基于全年動態負荷的樓宇式天然氣分布式能源系統優化研究

李博文，馮洪慶，張曉東，李雪萌

(1.中國石油大學(華東) 新能源學院，山東 青島 266580；2.集美大學 機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)

目前，很多已經建成的分布式能源項目由于在設計過程中對系統容量的計算和機組配置大多采用經驗法，導致出現了設計周期長、計算方法不統一、系統評價標準不明確等問題。因此 ，對不同形式的分布式能源系統從機組配置、運行策略和建設成本等方面[1]進行優化是非常值得研究的課題。

近年來，有學者對可再生能源和化石能源所構建的多能互補分布式能源系統進行了研究。文獻[2-4]提出利用冷熱電三聯供系統耦合地源熱泵系統聯合供能，并采用遺傳算法來優化系統容量。結果表明，混合供能系統比單一供能系統更加節能，并且效益更好。魏大鈞等[5]通過對生物質氣分布式能源項目和天然氣分布式能源項目進行設計分析，認為優化后的熱電聯產系統與常規分產系統相比，節能減排效果顯著。陳潔等[6]以一個包含光伏，風電，微燃機，燃料電池，蓄電池以及熱、電負荷組成的熱電聯產型微網系統為研究對象，運用改進遺傳算法，對綜合經濟性與環保性的多目標優化和單目標優化進行了對比分析，證明了多目標優化比單目標優化精度更高。

盡管許多學者通過對分布式能源系統多能互補方案的研究優化了其能源利用效率，但是實際工程實踐中設備配置和容量的優化仍然是制約系統節能和經濟性的最關鍵因素。目前，通過模擬分布式能源系統機組配置并結合數學模擬計算是求解系統最優容量比較常見的方式。Wang等[7]針對區域性分布式能源系統的余熱利用形式進行分析，采取詳細的混合整數線性規劃模型進行數據優化，對余熱按照品質等級進行分類，實驗結果表明混合整數線性規劃模型可以節約5%的能源成本。黃興華等[8]基于混合整數非線性規劃理論，構建了微型冷熱電三聯供系統的多目標運行優化模型。通過對系統運行過程進行優化，結合儲能技術，迭代生成運行控制策略，項目運行以后取得了較好的經濟效益和節能效果。Abdollahi等[9]通過智能優化算法對小型分布式能源系統進行優化，優化過程考慮了對于環境的影響。陳旭等[10]通過對比天然氣和供電價格，分別找到了分布式能源項目節能減排的平衡點和成本經濟性平衡點。

但是分布式能源系統運行是一個動態過程，已有的優化方案對基于全年動態負荷需求進行發電機組容量配置的相關研究較少[11]。另外，發電機組的配置環節對于分布式能源系統設計過程非常重要，尤其是發電機組的滿負荷運行時間和發電機組的貢獻情況，已有的研究尚缺乏明確的評價指標。本文基于此提出了針對分布式能源系統中基礎發電機組的評價指標，耦合兩種算法優化了分布式能源系統，并驗證了算法的有效適用性。

1 構建系統模型

1.1 基礎發電機組原動機類型的選擇

本文對于計算方法驗證和發電機組評價指標的分析過程基于中國四川某樓宇式建設項目模型，模型一年中有冷、熱、電3種負荷需求，并且熱負荷中包含蒸汽和建筑采暖兩種形式。分布式能源系統在不同的運行時間段，動態負荷需求曲線的波動情況不同，見圖1。全年共8760 h，本文把分布式能源系統的單位運行周期定為24 h，全年共365個運行周期，見圖1。

圖1 典型單位運行周期負荷需求波動圖Fig.1 Load comparisonin typical unit operating cycles

樓宇分布式能源系統，單位運行周期內用能負荷晝夜波動較大，要求機組具有更快的動態響應，機組的運行調節系統具有更高的靈敏度。本文中，樓宇分布式能源系統采用天然氣作為一次能源，冷熱電負荷都需要通過分布式能源站滿足，這就要求能源站運行過程可以靈活調節，隨用能負荷變化系統運行響應迅速，并且分布式能源系統容量應該和用能需求匹配合理。由于燃氣輪機在電負荷變化比較大的情況下生產的電能品質差，安全系數低，所以樓宇式項目發電機組不宜采用燃氣輪機作為原動機。為了保證樓宇分布式能源系統供能穩定，滿足綜合能源利用率、經濟性指標等條件，基礎發電機組優先選擇天然氣內燃機發電機組。

