基于TRNSYS的天然气分布式联供系统仿真模型研究

刘 尧 杨涌文 张丽婷 钱凡悦

上海电力学院

0 前言

2016年国家发改委、国家能源局对外正式发布《电力发展“十三五”规划》。《规划》大力支持分布式能源的发展，将分布式能源列入百大工程之中[1-2]。分布式能源在电力行业具有良好的发展前景。以清洁的天然气为燃料的分布式联供系统在中国已有近20多年的历史，其发展崎岖不平，原因主要是其投资金额大，天然气价格高导致回收年限较长，动态回收期一般在10年以上。近年来，随着LNG、CNG价格的大幅回落，区域型的天然气分布式联供项目受到广泛关注。但是，由于该系统供能方式复杂，针对不同负荷需要采取不同的运行策略[3-4]，因此除设计阶段的选型问题外，运行不善是大部分已建天然气分布式联供项目能效及经济性较差的主要原因。通过对天然气分布式联供系统运行策略的优化研究，可以提高一次能源利用率和经济效益，缩短回收年限[5]。

天然气分布式联供系统的梯级利用是其节能经济高效的主要原因[6]。在能源梯级利用中，除了一次能源的消耗外，余热利用的比例也不容忽视。因此，合理运行内燃机及溴化锂冷温水机，是影响系统能源利用率的直接因素，也是经济性的决定性因素。天然气联供运行的优化工作，国内外已有一些研究者进行了相关研究。李赟等[7]采用混合整数(0-1)多层次目标规划方法建立联供系统的优化模型，得到了系统的最优配置和运行策略。孟金英等[8]用单纯形法对冷热电三联供系统用于办公楼宇时冬夏季典型日负荷下的运行策略进行优化。李金霞等[9]通过分析三联供系统中各设备的热电特性以系统运行费用最低为优化目标，采用内点法对模型进行优化分析。Andrew J.Yosten[10]提出了基于数学程序的分布式发电建模方法，并用数学规划法优化了四类任务。一次能源消耗和污染排放也可以作为优化目标引进目标方程[11]。以上的研究均基于算法模拟得到最优化方案，而无法对某一实际运行策略进行合理性验证或优化改进。

本文以中国上海某国际旅游度假区核心区天然气分布式能源站联供系统为研究对象，总结出一套对运行策略进行合理性验证及优化改进的方法，具体步骤如下：首先基于TRNSYS软件，搭建天然气分布式联供系统的仿真模型，通过对比用户侧实际负荷曲线，验证、调整系统设备的模块参数使仿真结果与实际工况参数有较好的拟合性，为后续全系统运行策略的验证、优化提供保障。同时，在全系统仿真模型中加入一次能源利用率和经济性算法模块，用于对比分析不同运行策略下的一次能源利用率和经济性，从而对运行工况进行优化调整。最后以在过渡季“大流量，小温差”的运行工况为例，通过该模型模拟比较“提高供回水温差”运行优化调整前后的一次能源利用率和经济性。本文所用的验证及优化方法流程图如图1所示：

图1 验证及优化方法流程图

1 研究对象介绍

中国上海某国际旅游度假区核心区天然气分布式能源站联供系统主机采用颜巴赫JMS624型燃气内燃发电机，额定功率4.4MW。对应的余热设备采用烟气热水型吸收式溴化锂冷温水机组。冷媒水额定供/回水温度为15.6℃/6.0℃，额定制冷量为3 931kW，冷一次泵额定流量为380t/h；热媒水额定供回水温度为90℃/65.5℃，额定制热量为3 931kW，热一次泵额定流量为150t/h。离心式冷水机组和燃气热水锅炉分别为冷负荷和热负荷调峰设备；蓄能罐为冷热储能调节设备。其工艺流程如图2所示。

图2 能源站工艺流程图

系统采取以冷/热定电，梯级利用的原则，优先满足冷热负荷，所发电力全部上网。夏季供冷：冷媒水由烟气热水型溴化锂吸收式机组、离心式冷水机组以及蓄能系统提供。冬季供热：热媒水由烟气热水型溴化锂吸收式机组、燃气热水锅炉以及蓄能系统提供。

