區域能源多能互補耦合系統優化配置研究

向艷蕾，楊 允

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013;2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450)

0 引 言

區域能源多能互補耦合系統建立在能量梯級利用概念基礎上，是1種互補利用可再生能源、傳統化石能源、余熱資源等多種能源且臨近用戶設置的發電并結合冷熱電聯供的能源技術[1-5]。該種耦合系統利用建筑群的集約效益并對可再生能源規?；茫瑢⑵渑c其它能源耦合以達互補互保，對節能減排、緩解用電緊張、減小電網峰谷差等均具有重要的意義[5-7]。

隨著經濟社會的快速發展，我國能源消費巨大、環境形勢嚴峻，能源與環境問題已成為制約我國經濟和社會發展的重要瓶頸。發展區域能源多能互補耦合供能技術，是實現建筑能源系統轉型升級，緩解能源需求矛盾的重要途徑。

區域能源多能互補耦合系統沒有普遍適用的技術方案，其結構形式、設備種類及容量與用戶負荷需求及所在地區的氣候特征、資源條件等密切相關[5]。在系統設計時，必須對其配置進行優化，以合理確定系統結構與形式，優化選擇設備的種類、臺數、容量，此為系統優勢充分發揮的基礎[3,5]。

與傳統能源系統相比，區域能源多能互補耦合系統層次多、維數及時間尺度多，且物流、能流高度耦合，大幅增加了配置確定工作的難度。目前，對于復雜系統的優化配置，數學規劃方法是1種有效且被廣泛應用的手段[5]。此外，計算機技術的迅猛發展也為大規模優化配置問題的快速求解提供了有利保障。

綜合考慮供能系統的穩定性、安全性、可靠性，分別以燃氣輪機和燃氣內燃機為原動機，提出了2種區域能源多能互補耦合系統，并利用混合整數線性規劃方法構建了系統優化配置和評價指標模型。以廣州市典型醫院為案例，開展了系統優化配置與綜合評價研究，同時研究了淺表水熱、地熱、空氣熱等可再生能源的適用性。

1 區域能源多能互補耦合系統

1.1 基于燃氣輪機的多能互補耦合系統

基于燃氣輪機的多能互補耦合系統流程如圖1所示。燃氣輪機所發電力一部分用于驅動熱泵，一部分用于滿足用戶電負荷需求。燃氣輪機只有排煙1種余熱形式，通過余熱鍋爐回收利用。按并網不上網考慮，即不允許向電網售電，但不足的電力可從電網購買。

圖1 基于燃氣輪機的多能互補耦合系統流程Fig.1 Flowchart of gas turbine multi-energy complem-entary system

系統采用熱泵技術并利用地熱、空氣熱、淺表水熱等可再生能源，熱泵既可制熱也可制冷，具有能效比高、占地面積少、自動化程度高、無污染物排放等諸多優點[8-10]。

1.2 基于燃氣內燃機的多能互補耦合系統

基于燃氣內燃機的多能互補耦合系統流程如圖2所示。燃氣內燃機的排煙余熱利用余熱鍋爐回收，缸套冷卻水余熱利用板式換熱器回收。

圖2 基于燃氣內燃機的多能互補耦合系統流程Fig.2 Flowchart of gas engine multi-energy complem-entary system

2 計算模型

2.1 優化配置模型

2.1.1 目標函數

優化配置以包括年運行維護費用和初投資年等值費用在內的系統年總費用最小為目標，即:

式中，Z為系統年總費用，萬元/a；i為設備種類，共有I種設備可供選擇；k為時段，全年劃分為K個時段；φ為電價或天然氣價，元/kWh；Δt為時段每天持續的小時數，h/d；D為典型日每年持續的天數，d/a；x為設備輸入能量，kW；φ為設備單位維護成本，元/kWh；y為設備輸出能量，kW；R為資本投資回收系數，R=r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，r為貸款年利率，τ為設備使用年限，r、τ的取值分別為5%、15a；j為設備容量，kW，假定第i種設備有Ji種容量可供選擇；c為設備單位成本，元/臺；n為設備裝機臺數,臺。

2.1.2 約束條件

(1)設備選型。設備選型有如下約束[11]，詳見式(2):

式(2)中，γij為是否選擇第i種j容量設備，不選擇為0，選擇為1；Nij為第i種j容量設備最多可選擇的臺數。

(2)設備運行特性。設備輸入與輸出呈線性關系[12]，即:

(i=1,2,…,I;k=1,2,…,K) (3)

燃氣輪機的性能參數與環境溫度有關[4]:

式中，a、b、c和d為常數；t為環境溫度，℃。

此外，燃氣輪機輸入能量的上、下限也與環境溫度有關，引入修正系數φ[4]:

φ(k)=1-k1[t(k)-t0]3-k2[t(k)-t0]2-

k3[t(k)-t0]-k4(5)

