燃氣發電機組變負荷特性對分布式能源系統選型的影響

孫景陽，胡英華，胡勇，胡玉平*

1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073

0 引言

分布式供能系統具有能源利用效率高、成本低、污染小的優點[1]，隨著傳統化石能源的匱乏，資源與環境的矛盾日漸尖銳，分布式能源系統越來越受到關注和認可。燃氣內燃機的分布式冷熱電三聯供(combined cooling heating and power, CCHP)系統基于能量階梯利用理念，將天然氣作為系統的一次能源，可同時提供冷、熱和電能[2]。分布式供能系統運行策略靈活，可根據實時需求向用戶供能。分布式供能系統既可獨立工作，也可并網運行。當用戶端負荷較小時，系統將多余能量儲存備用；負荷較大時，系統從電網購電解決臨時供電需求[3]。分布式能源系統可應用于酒店、醫院、小區等場所，具有可觀的經濟效益[4-6]。不同用戶場景的分布式能源機組配置方案不同[7]，分布式能源系統選型時需要綜合考慮機組性能、變工況特性、燃料適用性和設備維護特性等[8]。燃氣內燃機作為分布式供能系統的原動機，熱效率和發電效率高、負荷適應性好、功率范圍廣[9]，燃氣內燃機分布式供能系統的能源綜合利用率可達80%，具有良好的節能效果[10-12]。發電效率和熱電比是燃氣發電機組重要的性能參數，也是分布式能源系統設備尋優選型計算的主要依據。本文中對燃氣發電機組不同負荷下的發電效率和熱電比進行曲線擬合，將擬合結果作為尋優計算的輸入條件，通過設置計算對照組，研究燃氣發電機組變工況特性對分布式能源設備選型和經濟性的影響。

1 分布式能源系統

1.1 系統模型

分布式冷熱電三聯供系統如圖1所示。燃氣發電機組和配電站為用戶提供電能，優先使用燃氣發電機組為用戶供電，用戶端電負荷較高時可從配電站購電；溴化鋰吸收式余熱機組和電制冷機提供冷能，優先使用溴化鋰機組為空調供水，由電制冷機提供差額冷量；溴化鋰機組、燃氣熱水鍋爐和換熱器提供采暖和生活熱水，優先使用溴化鋰機組和換熱器對燃氣發電機組廢熱(高溫煙氣、缸套冷卻水等)回收提供熱能，由熱水鍋爐提供差額熱量。

圖1 分布式能源系統結構圖

1.2 冷熱電約束條件

1.2.1 電平衡約束

燃氣發電機組總發電量

式中：Nge為燃氣發電機組數量;Pge,i為燃氣發電機組i的發電量，kW·h。

電制冷機耗電量

式中：Nec為電制冷機數量；Pec,i為電制冷機i的耗電量，kW·h，Pec,i=Qec,i/Cec,i, 其中Qec,i為電制冷機i的制冷量，kW·h，Cec,i為電制冷機i的制冷性能系數。

電平衡約束為：

Pge+Pg≥Pe+Pec且Pec≤Pe,

式中：Pg為電網購電量，kW·h；Pe為用戶電負荷，kW·h。

1.2.2 熱平衡約束

燃氣發電機組余熱熱量

式中：Qge,i為燃氣發電機組i的余熱熱量，kW·h，Qge,i=Pge,i·αge,i，其中αge,i為燃氣發電機組i的余熱回收系數。

溴化鋰機組吸收熱量

式中：Nch為溴化鋰機組數量；Qch,ah,i為溴化鋰機組i的吸收熱量，kW·h，Qch,ah,i=Qch,h,i/Cch,h,i，其中Qch,h,i為溴化鋰機組i的產熱量，kW·h，Cch,h,i為溴化鋰機組i的制熱系數。

燃氣熱水鍋爐的供熱量

式中：Ngb為燃氣熱水鍋爐數量;Qgb,i為燃氣余熱鍋爐i的產熱量，kW·h。

熱平衡約束為：

Qhx+bgbQgb+Qch,h≥Qh，

1.2.3 冷平衡約束

電制冷機總制冷量

式中：Qec,i為電制冷機i制冷量，kW·h。

溴化鋰機組制冷量

式中：Qch,c,i為溴化鋰機組i的制冷量，kW·h。

冷平衡約束為:

