區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化研究

胡慧忠

上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院

關(guān)鍵字：分布式能源；數(shù)學(xué)模型；運行優(yōu)化策略

1 區(qū)域分布式能源系統(tǒng)介紹

上海某旅游度假區(qū)的聯(lián)供系統(tǒng)占地面積9 068㎡，如圖1所示。該聯(lián)供系統(tǒng)由燃?xì)鈨?nèi)燃機、溴化鋰吸收式制冷機、燃?xì)忮仩t、離心式冷水機、蓄水槽和發(fā)電機組成。聯(lián)供系統(tǒng)的工作流程為：燃?xì)庠趦?nèi)燃機內(nèi)燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣余熱作為驅(qū)動熱源進入溴化鋰制冷機制熱/制冷。溴化鋰制冷機制熱/制冷部分不滿足用戶熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的部分由燃?xì)忮仩t和離心式制冷機組提供。蓄水槽夏季蓄冷、冬季蓄熱，滿足系統(tǒng)的峰值負(fù)荷需求，并提升系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性。

圖1 燃?xì)鈨?nèi)燃機聯(lián)供系統(tǒng)簡圖

2 用戶負(fù)荷需求

圖（2-1、2-2、2-3）分別為該旅游度假區(qū)夏季、秋季及過渡季節(jié)各典型日的負(fù)荷特性。本文定義的季節(jié)：夏季為6-9月（四個月），共122天；冬季為11-12月和1-2月（四個月），共120天；其他月份都屬于過渡季。

圖2 -1夏季典型日冷負(fù)荷和電負(fù)荷需求圖

圖2 -2冬季典型日熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求圖

圖2 -3過渡季典型日冷、熱、電負(fù)荷需求圖

3 系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)及投資價格

天然氣價格和峰谷電價對燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的運行收益起著重要的作用，表3-1為上海該旅游度假區(qū)能源站購入燃?xì)鈨r格和峰谷電價，表3-2為聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的投資，表3-3為聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的參數(shù)。其他經(jīng)濟性參數(shù)：殘值率?=0，年利率i=0．05，y=15，φ=0.03[1,2]。

表3-1 峰谷電價和天然氣價格

表3-2 聯(lián)供系統(tǒng)的主要設(shè)備投資

表3-3 聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

4 優(yōu)化計算

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

根據(jù)案例的實際數(shù)據(jù)，通過運用遺傳算法對模型進行計算，得出以下計算結(jié)果：

經(jīng)濟性：

年供電收益Cine=4059.09504()萬元，

年制冷收益Cinc=3663.5288()萬元，

年供暖收益Cine=1834.30656()萬元；

消耗費用：

年初投資費用JCOST=1898.86372()萬元，

年維修費用JWX=593.14344()萬元，

年運行費用JOC=6925.477578()萬元；

因此，經(jīng)計算得出系統(tǒng)的年凈收益C=133.48286()萬元。

節(jié)能性（?效率）：

在夏季，根據(jù)用戶的冷電負(fù)荷需求，在保證經(jīng)濟性的前提下，關(guān)于節(jié)能性的計算存在兩種情況：（1）當(dāng)系統(tǒng)的供電量滿足用戶電負(fù)荷需求時，系統(tǒng)的最佳?效率為0．345；（2）當(dāng)系統(tǒng)的供電量不能滿足用戶端電負(fù)荷需求時，系統(tǒng)的最佳?效率為0．376。在冬季，根據(jù)用戶的熱電負(fù)荷需求，由于系統(tǒng)的供電量始終能滿足用戶端電負(fù)荷需求，因此，在經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的最佳?效率為0．207。

5 系統(tǒng)優(yōu)化運行分析

5.1 夏季典型日優(yōu)化運行方案設(shè)計與結(jié)果

如圖5-1（a）所示，旅游度假區(qū)在上午9∶30開門入園，10∶00開始允許進入游樂區(qū)。隨著溫度的升高和游客的持續(xù)進入，度假區(qū)對冷量的需求從9∶00開始不斷增加，負(fù)荷進入高峰期。