式中，t0為燃氣輪機設計工況溫度，℃，一般為15 ℃；k1、k2、k3和k4為常數。

(3)系統能量平衡。系統能量平衡有如下約束:

其中，I′為輸出某種能量的設備種類數，種；Y為某種能量的總輸出量，kW。系統涉及的能量種類包括電量、冷量、供熱量、冷卻水(煙氣)熱量。

此外為防止土壤熱失衡，地源熱泵在供能周期內從土壤取出的總熱量應等于向土壤散出的總熱量。

2.2 評價指標模型

選擇增量投資回收期、一次能源利用率、年NOx減排率/年CO2減排率分別為系統經濟、能耗和排放性能指標，具體計算方法參見文獻[13]。

選擇夏季最大調峰能力和夏季調峰負荷為系統電力調峰性能指標。夏季最大調峰能力為當前供能模式與多能互補耦合供能模式夏季尖峰購電負荷之差(kW)，取值為正表示減小了電網峰谷差，取值為負表示拉大了電網峰谷差。夏季調峰負荷為當前供能模式與多能互補耦合供能模式夏季總購電量之差(MWh)，取值為正表示緩解了用電緊張，取值為負表示加劇了用電緊張。

2.3 求解方法

上述式(3)中存在乘積gx和gd為非線性式，采用文獻[11]提出的方法將其線性化處理，如下:

首先，引入連續變量x取代式中的gx，引入連續變量z取代式中gd，即:

然后，增加如下約束:

至此，非線性式被等價轉化為線性式，轉化后的模型采用分枝定界法并結合單純形算法進行求解即可。

3 案例研究

3.1 外部應用條件

選取廣州市某醫院為案例研究對象，醫院對電力供應的安全可靠性要求高，除了夏季制冷負荷、冬季采暖熱負荷外，整年都有醫用熱負荷，熱電比全年都較高[7]。該醫院建筑面積15.3萬m2，周邊有可利用的中水、天然氣以及地熱資源。

根據廣州市的氣候特點，將全年依次劃分為冬季、過渡季和夏季3種典型日，每個典型日劃分為24個時段，每個時段持續1 h，全年持續天數分別為121 d、122 d和122 d。3種典型日的逐時氣溫值如圖3所示。

圖3 典型日逐時氣溫曲線Fig.3 Hourly atmospheric temperature of typical days

醫院在3種典型日內的冷、熱、電逐時負荷，冷、熱、電年總需求量分別為323.5 GWh、351.9 GWh、419.9 GWh，如圖4所示。

圖4 典型日負荷曲線Fig.4 Load demand of typical days

天然氣為進口液化天然氣，低位熱值為41.9 MJ/Nm3，價格為3.45元/Nm3。電價執行分時電價政策，高峰段(14:00～17:00、19:00～22:00)、平段(08:00～14:00、17:00～19:00、22:00～24:00)、低谷段(00:00～08:00)電價分別為1.259 8元/kWh、0.775 2元/kWh和0.402 4元/kWh。

3.2 設備計算參數

燃氣輪機和燃氣內燃機選用常用的6 MW以下機組，機組實際運行特性根據專業模擬軟件的計算結果擬合曲線近似逼近[14]，性能參數見文獻[15]。

熱泵機組選用開利公司10 MW以下機組，其中水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵的制冷COP/制熱COP分別為3.5/2.8、3.5/2.2、3.5/4。鍋爐考慮部分負荷率的影響，余熱鍋爐和燃氣鍋爐的額定熱效率分別取0.78和0.90[4]。板式換熱器的額定效率取為90%。設備的單位初投資成本、單位維護成本以及設備NOx排放因子分別見表1～表3。

表1 設備的單位初投資成本[13,15]Table 1 Unit capital cost for equipment[13,15]

表3 設備NOx排放因子[15]Table 3 NOx emission factor for equipment[15]

3.3 計算結果及分析

3.3.1 優化配置結果

3種方案的優化配置結果見表4,其中常規供能系統為市政電網提供電力，燃氣鍋爐、電制冷機分別提供熱量、冷量;因燃氣輪機系統未選擇燃氣輪機，將其定義為熱泵與鍋爐耦合系統。

表2 設備的單位維護成本[15]Table 2 Unit operational and maintenance cost for equipment[15]

表4 不同方案優化配置結果Table 4 Optimal configuration results of different schemes

由表4看出，熱泵與鍋爐耦合系統選擇5臺1 500 kW水源熱泵和4臺700 kW燃氣鍋爐，未選擇燃氣輪機，說明燃氣輪機在經濟上不可行。燃氣內燃機系統選擇1臺3 000 kW內燃機，還選擇1臺700 kW燃氣鍋爐和1臺1 400 kW水水換熱器用于回收內燃機余熱。此外，2種多能互補耦合系統均選擇4臺1 500 kW水源熱泵，未選擇冷凝式熱泵和地源熱泵。2種多能互補耦合系統最優配置和常規供能系統方案的經濟、能耗、環保、調峰性能結果見表5。