2 系统稳态运行仿真模型

2.1 TRNSYS软件介绍

TRNSYS，Transient System Simulation Program，即瞬时系统模拟程序[12]，是一个完整、可扩充的、用于系统瞬态模拟的仿真软件。通过在仿真界面将设备部件以模块化形式形象地连接并构成系统。每个设备部件都由一个可修改的数学模型描述。TRNSYS软件基于模块化分析适用于大型复杂的热能与动力系统。

2.2 仿真参数的设置

搭建天然气分布式联供系统的仿真模型需要用TRNSYS下的多种基本部件，控制信号选用Type14h模块，该部件是设定随时间变化的函数值，利用该部件为联供系统输入系统运行的控制信号。该控制信号的值介于0和1之间。控制信号值为0时，系统停止运行；控制信号为1时，系统满负荷运行。介于0和1之间时，系统部分负荷运行。可以设定联供系统稳定运行的控制信号。对于联供系统制热工况和制冷工况的稳态运行均使用此控制信号。

其次是燃气内燃机电负荷计算器，选用系统计算器模块，该部件对输入控制信号和燃气内燃机的额定功率进行处理，输出燃气内燃机电负荷（单位kJ/h），本系统输入的公式为Lo ad=I np ut 1*15843600，其中I np ut是输入控制信号，15843600k J=4401K k W*3600s，表示内燃机每小时产生的电量。

热交换器选用Type91，设置换热器效率为0.8，它是实际换热器交换的热量占最大可能传热的比例，即ε=Q/Q m ax。设置热侧流体为缸套水，比热为4.19 kJ/kg·K，冷侧流体为中冷水，比热为4.19kJ/kg·K。

燃气内燃机选用Type907、其额定负荷设置为4.4MW；为了能与能源站实际负荷相匹配，需调用外部文件设置。经过多次反复模拟和拟合，内燃机部分负荷参数设置如表1所示。

表1 内燃机部分参数（外部文件）

烟气或蒸汽型溴化锂冷温水机组选用Type676、热水型溴化锂冷温水机组选用Type677，离心式冷水机组选用Type666。由于溴化锂及冷水机的COP会随着烟气流量、机组负荷的变化而变化[14]，因此，需要调用外部文件设置COP与冷却水温度、冷冻水温度等参数的对应关系，使其与实际设备相匹配。

2.3 稳态性能仿真结果与设计稳态运行参数的误差分析

采用瞬态模拟仿真软件TRNSYS对天然气分布式冷联供系统进行稳态性能仿真具有以下意义：第一，要保证联供系统的经济性、节能性和环保性，必须保证联供系统长久处于高效区域运行，而满负荷稳态运行是联供系统的最佳运行工况点；第二，通过满负荷稳态性能仿真结果参数与系统配置运行的设计工况参数的接近程度，能够验证系统配置是否合理；第三，系统配置运行的设计工况参数与满负荷稳态性能仿真结果参数的接近程度，可以反向验证系统仿真结果的正确性。所以，对满负荷稳态性能进行仿真至关重要。

以供冷工况为例。供冷工况下，联供系统模型由燃气内燃机和烟气热水型溴化锂冷温水机组组成，另外配置离心式冷水机组进行供冷调峰。其仿真结果如表2所示。

比较供冷工况下的稳态性能仿真结果与设计稳态运行参数，如表2所示，联供系统和调峰设备满负荷稳态运行时，其各主要参数的相对误差在5%以内且出力一致，能够满足用户要求的冷量，说明联供系统配置较为合理，同时也说明联供系统和调峰设备模型的精度和正确性基本上达到要求。

3 全系统的仿真模拟

3.1 系统设备参数关系研究

在完成各个模块的调试后，搭建整个系统的仿真模型，根据能源站实际运行工况调整各个设备模块出力，匹配其实际负荷情况，目的是验证全系统仿真的准确性。由于2016年冬季国际旅游度假区尚未开园，负荷较低参考意义不大，故选择开园后的夏季某日冷负荷进行模拟。采取5台内燃机加溴化锂机组与6台冷水机组系统的配合运行方式，模拟匹配负荷需求的机组启停与部分负荷运行，系统如图3所示：

