三联供系统在不同运行策略下的经济性分析

赵成

华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

冷热电三联供（CCHP）系统作为一个集成能源系统在全世界范围受到了广泛关注[1]。

很多研究者基于不同的评价准则对三联供系统进行了分析评估[2-5]。在这些研究中，热跟随模式（FTL）和电跟随模式（FEL）是三联供系统最典型的两种运行策略，热跟随模式在我国受限于电力上网政策，而电跟随模型会导致大量的热量浪费。P.J.Mago[5]提出了混合跟随模式（HETS），该模式虽然可以减少系统能源浪费，但会增加市政购电量，在一定的电气价格比之下反而可能会使系统年运行费用更高。此外，近些年还有一种运行模式——Linear Programming（LP）模型被应用于三联供系统的优化运行分析中[6-8]，该模型可基于不同的优化目标得出系统最优运行参数，然而其实际运行方式目前还难以实现。

为讨论电跟随模式、热跟随模式、混合跟随模式以及LP优化方法在中国的适用性，以便选择系统较优运行策略，本文对上海某酒店配置了一套CCHP系统，然后对该系统在各种运行策略以及LP优化模型下进行了年运行费用计算对比分析。

图1 建筑电力累计曲线

为统一对比标准，本文采用MR[9]法进行CCHP系统原动机容量的选择。MR法依据原动机全年满负荷工况下能量输出最大化的原则来确定原动机容量，即图1中阴影面积最大时对应的原动机容量。

1 三联供系统运行策略的计算模型

本节笔者先介绍冷热电三联供（CCHP）系统的基本流程，然后给出其在热跟随模式（FTL）、电跟随模式（FEL）、混合跟随模式（HETS）以及LP优化模型下全年运行费用的计算方法。

1.1 冷热电三联供（CCHP）系统

冷热电三联供（CCHP）系统指以燃气为主要燃料带动原动机（PGU）运行，产生的电力（Ep）供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备向用户供热、供冷。通过这种方式可大大提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。还可以提供并网电力作能源互补，整个系统的经济收益及效率均相应增加。

本文所讨论的CCHP系统详细流程如图2所示，原动机发电后排出的余热（Qp）一部分QAC通过吸收式制冷机组为末端用户供冷，另一部分Qh可用来满足用户采暖和生活热水需求。吸收式制冷机组所消耗的热能QAC全部取自于原动机产生的余热Qp，如果吸收式制冷机组产生的冷量Ca不能满足用户的供冷需求，不足供冷量由电制冷机组提供；同样如果原动机产生的余热Qh不足以满足用户供热需求时，则需补充一定的辅助热源Qb。

图2 冷热电三联供（CCHP）系统流程

1.2 电跟随模式（FEL）下CCHP系统的数学模型

电跟随模式（FEL）也称以电定热模式，即根据建筑电力需求来确定原动机的能源输出。Heejin cho et al[10]提出原动机的热能转换（燃气转换为热能）限制条件可用以下公式表达：

本文对式中的系数a、b做了近似处理，a=2.67，b=11.4，原动机的热能转换效率取51%[10]。

电跟随模式（FEL）的计算流程如图3所示。根据电力负荷Eload与原动机容量（PGUcap）的小值可确定当前时刻的发电量Ep，可根据式（1）计算原动机的燃气消耗量Fpgu以及余热回收量Qp。若有热需求，则Qp优先用于提供生活热水或采暖，若Qp不能完全满足热需求，即QpWload+Hload，剩余的余热将供给至吸收式制冷机组供冷。

图3 电跟随模式（FEL）的计算流程

电跟随模式（FEL）下CCHP系统的能耗根据式（1）-（9）计算得出：

式中：Hload、Wload、Cload分别为用户采暖负荷、生活热水负荷及供冷负荷；ηb为锅炉的热效率；EEC电制冷机组耗电量；Ebuy为用户购电量。

1.3 热跟随模式（FTL）下CCHP系统的数学模型

热跟随模式（FTL）也称以热定电模式，即根据建筑热力负荷来确定原动机的能源输出。与电跟随模式（FEL）类似，首先根据式（10）确定建筑的热需求：

然后根据式（11）～（12）确定原动机发电后排出的余热Qp和原动机所消耗的燃气量FPGU，根据式（13）确定原动机的发电量Ep。

可利用式（4）～（9）计算其他辅助设备的能耗。虽然热跟随模式由于我国目前的政策限制还较难实现，但是为了比较不同运行模式下三联供系统的年运行费用（AEC），本文还是将作为一个基本模型进行比较计算。