1.2 系統配置方案

項目模型全年動態電負荷在單位運行周期內波動較大，發電機組采用天然氣內燃機發電機組是合理的。項目全年有穩定蒸汽需求，不適合采用儲熱設備，余熱的主要利用方式為提供熱負荷，僅在夏季有空調冷負荷需求，所以機組配置方案采用蒸汽型余熱鍋爐、蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組、汽-水換熱器和蓄電單元。蓄電單元的作用主要是在電負荷需求比較低的時間段協同基礎發電機組提高發電功率，基礎發電機組結合蓄電單元用于減小電負荷調峰的范圍，提高余熱供熱能力，可以實現電能削峰填谷和保障熱負荷供給目的。另外，由于政策限制，本系統采用并網不上網供電方式，電負荷調峰采用電網調峰方式，熱負荷調峰設備采用燃氣蒸汽鍋爐。系統設備配置模型見圖2。

圖2 系統機組配置方案Fig.2 Schematic of the system configuration

1.3 系統能量平衡

本例中發電機組采用國產天然氣內燃機發電機組，發電效率為38%，蓄電池的輸入輸出效率為95%[12]，余熱鍋爐對余熱的利用效率根據實際項目熱需求進行確定，蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組制冷系數取1.2，燃氣鍋爐熱效率取92%，負荷數據計算過程均考慮了3%的管網損失。

蓄電單元容量計算式如下：

(1)

式中：Qb為蓄電單元容量，A·h；Pg,s為蓄電單元實時充電量，kW·h；ηc為充電效率；U為蓄電單元輸出電壓，V；U(t)為實時充電電壓，V；I(t)為實時充電電流，A；t為時間，h。

蓄電單元供電能力計算公式如下：

Pd=Qb×ηd，

(2)

式中：Pd為蓄電單元輸出電量，kW·h；ηd為放電效率。

機組實際供能熱電比計算公式如下：

(3)

基礎發電機組余熱供能能力表達式：

(4)

式中：cg為煙氣質量比熱容，kJ/(kg·℃) 。在此給出標況下本項目所需煙氣物理性質相關參數(400 ℃時cg=1.151；500 ℃時cg=1.185；600 ℃時cg=1.214；700 ℃時cg=1.239)；Cbg為基礎發電機組容量，kW；Gg為通過余熱利用設備的煙氣質量流量，kg/h；Tg1、Tg2為通過余熱設備的煙氣進出口溫度，℃；cj為缸套水質量比熱容,kJ/(kg·℃)，在此取4.2；Gj為通過余熱利用設備的缸套水質量流量，kg/h；Tj1、Tj2為通過余熱設備的缸套水進出口溫度，℃；Qwh為余熱供能能力，kW ；Reld為全年動態電負荷，kW；i為運行時間，h。

分布式能源系統電平衡表達式：

Enggs+Egrid+Eb-Enggs,b=EAC，

(5)

式中：Enggs為發電機組瞬時輸出功率，kW；Egrid為分布式能源系統采用電網調峰瞬時功率，kW；Eb為電池瞬態輸出功率，kW；Enggs,b為電池瞬態輸入功率，kW；EAC為電負荷瞬時功率，kW。

分布式能源系統冷熱平衡表達式：

Qhrsg+Qsb=Qsteam+Qhe+Qac，

(6)

式中：Qhrsg為基礎發電機組余熱功率，kW；Qsb為燃氣蒸汽鍋爐功率，kW；Qsteam為項目蒸汽負荷，kW；Qhe為汽-水換熱器輸入功率，kW；Qac為蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組輸入功率，kW。

2 優化模型

目前國際上建筑環境模擬軟件很多，研究表明清華大學建筑環境模擬軟件DeST計算結果符合中國建筑特征，其建筑模型充分考慮了房間的熱平衡和建筑環境等因素，尤其是在動態模擬方面，DeST計算結果更加準確[13-14]，所以本文中原始負荷數據采用DeST軟件計算。

