典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計

古云蛟

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 設(shè)計背景

由傳統(tǒng)化石能源消耗所產(chǎn)生的全球性和區(qū)域性環(huán)境問題日益凸顯。與集中式能源系統(tǒng)相比較,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)接近用戶負荷,不需要建設(shè)電網(wǎng)進行遠距離高壓或超高壓能源輸送,具有優(yōu)勢。由于兼具供電、供熱等多種類能源服務(wù),冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可以高效實現(xiàn)能源的梯級利用,在實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能增效同時,保障系統(tǒng)具有更高的能源綜合利用率[1-2]。

傳統(tǒng)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以微型燃氣輪機、燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機等為典型動力,主要將天然氣作為燃料,利用余熱鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機組等余熱利用設(shè)備進行供熱和制冷,形成集發(fā)電、供熱、供冷于一體的綜合能源服務(wù)體系。傳統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的主要配置形式有:① 微型燃氣輪機+溴化鋰吸收式制冷機組,包括煙氣型、熱水型、蒸汽型;② 燃氣內(nèi)燃機+溴化鋰吸收式制冷機組,包括煙氣型、熱水型、蒸汽型;③ 微型燃氣輪機或燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合。系統(tǒng)中配置換熱設(shè)備、調(diào)峰設(shè)備、蓄能設(shè)備等。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是為滿足特定用戶冷、熱、電等多元能源需求而定制的多輸入、多輸出型供能體系,體現(xiàn)了按需供能的現(xiàn)代能源服務(wù)理念。作為一種耦合源、網(wǎng)、荷、儲等諸多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性節(jié)能技術(shù),為達成預(yù)期的節(jié)能減排功效,在提升單元環(huán)節(jié)性能的同時,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合集成與規(guī)劃設(shè)計至關(guān)重要,設(shè)計時需要綜合考慮用戶需求情況、成本、經(jīng)濟性、效率等多種因素[3]。與其它單一能源電能輸出系統(tǒng)不同的是,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中熱能輸出存在不同的能源品位,逐級多次利用,即高能源品位的能量通常不會在一個設(shè)備或過程中全部用完,原因是在使用高能源品位能量的過程中,能源的溫度是逐漸降低的。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)整體設(shè)計時,需考慮在每種設(shè)備的能源消耗過程中,尋找一個經(jīng)濟、合理的使用溫度范圍,保障當高能源品位能量在一個裝置中已經(jīng)降低至經(jīng)濟適用范圍以外時,轉(zhuǎn)至另一個能夠經(jīng)濟使用這一能量的裝置,使總的能源利用率達到最高水平[4]。可見,上述多種因素對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計與優(yōu)化提出多方面挑戰(zhàn)。

通過對典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行梳理與分析,根據(jù)負荷需求和能源品位設(shè)計出典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)綜合拓撲結(jié)構(gòu),并針對該拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和配置,使系統(tǒng)各類能源輸出能夠滿足用戶需求,并保障系統(tǒng)整體具有高的能源利用效率。

2 規(guī)劃設(shè)計方法

對于分布式能源系統(tǒng)的規(guī)化設(shè)計,有兩條技術(shù)路線:熱力學法和數(shù)學規(guī)劃法[5]。熱力學法通過對系統(tǒng)進行熱力學分析,以盡可能減少系統(tǒng)有用能量損失為目標。這種方法有助于理解系統(tǒng)內(nèi)部能量流動和轉(zhuǎn)換的特征,并且計算簡單,但無法提供一個通用的計算框架,使用受到限制。由于問題復雜,考慮能源品位的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化引擎變量多,因此線性規(guī)劃一直是冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)數(shù)學規(guī)劃的主流方法。隨著在設(shè)計階段就需要考慮設(shè)備實際運行特性要求,即設(shè)備起停、可行運行區(qū)間、性能變化等因素引入數(shù)學模型,混合整數(shù)線性規(guī)劃方法逐漸被提出和使用[6]。相對于線性規(guī)劃方法,混合整數(shù)線性規(guī)劃方法求解難度更大。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計問題通常最終可轉(zhuǎn)換為:

(1)

式中:A為不等式約束的因數(shù)矩陣;b為不等式約束的常數(shù)向量;Aeq為等式約束的因數(shù)矩陣;beq為常數(shù)向量;lb、ub分別為x的上邊界和下邊界。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)化設(shè)計指在設(shè)備特性和能量平衡約束下求解使目標函數(shù)最優(yōu)的系統(tǒng)運行和配置方式,所采用的方法為混合整數(shù)線性規(guī)劃[7]。

3 優(yōu)化建模

3.1 優(yōu)化目標

針對不同用戶負荷及不同工況條件,采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法,以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的年度總成本最低為目標函數(shù)。年度總成本Z為:

(2)

式中:i為設(shè)備類型序號,m為設(shè)備類型種類;n為j類型設(shè)備數(shù)量;Ctz、Cyx、Cwh依次為投資、運行、維護費用。

年度運行費用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)消耗的天然氣和從電網(wǎng)購電所產(chǎn)生的費用,年度投資費用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備總投資根據(jù)年限折合的每年平均投資,年度維護費用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備的維護費用總和。

3.2 約束條件

不等式約束為:

Ax≤b

(3)

優(yōu)化所考慮的不等式約束如下:

(N-1)E0≤∑E≤NE0

(4)

式中:E0為額定容量;E為原動機運行容量;N為原動機數(shù)量。

ηHRSG∑Qgas≥∑HHRSG

(5)