Qec+Qch,c≥Qc，

式中:Qc為用戶端冷負荷，kW·h。

2 分布式能源尋優策略

2.1 尋優原則

分布式能源尋優需考慮安全性、高效性、經濟性、環保性和可靠性，即需綜合用戶端負荷、設備變工況性能、社區土建安裝難易情況、系統運行維護性能、能源價格和投資回收期等[13-16]。

2.2 優化目標函數

分布式能源尋優選型一般以經濟最優為目標函數[17-18]，即以最小投資花費為目標，以年最小成本為目標函數建立優化模型，選取4個典型日d1、d2、d3、d4代表春、夏、秋、冬四季進行優化求解：

minCt=Ceq+Cem+Cf+Cg，

式中：Ct為年成本，元；Ceq為設備年投資成本，元；Cem為設備年維護成本，元；Cf為年燃料成本，元；Cg為年購電成本，元。

設備年總成本包括設備年投資成本和設備年維護成本，設備年投資成本

式中：Neq指某種設備的臺數；Ceq,i為設備i的成本，元/kW；Pi為設備標定功率，kW；R為設備等額回收系數，R=r(1+r)l/[(1+r)l-1]，其中，r為折現系數，r=0.1，l為設備壽命，a。

設備年維護成本

式中：Cem,i,d,t為設備i在d天t時段的維護成本，元/(kW·h)；Nd為典型日(4天)；Nt為每天設備工作時間，h；Md為每個典型日在一年中所包含實際天數，Md=90d。

燃氣成本包括燃氣發電機組消耗燃氣成本和燃氣熱水鍋爐消耗燃氣成本：

式中：Pge,i,d,t為燃氣發電機組i在d天t時段輸入的燃氣功率，kW；ηe,ge,i為燃氣發電機組i發電效率；Pgb,i,d,t為燃氣熱水鍋爐i在d天t時段輸入的燃氣功率，kW；ηb,gb,i為燃氣熱水鍋爐i制熱效率；qf為燃氣價格，元/(kW·h)。

從配電站購電成本

式中：Pg,d,t為d天t時段向電網的購電功率，kW；qg,d,t為d天t時段的電價，元/(kW·h)。

3 燃氣內燃機變工況特性對設備選型影響計算

分布式能源自動尋優選型時一般以設備額定參數作為計算輸入參數，但額定參數與設備實際運行情況有所不同，考慮到燃氣內燃機負荷變化時，其主要尋優計算參數發電效率和熱電比都會隨之改變，本文中將備選燃氣發電機組的發電效率和熱電比進行曲線擬合，以某小區作為能源站計算實例，設置計算對照組，用上文介紹模型和目標函數分別進行計算求解，以探究燃氣發電機組變工況特性對設備選型影響。

3.1 實例介紹

本文以某小區4個典型日的冷、熱電負荷需求為已知條件，電和冷、熱負荷分別如圖2～4所示。

圖2 4個典型日電負荷情況 圖3 4個典型日冷負荷情況

圖4 4個典型日熱負荷情況

d1、d3、d4配電站全天24 h實時電價相同，6:00 — 20:00為1.025元/(kW·h)，其他時段為0.655元/(kW·h)；d2配電站6:00 — 20:00為1.225元/(kW·h)，其他時段為0.775元/(kW·h)。

3.2 備選設備

選型優化計算備選設備包括燃氣發電機組、溴化鋰吸收式機組、電制冷機、燃氣熱水鍋爐和換熱器(功率可定制)，設備參數如表1所示(表中ge1、ge2、ge3、ge4、ge5為備選的5種燃氣發電機組，ch1、ch2、ch3、ch4、ch5為備選的5種溴化鋰機組，ec1、ec2、ec3為備選的3種電制冷機，gb1、gb2、gb3為備選的3種燃氣鍋爐，hx為換熱器)。

表1 備選設備參數

3.3 對照組設置

在分布式能源選型優化計算中，燃氣發電機組發電效率和熱電比是重要計算參數，本文中根據廠家提供的主要技術參數，將發電機組熱電比和電效率與負荷率的關系擬合成方程，燃氣發電機組變工況參數擬合方程如表2所示(表中α為燃氣發電機組負荷率，即實際功率與標定功率之比)。