2.1 分布式能源系統中基礎發電機組性能評價指標

第一個指標是發電機組有效利用率，即機組實際全年總發電量和理論上全年8760 h均以額定功率運行時總發電量的比值，ηeu的大小用來評價分布式能源系統裝機容量是否恰當，ηeu越小則說明裝機容量越大。

第二個指標是機組發電量貢獻率，即機組實際全年總發電量和建設項目實際需求總電量的比值，ηeg的大小用來評價分布式能源系統對于用戶總需求的貢獻作用，ηeg越小則說明分布式能源系統在整個供能系統中起的作用越小。

機組有效利用率計算式如下：

(7)

(8)

機組發電量貢獻率計算式如下：

(9)

式中：Eat為年發電總量，kW·h；ηeu為機組有效利用率；ηeg為機組發電量貢獻率。

2.2 能源成本經濟性優化模型

本文經濟性分析主要考慮分布式能源系統能源成本節約率[15]。

(10)

(11)

(12)

式中：ηcost為年運行成本節約率；QcostA為分布式能源系統年運行成本，元；QcostB為常規系統年運行成本，元；Ogas,i為天然氣價格，元；Fgs,i為發動機消耗燃料量，m3；Fsb,i為燃氣鍋爐燃料消耗量，m3；Fgrid,i為從電網購電量，kW·h；Ogrid,i為購電價格，元。

2.3 分布式能源系統綜合用能優化模型

分布式能源系統年平均能源綜合利用率[16]表達式：

(13)

式中：v為年平均能源綜合利用率；W為年聯供系統凈輸出電量，kW·h；Q1為年有效供熱利用余熱總量，MJ；Q2為年有效供冷利用余熱總量，MJ；B為年聯供系統燃氣總耗量，m3；QL為燃氣低位發熱值，MJ / m3。

分布式能源系統節能率表達式：

(14)

式中：Ape為常規系統一次能源消耗量，m3；Bpe為分布式能源系統一次能源消耗量，m3。

2.4 動態電負荷平均值算法

本方案以動態電負荷的平均值為系統基礎發電容量，計算方法如下：

任意時間段機組供電做功計算式：

(15)

動態電負荷平均值計算式：

(16)

式中：Eaal為電負荷的平均值，kW；En為動態電負荷，kW；WE為電功，kW·h；U(t)為發電機組輸出動態電壓，V；I(t)為發電機組輸出動態電流，A；k為系統運行時長，h(系統全年運行工況下k=8760 h)；t0為統計開始時間；t1為統計結束時間。

2.5 基礎發電機組容量多維度迭代算法

多維度迭代算法通過對全年動態負荷進行冷、熱、電、時間、性能、貢獻比和經濟性等進行耦合計算，首先對全年最高電負荷按照固定步長進行迭代降值計算，輸出可以作為基礎發電機組容量的一維數組Rcd(n)。然后，分別以機組容量數組中的值為基礎發電機組，通過計算得到發電機組年滿負荷運行時間數組Tf(n)、實際滿負荷發電總量數組Ef(n)和基礎發電機組的全年總發電量數組Eat(n)。本方案運算過程考慮了在全年動態負荷需求下的機組的能量轉化情況，運算得到的數據用來分析機組有效利用率和發電量貢獻率兩個指標，具體計算模型見式(17)。

(17)

依次運算可以得到以下數組：

Rcd(1)，Rcd(2)，Rcd(3)，Rcd(4)，Rcd(5)，…，Rcd(n)，

Tf(1)，Tf(2)，Tf(3)，Tf(4)，Tf(5)，…，Tf(n)，

Ef(1)，Ef(2)，Ef(3)，Ef(4)，Ef(5)，…，Ef(n)，

Eat(1)，Eat(2)，Eat(3)，Eat(4)，Eat(5)，…，Eat(n)。

3 結果和討論

3.1 基于基礎發電機組容量多維度迭代計算的優化運行結果

以數組Rcd(n)的數據為X軸，命名為基礎發電機組裝機容量；以Tf(n)的數據為Y軸，命名為滿負荷運行時間；以Ef(n)的數據為Z軸，命名為滿負荷發電量，建立三維曲面圖，如圖3。