圖5-1（a）

在此期間，度假區(qū)在上午10∶00之前，由于旅游度假區(qū)未到達(dá)高峰期，因此只有溴化鋰主機提供冷量，溴化鋰主機開始滿負(fù)荷運行，同時離心式水冷機單獨開啟提供冷量，蓄水槽將前一天晚上積蓄的冷量釋放出來。21∶00以后，冷負(fù)荷需求主要來自度假區(qū)的酒店，相比白天冷負(fù)荷高峰期，夜間只需由溴化鋰制冷機供冷。由于在夜間的電價處于谷時，因此，此時可開啟離心式制冷機，離心式冷水機組產(chǎn)生的冷量將會被儲存在蓄水槽中，既可以為白天的調(diào)峰做準(zhǔn)備，也可以當(dāng)溴化鋰制冷機出現(xiàn)故障時，保障酒店的用冷正常供應(yīng)。此方案不僅增加了經(jīng)濟效益，也充分利用了冷能。

本文的案例夏季采用以冷制電的模式，如圖5-1（b）所示，夏季度假區(qū)處于旅游旺季，游客較多，不僅冷負(fù)荷需求大，用電量需求也很大，在用電高峰期，內(nèi)燃機發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足用戶用電需求，因此需要從外網(wǎng)購電。從外購買的電量不僅要提供給用戶端，還要提供給離心式制冷機，確保用戶端供冷穩(wěn)定。通過優(yōu)化系統(tǒng)的運行策略，系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟性均得到保障。

圖5-1（b）

5.2 冬季典型日優(yōu)化運行方案設(shè)計與結(jié)果

如圖5-2（a）所示，冬季6∶00-9∶00，度假區(qū)酒店用熱需求增加，9∶00-11：00，隨著游客陸續(xù)進入度假區(qū)游樂園，度假區(qū)游樂園的熱需求處于高位。為了保證熱能的充分利用和度假區(qū)的用熱穩(wěn)定，6∶00-11∶00，溴化鋰機組滿負(fù)荷運行，燃?xì)忮仩t也處于高負(fù)荷運行狀態(tài)，同時蓄水槽中的熱量開始被釋放，以緩解供熱壓力。11∶00-18∶00，熱負(fù)荷供應(yīng)趨于穩(wěn)定，燃?xì)忮仩t提供的多余熱量將儲存在蓄水槽。19∶00以后，度假區(qū)酒店的熱負(fù)荷需求開始增加，蓄水槽中的熱量將釋放出來，以滿足峰值負(fù)荷的需求。夜間的熱負(fù)荷處于低谷期，燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的多余熱量會儲存在蓄水槽中，為白天的調(diào)峰做準(zhǔn)備。如圖5-2（b）所示，根據(jù)用戶冬季負(fù)荷特征，不需要從外部購電，由于熱負(fù)荷需求比較大，內(nèi)燃機和溴化鋰機組滿負(fù)荷運行。

圖5-2(a)

圖5-2(b)

5.3 過渡季典型日優(yōu)化運行方案設(shè)計與效果

過渡季度假區(qū)冷熱負(fù)荷需求相對較少，同時存在冷熱負(fù)荷的需求。根據(jù)冷負(fù)荷特征，如圖5-3(a)所示，在過渡季典型日00∶00-6∶00期間，度假區(qū)對冷量的需求比較低，此時，開啟離心式冷水機供給用戶冷負(fù)荷，離心式冷水機產(chǎn)生的多余冷量可儲存在蓄冷槽。6∶00-9∶00期間，用戶冷量需求低，可由蓄水槽供冷滿足。10∶00-19∶00，冷負(fù)荷需求進入高峰期，開啟溴化鋰?yán)渌畽C和蓄冷槽共同為用戶供冷。夜間，用戶冷負(fù)荷需求低，只開啟離心式冷水機組提供冷量，直到第二天上午6∶00。由上述冷水機組的運行狀可知：22∶00-6∶00，僅開啟離心式冷水機，滿足用戶冷需求之外的多余冷量儲存在蓄水槽，6∶00-9∶00由蓄水槽供冷，10∶00-19∶00溴化鋰?yán)渌畽C和蓄水槽供冷。

圖5-3(a)

