三聯供系統在不同運行策略下的經濟性分析

趙成

華東建筑設計研究院有限公司

0 引言

冷熱電三聯供（CCHP）系統作為一個集成能源系統在全世界范圍受到了廣泛關注[1]。

很多研究者基于不同的評價準則對三聯供系統進行了分析評估[2-5]。在這些研究中，熱跟隨模式（FTL）和電跟隨模式（FEL）是三聯供系統最典型的兩種運行策略，熱跟隨模式在我國受限于電力上網政策，而電跟隨模型會導致大量的熱量浪費。P.J.Mago[5]提出了混合跟隨模式（HETS），該模式雖然可以減少系統能源浪費，但會增加市政購電量，在一定的電氣價格比之下反而可能會使系統年運行費用更高。此外，近些年還有一種運行模式——Linear Programming（LP）模型被應用于三聯供系統的優化運行分析中[6-8]，該模型可基于不同的優化目標得出系統最優運行參數，然而其實際運行方式目前還難以實現。

為討論電跟隨模式、熱跟隨模式、混合跟隨模式以及LP優化方法在中國的適用性，以便選擇系統較優運行策略，本文對上海某酒店配置了一套CCHP系統，然后對該系統在各種運行策略以及LP優化模型下進行了年運行費用計算對比分析。

圖1 建筑電力累計曲線

為統一對比標準，本文采用MR[9]法進行CCHP系統原動機容量的選擇。MR法依據原動機全年滿負荷工況下能量輸出最大化的原則來確定原動機容量，即圖1中陰影面積最大時對應的原動機容量。

1 三聯供系統運行策略的計算模型

本節筆者先介紹冷熱電三聯供（CCHP）系統的基本流程，然后給出其在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP優化模型下全年運行費用的計算方法。

1.1 冷熱電三聯供（CCHP）系統

冷熱電三聯供（CCHP）系統指以燃氣為主要燃料帶動原動機（PGU）運行，產生的電力（Ep）供應用戶的電力需求，系統發電后排出的余熱通過余熱回收利用設備向用戶供熱、供冷。通過這種方式可大大提高整個系統的一次能源利用率，實現了能源的梯級利用。還可以提供并網電力作能源互補，整個系統的經濟收益及效率均相應增加。

本文所討論的CCHP系統詳細流程如圖2所示，原動機發電后排出的余熱（Qp）一部分QAC通過吸收式制冷機組為末端用戶供冷，另一部分Qh可用來滿足用戶采暖和生活熱水需求。吸收式制冷機組所消耗的熱能QAC全部取自于原動機產生的余熱Qp，如果吸收式制冷機組產生的冷量Ca不能滿足用戶的供冷需求，不足供冷量由電制冷機組提供；同樣如果原動機產生的余熱Qh不足以滿足用戶供熱需求時，則需補充一定的輔助熱源Qb。

圖2 冷熱電三聯供（CCHP）系統流程

1.2 電跟隨模式（FEL）下CCHP系統的數學模型

電跟隨模式（FEL）也稱以電定熱模式，即根據建筑電力需求來確定原動機的能源輸出。Heejin cho et al[10]提出原動機的熱能轉換（燃氣轉換為熱能）限制條件可用以下公式表達：

本文對式中的系數a、b做了近似處理，a=2.67，b=11.4，原動機的熱能轉換效率取51%[10]。

電跟隨模式（FEL）的計算流程如圖3所示。根據電力負荷Eload與原動機容量（PGUcap）的小值可確定當前時刻的發電量Ep，可根據式（1）計算原動機的燃氣消耗量Fpgu以及余熱回收量Qp。若有熱需求，則Qp優先用于提供生活熱水或采暖，若Qp不能完全滿足熱需求，即QpWload+Hload，剩余的余熱將供給至吸收式制冷機組供冷。

圖3 電跟隨模式（FEL）的計算流程

電跟隨模式（FEL）下CCHP系統的能耗根據式（1）-（9）計算得出：

式中：Hload、Wload、Cload分別為用戶采暖負荷、生活熱水負荷及供冷負荷；ηb為鍋爐的熱效率；EEC電制冷機組耗電量；Ebuy為用戶購電量。

1.3 熱跟隨模式（FTL）下CCHP系統的數學模型

熱跟隨模式（FTL）也稱以熱定電模式，即根據建筑熱力負荷來確定原動機的能源輸出。與電跟隨模式（FEL）類似，首先根據式（10）確定建筑的熱需求：

然后根據式（11）～（12）確定原動機發電后排出的余熱Qp和原動機所消耗的燃氣量FPGU，根據式（13）確定原動機的發電量Ep。

可利用式（4）～（9）計算其他輔助設備的能耗。雖然熱跟隨模式由于我國目前的政策限制還較難實現，但是為了比較不同運行模式下三聯供系統的年運行費用（AEC），本文還是將作為一個基本模型進行比較計算。

