工業園區混合能源優化配置方法應用與實踐

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

工業園區是以工業負荷為主的復雜能源系統，涵蓋多種產能及用能主體，涉及電、冷、熱等多種能源的生產、轉移和利用。工業園區負荷具有需求量大、負荷特性復雜、供電可靠性要求高的特點。隨著分布式可再生能源和清潔能源發電的高滲透率應用、多元化儲能設備規模化推廣，用戶通過智能化手段參與需求響應，各類能源供應系統耦合互補，社會綜合能效進一步提升，促使工業園區的用能向更加綠色、高效的方向轉變。如何統一對園區用能優化，提高系統的運行效率和經濟環境效益將是未來工業園區規劃設計的重點[1-5]。

現有研究多針對帶有電熱聯產系統的綜合能源系統。文獻[6-7]研究了以能量集線器最小運行費用為優化目標，采用魯棒優化算法計及負荷需求的不確定性，最終對調度方案從經濟性、可靠性、清潔性角度加以設計。文獻[8]中建立了冷熱電聯供系統的經濟優化調度模型，并采用Hessian矩陣迭代的內點法對模型進行求解，進而對系統開展優化規劃。在文獻[9-12]中，應用了帶約束的粒子群算法對多目標規劃模型進行求解。文獻[13]建立了含有風機、光伏發電、冷熱電聯供以及蓄能系統的CCHP系統，以能源利用率最大和系統運行成本最小為優化目標進行設計。文獻[14]提出一種雙層優化配置模型，用于應對多能源的運行復雜性。

綜合來看，目前對混合能源系統的研究偏重于理論分析，存在優化配置變量多、模型理論化等問題，為實際工程的求解帶來了很多問題，缺乏在實際工程中應用的可操作性。下面基于具有冷、熱、電需求的分布式能源系統，首先通過傳統配置方式的粗放式分析確定設備集，然后構建同時優化系統配置和運行方案的非線性混合整數規劃模型，綜合考慮系統投資費用、方案年運行費用指標，即從經濟性的角度對系統的設備容量和運行策略進行了優化配置分析，實現園區規劃設計的經濟性最大化。

1 優化配置模型與方法

研究可知，園區供能有：冷熱電聯供運行模式，即燃氣分布式能源供能用于滿足園區內的冷熱電負荷需求，地區電網作為有益補充；熱電聯產運行模式，即采用燃氣分布式能源供能用于滿足園區內的冷熱負荷需求，發電上網。不同的供能運行模式將對應不同的優化配置結果，下面主要對冷熱電聯供的運行模式進行闡述。

園區冷熱電混合能源系統的優化配置模型是以經濟為目標，經濟目標是使整個規劃期內系統的總投資運行費用的年費用最小。

1.1 優化目標函數

經濟目標函數可選擇系統總的投資運行等年值費用，該費用由設備初始投資和工業園區混合能源系統年運行費用兩部分構成。

(1)

工業園區混合能源系統內的運行年費用包括年購電費用、年運行維護費用以及年運行所需燃料費用，可表示為

(2)

設備初始投資等年值費用數學表達式為

(3)

式中：CI,i為第i個設備初始投資費用，一般與設備容量相關；rCR,i代表資金收回系數；r為貼現率；li為第i個設備的運行壽命期望值，a。

設備的年運行維護費用可表示為

(4)

設備年消耗燃料費用主要指DGs的年消耗燃料費用，與DGs年發電量成正比，其數學表達式為

(5)

工業園區混合能源系統向電網的購電費用的構成和區域電價機制有關，一般可歸納為基本容量、功率、電度(電量)3類費用。

(6)

1.2 約束條件

模型的約束條件分為不等式約束和等式約束。等式約束主要為滿足用能端逐時對電、冷、熱3種能源的需求，即供給能源量等于能源需求量：

(7)

除上述冷熱電需求平衡約束外，針對供能設備的運行特性，還可能包含設備運行工況出力約束、各設備的轉換效率和能源消耗量等約束條件。

根據上述系統結構描述和優化配置模型，以系統備選設備的數量或容量作為優化變量，采用基于粒子群聯合CPLEX求解器的算法進行求解，其具體流程如圖1所示。

圖1 配置優化流程

2 工程案例介紹

選取成都市某生物園區為應用對象進行優化研究。為了成功打造綠色低碳能源基礎設施，該生物園區擬投資建設天然氣分布式能源站及配套使用的天然氣管網和配電網項目，為生物園區內的企業、居民和其他單位提供蒸汽、熱水、冷水、電力等綜合能源服務，在生物園區內構建環保、高效、穩定、便捷的智慧能源保障體系。

由于生物園區存在較大的電負荷，擬通過220 kV變電站與大電網連接，保障園區的電負荷需求。燃氣分布式能源供能主要用于滿足生物園區內的冷熱電負荷需求，地區電網作為園區負荷的有益補充。

2.1 電負荷

生物園區近期建設范圍為起步區1期、2期，通過選取各負荷分類指標、用地指標，計算出近期生物城的飽和最大負荷為139.55 MW。根據園區典型負荷特征曲線預測得到生物園區的日負荷需求曲線，如圖2所示。

圖2 生物園區電負荷

2.2 熱負荷

供熱區域所需熱負荷以工業生產性蒸汽熱負荷為主，參數為0.7 MPa(g)的飽和蒸汽。考慮由能源站集中供應以利于節能環保。根據收資、調查情況，本項目工業熱負荷逐時變化曲線如圖3所示。

圖3 生物園區熱負荷

2.3 冷負荷

冷負荷主要包括工藝制冷負荷及空調制冷負荷。根據園區收資、調查可知，園區冷負荷主要有工藝制冷及空調制冷負荷需求。在冷負荷調研的過程中，通過業主和用戶初步協商，供冷方式采用將制冷蒸汽通過蒸汽管道送往用戶側，在用戶側建造制冷站的方式來滿足用戶的用冷需求。本項目冷負荷逐時變化曲線如圖4所示。