根據(jù)熱負(fù)荷特征，如圖5-3(b)所示，過渡季的熱負(fù)荷需求主要是在 00∶00-11∶00 和 18∶00-24∶00。在此期間，主要由溴化鋰?yán)渌畽C和蓄水槽共同為系統(tǒng)供熱，8∶00-10∶00，熱負(fù)荷較高，由溴化鋰?yán)渌畽C和燃?xì)忮仩t共同為系統(tǒng)供熱。11∶00-17∶00，用戶熱負(fù)荷需求較低，由燃?xì)忮仩t向用戶供熱，多余的熱量將會儲存在蓄水槽，蓄水槽中的熱量將在熱負(fù)荷需求處于高負(fù)荷時釋放出來。

圖5-3(b)

如圖5-3(c)所示，由于冷熱負(fù)荷需求較小，為了使設(shè)備處于高負(fù)荷運行狀態(tài)，并考慮用戶的用電需求，早上，只需一臺內(nèi)燃機進行供電，其余的電負(fù)荷由電網(wǎng)提供。該運行策略能使系統(tǒng)的設(shè)備都處于高運行狀態(tài)中，使系統(tǒng)產(chǎn)生的能量得到充分利用。

圖5-3(c)過渡季典型日優(yōu)化結(jié)果

由以上各季節(jié)的分析得出：

（1）夏季典型日，夜間負(fù)荷較白天工作時段小，溴化鋰負(fù)責(zé)向用戶供冷。由于夜間谷時電價低，開啟離心式冷水機制冷并將其產(chǎn)生的冷量儲存蓄水槽中。

（2）冬季典型日，上午和傍晚處于熱負(fù)荷高需求階段，此時開啟溴化鋰?yán)渌畽C、燃?xì)忮仩t和蓄水槽同時供熱，滿足度假區(qū)的高負(fù)荷需求。下午客流穩(wěn)定，熱負(fù)荷小，夜間熱負(fù)荷也有所下降，機組產(chǎn)生的多余熱量也會儲存蓄水槽中，為高峰期熱需求儲備能量。

（3）過渡季典型日，冷熱負(fù)荷需求均較小，只需開啟2臺內(nèi)燃機組和溴化鋰機組。冷負(fù)荷：早晨和夜晚單獨開啟離心式制冷機即可基本滿足用戶側(cè)需求，蓄水槽的冷量在白天釋放。熱負(fù)荷：傍晚和夜間只開溴化鋰?yán)渌畽C，上午由溴化鋰?yán)渌畽C和燃?xì)忮仩t共同為系統(tǒng)供熱。下午由燃?xì)忮仩t向用戶供熱，產(chǎn)生的多余熱量將會儲存在蓄水槽中。所儲熱量基本在夜間釋放。蓄能裝置大大降低了聯(lián)供系統(tǒng)在過渡季的運行成本。

以上運行策略不僅能使系統(tǒng)設(shè)備處于較高負(fù)荷運行區(qū)間，而且同時實現(xiàn)了能量的高效利用，使系統(tǒng)獲得可觀的經(jīng)濟收益。

8 小結(jié)

與集中式能源系統(tǒng)相比，分布式能源系統(tǒng)具有獨立、高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)勢。將有助于對燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性與經(jīng)濟性相結(jié)合的研究和分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。

本文以上海某旅游度假區(qū)的燃?xì)夥植际嚼錈犭娙?lián)供系統(tǒng)作為研究案例，確立了以年凈收益為目標(biāo)函數(shù)，以能量平衡作為約束條件，結(jié)合?效率分析的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于用戶端實際負(fù)荷需求和系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)、供能價格、購能價格等各類參數(shù)，在保證經(jīng)濟性和節(jié)能性的前提下，采用MATLAB遺傳算法對研究案例進行分析計算，最終獲得年凈收益、相應(yīng)的?效率和夏季、冬季、過渡季各典型日的運行優(yōu)化策略。

在統(tǒng)籌考慮燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性與節(jié)能性后得出的運行優(yōu)化策略對提高全國各地區(qū)三聯(lián)供系統(tǒng)的運行策略的節(jié)能性和經(jīng)濟性有借鑒指導(dǎo)意義，對分布式能源系統(tǒng)在各地區(qū)的推進發(fā)展有促進作用。