表2 燃氣發電機組變工況參數擬合方程

設置4組計算方案，通過軟件尋優選型，比較燃氣發電機組變工況對其選型結果和年總成本影響。方案1：發電效率和熱電比采用額定值；方案2：發電效率采用擬合曲線，熱電比采用額定值；方案3：熱電比采用擬合曲線，發電效率采用額定值；方案4：發電效率和熱電比都采用擬合曲線。

3.4 選型結果

根據4種方案設定不同的計算輸入條件，以年最小成本為目標函數，采用分布式能源模型和目標函數，通過軟件自動尋優計算得出4種方案的選型結果如表3所示，年成本和定制功率如表4所示。

表3 4種方案尋優選型結果

表4 4種方案年成本對比和定制功率

3.5 效益分析

3.5.1 經濟性分析

由表4可知，方案1在4種方案里年總成本最高，將其作為原始對照組。方案2比方案1年總成本減少208.30萬元，成本減少比例約為4.02%，方案3比方案1年總成本減少319.59萬元，成本減少比例約為6.17%，方案4比方案1年總成本減少290.82萬元，成本減少比例約為5.62%。方案4為綜合考慮發電效率和熱電比得出的計算結果，其成本比方案3略高，原因與燃氣發電機組在低工況下發電效率快速下降有關，這使得選型平衡向額定工況，即燃氣發電機組高負荷運行方向靠攏。綜上可知，考慮燃氣發電機組變工況特性不僅影響設備自動尋優選型結果，對分布式供能系統總成本也有很大影響。

3.5.2 節能性和環保性分析

基于燃氣發電機組的分布式能源系統的輸入能量來源包括天然氣和配電站購電兩種途徑，本文中將二者之和和一次能源利用率作為評估聯供系統節能性的指標。分布式能源系統的系統總輸入

Qin=Qgas+Qg，

分布式能源系統一次能源利用率

η=(Q1+Q2+Q3)/Qg，

式中：Q1為系統制熱量，kW·h；Q2為系統制冷量，kW·h；Q3為系統發電量，kW·h。

分別計算4種方案4個典型日系統總輸入電量(即購電量)和系統總輸入折合燃氣量，如圖5所示。

圖5 4種方案系統總輸入對比

以方案1作為原始對照組，4種方案計算結果顯示，方案2比方案1系統總輸入減少3.19%，一次能源利用率增加3.48%;方案3比方案1系統總輸入減少8.09%，一次能源利用率增加10.19%;方案4比方案1總輸入減少7.35%，一次能源利用率增加9.21%。若每生產1 kW·h電需消耗標準煤0.404 kg，排放碳粉塵0.272 kg，排放二氧化碳0.997 kg，排放二氧化硫0.03 kg，排放氮氧化物0.015 kg，那么方案2比方案1年節省標準煤1 161.31 t，碳粉塵排放減少781.88 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少2 865.91、86.24和43.12 t，方案3比方案1年節省標準煤2 942.90 t，碳粉塵排放減少1 981.36 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少7 262.56、218.53和109.27 t，方案4比方案1年節省標準煤2 671.17 t，碳粉塵排放減少1 798.41 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少6 591.96、198.35和99.18 t。

4 結論

將燃氣發電機組的發電效率和熱電比隨負荷率變化情況擬合曲線作為計算輸入條件，設置計算對照組，分析燃氣發電機組變工況特性對分布式冷熱電聯供系統自動尋優選型結果的影響。

1)燃氣發電機組發電效率和熱電比的負荷變化規律對選型結果、年成本和系統一次能源利用率均有明顯影響。

2)在本文的計算模型和備選設備條件下，相對于采用燃氣發電機組額定發電效率和熱電比作為輸入條件，考慮發電效率變負荷特性可以使年總成本減少4.02%，折合節約標準煤1 161.31 t；考慮熱電比變負荷特性可以使年總成本減少6.17%，折合節約標準煤2 865.91 t；綜合考慮燃氣發電機組變工況特性可以使年總成本減少5.62%，折合節約標準煤2 671.17 t。

3)變工況特性的計算結果更接近設備實際運行工況，分布式能源設備選型時應考慮備選設備的變工況特性，有利于節約成本，減少污染物排放，更好地滿足用戶端實際需求。