本發(fā)明涉及能源管理領(lǐng)域，特別是涉及沼氣能源多級(jí)聯(lián)供與數(shù)字化能源管理方法及系統(tǒng)，適用于造紙行業(yè)中沼氣能源的高效梯級(jí)利用與智能管理。

背景技術(shù)：

1、造紙行業(yè)是能源消耗較大的產(chǎn)業(yè)之一，在制漿、制纖維、制紙等工藝流程中產(chǎn)生大量沼氣資源。傳統(tǒng)的沼氣利用方式主要是簡(jiǎn)單燃燒發(fā)電或供熱，未能充分發(fā)揮沼氣能源的潛在價(jià)值，能源利用效率較低。

2、現(xiàn)有的沼氣利用技術(shù)存在以下問(wèn)題：首先，缺乏對(duì)沼氣品質(zhì)的精細(xì)化分析和分級(jí)利用，無(wú)法根據(jù)沼氣的不同特性進(jìn)行針對(duì)性處理；其次，沼氣能源與造紙工藝的能量需求匹配度不高，導(dǎo)致高品位能源低品位使用的浪費(fèi)現(xiàn)象；再次，缺乏對(duì)余熱資源的精確回收和再利用機(jī)制，造成能源浪費(fèi)；最后，缺乏數(shù)字化、智能化的能源管理系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源流的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)配。

3、因此，迫切需要一種能夠?qū)φ託膺M(jìn)行精細(xì)化分級(jí)利用、實(shí)現(xiàn)多級(jí)能源聯(lián)供、并具備數(shù)字化管理能力的技術(shù)方案，以提高造紙行業(yè)的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供沼氣能源多級(jí)聯(lián)供與數(shù)字化能源管理方法及系統(tǒng)，通過(guò)多維參數(shù)層級(jí)決策樹實(shí)現(xiàn)沼氣的精細(xì)化分級(jí)利用，通過(guò)溫度差驅(qū)動(dòng)的能量分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)能源的精確匹配，通過(guò)動(dòng)態(tài)熱價(jià)格計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)的余熱分配實(shí)現(xiàn)能源利用的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，通過(guò)精確控制執(zhí)行與閥門網(wǎng)絡(luò)協(xié)同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源流向的精確控制，通過(guò)云平臺(tái)集成的閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源管理的智能化，從而提高造紙行業(yè)沼氣能源的利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2、本發(fā)明提出了沼氣能源多級(jí)聯(lián)供與數(shù)字化能源管理方法，包括：

3、獲取造紙企業(yè)制漿、制纖維、制紙工藝流程中產(chǎn)生的沼氣參數(shù)、蒸汽參數(shù)和余熱溫度參數(shù)；

4、基于所述沼氣參數(shù)，通過(guò)多維參數(shù)層級(jí)決策樹對(duì)沼氣進(jìn)行分級(jí)處理，所述多維參數(shù)層級(jí)決策樹包括甲烷濃度分流層、體積量分析層、溫度差比較層和熱值評(píng)估層；

5、根據(jù)所述蒸汽參數(shù)和所述余熱溫度參數(shù)，計(jì)算第一溫度差和第二溫度差，并基于所述第一溫度差和所述第二溫度差形成溫度匹配關(guān)系；

6、基于所述溫度匹配關(guān)系和所述多維參數(shù)層級(jí)決策樹的分級(jí)處理結(jié)果，確定沼氣的能源利用路徑，將沼氣按照能源利用路徑轉(zhuǎn)化為電能、熱能、冷能、汽能、高品吸風(fēng)和低品吸風(fēng)，形成多能流系統(tǒng)；

7、對(duì)所述多能流系統(tǒng)中的能流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理匯總，與能源需求量進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果上傳至云平臺(tái)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)供沼氣能源的數(shù)字化管理。

8、作為優(yōu)選，所述多維參數(shù)層級(jí)決策樹的具體決策過(guò)程包括：

9、在所述甲烷濃度分流層，獲取沼氣中甲烷占比，當(dāng)甲烷占比大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，進(jìn)入高品質(zhì)沼氣處理路徑，當(dāng)甲烷占比小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，進(jìn)入低品質(zhì)沼氣處理路徑，其中所述預(yù)設(shè)閾值為80%；