通過三維曲面圖(圖3)，找到Z軸方向峰值A點，即當基礎發電機組容量為2477 kW時，全年滿負荷運行時間為3505 h，滿負荷發電量為8677 MW·h。采用多維度迭代計算優化，以圖3中A點機組容量為基礎發電機組，全年實際滿負荷發電量最大，說明基礎發電機組在此容量時達到了本建設項目實際滿負荷運行的最佳條件。

圖3 不同容量發電機組在全年的運行結果Fig.3 Year-round operation comparison of generator sets with different capacities

采用動態電負荷平均值計算法優化得到項目基礎發電機組容量結果為2297 kW，發現多維度迭代計算得到的電負荷值與全年動態電負荷平均值有一定的偏差。以數組Rcd(n)負荷值和全年動態電負荷平均值的并集作為基礎發電機組容量，計算出發電機組有效利用率和機組發電量貢獻率的曲線，見圖4?？梢钥闯鲭S著基礎發電機組容量增加，機組有效利用率呈下降趨勢，機組發電量貢獻率呈上升趨勢。發電機組容量越大，機組全年有效發電量越多，雖然機組發電量貢獻率增高，但是理論上全年8760 h均以額定工況運行時總發電量會更大，機組在實際動態運行時滿負荷運行時間減少，導致機組有效利用率低。圖4中A點發電機組容量為2477 kW，B點為全年動態電負荷平均值時發電機組容量2297 kW，以兩條曲線的交點為中心，A、B兩點對稱，說明在兩個比率因素共同影響時，A、B兩點為參與計算的數值中的優選數值。考慮到根據實際情況，基礎發電機組選擇機型時應該有一個功率選型范圍，耦合優化方案把A、B兩點的容量值定為發電機組選型功率范圍，即2297～2477 kW，A、B兩點對比結果見表1。

圖4 發電機組有效利用率和機組發電量貢獻率對比圖Fig.4 Comparison of the effective utilization rates and electricity contribution rates of the generator sets

表1 A、B兩點參數

注：Efi=Cbg×8760,為理想全年滿負荷發電總量(kW·h)

以Rcd(n)數組中的數值作為基礎發電機組容量進行運行模擬計算，計算出每個機組容量的能源成本節約率。從圖5可以看出，隨著機組容量上升，能源成本節約率也逐漸升高。在2297～2477 kW內，能源成本節約率為20.14%～20.85%，具有良好的運行經濟效益。綜合考慮基礎發電機組利用率、基礎發電機組貢獻率，選擇2297～2477 kW機組容量較為合適。

圖5 不同容量機組的能源成本節約率曲線Fig.5 Energy cost saving ratio curves of generator sets of different capacities

通過圖6a可以看出在2297～2477 kW內均保證了分布式能源系統年平均能源綜合利用率大于70%，通過圖6b可以看出隨著基礎發電機組容量的增大，分布式能源系統均保證節能率大于14.3%，根據《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》[16]要求，在2297～2477 kW內的基礎發電容量是有效容量。

圖6 機組容量變化對年平均能源綜合利用率和節能率影響圖Fig.6 Influence of generator capacity changes on the annual average energy utilization rate and primary energy saving ratio

4 結論

(1)本文提出針對天然氣發動機發電機組的兩個評價指標，其中發電機組有效利用率以機組本身在整個供能系統全年運行周期中的使用情況為研究對象，利用率越高說明機組容量閑置越少，機組運行過程中利用越充分。機組發電量貢獻率是以能源供應的分配問題為研究對象，發電機組有效發電量大，對于整個用能系統貢獻率高，說明調峰需求能量就會減少，這種工況下分布式能源系統在供能系統中貢獻更大。

(2)耦合算法得到的裝機容量范圍為2297～2477 kW，在此容量范圍內的分布式能源系統相對于分產供能系統一次能源節約率大于14.3%，能源經濟性提高了20.14%～20.85%，能源綜合利用率大于70%。耦合時間和動態負荷等多維度優化方案適用于樓宇式分布式能源項目，可以顯著提高能源利用率和經濟性。