1.4 混合跟随模式（HETL）下CCHP系统的数学模型[5]

混合跟随模式（HETL）如图4所示，若系统以热跟随模式（FEL）运行（运行状态电为图3中B''点），当原动机产生的余热超过建筑的热力负荷导致热量浪费时，系统切换为电跟随模式（FTL）运行（即运行状态点B'点），此时需向电网购电以满足电力负荷需求，除此情况外，系统仍按照热跟随模式（FEL）运行。

图4 混合跟随模式（HETL）示意图

混合跟随模式（HETL）的计算流程为：首先按照热跟随模式（FEL）由式（3）和式（10）确定余热 Qp和热需求 Qr，若 Qp＞Qr，则采用电跟随模式（FTL）计算三联供系统的能耗，反之采用热跟随模式（FEL）。

1.5 CCHP系统在LP模型下的计算方法

若以Ep、Qboiler和CA为决策变量，最小化运行费用为目标函数，则LP模型下CCHP系统的数学模型可表达为[6-8]：

式中：PE和PF分别为电价和燃气价格。

目标函数的约束条件为：

对全年负荷逐时求解式（14），即得到LP模型下CCHP系统的最优全年能耗。

1.6 三联供系统的年运行费用（AEC）计算方法

计算三联供系统在热跟随模式（FTL）、电跟随模式（FEL）、混合跟随模式（HETS）以及LP模型下的全年能耗后，可用下式计算各种模式下的年运行费用（AEC）：

2 案例计算

为对比各种模式下三联供系统（CCHP）的经济性，本文以上海一栋20000 m2酒店为目标建筑，利用指标法[9]计算其全年逐时负荷（包括电力负荷、生活热水负荷及供冷供冷负荷），并利用MR[9]法配置一套CCHP系统。图1中电力累计曲线中阴影最大面积对应电力负荷为400kW，对应满负荷小时数为5391 h，故原动机容量（PGUcap）可确定为400 kW。根据式（1）计算原动机的最大余热量Qp为1079 kW，因此可选择吸收式制冷机的容量为700 kW。辅助锅炉的容量假设为无限大，即可完全满足建筑热量需求不足。

2.1 基本计算条件

为便于后面讨论气电价格对系统运行的影响，本文不讨论分时电价，而采取固定电价，上海地区电力价格取为0.8元/kWh，天然气2.5元/m3。为便于计算，天然气价格转换为以热量单位，天然气热值按照35 MJ/m3计算，则天然气价格为0.2571元/kWh，锅炉效率ηb=0.8，吸收式制冷机组性能系数COPa=0.7，电制冷机组性能系数COPe=3.5。

2.2 计算结果

本文分别计算了上述配置的CCHP系统在热跟随模式（FTL）、电跟随模式（FEL）、混合跟随模式（HETS）以及LP模型下的全年运行费用，计算结果如表1所示：

表1 不同运行模式下CCHP系统全年运行计算结果

从表1的计算结果可以看出热跟随模式（FTL）下CCHP系统的全年运行费用最低，并且没有热量浪费；而在混合跟随模式（HETS）下，虽然CCHP系统也没有热量浪费，但系统全年运行费用却是四种模式里最高的，这是由于其燃气耗量有所减少，但购电量增加，在当前能源价格下多余的购电费用高于节省的燃气费用；LP模型与电跟随模式（FEL）的下的系统全年运行费用相同，并且废热量也相同，都达到了消耗燃气总热量的2.5%。

综上，在给定能源价格以及电力不能上网的限制条件下，目标建筑所配置的CCHP系统以电跟随模式（FEL）运行技术经济性较优。

3 原动机容量和电气价格比对各运行策略下系统年运行费用的影响

算例结果显示混合跟随模式（HETS）下的系统年运行费用高于电跟随模式（FEL），且LP模型与电跟随模式（FEL）下的计算结果完全一致，原动机容量（PGUcap）的不同会导致系统运行时间、系统能源输出以及能源消耗不同，从而会影响各种运行策略下的系统年运行费用，因此对不同原动机配置容量下各种运行策略的系统年运行费用进行了对比，另外，还讨论分析了不同能源价格（电价、燃气价）对各种运行策略下系统全年运行费用的影响。

3.1 不同原动机容量下系统年运行费用对比分析

建筑电力负荷数据显示，最大电力负荷为744 kW，本文设置以下几种原动机容量配置方案进行计算，见表2（注：吸收式制冷机组和辅助锅炉的容量保证足够大以满足系统供冷、供热量不足，均取1000 kW）。

