相变储热技术优化冷热电三联供运行

高峰，程林，刘琛，田浩，宋云亭

(1. 国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川市 750002；2.清华大学电机工程与应用电子技术系 北京市 100084；3.中国电力科学研究院 北京市 100192)



相变储热技术优化冷热电三联供运行

高峰1，程林2，刘琛2，田浩2，宋云亭3

(1. 国网宁夏电力公司电力科学研究院，银川市 750002；2.清华大学电机工程与应用电子技术系 北京市 100084；3.中国电力科学研究院 北京市 100192)

能源互联网是未来能源供应体系的重要发展方向，冷热电三联供实现了冷/热和电能之间的联系，是能源互联网的核心部件之一。在考虑集中式冷热电三联供运行时，燃气-蒸汽联合循环机组的启停机方式和运行状态将直接影响到三联供机组的工作效率与运行收益，合理的开机策略是保障三联供机组经济化运行的前提与基础。针对以燃气-蒸汽联合循环机组为动力装置，使用吸收式溴化锂制冷技术，配有以相变材料为主体的储能设备的三联供机组进行分析，根据对三联供机组运行相关参数，在对某地区的冷热电负荷进行详细调研的基础上，建立起集中式三联供运行的经济性目标函数，给出三联供机组经济化运行的启停机策略，从而达到提升工作效率、增加运行收益的目的。

冷热电三联供；经济化运行；启停机策略；吸收式溴化锂制冷；相变储能

0 引 言

冷热电三联供(combined cooling ,heating and power system, CCHP)是指根据用户负荷的需求，在能源梯级利用的原则上，将供冷/热与供电结合起来，应用包含热能驱动技术在内的多种技术，多能联产的能源供应系统。通过对冷、热负荷的直接供应，可以解决能源存储、能源供应安全等问题[1]，也可以实现降低电网变电站容量，提升设备利用率和能源利用效率的目的[2]，其能源系统的特征主要体现在能源的梯级利用和污染气体的排放控制上，反映了今后能源技术的重要发展方向[3]。

冷热电联供的方式现在正处在发展的阶段，澳大利亚、丹麦、芬兰和荷兰是三联供利用最为普及的4个国家[1]。国内外对三联供机组的运行方式有了一定的研究：文献[4]给出了分布式冷热电三联供的生产成本和环境成本的目标函数，运用目标隶属度函数模糊算法求解并给出三联供系统的节能协调优化调度方法；文献[5]提出了一种冷热电负荷的模拟计算方法，利用“逐时能源负荷分摊比例”的方法做出了相应验证；文献[6]给出了基于2种运行模式(以热定电、以电定热)的优化运行策略，以保证三联供机组运行在最优工作点；文献[7]使用了最小二乘法递归求解最小平方和的算法对负荷进行预测，并根据结果给出了在预测负荷条件下的三联供运行策略。

以上文献关于三联供的运行策略都集中在根据负荷调节工作模式和确定机组工作点上，但实际上燃气轮机的单位功率发电成本将随着其功率的提升而降低，因此应保证燃气-蒸汽联合循环机组的高功率运行，确保三联供机组的发电成本低于大电网购电价格[8]。根据三联供机组的单位功率发电成本特性，本文将在保证燃气-蒸汽联合循环机组工作在额定功率的条件下建立其经济性模型，为了避免三联供机组输出的电能和热能过剩造成浪费，需要加入相变储能设备补偿供应与负荷之间的差距并配以合理的三联供机组启停策略[9]。

冷热电三联供系统是能源互联网的核心部件之一，通过配合新能源协同运行可以较大提升能源的消纳[10]。冷热电三联供机组通过燃烧天然气同时供应冷、热、电负荷需求，相较于过去的独立供能来说，较大地提升了能源的利用效率。此外机组中的余热制冷技术也保证了联供系统在夏季的运行时间，提升了机组的有效负荷率。

对于集中式的冷热电联供系统来说，一方面为了保证机组的运行效率和能源利用效率，需要将机组尽量满额运行，但是这就会造成机组出力与负荷需求不匹配的现象，因此独立的联供系统需要通过冷负荷或热负荷的需求频繁调节出力，并且可能造成余热浪费。相变储能设备可以通过更换储能材料，有效地配合三联供系统运行，通过对冷热量的存储和释放，解决了能源供求关系在时间上不匹配的问题。

通过对某地区的实际年冷、热、电负荷进行分析，在保证全年开机时间固定，储热设备的冷热储存与释放在24 h内平衡的情况下，按照优化求出的机组开机策略，给出该地区的一年中三联供机组的启停机安排，并根据设置三联供机组及其相关设备的运行维护费用，折旧成本和年收益计算使用三联供机组供应冷热电负荷相较于传统能源供应方式每年节约的费用。

按照以上思路，本文的正文主要包含4部分：第1部分提出了配有相变储能设备的三联供系统运行方案；第2部分分析了冷热电三联供的具体结构并据此建立模型；第3部分根据模型提出三联供机组运行时的经济性目标函数；第4部分结合某地区的相应冷、热、电三类负荷的实际曲线对经济目标进行优化，并给出相应的三联供机组的运行策略。