工業園區生產型企業居多，且其倒班輪換的工作機制使得工業園區一般都具有較為穩定的電、熱、冷負荷。工業園區各類負荷都比較大，受季節性變化影響較小。

設備選型主要遵照“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”的原則，合理進行電力、供冷、供熱設備的配置，做到按需供給、適時匹配，達到冷熱電負荷的相對平衡。同時，綜合考慮到工程冷熱負荷需求大，該地區以水電為主的電力結構以及電力“豐裕枯余”、棄水問題突出等因素，為有效擴大天然氣應用，統籌協調地區電力行業發展，天然氣分布式能源項目系統配置應首選燃氣單循環機組。

圖4 生物園區冷負荷

通過統籌考慮該地區可用資源潛力、冷熱電負荷需求分析以及投資方需求情況，選取燃氣輪機組、燃氣鍋爐、電鍋爐、蒸汽型溴化鋰制冷機組、電制冷機組為備選設備集進行園區供能優化配置設計，從而滿足生物園區的冷、熱、電負荷需求。

根據前述備選設備集，建立生物園區供能結構如圖5所示。

圖5 生物園區的供能結構

3 仿真分析

3.1 配置參數及邊界條件

從園區綜合熱負荷分析可知，工程設計綜合平均負荷為50.9 t/h。通過傳統配置方式粗放式分析燃機的發電效率、工程的綜合能源利用效率和經濟性，工程選取SGT400燃氣輪機組作為主要供能設備，并配置燃氣鍋爐等其他供儲能設備進行能源供應。各設備的單位投資建設成本如表1所示。

按照當前電價，設定容量電價和功率電價為0，電度電價采用分時電價。豐枯季節劃分：豐水期為6月至10月，枯水期為1月至4月、12月，平水期為5月、11月。銷售側豐枯電價調整為枯水期電價上浮5%，豐水期電價下浮5%。峰谷分時浮動電價繼續按高峰時段在豐枯浮動基礎上上浮50%，低谷時段在豐枯浮動基礎上下浮50%。該地區天然氣價為1.8元每標準立方米，不同季節、不同時段的電價如表2所示。

表1 備選供儲能設備成本

注：機組成本包含了余熱鍋爐投資。

表2 園區購電電價(豐、枯、平期)

3.2 優化配置方案

如前所述，該優化設計問題是一個多變量、多約束的非線性規劃問題。這里選粒子群算法予以求解，粒子群個數為100，最大迭代次數1000，個體加速因子設置為2，全局加速因子設置為2。通過求解優化配置模型，得到該系統的優化配置為燃氣輪機系統配置2臺燃氣輪機組(含余熱鍋爐)，配套20 t/h燃氣鍋爐，1.9 MW電制冷機組，9.2 MW蒸汽型溴化鋰機組。

在基礎配置之上，考慮在一臺燃機或余熱鍋爐故障或檢修停運時，另一臺機組滿負荷運行可提供約26.05 t/h蒸汽，因此需考慮2臺20 t/h的燃氣鍋爐進行備用。

系統基本運行策略如下：

1)在非檢修月，兩臺燃機優先滿足熱負荷需求，不足部分有燃氣鍋爐補足。冷負荷夜間以余熱部分通過蒸汽型溴化鋰機組供冷為主，電制冷機制冷為輔。在高峰期，機組熱出力都用于熱負荷供能，則冷負荷由電制冷機組制冷滿足需求。

2)在檢修月，由于一臺燃機檢修停運，另一臺機組滿負荷運行可提供約26.05 t/h蒸汽，將2臺20 t/h的燃氣鍋爐均投入運行，以滿足最大冷熱負荷需求，保障工業園區供能的穩定性和安全性。

圖6、圖7給出了生物園區非檢修月和檢修月的供能調度計劃方案。

圖6 非檢修月供冷、熱調度計劃

圖7 檢修月供冷、熱調度計劃

4 經濟性對比

該園區企業居多，一般都具有穩定的電、熱和冷負荷，各項負荷都比較大，該園區根據傳統配置方法“以熱定電”的原則配置設備。配置方案為2臺燃氣輪機組(含余熱鍋爐)、2臺20 t/h的燃氣鍋爐、4.8 MW電制冷機組、42 kW蒸汽型溴化鋰機組。優化配置方法和傳統配置方法的經濟性對比結果如表3所示。

表3 優化配置方法與傳統方法經濟性對比

由經濟性對比可知，傳統配置方案更多采用電制冷機組供冷為主，在現行豐枯峰谷電價機制和氣價條件下，該方案從電網購電比例相比于優化配置方案更高，導致其運行成本費用增大。冷、熱、電耦合的優化配置方案雖然增加了設備投資成本，但達到降低系統年運行費用及總的等年值費用，提高了工程整體的經濟性。

5 結 語

研究了混合能源系統的規劃問題，把混合能源系統設計轉化為了非線性規劃問題進行求解。建立以投資成本和運行成本最小為目標的優化函數，提出了以粒子群結合CPLEX的方法對優化問題進行求解，在備選供能設備中尋找最優配置組合方案。

仿真結果表明，通過對混合能源優化配置方法和典型調度運行策略研究可充分挖掘多能源之間的互補潛力，使工業園區混合能源系統的配置方式由傳統粗放式轉變為精確優化配置，降低系統配置方案的保守性；通過多種能源混合利用，提升了系統的綜合經濟性。優化配置方法的應用能夠為工業園區能源供應項目的規劃、設計提供參考性支撐，豐富了設計手段。