天然气价格对热电联产微网系统运行影响的研究

朱承治，徐立中

（浙江省电力公司，杭州 310007）

输配电技术

天然气价格对热电联产微网系统运行影响的研究

朱承治，徐立中

（浙江省电力公司，杭州 310007）

分布式热电联产技术可以极大地提高能源利用效率，优化能源供应结构，服务节能减排，是高效利用天然气的有效手段。在分析热电联产的优点、总结在浙江发展分布式热电联产项目的有利条件后，对含分布式热电联产的微网系统进行了建模，并通过仿真算例分析了天然气价格对含热电联产微网系统运行的影响。

天燃气；热电联产；价格；微网；运行；影响

0 引言

对传统的集中供电方式而言，热电联产可以同时为某一负荷区域提供电能和热能，通过余热回收技术， 其能源的综合利用效率可以达到 80%以上[1]。 分布式热电联产机组可以安装在机场、 大型商业场所、居民区、医疗机构等区域。因为靠近负荷，因此可有效减少输热、输电系统的投资，同时降低能量输送过程产生的损耗，尤其是热能的传输损耗。另外，通过配置吸收式制冷设备，热电联产系统还可以向负荷供冷。热电联产还能够参与大电网的削峰填谷，降低和延缓电力系统的建设投资。在当前电力短缺的情况下，分布式热电联产具有广阔的发展前景。

热电联产系统运行的经济性直接影响用户投资热电联产的积极性。针对热电联产项目的政策制定和研究， 是目前急需开展的课题[2-4]。 本文通过对天然气价格对热电联产系统运行影响的研究，探讨燃气价格对热电联产系统的重要性，为热电联产系统供气价格的制定提供参考。

1 热电联产的优势

热电联产能源利用效率高，具有良好的经济和环境效益。同时，作为分布式电源，将对电力系统起到很好的补充作用。

1.1 能源利用率高， 污染少

传统集中式发电厂的发电效率一般为 35%～55%， 考虑厂用电和远距离输电损耗， 对一次能源的利用效率只有 30%～47%。 而热电联产机组的发电效率可以达到 40%左右，同时通过余热回收等技术， 一次能源的综合利用效率可达到 80%以上，与传统远距离输电相比，还能减少因远距离输电造成的线损约 6%～7%。

大部分热电联产机组采用天然气作为燃料，污染排放较少，因此可以在写字楼、商场、医院、酒店等区域安装使用。 根据美国的调查数据[5]，采用联供系统作为能源可有效减少温室气体排放，写字楼、商场、医院、体育场馆、酒店可分别减少 22.7%， 34.4%， 61.4%， 22.7%和 34.3%。

1.2 具有双重削峰填谷作用

以浙江为例，浙江地处东南沿海，属亚热带季风气候，冬季低温少雨，夏季高温多雨。因此冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空调负荷使夏季用电远超冬季，造成夏季电力供应紧张，电力供需极难平衡。且浙江的能源结构以火电为主，调峰机组少，调峰能力差。特别是夏季高温天气，峰谷差很大，空调负荷激增，造成电力供应紧张[6]。 而燃气负荷的特性正好与电力负荷相反，如杭州市夏季的燃气需求量仅为冬季的60%。 因此发展分布式天然气热电联产是解决电力和燃气峰谷不平衡的有效手段。

1.3 具有良好的经济性

以 CAPSTONE C200 型燃气轮机 组[7-8]为例，其最高发电效率约为 35%， 余热回收效率约为45%。 1m3的天然气含热量约为 10.35 kWh， 蒸汽价格为 0.231 元/kWh，居民电价为 0.568 元/kWh，则 1 m3的天然气产生的效益为 3.13 元。 目前杭州 民 用 天 然 气 价格 为 2.4 元 /m3，可 见 热 电 联 产在当前电价和气价的情况下存在赢利空间。

根据美国的调查数据[5]， 采用热电联产系统可有效减少供能成本，写字楼、商场、医院、体育场馆、 酒店可分别减少 12%， 11%， 21%， 32%和23%。

2 含热电联产系统的微网

分布式热电联产在成本、技术和环境方面具有综合优势，因而在国外得到了大量的应用，在国内也陆续有示范项目投入运行。天然气价格和电价对热电联产运行的影响，是一个迫切需要研究的课题。分布式热电联产机组一般用于商场、医院、写字楼等场合，满足特定区域的热能需求，同时通过与外部电网的电能交换满足用电需求。因此，本文考虑含热电联产的微网系统，通过分析不同天然气价格下微网的优化运行，探讨天然气价格对含热电联产的微网系统的影响。

含热电联产的微网系统结构见图1。

图1 含热电联产的微网系统结构图

微网中的设备包括热电联产机组（CHP）、 储热设备、锅炉等。CHP在生产电能的同时，通过余热回收向用户提供热能，提高其整体效率和燃料利用率，从而降低成本和污染物排放。

