光伏的建設方案規劃為具備光伏發電、地源熱泵和分散式風電的綜合能源系統。通過給換電重卡使用儲能電池、保持電能波動平穩等舉措，建立一個綜合、平穩、綠色、低碳的綜合能源系統[6]。

3 露天礦綜合能源系統發展趨勢

3.1 電力負荷的快速增長

隨著無人駕駛技術的快速發展、柴油重卡的逐步淘汰、換電重卡的普及以及電熱系統的普及，礦山的負荷會發生重大變化。傳統高能耗的柴油重卡會逐步被換電重卡替代，換電重卡充電樁會更加普及。大規模的電池負荷會成為未來露天礦山的重要負荷類型。現有的鋰電池、鉛酸電池、鎳鋅動力電池將成為主要的負荷。由于各種電池的使用壽命和充電特性不一致，導致充電站負荷特性發生重要變化。為適應礦山重卡的運輸頻次和運輸工況，快速充放電的特性、高功率的充電匹配將成為負荷的重要特征。

3.2 綜合能源的統一調配

能源系統作為生產的重要保障，已成為企業系統性研究的內容。傳統能源系統將熱網、電網、燃氣網分開考慮，這樣不僅導致能源浪費，也大大影響各種能源之間的互補利用。現階段綜合能源系統正在逐步替代傳統分立式的能源系統，向著多能綜合利用方向發展。綜合能源系統是以電能、太陽能、風能或地熱為供能設備，輔以節能設備（熱泵、冰蓄冷等）和電能替代設備（電鍋爐、電地暖等）的綜合能源系統，其核心媒介是電網。電網通過連接發電設備和用電設備實現電網負荷的平衡供給，通過熱泵和冰蓄冷等方式建立電能和熱能之間的轉換。將傳統的電網“蓄水池”變向地遷移為以熱能為儲蓄的能源，這樣可以大大降低成本。

另外，礦山上換電重卡的備用電池作為很好的電儲能設備，也為綜合能源系統帶來了新的儲蓄容量。合理的調配和優化系統能量的流動和匹配各種能源的配比，可以大大提高礦山能源的綜合利用性能，實現綠色可持續發展。

3.3 數字化能源系統

綜合能源系統的實現需要數字化采集、傳輸、計算和決策系統的支持。把綜合能源管控納入智慧礦山已經是行業的共識。因此，在發展數字化礦山時，需要發展數字化能源，這是實現礦山節能減排和綠色發展是必要的手段。

3.4 較高的能源利用率

未來規劃的綜合能源系統如圖2 所示，綜合能源系統作為未來區域或者園區能源的重要承載方式，其將風能、太陽能、地熱能、生物質能、燃氣、電能等多種能源形式匯集到不同形式的電網或者微電網中，轉化為消費主體所需的冷、熱、電等能量形式，優化不同能源的使用方式[7]。高效合理的規劃可以提高綜合能源利用效率、減小分布式電源隨機性和波動性對電網的影響、促進可再生能源全面應用及能耗的全面降低[8]。面對當今對環保性和碳排放的環保要求，礦山綜合能源系統實現經濟性和環保性綜合優化的重要方法，高效實現系統多能互補是解決未來區域能源需求的最佳途徑。

圖2 未來規劃的綜合能源系統

4 總結

全面落實智能礦山及綠色礦山建設規劃，圍繞“綠色、零碳、智慧、無人”為核心的發展理念，制訂礦山能源系統的建設方案。某露天礦經過前期調研形成以下能源發展規劃。

（1）全面圍繞“源網荷儲一體化”和“風光儲一體化”的國家戰略，落實礦山綜合能源系統的應用。

（2）構建多能互補的一體化能源網絡，建設以分布式光伏、分散式風電等多種綠色能源為主的能源結構，構建電網、熱網和儲能交互的綜合能源系統。

（3）同步考慮多能互補的數字化能源建設方案，建立數字化能源的采集、監測和決策系統，為能源的高效利用提供先進的技術方案。