10、在所述體積量分析層，獲取沼氣體積量，當(dāng)沼氣體積量大于預(yù)設(shè)體積閾值時(shí)，將沼氣直接作為助燃空氣使用，當(dāng)沼氣體積量小于預(yù)設(shè)體積閾值時(shí)，進(jìn)入溫度差比較層，其中所述預(yù)設(shè)體積閾值為100m3/h；

11、在所述溫度差比較層，獲取沼氣溫度，并與所述第一溫度差和所述第二溫度差進(jìn)行比較，當(dāng)沼氣溫度小于第一溫度差時(shí)，將沼氣作為助燃空氣補(bǔ)充，當(dāng)沼氣溫度大于第一溫度差且小于第二溫度差時(shí)，將沼氣與蒸汽混合后燃燒，當(dāng)沼氣溫度大于第二溫度差時(shí)，將沼氣直接通過(guò)高效燃燒通道進(jìn)行燃燒利用；

12、在所述熱值評(píng)估層，當(dāng)沼氣溫度與第二溫度差之差大于預(yù)設(shè)溫差閾值時(shí)，獲取沼氣低位發(fā)熱量和低位燃燒熱值，并根據(jù)所述低位發(fā)熱量和所述低位燃燒熱值確定沼氣的最終處理方式，其中所述預(yù)設(shè)溫差閾值為10℃。

13、作為優(yōu)選，所述熱值評(píng)估層的具體處理過(guò)程包括：

14、獲取沼氣低位發(fā)熱量和低位燃燒熱值；

15、當(dāng)?shù)臀话l(fā)熱量小于第一熱值閾值且低位燃燒熱值小于第二熱值閾值時(shí)，將沼氣作為助燃空氣補(bǔ)充至生物質(zhì)助燃空氣通道中；

16、當(dāng)?shù)臀话l(fā)熱量大于第一熱值閾值且低位燃燒熱值小于第二熱值閾值時(shí)，將沼氣與蒸汽混合后，通過(guò)燃燒熱值通道中燃燒，再通過(guò)過(guò)熱蒸汽供應(yīng)通道，將燃燒后的氣體補(bǔ)充至生物質(zhì)漿塔的蒸汽通道中；

17、當(dāng)?shù)臀话l(fā)熱量小于第一熱值閾值且低位燃燒熱值大于第二熱值閾值時(shí)，將沼氣與蒸汽混合后，通過(guò)燃燒熱值通道中燃燒，再通過(guò)過(guò)熱蒸汽供應(yīng)通道，將燃燒后的氣體補(bǔ)充至生物質(zhì)漿塔的蒸汽通道中；

18、當(dāng)?shù)臀话l(fā)熱量大于第一熱值閾值且低位燃燒熱值大于第二熱值閾值時(shí)，將沼氣作為助燃空氣補(bǔ)充至生物質(zhì)助燃空氣通道中；

19、其中，所述第一熱值閾值為21000kj/m3，所述第二熱值閾值為24000kj/m3。

20、作為優(yōu)選，所述第一溫度差和所述第二溫度差的計(jì)算過(guò)程包括：

21、獲取造紙所需的溫度以及造紙車間中余熱利用前的余熱溫度，將所述造紙所需的溫度與所述余熱利用前的余熱溫度進(jìn)行匹配，得出所述第一溫度差；

22、獲取造紙所需的溫度以及造紙車間中余熱回收后的余熱溫度，將所述造紙所需的溫度與所述余熱回收后的余熱溫度進(jìn)行匹配，得出所述第二溫度差；

23、其中，當(dāng)溫度差大于零時(shí)，表示能量不足，需要補(bǔ)充能量；當(dāng)溫度差小于零時(shí)，表示能量過(guò)剩，需要回收利用能量。

24、作為優(yōu)選，將沼氣轉(zhuǎn)化為多能流系統(tǒng)的過(guò)程包括：

25、獲取蒸汽溫度和蒸汽壓力，當(dāng)蒸汽壓力大于預(yù)設(shè)壓力閾值且蒸汽溫度大于預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，向生物質(zhì)漿塔的蒸汽管路中補(bǔ)充蒸汽，當(dāng)蒸汽壓力小于預(yù)設(shè)壓力閾值或蒸汽溫度小于預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，停止向蒸汽管路中補(bǔ)充蒸汽；

26、其中，所述預(yù)設(shè)壓力閾值為3bar，所述預(yù)設(shè)溫度閾值為135℃；

27、通過(guò)0.8mpa的高品熱能驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，發(fā)電效率為55%，產(chǎn)生0.12mpa的熱能供給蒸汽；

