天然氣分布式能源項目優化配置研究

盧海勇虞正發劉波

上海電力設計院有限公司

0 概述

天然氣分布式能源項目的成敗主要取決于負荷預測和裝機方案配置。負荷預測的準確性和可靠性是項目成功的前提。裝機方案配置的合理性是項目成功的保障。對于負荷預測，目前已有指標法、動態計算法等多種方法[1]。但裝機方案優化配置研究不多，已成為迫切需要解決的問題。本文以典型的民用天然氣分布式能源項目為例，闡述系統優化計算方法。典型的系統配置流程如圖1[2]所示。

圖1 民用天然氣分布式能源項目典型系統配置流程圖

1 優化配置流程

天然氣分布式能源項目系統配置的優化是基于負荷需求和能源價格優化所確定的以下幾個方面內容：（1）原動機的機組形式、臺數和容量選擇；（2）溴化鋰、冷水機組和蓄冷裝置的優化組合；（3）結合能源價格和負荷需求的運行策略。由于天然氣分布式能源是冷熱電多種能源輸出的耦合，并且設備種類繁多。因此，天然氣分布式能源項目系統優化配置需要根據冷熱電負荷需求和冷熱電能源價格體系，針對可能的天然氣分布式能源系統配置方式和運行模式進行模擬分析計算，然后基于優化目標，分析比較得出最佳的系統配置與運行模式。天然氣分布式能源項目優化配置流程如圖2所示。

圖2 天然氣分布式能源項目優化配置流程圖

2 優化配置模型

根據圖1民用天然氣分布式能源項目典型系統配置，對冷、熱、電和天然氣進行能量平衡分析，建立能量平衡模型、約束條件和優化目標。

（1）電平衡：內燃機總發電功率與從電網購電功率之和等于電制冷機及輔助設備耗電功率、分布式能源系統及輔助設備耗電功率、蓄冷設備及輔助設備耗電功率、鍋爐及輔助設備耗電功率和用戶電負荷需求功率之和。

（2）冷平衡：內燃機余熱帶溴化鋰供冷功率、電制冷機直接供冷功率和蓄冷裝置放冷功率之和等于用戶冷負荷需求功率。

（3）熱平衡：內燃機余熱帶溴化鋰供熱功率和天然氣鍋爐直接供熱功率之和等于用戶熱負荷需求功率。

（4）天然氣平衡：天然氣的總耗量等于內燃機天然氣耗量和天然氣鍋爐耗量之和。

（5）蓄放冷平衡：夜間蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡，考慮到蓄冷裝置效率，白天放冷量約為夜間蓄冷量的85%～90%。

（6）約束條件：

①天然氣分布式能源年利用小時數不低于2 000h。

②天然氣分布式能源綜合效率不低于70%，即

（7）優化目標：以天然氣分布式能源項目年綜合成本最低作為優化目標，其目標函數如下：

A——天然氣分布式能源項目總投資，元

T——天然氣分布式能源項目折舊年限，年

天然氣分布式能源項目優化配置時，首先基于分析的冷熱電負荷，根據市場現有原動機的功率類型，初步確定幾種可能的配置方案，其次建立能量平衡模型，然后結合運行方式，進行約束條件判斷，最后以年綜合成本最低對不同配置方案進行比較評價，選擇最優配置方案。

3 工程案例

3.1 工程概況

本文以上海某綜合商務園區為例進行分析，針對園區內企業的冷熱電能源需求，為其量身打造以天然氣分布式能源為基礎的區域性綜合能源供應項目，項目建設內容包括天然氣冷熱電三聯供系統、空調冷水機組、天然氣鍋爐和蓄冷系統。

3.2 負荷分析

本項目園區內企業用能主要為民用負荷，包括：辦公、酒店、會議中心、展館、商業和公寓。用能需求為建筑物的冬季采暖供熱和夏季空調制冷。合理選取負荷指標，根據建筑特點考慮逐時負荷系數，繪制典型日負荷曲線如圖3～圖5所示。

圖3 典型日逐時冷負荷曲線

圖4 典型日逐時空調熱負荷曲線

圖5 典型日逐時電負荷曲線

根據典型日負荷分析，最大冷負荷約44.5MW，最大熱負荷約30MW，最大電負荷約29MW。

3.3 系統優化配置

根據園區負荷的性質以及冷熱負荷需求量，采用以熱（冷）電聯供、熱（電）電平衡原則進行機組配置，同時為提高原動機的利用時數，保證在較低負荷時原動機仍然可以連續運行，擬選方案如下：

方案一：配置2臺2 000kW燃氣內燃發電機組+2臺煙氣熱水型溴化鋰機組+4臺5 276kW離心式冷水機組+3臺8.4MW天然氣鍋爐+1套150MWh蓄冷系統。

方案二：配置2臺3 333kW燃氣內燃發電機組+2臺煙氣熱水型溴化鋰機組+4臺4 924kW離心式冷水機組+4臺5.6MW天然氣鍋爐+1套140MWh蓄冷系統。

方案三：配置2臺4 300kW燃氣內燃發電機組+2臺煙氣熱水型溴化鋰機組+4臺4 572kW離心式冷水機組+3臺7MW天然氣鍋爐+1套130MWh蓄冷系統。

方案四：配置3臺4 300kW燃氣內燃發電機組+3臺煙氣熱水型溴化鋰機組+4臺3 869kW離心式冷水機組+3臺5.6MW天然氣鍋爐+1套105MWh蓄冷系統。

分別針對上述4個方案，根據能量平衡模型，進行冷、熱、電能量平衡分析，詳見圖6～圖9所示。

圖6 方案一冷、熱、電平衡圖

圖7 方案二冷、熱、電平衡圖

圖8 方案三冷、熱、電平衡圖

圖9 方案四冷、熱、電平衡圖

本項目天然氣分布式能源系統的運行模式是晚間用電低谷期間停機、早晨工作時間開機。這是由于晚間谷電期間，用能負荷較低，且此時市電價格低，系統停機可以獲得更好的經濟效益。為保證機組充分利用時間和良好的經濟效益，冬季優先利用天然氣分布式能源系統供熱，不足部分由天然氣鍋爐補充；夏季優先利用天然氣分布式能源系統供冷，其次水蓄冷，不足部分由冷水機組補充。從上述各圖可以看出，隨著裝機規模的增加，天然氣分布式能源系統提供的冷、熱、電份額逐漸增加，但機組滿負荷利用小時逐漸降低。

隨著裝機規模的增加，減少了高電價和高價天然氣的使用，年成本逐漸降低，方案三的年成本最低，約10 260萬元；裝機規模繼續增加，年成本又有所上升，主要是裝機規模的增加減少機組的利用小時數，高投資帶來的效益減小，詳見圖10。因此推薦方案三作為裝機方案。

圖10 天然氣分布式能源項目年成本比較圖

4 結論

（1）天然氣分布式能源項目的成敗主要取決于負荷預測和裝機方案配置。負荷預測的準確性和可靠性是項目成功的前提，裝機方案配置的合理性是項目成功的保障。

（2）本文提出了天然氣分布式能源項目優化配置流程，建立了基于冷、熱、電和天然氣能量平衡的優化配置模型。

（3）本文提出的天然氣分布式能源項目優化配置研究方法，對后續工程實踐中天然氣分布式能源的設計具有一定的指導意義。