燃气冷热电分布式能源系统设计优化综述

2019-04-09顾志祥孙思宇孔飞柳玉宾洪博纪宇飞

综合智慧能源 2019年3期

顾志祥，孙思宇，孔飞，柳玉宾，洪博，纪宇飞

(1．华电广东顺德能源有限公司，广东佛山 528325;2．华电电力科学研究院有限公司北京分院，北京 100070)

0 引言

当前，我国的能源结构正处于油气替代煤炭、非化石能源替代化石能源的双重更替期。但由于太阳能、风能等可再生能源受资源、技术、地域等条件影响，短期内难以实现规模性替代。而天然气作为低碳化石能源是能源转型的战略选择。燃气冷热电分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点，是天然气高效利用的最佳途径。天然气分布式能源实现了科学用能和能源梯级利用，能源综合利用效率达到70% ～90%，是在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，符合节能环保和建设节约型社会的要求。近年来，国家出台一系列相关政策推动分布式能源的发展，我国燃气冷热电分布式能源站的数量正在不断增加。

燃气冷热电分布式能源系统主要由发电设备、余热利用设备、调峰设备及相关主辅设备组成，设备的选择必须综合考虑各设备的效率、系统运行方式以及用户侧对冷、热、电的需求等［1］。设计优良的燃气冷热电分布式能源系统应平衡节约成本、提高一次能源综合利用效率和节能率、减少污染物排放等多种因素。在分布式能源站设计过程中，首先应考虑用能侧的用能需求，进行用能侧的冷热电负荷预测，以免出现能量供、需极不平衡的情况。根据负荷预测的结果，确定供能装置类型和容量的选择，包括发电设备、余热利用设备等。在此基础上，进一步考虑能源站整体布置和运行策略。根据上述步骤确定设计方案，通过对各方案的综合评价和考量，最终确定经济可行、环保高效的燃气冷热电分布式能源系统为最佳方案。因此，本文从用户负荷预测、设备选型配置、运行策略优化、系统综合评价4个方面入手，对燃气冷热电分布式能源系统的优化设计进行了研究。

1 用户负荷预测

负荷预测方法种类繁多，其中短期负荷预测一般用来指导分布式能源系统的运行与控制，在系统设计阶段，通常利用长期负荷预测方法。

不同的负荷预测方法对比见表1，所列方法一般应用于建筑物的冷热电负荷预测。对于新建建筑的用户而言，原始数据较为缺乏，使用面积负荷指标法进行负荷估算较为方便，因其所需数据量小，且无需考虑建筑物本身的信息。当已有建筑物可提供的历史数据和建筑物信息较为详细时，可考虑其他更为精确的预测方法［5－9］。对于区域型燃气冷热电分布式能源系统，当其热负荷为工业蒸汽时，需对各用户生产所需蒸汽量进行调研分析，且其实际负荷量不仅仅是简单的各用户的负荷量叠加，还必须考虑同时使用系数等其他因素，通过耦合应用等多种方法获得较准确的负荷数据。

文献［10］分别利用径向基神经网络法和改进的季节性指数平滑法对某手术室空调机组的用电负荷进行了预测，结果表明，对变化缺乏规律的负荷进行预测时，径向基神经网络法的预测精度略高于改进的季节性指数平滑法。文献［11］对基于BP神经网络算法建立的负荷预测模型进行了改进，采取了一种融入遗传算法的BP神经网络法建立分段预测模型，改进后的模型预测效果有了明显提升。文献［12］利用多种预测模型对热负荷进行了研究，并将建筑物室内温度和历史热负荷作为影响因素，结果表明，超限学习机和融入遗传算法的BP神经网络法的预测精度略高于小波神经网络法。与3种神经网络算法相比，支持向量机模型预测的相对误差较小。

文献［13］指出了输入变量对于负荷预测准确性的影响，结果表明，对于同样的预测模型，经过优化的输入变量组合比未经优化的输入变量组合具有更好的预测效果。通过比较不同的输入变量，证明历史数据是最基本的预测输入参数。社区建筑负荷预测是社区建筑能源规划和能源供应系统设计的基础和关键，但社区建筑的负荷预测要比单个建筑复杂得多。基于数值模拟和情景分析，文献［14］提出了一种用于预测社区冷热电负荷的新方法，并利用该方法对某社区的冷热电负荷进行预测。

文献［15］分别从基础研究和应用研究2个层面对负荷预测技术的研究现状及发展趋势进行了分析，并指出目前负荷预测的研究大多停留在优化算法、提高精度的理论阶段，较少有实验研究，距离实际应用还有很多工作需要完成。

