考慮損失的三聯供系統容量配置與運行模式研究

王劍鋒,王旭東,李峰,戚艷,鄔斌揚,蘇萬華

(1.國網天津市電力公司,天津 300010; 2.天津大學 機械工程學院,天津 300350; 3.國網天津市電力公司電力科學研究院,天津 300384)

0 引 言

面對能源緊缺、環境惡化等全球性問題,節能減排一直都是世界各國持續努力的目標[1-3]。由于冷熱電三聯供系統(CCHP system, combined cooling, heating and power system)與傳統的供能系統相比具有更高的一次能源利用率,因此該系統已經被開發研究了數十年[4]。系統在設計、優化的過程中涉及制冷、供熱和發電三個相互影響的子系統,因而導致其復雜性。其中,發電單元最佳裝機容量的選取一直是困擾聯供系統設計的主要問題。根據文獻[5]的研究：中國的聯供系統項目很多,但由于裝機容量不匹配,其經濟效益大大降低。為了探索得出綜合能源三聯供系統的最佳裝機容量,世界上許多學者進行了相關研究。文獻[6]中總結了一些典型的方法,而文獻[7]則建議可以通過發電單元容量與用戶用電需求峰值的比率來確定發電單元最佳容量。如今,設計人員更傾向于使用更小的裝機容量,使得CCHP系統以更長的時間、更高的效率和更快的初始投資回報來運行。然而,并非裝機容量越小對于整套系統就越好。文獻[8]研究指出,如果總裝機容量低于一定值,聯供系統的能源供應能力將不足,過多地使用輔助手段(如補燃、市網購電等)去滿足剩余的負荷需求會降低整個系統的經濟效益。因此,設計合理的評價指標,用來確定特定負荷需求下發電單元的最佳裝機容量顯得十分必要。

除了系統容量配置,運行模式也是影響綜合能源三聯供系統與其負荷需求匹配的關鍵因素[9-10]。常見的三種基本運行模式分別是：以電定熱、以熱定電和熱電結合[11]。在一些研究中報道了不同運行模式對系統綜合性能的影響[12-13],雖然也考慮到了節能、減排、經濟等方面的因素[14-15],但對考慮損失的綜合性能評價模型研究較少。

1 綜合能源三聯供系統與傳統供能系統模型

綜合能源三聯供系統的配置形式主要取決于當地的能源條件及用戶的負荷需求,其基本組成包括動力系統、供熱系統和制冷系統[16]。文章以天津市某賓館三聯供系統為研究背景,系統主要由燃氣輪機、吸收式制冷機、燃氣鍋爐、熱交換器、光伏陣列、儲能系統等設備組成。由于光伏陣列的布置情況會受到賓館實地情況的限制,故文章是在假設光伏陣列已經布置完成的條件下,對燃氣輪機容量配置以及運行模式選取展開的研究。

綜合能源三聯供系統與傳統供能系統相比,其核心優勢是實現了能量的梯級利用。燃料燃燒后產生的高溫氣體經過燃氣輪機的動力系統,高品位的能量驅動燃氣輪機做功,高溫氣體經過余熱回收系統將熱量回收,用來滿足冷、熱負荷。當回收的熱量無法滿足冷、熱負荷時,采用燃氣鍋爐補燃來滿足剩余的冷、熱負荷;當燃氣輪機發出的電量無法滿足電負荷時,從市網購電來滿足剩余的電負荷。綜合能源三聯供系統結構如圖1所示。

傳統供能系統中,冷負荷通過電制冷機來滿足,熱負荷由燃氣鍋爐滿足,電負荷由電網購電滿足。傳統供能系統的結構如圖2所示。

圖1 綜合能源三聯供系統結構

圖2 傳統供能系統結構

2 綜合能源三聯供系統運行模式

2.1 以電定熱

以電定熱運行模式是指燃氣輪機在某容量下供應的電能最大限度地滿足電負荷需求,同時通過余熱回收的熱量用來滿足熱量需求。如果不能滿足熱量需求,則進行鍋爐補燃。如果在最大容量下仍不能滿足電負荷需求,則從市網購電來滿足剩余需求。

2.2 以熱定電

以熱定電運行模式是指燃氣輪機在某容量下通過余熱回收產生的熱量最大限度地滿足熱負荷需求,同時產生的電量用來滿足電負荷。如果不能滿足電負荷需求,則從市網購電。如果在最大容量下仍不能滿足熱負荷需求,則進行鍋爐補燃。

2.3 熱電結合

熱電結合模式是以上兩種模式的結合,該模式的目標在于避免多余的熱量和電量產生,進而造成能源的浪費導致低效率的能源利用。

3 高效、經濟、低碳綜合性能指標構建

3.1 綜合能源三聯供系統和傳統供能系統約束條件

3.1.1 綜合能源三聯供系統約束條件

1)電負荷約束條件：

(1)

2)熱負荷約束條件：

(2)

(3)

(4)

3)冷負荷約束條件：

(5)

4)設備運行約束條件：

(6)

3.1.2 傳統供能系統約束條件

1)電負荷約束條件：

(7)