表2 供冷工况稳态性能仿真结果与设计稳态运行参数比较

图3 供冷工况系统图

根据厂家提供数据和实际负荷需求，合理选择机组运行方案，做出如表3所示的设备启停及负荷安排：

表3 设备启停情况

根据表3，设置TRNSYS仿真模型中设备参数，运行系统得到系统稳态运行冷媒水供应量曲线，并与实际负荷需求做对比，如图4所示，模拟结果与负荷基本匹配。

图4 系统稳态运行冷媒水供应量与负荷对比图

通过模拟匹配实际工况的系统负荷曲线，验证了仿真模型的合理性及准确性，至此，天然气分布式联供系统的验证平台搭建完成。通过这一模型，对运行策略进行验证，并通过模块参数的进一步调整，得出系统的运行优化方案。在分布式能源中，运行优化方案的评判标准之一是一次能源利用率。一次能源利用率越高，则证明系统越高效节能。此外，经济性的测算，同时可以预测出该运行优化方案的经济效益。

3.2 全系统仿真模拟优化

3.2.1 一次能源利用率计算

(1)一次能源利用率公式

一次能源利用率（PER）是对联供系统的运行策略进行评定的常用指标之一，其计算公式如下：

式中：

P E R：一次能源利用率，%；

Qe：系统单位时间内有效供电量，kW；

QC：系统单位时间内有效供冷量，制冷工况有效供热量取值为0，kW；

QH：系统单位时间内有效供热量，制热工况有效供冷量取值为0，kW；

Vf：天然气体积流量，m3/h；

ρf：天然气密度，kg/m3；

Qar，net：天然气低位发热量，kJ/kg。

式（1）是从热力学第一定律的角度对能源的利用总量进行分析，并未考虑电能和冷、热能在品位上的差别。

(2)单位时间有效供冷量

其中：

hcw，，hcw，：冷媒水进、回水口焓值，kJ/kg。根据tcw，，tcw，，查表得到；

qcw，：冷媒水回水流量，m3/h；

ρcw，：冷媒水回水密度，kg/m3。

（3）单位时间有效供电量

发电机产生的电能除了满足用户的需求之外，还有一部分用于系统自身水泵、风机、制冷机等耗能。因此系统的有效供电量应将这一部分予以扣除。

其中：

we：发电机输出供率，kW。

wi：系统内各个辅机设备的电能消耗，kW。

3.2.2 经济性计算

根据市场调研，上海市分布式能源天然气气价为2.7元/Nm3，上网电价为0.82元/kWh，供热价为0.468元/kJ。因此经济性计算公式如下：

(1)三联供经济性计算公式：

式中：

Ei：内燃机的有效供电量，kW；

QC、QH：溴化锂有效供冷量、供热量，kJ；

N：天然气消耗量，Nm3。

(2)电制冷经济性计算公式：

其中，I为系统成本电价，其计算公式为：

式（5）和（6）中：

C O Pi：冷水机能效比；

ηe：内燃机发电效率，%。

经济性的好坏是判断运行策略的优劣依据之一。同时，还可以通过改变天然气价格、上网电价和冷热价格，模拟出不同的运行成本及售价时能源站的收益，使能源站在正式运营前能设定更为合理的成本及售冷热价，提高系统经济性。

下面以内燃机变负荷为例，进行模型的运用。

4 过渡季内燃机变负荷工况研究

4.1 现状分析

根据上海某国际旅游度假区核心区天然气分布式能源站DCS系统调取的数据，从2016年6月12日12：00至6月14日12：00的48小时的实际运行数据分析发现，1#内燃机在该时间段内处于制热工况，由于此时用户热负荷需求量低，导致回水温度较高，机组处于非标工况下运行。经过计算发现，1#内燃机在99%负荷运行时内燃机溴化锂冷温水机组的一次能源利用率为69.8%，在87%负荷运行时一次能源利用率为75.5%，出现了内燃机负荷降低，系统一次能源利用率提高的现象。