综上所述，近些年来随着科技发展在人工智能领域的不断进步，针对负荷预测技术的研究多为人工神经网络方向，但由于其自身特点，该方法在分布式能源系统初期设计阶段的适用性较差。此外，当前预测对象多为单体或小区域建筑物，对于大型社区的负荷预测较少。因此，加强长期负荷预测技术的研究是今后的工作重点，将预测范围提升至社区或城市级别，并侧重于产品开发和实际应用，发挥其在现实生产中的应用，是相关研究的重要方向。

（126）小叶光萼苔 Porella fengii P.C.chen ＆ S.Hatt.李粉霞等（2011）

表1 各类负荷预测方法对比Tab．1 Comparison of various load forecasting methods

2 设备选型配置

发电设备是燃气冷热电分布式能源系统的核心，常涉及的发电设备包括燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机、斯特林机以及燃料电池。燃料电池、斯特林机由于成本较高还未得到广泛应用。由于分布式能源项目规模通常较小，燃气轮机的类型主要为小型燃气轮机。小型燃气轮机的安装可靠性高，余热容易回收，但其运行成本较高，相比之下，微型燃气轮机的运行成本较低，但其发电效率低。二者存在的共同问题是需要优质燃料，在高海拔或者环境温度较高时，性能会大幅下降。内燃机的初投资较少，且发电效率高，但其噪声大，维护费用高。发电设备的选型需要综合考虑冷热电负荷特性、热电比、动力性能和变工况特性、环境影响特性等因素［1，16－17］，不同发电设备的典型特性见表 2。

根据燃气发电装置余热状态，余热回收设备可以采用余热锅炉、余热型溴化锂吸收式制冷(热)机、换热器等，其中余热型溴化锂吸收式制冷(热)机分为烟气型、热水型和蒸汽型3种。燃气内燃机和微型燃气轮机多采用余热型溴化锂吸收式制冷(热)机与换热器进行组合。对于以燃气轮机作为发电设备的分布式能源系统，可以配套余热锅炉与汽轮机组成燃气－蒸汽联合循环机组，根据实际的蒸汽负荷需求选择不同类型的汽轮机。在此基础上，可进一步选择余热型溴化锂吸收式制冷(热)机、换热器等进行合理配置。

用于调峰的供冷(热)设备主要包括燃气锅炉、电制冷机、水源(地源)热泵、太阳能热水器等。

文献［18］讨论了几种发电设备的性能特征和优缺点，着重分析了燃气内燃机与燃气轮机的选型方法及应用。文献［19］对内燃机、燃气轮机以及微燃机从发电效率、余热特性、变负荷特性、环境影响以及经济性能等多个方面进行了分析，得出了不同发电装置的适用场合，其中内燃机冷热电联供系统在燃气耗量和一次能源利用率方面更具优势，并指出冷热电联供系统与用户间的不匹配问题是制约其高效率发展的重要瓶颈。文献［20］总结了常用发电设备的特点和参数，对燃气内燃机、小型燃气轮机和微型燃气轮机进行了定性分析，并对不同装机容量等级、不同负荷需求、不同运行模式进行了技术经济对比。结果表明:对于较低容量的冷热电联产系统，如医院、商场等场合，燃气内燃机具有明显的节能和经济效益;燃气轮机联合循环适用于规模更大的系统，并且燃气轮机的供热能力突出，适合于热负荷需求较高的场合，如区域型燃气冷热电分布式能源系统。文献［21］考虑了燃气冷热电分布式能源系统在各种气候条件下的应用，建立了以内燃机、燃气轮机、斯特林机和熔融碳酸盐燃料电池等不同发电设备的冷热电联供电站。采用基于经济、能耗、环境的多目标优化方法以确定设备的最佳容量，结果表明，以内燃机为发电设备的冷热电联供系统对于各种气候条件的适应性最强，性能最佳，燃气轮机和斯特林机次之。

文献［22］设计了一种冷热电联供系统的三级协同整体优化方法，并应用于医院的冷热电联供系统，实现了设备选型、容量配置及运行参数的整体优化，且该系统具有更高的一次能源利用率、更明显的温室气体减排效果和更显著的经济效益。文献［23］利用多准则上位函数分析对比了5种不同气候条件下为同一建筑物供冷、热、电负荷的发电设备选型，此外，不同发电设备的最佳运行策略也随气候的不同而变化调整。

表2 不同发电设备的典型特性Tab．2 Typical characteristics of different power generation equipment