28、通過(guò)0.3mpa的中品熱能用于制漿工藝中的化學(xué)品、制紙工藝中紙漿稀釋；

29、通過(guò)50-70℃的低品熱能，采用低壓有機(jī)朗肯循環(huán)，以熱泵形式利用蒸汽熱能驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生低溫?zé)崴臒崃抗├w維板制漿流程使用。

30、作為優(yōu)選，基于多能流系統(tǒng)的能源經(jīng)濟(jì)性評(píng)估與分配過(guò)程包括：

31、通過(guò)產(chǎn)氣池中氣體狀態(tài)參數(shù)和余熱溫度，根據(jù)余熱與電價(jià)換算關(guān)系，確定聯(lián)供蒸汽和購(gòu)買蒸汽的熱價(jià)格；

32、根據(jù)產(chǎn)氣池中的沼氣熱值與聯(lián)供蒸汽熱值的比值，確定熱價(jià)換算比；

33、根據(jù)聯(lián)供蒸汽熱值與余熱聯(lián)供所需的蒸汽熱值的比值，確定聯(lián)供蒸汽和購(gòu)買蒸汽的聯(lián)供比；

34、將所述聯(lián)供比與所述熱價(jià)格的乘積得到購(gòu)氣價(jià)格和銷售價(jià)格；

35、當(dāng)購(gòu)氣價(jià)格高于銷售價(jià)格時(shí)，將余熱熱量出售；

36、當(dāng)購(gòu)氣價(jià)格低于銷售價(jià)格時(shí)，將余熱熱量制備蒸汽，并通過(guò)熱網(wǎng)供應(yīng)；

37、當(dāng)購(gòu)氣價(jià)格等于銷售價(jià)格時(shí)，將余熱熱量制備蒸汽，并通過(guò)蒸汽管路輸送。

38、作為優(yōu)選，所述多能流系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能、冷能、熱能、汽能、高品吸風(fēng)和低品吸風(fēng)能依次進(jìn)行傳輸至造紙?jiān)O(shè)備的冷能使用、熱能使用需求端；

39、在多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器中設(shè)置多能連接器，用于對(duì)多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器的輸出端和輸入端進(jìn)行連接，便于進(jìn)行多能流的輸入和輸出；

40、所述多能流系統(tǒng)包括依次將能流分為蒸汽能流、制漿能流、制漿流程能流、制紙流程能流、纖維流程能流，蒸汽能流由熱能驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，汽輪發(fā)電的效率為55%，經(jīng)汽輪機(jī)后的蒸汽熱能壓力為0.12mpa；制漿能流依次經(jīng)過(guò)對(duì)蒸汽能流和化學(xué)能流輸入處理；制漿流程能流用于處理制漿環(huán)節(jié)；制紙流程能流用于處理制紙環(huán)節(jié)；纖維流程能流用于處理纖維生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

41、作為優(yōu)選，所述沼氣參數(shù)包括沼氣體積量和沼氣中甲烷占比，所述蒸汽參數(shù)包括熱值、質(zhì)量流量、蒸汽溫度和蒸汽壓力；

42、造紙企業(yè)原料經(jīng)制漿、制纖維、制紙三個(gè)工藝流程后產(chǎn)生沼氣，沼氣中ch4的含量在45-50％之間；

43、所述蒸汽參數(shù)的監(jiān)測(cè)范圍包括：溫度監(jiān)測(cè)范圍為0-300℃，精度為±1℃；壓力監(jiān)測(cè)范圍為0-5mpa，精度為±0.01mpa；流量監(jiān)測(cè)采用超聲波流量計(jì)，精度為±0.5%。

44、作為優(yōu)選，所述多能流系統(tǒng)的能流轉(zhuǎn)化關(guān)系包括：

45、制紙流程中，對(duì)制漿流程的低品熱能及蒸發(fā)壓力為0.3mpa的蒸汽熱能、制紙流程的蒸發(fā)壓力為0.8mpa高溫蒸汽及高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，經(jīng)汽輪機(jī)透平后的蒸汽熱能，輸出蒸汽熱能壓力為0.12mpa；

46、制漿流程中，對(duì)纖維流程高品熱能、制漿流程高溫蒸汽及高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，經(jīng)汽輪機(jī)后的蒸汽熱能，輸出蒸汽熱能壓力為0.12mpa；