在过渡季，冷负荷和热负荷需求量锐减，使进入系统的回水温度改变，与溴化锂和冷水机组额定进出口温度相差较大，导致溴化锂制冷制热量下降，一次能源利用率减小。以冷媒水为例，余热制冷设备采用烟气热水型溴化锂机组的冷媒水额定供回水温度为6.0℃/15.6℃，冷一次泵额定流量为380t/h，额定制冷量为3 931kW。经过采集实际数据后发现，在过渡季，溴化锂机组实际冷媒水供回水温度为6.7℃/12℃，实际流量为340t/h。内燃机产生的烟气量无法被溴化锂机组全部用来进行余热利用，大量余热被浪费，因此造成余热一次能源利用率极低的情况。

4.2 内燃机变负荷运行策略的提出

颜巴赫JMS624型燃气内燃机发电机组的负载特性描述了恒定转速下输出功率变化时机组效率、排烟温度、排烟流量等参数随之变化的关系。根据制造厂提供的技术数据，通过拟合，这种关系可以用无量纲方程[15]表示：

式中：η—折合效率，内燃机发电效率与其标定值之比；tg—折合排烟温度，燃气内燃机排烟温度与其标定值之比，mg—折合烟气流量，燃气内燃机排烟流量与其标定值之比，Ne—折合功率，燃气内燃机发电功率与其标定值之比。

由式（8）、（9）、（10）可见，发电功率与效率、排烟温度以及烟气流量并不是呈线性关系。排烟温度和烟气流量不会随功率的增加而线性增加。由此可以得出，降低内燃机负荷这一运行策略存在可行性，可通过搭建的仿真模型判断其合理性，并做出优化调整。

4.3 仿真模拟研究

以过渡季制冷工况为例，首先将全系统测试平台设置成为过渡季实际工况，拟合过渡季实际负荷曲线，并得到该工况下内燃机溴化锂冷温水机组的一次能源利用率，模拟得到过渡季一次能源利用率仅为65%。改变内燃机负荷输入，经过模型仿真可以得到一次能源利用率随内燃机降负荷的变化，如图5所示。

图5 内燃机降负荷的一次能源利用率变化图

由图5可知，若过渡季无法完全消纳烟气量，则系统满负荷运行并不是最优运行策略。降低负荷可减少天然气的消耗量，从而提高一次能源率。但降低负荷会导致经济性的下降。经过模拟得到的部分负荷下系统的经济性如表4所示：

表4 内燃机部分负荷经济性测算表

由表4可见，内燃机大幅降低负荷会减少内燃机溴化锂冷温水机组的收益。根据式（4）可知，内燃机溴化锂冷温水机组经济性与天然气价格、上网电价、冷热价有关。因此，在过渡季实际工况下分别改变天然气价格、上网电价、冷热价，得到系统的经济性，如表5所示，敏感性分析结果见表6。

由表5和表6可见，上网电价对系统的经济性影响最大。内燃机负荷的降低，会造成发电量的减少，并且这部分的收益大于天然气消耗量的成本减少，故系统经济性会下降。因此，当上网电价较低时，适当采取内燃机降负荷运行提高系统一次能源利用率是可行的。

表5 不同天然气价格、上网电价、冷热价下的系统收益

表6 天然气价格、上网电价、冷热价的敏感性分析

5 结论

本文提出了对天然气分布式联供系统运行策略验证及优化的方法。结合实际运行工况，基于TRNSYS软件，研究搭建了冷热电联供系统仿真模型，并通过对比用户侧实际负荷曲线，验证和调整系统设备的模块参数使仿真结果与实际工况参数有了较好的拟合性，为全系统运行策略的验证、优化提供保障。加入一次能源利用率和经济性算法模块，用于对比分析不同运行策略下的一次能源利用率和系统经济性，从而对运行工况进行合理的优化调整。通过对内燃机变负荷运行策略的案例分析，由于过渡季烟气无法完全消纳，造成余热浪费，降低内燃机负荷可提高一次能源利用率。由经济性分析得出上网电价对系统经济性影响最大，因此，当上网电价较低时，适当采取内燃机降负荷运行提高系统一次能源利用率是可行的。

本文提出的通过搭建仿真模型对运行策略验证及优化的方法具有直观性、开放性的特点，可适用于各类运行策略的验证及优化，具有一定的推广价值。