综上所述，前述研究多以设备本身的特性与用户负荷需求匹配度为基础，考虑的重点主要是系统自身的节能效果。然而，在已建能源站的实际运行过程中，系统运行效果往往受周围环境、经济条件、当地政策的影响。因此，在今后设备选型时，可综合考虑更多方面的影响因素，使设备配置不仅适用于该分布式能源站，更适用于该地区的实际情况。

3 运行策略优化

常用的燃气冷热电分布式能源系统的运行策略有以下几种。

(1)以电定热。此种情况主要用于对电负荷要求较高，但又不能接入电网的情况。当能源站以此方式运行时，发电设备产生满足电力需求所需的全部电力，而余热则用来满足用户全部或部分热负荷需求。如果回收的余热不能满足用热需求，则可使用调峰锅炉提供用户所需的热量。另一方面，如果回收的热量超过用户需要的热量，多余的热量可以储存或丢弃。

(2)以热定电。当能源站以此方式运行时，系统优先满足用户热负荷需求，发电设备产生的电能用于满足用户部分或全部用电需求。如果能源站产生的电能不能满足用电需求，则必须从电网购买额外的电能。另一方面，如果产生的电能超过了用户电负荷需求，多余的电能可以储存或上网，具体的操作需遵循当地政策。

(3)基本负荷运行。当能源站以此方式运行时，不足的电负荷需求从电网购买，不足的热(冷)负荷需求可通过调峰锅炉、电制冷机或其他辅助设备提供。因此在选择发电设备时，可以选择小于或接近用户基本负荷的容量，且系统运行灵活、可靠。

虽然上述3种策略是燃气冷热电分布式能源系统运行中最常用的运行策略，但系统往往无法达到其最佳性能，不能充分发挥联供系统的优势，因此需要对系统的运行策略进一步优化。文献［24］指出，当联供系统运行工况较差时，不但不节能，反而能源消耗量比分产时要大，所以为了应对系统变工况的特性，运行模式和策略的选择尤为重要。文献［25］指出，由于热电联产系统的运行不仅受负荷需求的变化，而且受燃料价格的影响，简单的运行策略无法提供经济可行的解决方案。文献［26］指出，以电定热或以热定电运行模式的不足是，所设定的特性运行规则并不能保证在遵循分布式热电联产系统能量梯级利用理念的同时灵活应对各种需求，同时确保经济效益。

文献［27］建立了一个在调度周期内完成供能设备出力组合的逐时优化运行策略的数学模型，利用混合整数规划算法对模型进行求解，得到能源站的最佳运行策略。文献［28］针对微型燃气轮机分布式能源系统提出了新的运行优化模型，采用混合逻辑方法，合理描述了考虑启停逻辑和负荷限制等约束的各环节运行特性，并与经济、能效和环保等目标模型联立，通过线性变换和矩阵化，得到了适用于各主要运行策略研究的滚动优化模型，为各运行策略的优化和比较分析奠定了基础。文献［29］讨论了影响冷热电分布式能源系统运行的因素以及投资可行性，提出了一种电力等效负荷跟随策略，即电负荷仅包括吸收式制冷机无法提供的部分冷负荷。结果表明，无论从经济性还是节能性角度，这种运行策略都优于传统的“以热定电”或“以电定热”模式。文献［30］提出了一种遵循混合电－热负荷的运行策略(HETS)，结果表明该运行策略能够有效降低一次能源消耗量、运行成本和CO2排放。文献［31］提出了一种以综合性能指标为准则，基于“以热定电”和“以电定热”的最优运行策略，利用该策略，分布式能源系统被负荷需求和综合性能指标所估计的1～3个边界条件划分为不同的区域。综合性能指标同时包含了一次能源消耗量、运行成本和CO2排放等。文献［32］提出了一种动态分布式能源系统运行策略，其目的是将建筑用能成本降至最低。通过对不同电价结构进行详细建模，以模拟“以热定电”、削峰、移峰或基础负荷运行等多种运行模式，结果表明，新提出的运行策略比传统的运行模式在降低总用能成本方面更有效。

由于当前的燃气冷热电分布式能源站在运行过程中往往不能兼顾一次能源利用率高、经济效益佳、污染物排放少等多种要求，能源站的运行策略已不仅仅局限于常规的“以热定电”“以电定热”或“基本负荷运行”模式，而是利用遗传算法、粒子群算法等智能优化方法进行多目标的运行策略优化，提出多种新型的运行策略，提高运行过程中的自由度，实现供需侧的耦合，避免能源的浪费。