1 相变储能设备配合联供系统运行方案

1.1 相变储能设备特性

相变储能设备是指利用相变材料进行储能的设备。不同的相变材料在相变时具有不同的温度点，根据其工作环境的温度，选择适当的相变材料，可以实现其最优性能。

1.2 相变储能设备运行方案

相变储能设备利用相变材料的相变潜热进行能量的储存和释放，其单位热值大，工作温度稳定，导热性好，相比于冰蓄冷和储热水箱设备更适用于三联供系统。三联供系统配置相变储能设备协同运行方案系统图如图1所示。

图1 三联供系统配置相变储能设备协同运行方案Fig.1 Cooperative operation scheme of CCHP with phase-change

2 集中式冷热电三联供优化目标

本文将对以燃气-蒸汽联合循环机组为动力装置，使用吸收式溴化锂制冷技术，配有以相变材料为主体的储能设备的三联供机组进行建模。

2.1 燃气-蒸汽联合循环机组

燃气-蒸汽联合循环机组从外部吸收空气,经压缩后送入燃烧室和燃料混合后燃烧，生成的高温气体将生成带动燃气轮机的叶轮高速旋转，向发电机提供动能进行发电。从燃气轮机中排出的余热废气将通入余热锅炉，锅炉的受热面受热并产生蒸汽，进而推动蒸汽轮机运行，带动电机运行。燃气-蒸汽联合循环机组的具体原理图如图2所示。

图2 燃气-蒸汽联合循环机组工作原理示意图Fig.2 Working principle of gas-steam combined cycles

燃气-蒸汽联合循环机组可以充分利用燃气轮机运行时产生的余热，因此具有较高的能源利用效率；此外该机组从停机状态到满负荷运行只需要20 min左右的启动时间，完全可以每天启停机以满足经济运行的需要。

本文选用工程燃机为上海电气的STG5—2000型号的联合循环机组进行分析，其各项具体参数如表1所示。

表1 燃气-蒸汽联合循环机组具体参数

Table 1 Parameters of gas-steam combined cycles

结合上述参数，可以建立燃气-蒸汽联合循环机组的运行经济性模型(单位为元/a)：

fop1=103Top[PeCe+PhCh-

Cgas(RegPe+RhgPg)]-kd1Cb1

(1)

式中：Top代表年机组计划开机时间，h；Pe、Ph分别代表燃气-蒸汽联合循环机组的供电功率和供热功率，MW；Ce、Ch、Cgas分别表示上网电价、计量热价、天然气价格；Reg、Rhg分别为发电气耗和发电热耗；kd1和Cb1分别为燃气-蒸汽联合循环机组的折旧率和建设费用。

2.2 吸收式溴化锂制冷机组

吸收式溴化锂制冷机组与传统的蒸汽压缩式制冷循环不同，使用吸收剂和热源代替压缩机消耗机械能做功实现热量从低温介质传导至高温介质的功能，从而实现消耗热能并驱动非自发过程进行的效果。

其原理示意图如图3所示。整个机组可以划分为2部分，左半部分为吸收剂的循环过程，右半部分为制冷剂的循环过程。在吸收式溴化锂制冷机组中，吸收剂选用溴化锂溶液，制冷剂为水，溴化锂溶液具有饱和水蒸气压力低的特点，在吸收器中可以吸收蒸发器内温度远低于它的水释放出的水蒸气，从而完成制冷剂降温的要求；使用热源为发生器中的溴化锂溶液提供热能，进而产生高温高压的水蒸气，提供给冷凝器以便向外界释放热量。整体循环可以完成对燃气轮机余热气体的有效利用，并且能够向外界提供高效率的冷能。

图3 吸收式溴化锂制冷机工作原理示意图Fig.3 Working principle of lithium bromide absorption refrigeration

使用热力系数表示吸收式溴化锂制冷系统的制冷功率，其表达式为

(2)

式中：Q0为制冷量；Qg为消耗的热量；对溴化锂吸收式制冷机组来说，ηCOP取值一般在0.9至1.2左右，考虑直接供应冷能节省下的电能作为吸收式溴化锂制冷机组的运行收益，可以确定其运行收益为

(3)

式中：Ts为全年供冷时长，h；ηCOPe为电制冷效率的热力系数，取值一般在3.8至4之间[11]。

2.3 相变储能设备

相变储能设备是指使用相变材料吸收或释放潜热以实现对热能的有效存储利用，可以用来解决热能在生产与需求上的差距，改善能源浪费的现象。相变材料具有在状态改变时，能够在一定的热量范围内保持温度不变，并且储能密度大，设备体积小，容易实现定温控制[12]的特点。

在考虑相变储能设备的运行经济效益时，热能在存储和释放时存在损耗，那么相变储能设备的运行效益为

(4)

式中：η为储能设备的热效率；Lh表示热负荷， MW；Ton表示全年中三联供机组产热大于热负荷的时间，h；kd3和Cb3分别为燃气-蒸汽联合循环机组的折旧率和建设费用。