1.4 混合跟隨模式（HETL）下CCHP系統的數學模型[5]

混合跟隨模式（HETL）如圖4所示，若系統以熱跟隨模式（FEL）運行（運行狀態電為圖3中B''點），當原動機產生的余熱超過建筑的熱力負荷導致熱量浪費時，系統切換為電跟隨模式（FTL）運行（即運行狀態點B'點），此時需向電網購電以滿足電力負荷需求，除此情況外，系統仍按照熱跟隨模式（FEL）運行。

圖4 混合跟隨模式（HETL）示意圖

混合跟隨模式（HETL）的計算流程為：首先按照熱跟隨模式（FEL）由式（3）和式（10）確定余熱 Qp和熱需求 Qr，若 Qp＞Qr，則采用電跟隨模式（FTL）計算三聯供系統的能耗，反之采用熱跟隨模式（FEL）。

1.5 CCHP系統在LP模型下的計算方法

若以Ep、Qboiler和CA為決策變量，最小化運行費用為目標函數，則LP模型下CCHP系統的數學模型可表達為[6-8]：

式中：PE和PF分別為電價和燃氣價格。

目標函數的約束條件為：

對全年負荷逐時求解式（14），即得到LP模型下CCHP系統的最優全年能耗。

1.6 三聯供系統的年運行費用（AEC）計算方法

計算三聯供系統在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年能耗后，可用下式計算各種模式下的年運行費用（AEC）：

2 案例計算

為對比各種模式下三聯供系統（CCHP）的經濟性，本文以上海一棟20000 m2酒店為目標建筑，利用指標法[9]計算其全年逐時負荷（包括電力負荷、生活熱水負荷及供冷供冷負荷），并利用MR[9]法配置一套CCHP系統。圖1中電力累計曲線中陰影最大面積對應電力負荷為400kW，對應滿負荷小時數為5391 h，故原動機容量（PGUcap）可確定為400 kW。根據式（1）計算原動機的最大余熱量Qp為1079 kW，因此可選擇吸收式制冷機的容量為700 kW。輔助鍋爐的容量假設為無限大，即可完全滿足建筑熱量需求不足。

2.1 基本計算條件

為便于后面討論氣電價格對系統運行的影響，本文不討論分時電價，而采取固定電價，上海地區電力價格取為0.8元/kWh，天然氣2.5元/m3。為便于計算，天然氣價格轉換為以熱量單位，天然氣熱值按照35 MJ/m3計算，則天然氣價格為0.2571元/kWh，鍋爐效率ηb=0.8，吸收式制冷機組性能系數COPa=0.7，電制冷機組性能系數COPe=3.5。

2.2 計算結果

本文分別計算了上述配置的CCHP系統在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年運行費用，計算結果如表1所示：

表1 不同運行模式下CCHP系統全年運行計算結果

從表1的計算結果可以看出熱跟隨模式（FTL）下CCHP系統的全年運行費用最低，并且沒有熱量浪費；而在混合跟隨模式（HETS）下，雖然CCHP系統也沒有熱量浪費，但系統全年運行費用卻是四種模式里最高的，這是由于其燃氣耗量有所減少，但購電量增加，在當前能源價格下多余的購電費用高于節省的燃氣費用；LP模型與電跟隨模式（FEL）的下的系統全年運行費用相同，并且廢熱量也相同，都達到了消耗燃氣總熱量的2.5%。

綜上，在給定能源價格以及電力不能上網的限制條件下，目標建筑所配置的CCHP系統以電跟隨模式（FEL）運行技術經濟性較優。

3 原動機容量和電氣價格比對各運行策略下系統年運行費用的影響

算例結果顯示混合跟隨模式（HETS）下的系統年運行費用高于電跟隨模式（FEL），且LP模型與電跟隨模式（FEL）下的計算結果完全一致，原動機容量（PGUcap）的不同會導致系統運行時間、系統能源輸出以及能源消耗不同，從而會影響各種運行策略下的系統年運行費用，因此對不同原動機配置容量下各種運行策略的系統年運行費用進行了對比，另外，還討論分析了不同能源價格（電價、燃氣價）對各種運行策略下系統全年運行費用的影響。

3.1 不同原動機容量下系統年運行費用對比分析

建筑電力負荷數據顯示，最大電力負荷為744 kW，本文設置以下幾種原動機容量配置方案進行計算，見表2（注：吸收式制冷機組和輔助鍋爐的容量保證足夠大以滿足系統供冷、供熱量不足，均取1000 kW）。