2)熱負荷約束條件：

(8)

3)冷負荷約束條件：

(9)

3.2 高效、經濟、低碳綜合性能指標的提出

為了綜合評價聯供系統的高效、經濟、低碳性能,文中提出了高效系數、經濟系數、低碳系數,以及由三項系數構成的綜合評價指標。其物理意義及數學模型如下所述。

3.2.1 高效系數

高效系數是能夠反映聯供系統一次能源(天然氣)利用效率的參數,被定義為綜合能源三聯供系統一次能源損失率與傳統供能系統一次能源損失率的比值。三聯供系統損失率越小,說明系統越高效,傳統供能系統損失率在既定外界需求負荷規律且既定供能系統結構下為定值,故高效系數越小越好。

(10)

式中Exergylosscos、Exergylossdiv分別為三聯供系統與傳統供能系統的損失率;Fpgu為燃氣輪機天然氣消耗總量,m3;Fboiler為燃氣鍋爐天然氣消耗總量,m3;Fsp,boiler為傳統供能系統中燃氣鍋爐天然氣消耗總量,m3。

3.2.2 低碳系數

低碳系數是能夠反映溫室氣體減排效果的參數,被定義為綜合能源三聯供系統綜合碳排量與傳統供能系統綜合碳排量的比值。綜合碳排量是指：在實際運行中通過對比單位產能各溫室氣體的排放量,將各類溫室氣體排放量折算成當量CO2的排放量[17]。三聯供系統綜合碳排量越低越好,傳統供能系統綜合碳排量在既定外界需求負荷規律且既定供能系統結構下為定值,故低碳系數越小越好。

(11)

式中Emissioncos、Emissiondiv分別為三聯供系統與傳統供能系統的綜合碳排量,kg;μgrid為市售電網的綜合碳排放因子,kg/(kW· h);μpgu為燃氣輪機的綜合碳排放因子,kg/(kW· h);μboiler為燃氣鍋爐的綜合碳排放因子,kg/(kW· h)。

3.2.3 經濟系數

經濟系數是能夠反映經濟成本(包含全壽命周期內年均設備購置維護成本和運行成本)節約效果的參數,被定義為綜合能源三聯供系統經濟成本與傳統供能系統經濟成本的比值。三聯供系統經濟成本越低越好,傳統供能系統經濟成本在既定外界需求負荷規律且既定供能系統結構下為定值,故經濟系數越小越好。

(12)

式中Economiccos、Economicdiv分別為三聯供系統與傳統供能系統的經濟成本,元;Cpr為三聯供系統年均設備購置維護成本;Crun為三聯供系統年運行成本;Csp,pr為傳統供能系統年均設備購置維護成本;Csp,run為傳統供能系統年運行成本。

3.2.4 綜合性能指標

綜合性能指標是綜合考慮高效ηeff、低碳ηemi、經濟ηeco三個系數的評價指標,通過對該指標進行最優化求解來實現對三聯供系統的全面優化分析。該問題屬于多目標優化問題,要解決多目標優化問題可以要求決策者提供目標之間的相對重要程度,算法以此為依據,將多目標問題轉化為單目標問題進行求解。因此,“相對重要程度”就是權重因子,綜合以上三項系數并結合權重因子,提出高效、經濟、低碳綜合性能指標(HEL, high efficiency, economy and low emissions)：

HEL=θ1ηeff+θ2ηemi+θ3ηeco

(13)

θ1、θ2、θ3、分別為高效系數、低碳系數、經濟系數的權重因子,權重因子的分配比例如下所示：

θ1+θ2+θ3=1

(14)

(15)

式中 min(Exergylosscos)、min(Emissioncos)、min(Economiccos)分別為綜合能源三聯供系統損失率、綜合碳排量、經濟成本進行單目標優化求解所能取得的最小值。

該優化方式實際上是一種無偏好的均衡優化,通過權重因子的分配來實現總體的均衡。若要考察三項系數對綜合指標的貢獻程度,就需要分別對三項系數進行單目標優化求解,求得該項系數能取得的最小值[16]。若某項系數的性能較突出,即對應的值較小,則這項系數對最優綜合性能指標min(HEL)的貢獻程度較大,同時其敏感度較高。為了抵消高敏感度的影響,應該分配更小的權重因子。采用按比例分配的方案對三種系數在綜合指標中所占的權重進行分配,從而均勻地考慮到系統的高效、經濟、低碳性能。

將該指標作為系統的目標函數進行最優化求解,能夠全面、客觀地分析某容量、某種運行模式下的系統性能。

4 運行規劃結果

4.1 某賓館典型負荷介紹

該賓館建筑面積5 650 m2,共三層,每層高3.5 m,建筑類型為多層民用公共建筑。賓館內部需要全天24 h保障冷、熱、電供應,因此適合研究綜合能源三聯供系統的配置及運行模式的規劃。參考文獻[18-19]研究中確定的光伏發電特性,通過清華大學開發的能耗分析軟件DeST來模擬計算得到該建筑物全年逐時冷、熱負荷與去除光伏發電后的電負荷分布圖,如圖3、圖4所示。