47、纖維流程中，對(duì)制漿流程的高品熱能及蒸發(fā)壓力為0.8mpa高溫蒸汽及高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，經(jīng)汽輪機(jī)后的蒸汽熱能，輸出蒸汽熱能壓力為0.12mpa；

48、所述多能流系統(tǒng)中生物質(zhì)漿塔、產(chǎn)氣池、蓄熱緩沖罐、生物質(zhì)漿塔的蒸汽管路、生物質(zhì)漿塔蒸汽熱網(wǎng)以及蒸汽聯(lián)供的熱網(wǎng)相互之間均設(shè)置有閥門，且所述閥門受控于plc控制器。

49、沼氣能源多級(jí)聯(lián)供與數(shù)字化能源管理系統(tǒng)，包括：

50、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，用于獲取造紙企業(yè)制漿、制纖維、制紙工藝流程中產(chǎn)生的沼氣參數(shù)、蒸汽參數(shù)和余熱溫度參數(shù)；

51、多維參數(shù)決策處理單元，用于基于所述沼氣參數(shù)，通過(guò)多維參數(shù)層級(jí)決策樹對(duì)沼氣進(jìn)行分級(jí)處理，所述多維參數(shù)層級(jí)決策樹包括甲烷濃度分流層、體積量分析層、溫度差比較層和熱值評(píng)估層；

52、溫度匹配計(jì)算單元，用于根據(jù)所述蒸汽參數(shù)和所述余熱溫度參數(shù)，計(jì)算第一溫度差和第二溫度差，并基于所述第一溫度差和所述第二溫度差形成溫度匹配關(guān)系；

53、能源路徑確定單元，用于基于所述溫度匹配關(guān)系和所述多維參數(shù)層級(jí)決策樹的分級(jí)處理結(jié)果，確定沼氣的能源利用路徑，將沼氣按照能源利用路徑轉(zhuǎn)化為電能、熱能、冷能、汽能、高品吸風(fēng)和低品吸風(fēng)，形成多能流系統(tǒng)；

54、多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器，用于對(duì)所述多能流系統(tǒng)中的能流進(jìn)行傳輸，由多個(gè)多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器組成，在多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器的輸出端設(shè)置有冷能使用、熱能使用，在多能級(jí)聯(lián)供應(yīng)器的輸入端設(shè)置有冷能輸入、熱能輸入和蒸汽；

55、多級(jí)閥門網(wǎng)絡(luò)，包括設(shè)置于生物質(zhì)漿塔、產(chǎn)氣池、蓄熱緩沖罐之間的多個(gè)閥門，所述閥門受控于plc控制器；

56、數(shù)字化管理單元，用于對(duì)所述多能流系統(tǒng)中的能流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理匯總，與能源需求量進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果上傳至云平臺(tái)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)供沼氣能源的數(shù)字化管理。

57、本發(fā)明具有以下有益效果：

58、1.提高能源利用效率：通過(guò)多維參數(shù)層級(jí)決策樹對(duì)沼氣進(jìn)行精細(xì)化分級(jí)利用，根據(jù)沼氣品質(zhì)特性為其選擇最佳利用路徑，最大化不同品質(zhì)沼氣的能源價(jià)值，提高能源利用效率20-30%。

59、2.實(shí)現(xiàn)能源品質(zhì)與需求精確匹配：通過(guò)溫度差驅(qū)動(dòng)的能量分配機(jī)制，精確匹配能源品質(zhì)與使用需求，避免高品位能源低品位使用的浪費(fèi)現(xiàn)象，提高能源利用的合理性。

60、3.優(yōu)化能源經(jīng)濟(jì)性：通過(guò)動(dòng)態(tài)熱價(jià)格計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)的余熱分配機(jī)制，將技術(shù)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源利用的綜合優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)效益15-25%。

61、4.提高系統(tǒng)控制精度：通過(guò)精確閥門網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)能源流向的精確調(diào)控，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，響應(yīng)時(shí)間縮短至2秒以內(nèi)。

62、5.實(shí)現(xiàn)能源管理智能化：通過(guò)云平臺(tái)集成的閉環(huán)優(yōu)化體系，實(shí)現(xiàn)能源管理的數(shù)字化與智能化，系統(tǒng)具備自我優(yōu)化能力，減少人工干預(yù)，提高管理效率35-45%。