式中:Qgas為原動機煙氣攜熱;ηHRSG為余熱鍋爐效率;HHRSG為余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量。

∑HHRSG+∑Hgas_boil≥∑QLibr/COP

(6)

式中:Hgas_boil為燃氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量;QLibr為溴化鋰吸收式制冷機容量;COP為溴化鋰吸收式制冷機制冷性能因數(shù)。

式(4)表示原動機運行容量不大于額定容量,不小于N-1倍額定容量。式(5)表示余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽量小于原動機煙氣攜熱最大產(chǎn)汽量。式(6)表示溴化鋰吸收式制冷機所需蒸汽量不大于余熱鍋爐與燃氣鍋爐所產(chǎn)蒸汽總量。

等式約束為:

Aeqx=beq

(7)

優(yōu)化所考慮的等式約束如下[8]:

(8)

式中:Egrid為電網(wǎng)購電量;Qchill為電制冷機制冷量;COPchill為電制冷機性能因數(shù);Euser為用戶電量需求。

QLibr+Qchill=Quser

(9)

式中:Quser為用戶制冷量需求。

HHRSG+Hgas_boil=Huser+HLibr

(10)

式中:Huser為用戶蒸汽需求量;HLibr為溴化鋰吸收式制冷機蒸汽需求量。

式(8)、式(9)、式(10)依次表示冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)輸出與用戶冷、熱、電平衡及匹配。

3.3 優(yōu)化求解

根據(jù)提出的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方案,遵循能量梯級利用原則,設(shè)計了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),如圖1所示。

系統(tǒng)主要設(shè)備如下:

(1) 燃氣輪機,包括100 kW、200 kW、500 kW、1 000 kW;

(2) 燃氣內(nèi)燃機,包括100 kW、300 kW、500 kW、1 000 kW;

圖1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

(3) 余熱鍋爐,包括1 000 kW、2 000 kW、5 000 kW;

(4) 燃氣鍋爐,包括500 kW、1 000 kW;

(5) 溴化鋰吸收式制冷機,包括1 000 kW、2 000 kW、4 000 kW;

(6) 電制冷,包括500 kW、1 000 kW;

(7) 煙氣型溴化鋰吸收式制冷機,包括200 kW用于燃氣內(nèi)燃機、300 kW用于燃氣輪機。

優(yōu)化求解流程如圖2所示[9-10]。

4 案例分析

4.1 典型負荷

選取典型負荷,見表1,測試上述方法的計算結(jié)果。

圖2 優(yōu)化求解流程

4.2 配置結(jié)果

以燃氣內(nèi)燃機為發(fā)電機組的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果見表2。

表1 典型負荷 kW

表2 基于燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)配置結(jié)果

以燃氣輪機為發(fā)電機組的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果見表3。

4.3 案例A分析

案例A冷負荷需求相對電負荷、熱負荷更大,規(guī)劃設(shè)計方法更傾向考慮制冷需求,進而制訂總體的裝機容量。由于相較于燃氣內(nèi)燃機配置方案以電制冷為主要供冷源,燃氣輪機配置方案選擇溴化鋰吸收式制冷機為主要供冷源,因此配置了500 kW、1 000 kW燃氣鍋爐各一臺。當然,這會導致鍋爐型號類型增加,進而增加相應(yīng)的運行費用。可以看出,案例A中燃氣內(nèi)燃機配置方案更傾向于電制冷補給,燃氣輪機配置方案更傾向于溴化鋰吸收式制冷機供冷,初步分析原因是吸收式燃氣輪機發(fā)電效率普遍低于燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率。

表3 基于燃氣輪機系統(tǒng)配置結(jié)果

4.4 案例B分析

案例B電負荷相較于冷、熱負荷所占比例更大,系統(tǒng)首先考慮滿足電力供應(yīng)。兩種方案均選擇相對接近電負荷的機組滿負荷運行,同時從電網(wǎng)購置少量電量,滿足整體的電負荷需求。燃氣內(nèi)燃機配置方案和燃氣輪機配置方案在動力機系統(tǒng)選擇上均選擇型號一致的機組,目的是減少因機組不同而導致的附加運維成本增加。

燃氣輪機發(fā)電效率一般低于燃氣內(nèi)燃機,因此在相同功率下,燃氣輪機配置方案中可選擇容量較大的余熱鍋爐。與案例A類似,不同于燃氣內(nèi)燃機配置方案選擇電制冷,燃氣輪機配置方案選擇溴化鋰吸收式制冷機作為主要供冷源。

5 結(jié)束語

對于典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),如需要多臺動力機組聯(lián)合輸出,應(yīng)盡量選擇型號一致的機組,目的是減少因機組不同而導致的附加運維成本增加。在電力負荷與機組輸出不能全部匹配的情況下,相較于引入新機組,利用市電進行能量平衡補給更為經(jīng)濟。筆者所介紹的混合整數(shù)線性規(guī)劃方法基本可以解決固定負荷需求的典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置問題,但是并沒有考慮負荷爬坡率,還需要進一步研究。燃氣內(nèi)燃機配置方案傾向于電制冷補給,燃氣輪機配置方案傾向于溴化鋰吸收式制冷機供冷,兩種機組效率不同,產(chǎn)熱量不同。動力設(shè)備的余熱輸出應(yīng)與熱利用設(shè)備盡量匹配,進而減少系統(tǒng)投資冗余和能源浪費。