圖3 建筑物全年冷、熱負荷分布圖

該賓館建筑屬于冬冷夏熱型負荷,冷負荷最大值、最小值、平均值為823.4 kW、 0 kW、 54.6 kW;熱負荷最大值、最小值、平均值為949.1 kW、 0 kW、 66.1 kW;電負荷最大值、最小值、平均值為252.7 kW、 159.5 kW、 186.2 kW。

圖4 去除光伏發電后的建筑物全年電負荷分布圖

文中算例均在MATLAB R2016a環境下編寫,最優化求解采用軟件內置的線性規劃算法實現。計算機硬件配置為英特爾酷睿i7-8 700的CPU,16 G的內存,操作系統為WIN 10 64 bit。

根據項目相關的設備資料,對案例分析中的各相關參數進行選取,如表1所示。

表1 最優綜合性能指標min(HEL)計算中的相關參數

4.2 模型建立與案例求解流程

文章模型建立與案例求解流程如圖5所示。首先將設備運行參數和全年逐小時冷、熱、電負荷參數導入到模型中,分別以高效、低碳、經濟系數作為目標函數進行單目標優化求解,將優化結果歸一化處理后作為綜合評價指標的權重因子。然后以綜合評價指標作為優化的目標函數,求出三聯供系統在熱電結合、以熱定電、以電定熱運行模式下,不同燃氣輪機容量所對應的最優綜合性能指標min(HEL)。最后將最終優化結果導出,以供分析研究。

4.3 高效、經濟、低碳綜合性能指標優化結果

為了確定權重因子,對三項系數進行單目標優化求解,求得各項系數能取得的最小值,然后根據單目標優化結果按比例分配三項系數所占的權重,單目標優化結果如表2所示。

圖5 模型建立與案例求解流程圖

表2 單目標優化結果

基于既定外界需求負荷規律且既定供能系統結構,對不同燃氣輪機容量、不同運行模式下min(HEL)值進行計算,以得出最適合本案例的運行模式和燃氣輪機容量。計算結果如圖6所示。

圖6 高效、經濟、低碳綜合性能指標優化結果

由圖6可知,熱電結合模式是本案例的最優運行模式,燃氣輪機容量在200 kW時,其對應的min(HEL)最小,為0.795。此時損失率為26.58 %;年綜合碳排量為2 145.32 t;年經濟成本為96.27 萬元。在容量大于450 kW后,min(HEL)值大于1。這主要由于燃氣輪機擴容成本的不斷增加,導致min(HEL)值持續增大,與傳統供能系統相比將明顯不再具有優勢。

以電定熱模式按照min(HEL)增長速度的變化可以劃分為三個階段。第一階段：在較低的燃氣輪機容量下,燃氣輪機提供的電、熱功率不足,需要持續購電,所以和熱電結合的曲線是重合的;第二階段：燃氣輪機的最大功率不能覆蓋全部電負荷范圍(159.5 kW ～252.7 kW),需要額外購電。燃氣輪機以滿足電負荷為目標滿負荷運行,當熱負荷低于余熱回收功率時,會造成熱量的浪費。容量增大導致成本上升也是min(HEL)增長的原因;第三階段：在較高的燃氣輪機容量下,燃氣輪機能滿足全部電負荷,無須購電。且在電負荷全部滿足的情況下,燃氣輪機通過余熱回收產生的熱量也不再增加,熱量的浪費不再增多。但隨著最大容量的增加,導致成本的上升,致使min(HEL)上升。在容量大于200 kW后min(HEL)值大于1,與傳統供能系統相比將明顯不再具有優勢。

在以熱定電模式曲線中呈現的燃氣輪機容量范圍不能覆蓋全部熱負荷范圍(0～949.1 kW),需要額外購氣。相當于整段曲線均處在以電定熱模式曲線的第二階段。燃氣輪機以滿足熱負荷為目標運行的情況下,當系統電負荷低于燃氣輪機發電功率時,會造成電能的浪費。隨著容量的增大也會導致系統經濟成本的增加,致使min(HEL)上升。整段曲線的min(HEL)已明顯高于其他兩種模式,說明在該負荷特征下,以熱定電顯然不如其他兩種模式更有優勢。

5 結束語

在現有設備性能和能源價格條件下,將該方法運用到某賓館的供能系統規劃工程中。利用綜合性能指標對聯供系統進行優化的結果與傳統供能系統相比,高效、經濟、減排性能提升效果明顯,從運行效果方面驗證了該方法的可行性。

基于單目標優化結果分配權重因子的方法,能夠充分體現各項性能系數對于綜合性能指標的貢獻程度,能夠全面、客觀地分析某容量、某種運行模式下的系統性能。隨著今后社會的發展和科學技術的進步,決策者可以根據對不同效益的關注程度來改變權重因子的分配比例,使該模型具備更廣的適應性和更優的靈活性。該研究方法為聯供系統的運行規劃提供了一定的理論指導,也為解決其它領域的多目標優化問題提供了參考。