4 系统综合评价

为了比较不同分布式能源系统的优劣，需要根据评价指标对系统做出客观的评价。仅用单一指标来评价具有一定的片面性，因此，多指标的综合评价方法被广泛应用。通过客观、多元的综合评价，将系统设计和运行优化进行量化，对于提高能源站的经济效益以及优化能源结构具有重大的现实意义。系统的评价主要包括技术、经济、环保几个方面。

技术性评价指标主要包括能源综合利用率、节能率、热电比等，可以比较不同类型、不同运行策略的燃气冷热电分布式能源系统，基于热力学第一、第二定律，分析系统的能耗、损、余热利用情况等方面的信息。能源综合利用率是衡量系统利用燃气发电及发电后余热有效利用情况的指标;节能率是以常规系统或“分供”系统为基准，分析分布式能源系统的节能效果;热电比则反映了余热利用程度，在一定的发电效率下，热电比越高，总热效率越高，热损失越小，余热利用程度越高。

经济性评价是决定项目能否实施的关键因素，其评价指标主要包括项目初投资、回收年限、运行费用、年运行时间等。项目初投资包括建筑工程费、设备购置费、安装工程费等。回收年限是项目投产后获得的收益总额达到该项目投入的投资总额所需要的时间。运行费用包括燃气等能源费(含水消耗等)、设备和设施折旧费、维护管理费(含人员工资、各项税收、材料和工具费等)。运行时间的长短与能源站的年收益密切相关，应对能源站的每台发电装置进行年运行小时的核算。

环保性评价主要是指在大气污染物排放和噪声方面的监控。对于以天然气为原料的分布式电站，SO2和固体废弃物排放几乎为零，其中大气污染物主要是指二氧化碳和氮氧化物。大气污染物减排量是指在取得同等供电供热量情况下，与基准系统相比减少的污染物排放量。根据GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》规定，昼间等效声级不高于65 dB(A)，夜间不高于55 dB(A)。除此之外，废水、废热的排放也须按照当地有关政府部门规定进行正确处理。

文献［33］基于冷热电联产系统能量梯级利用的本质，提出了能量梯级利用率的新评价准则，由发电、制冷与供热级的能量利用率分别乘以不同的权重系数后累加得到能量梯级利用率。文献［34］以某燃气分布式能源站为例，指出综合能源利用率和热电比是影响系统经济性的主要指标［35］。文献［36］提出《技术规程》与《实施细则》中的能源综合利用效率计算方法不能区分冷热电能的品位，因此在实际应用中不能对系统的节能率给出客观合理的评价，将该效率指标与经济杠杆相结合的做法或将分布式能源系统的发展引导至错误的方向。文献［37］提出了多项分布式发电的环境效益分析指标，通过对指标的计算定量分析系统的环境效益，并在此基础上建立了考虑环境效益的电量成本计算新模型，该模型考虑了污染物排放的环境成本，从而使分布式发电的环境效益得到价值体现。

文献［38－40］建立了综合考虑能耗、经济、环境的分布式能源系统3E(即能源效益、经济效益和环境效益)综合评价体系，其中文献［38］建立了基于信息熵权和灰色关联分析的综合评价模型，并利用一次能源利用率、节能率、系统初投资、年度化成本、CO2排放量和NOx排放量6个指标分析了武汉某园区各分布式能源系统方案的能源、经济和环境效益。文献［39］采用主观与客观结合的AHP－熵权赋权法确定各单体指标权重，运用集对分析方法计算方案贴近度来评价方案优劣，并进行了实证分析。文献［40］表明，着重考虑经济性指标时，内燃机系统、燃气轮机系统应优先选择，着重考虑能耗指标时，光伏系统由于利用太阳能，能耗较少应优先选择，着重考虑环境指标时，燃料电池系统由于提供清洁能源量多应优先选择。在3E综合评价的基础上，文献［41］提出了综合能耗、经济和环境的4E评价方法，并对某包含布雷顿循环、朗肯循环、喷射器制冷循环和家用热水器的冷热电联供系统进行了分析评估。

综上所述，单一的评价方法只能分析分布式能源系统在特定方面的性能，且容易自相矛盾，而综合评价可以从多角度考量系统的配置方案和投资实施的可行性。目前国内在进行综合评价时大多考虑了能耗、经济、环境三方面的因素，常使用熵权法与灰色关联度相结合的多指标综合评价法，并在此基础上进一步改进修正。然而，对于不同评价指标的权重分配并没有统一规范的标准，评价结果无法完全做到客观可靠。