3 考虑机组开停机的微网调度模型

微网优化调度模型以系统运行成本最低为目标，满足热、电负荷的平衡，同时考虑各种运行约束，如设备容量约束、爬坡率约束、机组最小开/停机时间等[10]。

3.1 目标函数

微网调度的目标是微网系统总运行费用最低，包括微网与外部电网的电能交换成本、发电机和锅炉的燃料成本。目标函数可表示为：

3.2 约束条件

模型的约束条件主要包括热/电系统的平衡、设备容量约束、机组爬坡率约束、机组最小开/停机时间约束等。

3.2.1 有功平衡

t时刻电力供需平衡可表示为：

PCC 处的交换功率必须满足连接变压器的容量约束，或者事先约定的容量约束：

3.2.2 热平衡

热能产生应大于或等于热需求，可表述为：

B网 的热负荷 需 求和分 别 是 t时 刻 储 热 装置的充放功率；是储热装置的热输出效率。

锅炉的热输出满足容量约束：

储热装置的运行约束如下：

3.2.3 机组容量和爬坡约束

CHP 输出上下限约束和爬坡率约束表示为：

CHP 的输出功率在两个连续时间间隔内的爬坡率约束满足：

3.2.4 最小开 /停机时间

根据参考文献[8]， 开停机满足如下约束。

最小开机时间约束可表示为：

最小关机时间约束可表示为：

4 燃气价格对系统运行的影响

仿真算例参考文献[8]， 电网电价采用峰谷电价形式： 8∶00-22∶00 为峰电价 0.568 元 /kWh， 其余时刻为谷电价 0.288 元 /kWh。 居民用天然气价格为 2.4 元 /m3。

图2给出了对应不同天然气价格，微网系统在峰、谷时段从电网购电的情况。

仿真结果表明： 在天然气价格低于 2.0 元 /m3时，高峰时段微网系统不从电网购电，微网内的用电负荷通过热电联产机组来满足；在低峰时刻，微网从电网购电满足负荷用电需求。所以，小型燃气热电联产机组在当前的电价和天然气价格条件下，具有很好的经济性，热电联产机组可以实现赢利。

图2 不同天然气价格下微网从电网购电量

5 结语

热电联产能有效提高能源利用效率，减少污染物排放，达到节能减排的目的。天然气价格对于分布式热电联产项目的运营非常重要，仿真算例研究表明：在浙江当前的电价和天然气价格条件下，分布式热电联产项目具有很好的赢利空间。除了对分布式热电联产的运行给予一定的优惠政策外，如果政府再对分布式发电设备给予一定的补贴，小型燃气分布式热电联产项目在浙江将具有很好的发展前景。

[1]JH HORLOCK.Cogeneration∶combined heat and power thermodynamics and economics[M].Pergamon Press，Oxford，England，1987.

[2]冯 志 兵 ， 金 红 光.冷 热 电 联 产 系 统 的 评 价 准 则[J].工 程热物理学报，2005，26（5）∶725-728.

[3]徐 建 中.分 布 式 供 电 和 冷 热 电 联 产 的 前 景[J].节 能 与 环保，2002（3）∶10-14.

[4]刘 莉 ，黄 锦 涛 ， 丰 镇 平.100 kW 微 型 燃 机 冷 热 电 联 产 的经 济 性 分 析[J].工 程 物 理 学 报 ，2004，25（6）∶909-912.

[5]LNBL-56359.The Potential for Distributed Generation in Japanese Prototype Buildings∶A DER-CAM Analysis of Policy,Tariff Design,Building Energy Use,and Technology Development[R].2004.

[6]CAPSTONE C200 MICROTURBINE TECHNICAL REFERENCE[EB/OL].http∶//www.interstatepower.us/Capstone% 20Document%20Library/Technical%20Reference/410066C _C200_Tech_Ref.pdf.

[7]肖小清，钟清，阚为民，等.以微型燃气轮机组为基础的微 网 动 态 特 性[J].中 国 电 力 ，2011，44（1）∶11-14.

[8]徐立中，杨光亚，许昭，等.考虑风电随机性的微电网热电 联 合调 度[J].电 力 系 统 自 动 化 ，2011，35（9）∶53-60.

（本文编辑：龚 皓）

Research on Im pact of Natural Gas Price on Operation of M icrogrid System w ith Combined Heat and Power

ZHU Cheng-zhi， XU Li-zhong
（Zhejiang Electric Power Corporation， Hangzhou 310007， China）

Distributed combined heat and power （CHP）， which can improve the energy utilization efficiency，optimize energy supply structure and serve energy saving and emission reduction， is an effective way to achieve high efficiency utilization of natural gas.The advantages of distributed CHP are analyzed and the favorable conditions of its development in Zhejiang are summarized.With the microgrid system of distributed CHPmodeled， the impact of natural gas price on its operation is analyzed through simulation and calculation.

natural gas； combined heatand power； price； microgrid； operation； impact

TM732

： A

： 1007-1881（2011）12-0001-03

2011-11-02

朱承治（1977-）， 男， 江西丰城人， 工程师， 从事新能源并网相关的研究及管理工作。