天然气分布式能源项目优化配置研究

卢海勇虞正发刘波

上海电力设计院有限公司

0 概述

天然气分布式能源项目的成败主要取决于负荷预测和装机方案配置。负荷预测的准确性和可靠性是项目成功的前提。装机方案配置的合理性是项目成功的保障。对于负荷预测，目前已有指标法、动态计算法等多种方法[1]。但装机方案优化配置研究不多，已成为迫切需要解决的问题。本文以典型的民用天然气分布式能源项目为例，阐述系统优化计算方法。典型的系统配置流程如图1[2]所示。

图1 民用天然气分布式能源项目典型系统配置流程图

1 优化配置流程

天然气分布式能源项目系统配置的优化是基于负荷需求和能源价格优化所确定的以下几个方面内容：（1）原动机的机组形式、台数和容量选择；（2）溴化锂、冷水机组和蓄冷装置的优化组合；（3）结合能源价格和负荷需求的运行策略。由于天然气分布式能源是冷热电多种能源输出的耦合，并且设备种类繁多。因此，天然气分布式能源项目系统优化配置需要根据冷热电负荷需求和冷热电能源价格体系，针对可能的天然气分布式能源系统配置方式和运行模式进行模拟分析计算，然后基于优化目标，分析比较得出最佳的系统配置与运行模式。天然气分布式能源项目优化配置流程如图2所示。

图2 天然气分布式能源项目优化配置流程图

2 优化配置模型

根据图1民用天然气分布式能源项目典型系统配置，对冷、热、电和天然气进行能量平衡分析，建立能量平衡模型、约束条件和优化目标。

（1）电平衡：内燃机总发电功率与从电网购电功率之和等于电制冷机及辅助设备耗电功率、分布式能源系统及辅助设备耗电功率、蓄冷设备及辅助设备耗电功率、锅炉及辅助设备耗电功率和用户电负荷需求功率之和。

（2）冷平衡：内燃机余热带溴化锂供冷功率、电制冷机直接供冷功率和蓄冷装置放冷功率之和等于用户冷负荷需求功率。

（3）热平衡：内燃机余热带溴化锂供热功率和天然气锅炉直接供热功率之和等于用户热负荷需求功率。

（4）天然气平衡：天然气的总耗量等于内燃机天然气耗量和天然气锅炉耗量之和。

（5）蓄放冷平衡：夜间蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡，考虑到蓄冷装置效率，白天放冷量约为夜间蓄冷量的85%～90%。

（6）约束条件：

①天然气分布式能源年利用小时数不低于2 000h。

②天然气分布式能源综合效率不低于70%，即

（7）优化目标：以天然气分布式能源项目年综合成本最低作为优化目标，其目标函数如下：

A——天然气分布式能源项目总投资，元

T——天然气分布式能源项目折旧年限，年

天然气分布式能源项目优化配置时，首先基于分析的冷热电负荷，根据市场现有原动机的功率类型，初步确定几种可能的配置方案，其次建立能量平衡模型，然后结合运行方式，进行约束条件判断，最后以年综合成本最低对不同配置方案进行比较评价，选择最优配置方案。

3 工程案例

3.1 工程概况

本文以上海某综合商务园区为例进行分析，针对园区内企业的冷热电能源需求，为其量身打造以天然气分布式能源为基础的区域性综合能源供应项目，项目建设内容包括天然气冷热电三联供系统、空调冷水机组、天然气锅炉和蓄冷系统。

3.2 负荷分析

本项目园区内企业用能主要为民用负荷，包括：办公、酒店、会议中心、展馆、商业和公寓。用能需求为建筑物的冬季采暖供热和夏季空调制冷。合理选取负荷指标，根据建筑特点考虑逐时负荷系数，绘制典型日负荷曲线如图3～图5所示。

图3 典型日逐时冷负荷曲线

图4 典型日逐时空调热负荷曲线

图5 典型日逐时电负荷曲线

根据典型日负荷分析，最大冷负荷约44.5MW，最大热负荷约30MW，最大电负荷约29MW。

3.3 系统优化配置

根据园区负荷的性质以及冷热负荷需求量，采用以热（冷）电联供、热（电）电平衡原则进行机组配置，同时为提高原动机的利用时数，保证在较低负荷时原动机仍然可以连续运行，拟选方案如下：

方案一：配置2台2 000kW燃气内燃发电机组+2台烟气热水型溴化锂机组+4台5 276kW离心式冷水机组+3台8.4MW天然气锅炉+1套150MWh蓄冷系统。

方案二：配置2台3 333kW燃气内燃发电机组+2台烟气热水型溴化锂机组+4台4 924kW离心式冷水机组+4台5.6MW天然气锅炉+1套140MWh蓄冷系统。

方案三：配置2台4 300kW燃气内燃发电机组+2台烟气热水型溴化锂机组+4台4 572kW离心式冷水机组+3台7MW天然气锅炉+1套130MWh蓄冷系统。

方案四：配置3台4 300kW燃气内燃发电机组+3台烟气热水型溴化锂机组+4台3 869kW离心式冷水机组+3台5.6MW天然气锅炉+1套105MWh蓄冷系统。

分别针对上述4个方案，根据能量平衡模型，进行冷、热、电能量平衡分析，详见图6～图9所示。

图6 方案一冷、热、电平衡图

图7 方案二冷、热、电平衡图

图8 方案三冷、热、电平衡图

图9 方案四冷、热、电平衡图

本项目天然气分布式能源系统的运行模式是晚间用电低谷期间停机、早晨工作时间开机。这是由于晚间谷电期间，用能负荷较低，且此时市电价格低，系统停机可以获得更好的经济效益。为保证机组充分利用时间和良好的经济效益，冬季优先利用天然气分布式能源系统供热，不足部分由天然气锅炉补充；夏季优先利用天然气分布式能源系统供冷，其次水蓄冷，不足部分由冷水机组补充。从上述各图可以看出，随着装机规模的增加，天然气分布式能源系统提供的冷、热、电份额逐渐增加，但机组满负荷利用小时逐渐降低。

随着装机规模的增加，减少了高电价和高价天然气的使用，年成本逐渐降低，方案三的年成本最低，约10 260万元；装机规模继续增加，年成本又有所上升，主要是装机规模的增加减少机组的利用小时数，高投资带来的效益减小，详见图10。因此推荐方案三作为装机方案。

图10 天然气分布式能源项目年成本比较图

4 结论

（1）天然气分布式能源项目的成败主要取决于负荷预测和装机方案配置。负荷预测的准确性和可靠性是项目成功的前提，装机方案配置的合理性是项目成功的保障。

（2）本文提出了天然气分布式能源项目优化配置流程，建立了基于冷、热、电和天然气能量平衡的优化配置模型。

（3）本文提出的天然气分布式能源项目优化配置研究方法，对后续工程实践中天然气分布式能源的设计具有一定的指导意义。