表2 不同原动机容量配置方案

计算结果如图5所示，随着PGUcap的逐渐增加，各种运行模式下系统年运行费用均减小，但是由于PGUcap增加会导致初投资的增加，因此不能简单的认为PGUcap越大越好。在方案1中几种运行模式下的系统年运行费用基本相同，随着PGUcap的增加其差异不断增加，除方案1外的其它方案中，热跟随模式（FTL）下的系统年运行费用均是最低的，然而在我国电力上网受到限制的情况下热跟随模式难以实现。在各种方案中（除方案1），混合跟随模式（HETS）的系统年运行费用均比电跟随模式（FEL）要高，因此三联供系统能否采用混合跟随模式（HETS）运行以减少热量浪费来取得较好经济效益与原动机容量大小无关。在各方案中LP模型与电跟随模式（FEL）的系统年运行费用均相同，因此在我国的能源价格和电力不上网的情况下，采取LP模型进行优化的结果与直接采取电跟随模式（FEL）完全一样。

图5 不同原动机容量配置方案下各运行策略年运行费用

3.2 电气价格比对系统年运行费用的影响

电价和燃气价格直接影响三联供系统的年运行费用，为便于讨论，本文以电气价格比来表示电力与燃气的价格关系。电气价格比可用下式计算：

前文中，天然气价格PF=0.2571元/kWh，电力价格PE=0.8元/kWh，电气价格比rge=3.1116。为讨论电气价格比对CCHP系统各种运行模式的影响，本文在电气价格比rge从2.0到4.5范围，且以PE=0.8元/kWh、原动机容量配置PGUcap=400 kW为基准进行了计算，即PF变化范围为：0.1778～0.4元/kWh。rge计算间隔取0.2。

计算结果如图6所示。在整个电气价变化范围内，热跟随模式（FTL）的系统年运行费用都是最低的，只有在rge=2.0时LP模型的系统年运行费用与其相等。随着电气价格比的增加（燃气价格降低）所有模式下系统年运行费用均减小，在rge<2.8时，电跟随模式（FEL）系统年运行费用最高，rge>2.8时电跟随模式（FEL）与LP模型的系统年运行费用相同且低于混合跟随模式（HETS）；在rge>2.4区间内电跟随模式（FEL）与LP模型基本重合；rge<2.2时，LP模型的系统年运行费用低于电跟随模式（FEL）和混合跟随模式（HETS）。当rge在2～2.4区间时，混合跟随模式（HETS）的系统年运行费用低于电跟随模式（FEL），而rge在其他范围时混合跟随模式（HETS）的系统年运行费用都是最高的。

图6 不同电气价格比下的各运行模式系统年运行费用

可以看出，混合跟随模式（HETS）在燃气价格较高时要优于电跟随模式（FEL），而在燃气价格较低时并不省钱。同样，在燃气价格较高时，LP模型的系统年运行费用可以趋近于热跟随模式（FTL），能取得较好的经济效益。

4 结论

本文对上海一栋酒店建筑配置的冷热电三联供系统在热跟随模式（FTL）、电跟随模式（FEL）、混合跟随模式（HETS）以及LP模型下的全年运行费用进行了计算分析，并讨论了原动机配置容量和气电价格比对系统全年运行费用的影响，得出如下结论：

1）热跟随模式（FTL）下系统全年运行费用最低，LP模型与电跟随模式（FEL）的下的系统全年运行费用相同，混合跟随模式（HETS）相对电跟随模式（FEL）可以减少2.5%的热量浪费，但其系统全年运行费用会增加2万元。

2）随着原动机配置容量的增加，各种运行模式下的系统全年运行费用逐渐降低，其中热跟随模式（FTL）降低幅度最大，其它模式相对于热跟随模式的差值变大。所有运行策略中，热跟随模式（FTL）下的系统全年运行费用最低，混合跟随模式（HETS）下的系统全年运行费用最高，LP模型与电跟随模式（FEL）的系统全年运行费用相等。

3）在不同气电价格下，三联供系统的经济性受运行策略影响较大。由于中国电力不能上网，热跟随模式（FTL）受到限制，当燃气价格较高时，采用混合跟随模式（HETS）或LP模型系统年运行费用较低（但LP模型用于实际运行还比较困难），当燃气价格较低时，无需利用LP模型对系统进行优化可直接采用电跟随模式（FEL），采用混合跟随模式（HETS）尽管可减少热量浪费但可能导致系统年运行费用增加。