表5 不同方案的經濟、能耗、環保、調峰性能結果Table 5 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of different schemes

分析表5中不同方案的經濟、能耗、環保、調峰性能結果，由此可知:

(1)在經濟方面:與常規供能系統相比，熱泵與鍋爐耦合系統的初投資、運行費用相當，燃氣內燃機多能互補耦合系統的初投資雖高出1 199萬元，但年運行費用低425萬元，增加的初投資在2.8a內即可收回，由此看出內燃機系統的經濟性較好。

(2)在能耗方面:熱泵與鍋爐耦合系統的一次能源利用率與常規供能系統相當，而內燃機系統的一次能源利用率比常規供能系統高出9.5個百分點，由此看出內燃機系統更節能。

(3)在污染物排放方面:與常規供能方式相比，熱泵與鍋爐耦合系統CO2排放量更高，但具有一定的減氮效果，NOx減排率為14.7%；內燃機系統NOx排放量更高，但具有明顯的減碳效果，年CO2減排率為26.7%。

(4)在調峰方面:熱泵與鍋爐耦合系統不具備調峰能力，燃氣內燃機系統具有一定的調峰能力，夏季調峰負荷達到4 425 MWh。

燃氣內燃機多能互補耦合系統優化運行結果如圖5所示。

圖5 燃氣內燃機多能互補耦合系統優化運行策略Fig.5 Optimal operation strategies of gas engine multi-energy complementary system

由圖5可知:①燃氣內燃機只在電價高峰段和平段開機運行，在低谷段所需電力全部從電網購買，其全年發電量為13.08 GWh，占總需求量的57%；②所需冷量全部由水源熱泵制??；③所需熱量在燃氣內燃機停機時段全部由水源熱泵制取，在燃氣內燃機運行時段優先通過余熱鍋爐、水水換熱器回收余熱制取，不足部分通過水源熱泵補充。

3.3.2 可再生能源應用分析

在3種熱泵均可選(情況1)、水源熱泵不可選(情況2)、水源熱泵與冷凝式熱泵均不可選(情況3，不考慮土壤熱量得失平衡)3種情況下，對燃氣內燃機多能互補耦合系統方案進行優化配置研究，優化配置結果見表6，其經濟、能耗、環保、調峰性能結果見表7。

表6 內燃機系統在不同情況下的優化配置結果Table 6 Optimal configuration results of gas engine system under different conditions

表7 內燃機系統在不同情況下的經濟、能耗、環保、調峰性能結果Table 7 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of gas engine system under different conditions

從表6、表7可看出:除熱泵選擇種類不同外，3種情況優化配置結果相同；除經濟性不同外，3種情況能耗、環保、調峰性能基本一致。情況1選擇水源熱泵，經濟性最好；情況2選擇冷凝式熱泵，經濟性也較好；情況3選擇地源熱泵，經濟性最差；主要因為在3種熱泵中，地源熱泵因需打井因而其造價最高，冷凝式熱泵因需建設冷凝塔造價也較高，且其冬季制熱能效較低。由此得出，在選擇可再生能源時，應優先考慮淺表水熱，再依次考慮空氣熱、地熱。

此外，水源熱泵、地源熱泵、冷凝式熱泵均有一定的適用條件，水源熱泵需有充足的淺表水源，地源熱泵需有充足的空地用于打井，冷凝式熱泵需有開闊的空地用于布置冷凝塔。不同醫院周邊的資源條件不同，具體選擇哪種熱泵技術，除了考慮經濟性外，還應考慮周邊可利用的資源條件。

4 結 論

為充分利用可再生能源，并提高供能系統的穩定性、安全性、經濟性，提出了燃氣輪機和燃氣內燃機的2種區域能源多能互補耦合系統，并利用混合整數線性規劃方法建立了系統優化配置和評價指標模型。為提高模型求解速度，利用線性化處理方法將非線性約束條件線性化處理后再求解。

選取廣州市典型醫院進行案例研究，開展了系統優化配置研究，并從經濟、能耗、環保、調峰等角度，對2種區域能源多能互補耦合供能方案與常規供能方案進行了綜合比較與分析，同時開展了淺表水熱、地熱、空氣熱等可再生能源的適用性研究。計算結果驗證了模型的準確性和有效性，同時表明:廣州市醫院類建筑適合推廣應用燃氣內燃機多能互補耦合供能技術，該技術在經濟、節能、減碳、電力調峰方面具有明顯的優勢；對于建筑面積15萬m2的醫院，內燃機合適的功率為3 MW；在可再生能源利用方面，在資源條件允許的情況下，應優先選擇河水、湖水、污水處理廠中水等淺表水熱，再依次選擇空氣熱、地熱。