表2 不同原動機容量配置方案

計算結果如圖5所示，隨著PGUcap的逐漸增加，各種運行模式下系統年運行費用均減小，但是由于PGUcap增加會導致初投資的增加，因此不能簡單的認為PGUcap越大越好。在方案1中幾種運行模式下的系統年運行費用基本相同，隨著PGUcap的增加其差異不斷增加，除方案1外的其它方案中，熱跟隨模式（FTL）下的系統年運行費用均是最低的，然而在我國電力上網受到限制的情況下熱跟隨模式難以實現。在各種方案中（除方案1），混合跟隨模式（HETS）的系統年運行費用均比電跟隨模式（FEL）要高，因此三聯供系統能否采用混合跟隨模式（HETS）運行以減少熱量浪費來取得較好經濟效益與原動機容量大小無關。在各方案中LP模型與電跟隨模式（FEL）的系統年運行費用均相同，因此在我國的能源價格和電力不上網的情況下，采取LP模型進行優化的結果與直接采取電跟隨模式（FEL）完全一樣。

圖5 不同原動機容量配置方案下各運行策略年運行費用

3.2 電氣價格比對系統年運行費用的影響

電價和燃氣價格直接影響三聯供系統的年運行費用，為便于討論，本文以電氣價格比來表示電力與燃氣的價格關系。電氣價格比可用下式計算：

前文中，天然氣價格PF=0.2571元/kWh，電力價格PE=0.8元/kWh，電氣價格比rge=3.1116。為討論電氣價格比對CCHP系統各種運行模式的影響，本文在電氣價格比rge從2.0到4.5范圍，且以PE=0.8元/kWh、原動機容量配置PGUcap=400 kW為基準進行了計算，即PF變化范圍為：0.1778～0.4元/kWh。rge計算間隔取0.2。

計算結果如圖6所示。在整個電氣價變化范圍內，熱跟隨模式（FTL）的系統年運行費用都是最低的，只有在rge=2.0時LP模型的系統年運行費用與其相等。隨著電氣價格比的增加（燃氣價格降低）所有模式下系統年運行費用均減小，在rge<2.8時，電跟隨模式（FEL）系統年運行費用最高，rge>2.8時電跟隨模式（FEL）與LP模型的系統年運行費用相同且低于混合跟隨模式（HETS）；在rge>2.4區間內電跟隨模式（FEL）與LP模型基本重合；rge<2.2時，LP模型的系統年運行費用低于電跟隨模式（FEL）和混合跟隨模式（HETS）。當rge在2～2.4區間時，混合跟隨模式（HETS）的系統年運行費用低于電跟隨模式（FEL），而rge在其他范圍時混合跟隨模式（HETS）的系統年運行費用都是最高的。

圖6 不同電氣價格比下的各運行模式系統年運行費用

可以看出，混合跟隨模式（HETS）在燃氣價格較高時要優于電跟隨模式（FEL），而在燃氣價格較低時并不省錢。同樣，在燃氣價格較高時，LP模型的系統年運行費用可以趨近于熱跟隨模式（FTL），能取得較好的經濟效益。

4 結論

本文對上海一棟酒店建筑配置的冷熱電三聯供系統在熱跟隨模式（FTL）、電跟隨模式（FEL）、混合跟隨模式（HETS）以及LP模型下的全年運行費用進行了計算分析，并討論了原動機配置容量和氣電價格比對系統全年運行費用的影響，得出如下結論：

1）熱跟隨模式（FTL）下系統全年運行費用最低，LP模型與電跟隨模式（FEL）的下的系統全年運行費用相同，混合跟隨模式（HETS）相對電跟隨模式（FEL）可以減少2.5%的熱量浪費，但其系統全年運行費用會增加2萬元。

2）隨著原動機配置容量的增加，各種運行模式下的系統全年運行費用逐漸降低，其中熱跟隨模式（FTL）降低幅度最大，其它模式相對于熱跟隨模式的差值變大。所有運行策略中，熱跟隨模式（FTL）下的系統全年運行費用最低，混合跟隨模式（HETS）下的系統全年運行費用最高，LP模型與電跟隨模式（FEL）的系統全年運行費用相等。

3）在不同氣電價格下，三聯供系統的經濟性受運行策略影響較大。由于中國電力不能上網，熱跟隨模式（FTL）受到限制，當燃氣價格較高時，采用混合跟隨模式（HETS）或LP模型系統年運行費用較低（但LP模型用于實際運行還比較困難），當燃氣價格較低時，無需利用LP模型對系統進行優化可直接采用電跟隨模式（FEL），采用混合跟隨模式（HETS）盡管可減少熱量浪費但可能導致系統年運行費用增加。