3 三联供机组运行经济性目标函数

3.1 优化目标函数

根据第2节建立的三联供机组模型，以机组运行的年经济效益作为目标，则得到目标函数为

fop=max(fop1+fop2+fop3)

(5)

通过以下约束条件对函数进行最优值求解。

(1)功率平衡约束。

任意时刻，冷、热、电3种能源的供应与需求应该保持平衡：

Pe|t∈Top+Penet=Le

(6)

Ph|t∈(T-Ts)+Pph+Phnet=Lh

(7)

ηCOP(Ph|t∈Ts+Pph)+ηCOPePec=Lc

(8)

式中：Penet表示从电网中获取的电能，MW；Le,Lc分别为电能负荷和冷负荷，MW；Pph表示相变储能装置的储能或放能功率，MW；Phnet代表热网中供应的热能，MW。

(2)最大最小出力约束。

电能无法有效地大规模存储，因此要保证三联供机组仅在额定功率小于电负荷时运行：

Pe|t≤Le|tt∈Top

(9)

相变储能的容量和充放功率都存在上限：

-(Pph)max≤Pph≤(Pph)max

(10)

(11)

式中：Eph表示相变储能设备中的热能储量，MW·h。

(3)每日启停机次数约束。

机组每次启停机耗时约20min，为了保证机组良好的运行，每日限制启停机次数为1次。

3.2 优化算法实现步骤

(1)首先根据电负荷是否小于三联供机组出力，排除机组开机时间的不可行解。

(2)使用单目标优化的方法，在约束条件和可行域的允许范围内，求取三联供机组运行的年经济效益的最大值。

(3)根据计算过程和结果反推出三联供启停机的时间安排，从而得到机组运行的经济运行策略。

4 算例仿真及结果分析

某地区的日冷、热负荷分别如图4及图5所示(采样率：小时)。

图4 冬季典型日热负荷曲线Fig.4 Typical daily heating load curve in winter

图5 夏季典型日冷负荷曲线Fig.5 Typical daily cooling load curve in winter

根据第3节优化运行方案的安排，可以得到上述2类典型日的三联供启停机策略。其中冬季典型日中全天的热负荷大于三联供机组供热出力，因此三联供机组全天开机，相变储能设备不工作；夏季典型日中全日冷负荷积分值大于三联供机组24 h开机供应值，因此三联供机组全天开机，并且通过相变储能设备调节供应与需求在时间上的不平衡关系。根据如上运行策略安排，全年的机组运行情况如图6，7所示(采样率：小时)。

图6 全年冷负荷曲线Fig.6 Annual cooling load curve

图7 全年热负荷曲线Fig.7 Annual heating load curve

使用单目标优化方法，结合上述3类实际年负荷进行优化运行策略，得到的结果如图8、9所示。

相较于传统的能源供应体系，按照上述的三联供机组运行策略安排机组的启停机时间，可以较大提升能源的利用效率，避免了频繁调节机组出力的复杂工作，同时也有较大的经济收益，据如上模型及启停机时间的优化解安排运行的三联供机组每年运行净收益可以达到1.67亿元左右。

图8 优化后的全年冷负荷曲线Fig.8 Annual cooling load curve after optimization

图9 优化后的全年热负荷曲线Fig.9 Annual heating load curve after optimization

5 结 论

运行在经济运行策略下的三联供机组，不仅可以减少污染的排放，提高能源的利用效率，而且能获得在固定条件下的最大收益，本文提出的三联供机组经济运行策略能够为今后的冷热电联产系统的最优经济效益提供一定的参考。

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(编辑： 张媛媛)

CCHP Operation with Phase-Change Energy Storage Technology Optimization

GAO Feng1, CHENG Lin2, LIU Chen2, TIAN Hao2, SONG Yunting3

(1. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750002, China;2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Energy internet is an important development direction of future energy supply systems, and combined cooling, heating and power (CCHP), which is one of the fundamental elements of energy internet, builds a conversation relationship between heating/cooling and power. When considering the operation of concentrated CCHP, the unit startup and shutdown method of gas-steam combined cycles and its operating state will impact the running efficiency and operating income of concentrated CCHP. So the reasonable unit startup strategy is the promise and foundation for the economic operation of CCHP. This paper analyzed the CCHP that used gas-steam combined cycle as power plant, lithium bromide absorption refrigeration technology and phase-change energy storage devices. According to relevant operating parameters of CCHP units, the economy objective function of concentrated CCHP operating was established based on the investigation of cooling-heating-power load in a region; and a unit startup and shutdown strategy of CCHP under economic operation was proposed, in order to improve the work efficiency and increase the operating income.

combined cooling, heating and power (CCHP); economic operation; unit startup and shutdown strategy; lithium bromide absorption refrigeration; phase-change energy storage

国家电网公司科技项目(SGNXDK00BGQT140073)。

TM 731

A

1000-7229(2015)10-0093-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.014

2015-07-01

2015-08-25

高峰(1982)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划和电力系统分析方面的研究工作；

程林(1973)，男，副教授，博士生导师，主要从事电力系统可靠性，主动配电网与电力系统规划方面的研究工作；

刘琛(1993)，男，硕士研究生，主要从事配电网可靠性和规划方面的研究工作。