工业园区混合能源优化配置方法应用与实践

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

工业园区是以工业负荷为主的复杂能源系统，涵盖多种产能及用能主体，涉及电、冷、热等多种能源的生产、转移和利用。工业园区负荷具有需求量大、负荷特性复杂、供电可靠性要求高的特点。随着分布式可再生能源和清洁能源发电的高渗透率应用、多元化储能设备规模化推广，用户通过智能化手段参与需求响应，各类能源供应系统耦合互补，社会综合能效进一步提升，促使工业园区的用能向更加绿色、高效的方向转变。如何统一对园区用能优化，提高系统的运行效率和经济环境效益将是未来工业园区规划设计的重点[1-5]。

现有研究多针对带有电热联产系统的综合能源系统。文献[6-7]研究了以能量集线器最小运行费用为优化目标，采用鲁棒优化算法计及负荷需求的不确定性，最终对调度方案从经济性、可靠性、清洁性角度加以设计。文献[8]中建立了冷热电联供系统的经济优化调度模型，并采用Hessian矩阵迭代的内点法对模型进行求解，进而对系统开展优化规划。在文献[9-12]中，应用了带约束的粒子群算法对多目标规划模型进行求解。文献[13]建立了含有风机、光伏发电、冷热电联供以及蓄能系统的CCHP系统，以能源利用率最大和系统运行成本最小为优化目标进行设计。文献[14]提出一种双层优化配置模型，用于应对多能源的运行复杂性。

综合来看，目前对混合能源系统的研究偏重于理论分析，存在优化配置变量多、模型理论化等问题，为实际工程的求解带来了很多问题，缺乏在实际工程中应用的可操作性。下面基于具有冷、热、电需求的分布式能源系统，首先通过传统配置方式的粗放式分析确定设备集，然后构建同时优化系统配置和运行方案的非线性混合整数规划模型，综合考虑系统投资费用、方案年运行费用指标，即从经济性的角度对系统的设备容量和运行策略进行了优化配置分析，实现园区规划设计的经济性最大化。

1 优化配置模型与方法

研究可知，园区供能有：冷热电联供运行模式，即燃气分布式能源供能用于满足园区内的冷热电负荷需求，地区电网作为有益补充；热电联产运行模式，即采用燃气分布式能源供能用于满足园区内的冷热负荷需求，发电上网。不同的供能运行模式将对应不同的优化配置结果，下面主要对冷热电联供的运行模式进行阐述。

园区冷热电混合能源系统的优化配置模型是以经济为目标，经济目标是使整个规划期内系统的总投资运行费用的年费用最小。

1.1 优化目标函数

经济目标函数可选择系统总的投资运行等年值费用，该费用由设备初始投资和工业园区混合能源系统年运行费用两部分构成。

(1)

工业园区混合能源系统内的运行年费用包括年购电费用、年运行维护费用以及年运行所需燃料费用，可表示为

(2)

设备初始投资等年值费用数学表达式为

(3)

式中：CI,i为第i个设备初始投资费用，一般与设备容量相关；rCR,i代表资金收回系数；r为贴现率；li为第i个设备的运行寿命期望值，a。

设备的年运行维护费用可表示为

(4)

设备年消耗燃料费用主要指DGs的年消耗燃料费用，与DGs年发电量成正比，其数学表达式为

(5)

工业园区混合能源系统向电网的购电费用的构成和区域电价机制有关，一般可归纳为基本容量、功率、电度(电量)3类费用。

(6)

1.2 约束条件

模型的约束条件分为不等式约束和等式约束。等式约束主要为满足用能端逐时对电、冷、热3种能源的需求，即供给能源量等于能源需求量：

(7)

除上述冷热电需求平衡约束外，针对供能设备的运行特性，还可能包含设备运行工况出力约束、各设备的转换效率和能源消耗量等约束条件。

根据上述系统结构描述和优化配置模型，以系统备选设备的数量或容量作为优化变量，采用基于粒子群联合CPLEX求解器的算法进行求解，其具体流程如图1所示。

图1 配置优化流程

2 工程案例介绍

选取成都市某生物园区为应用对象进行优化研究。为了成功打造绿色低碳能源基础设施，该生物园区拟投资建设天然气分布式能源站及配套使用的天然气管网和配电网项目，为生物园区内的企业、居民和其他单位提供蒸汽、热水、冷水、电力等综合能源服务，在生物园区内构建环保、高效、稳定、便捷的智慧能源保障体系。

由于生物园区存在较大的电负荷，拟通过220 kV变电站与大电网连接，保障园区的电负荷需求。燃气分布式能源供能主要用于满足生物园区内的冷热电负荷需求，地区电网作为园区负荷的有益补充。

2.1 电负荷

生物园区近期建设范围为起步区1期、2期，通过选取各负荷分类指标、用地指标，计算出近期生物城的饱和最大负荷为139.55 MW。根据园区典型负荷特征曲线预测得到生物园区的日负荷需求曲线，如图2所示。

图2 生物园区电负荷

2.2 热负荷

供热区域所需热负荷以工业生产性蒸汽热负荷为主，参数为0.7 MPa(g)的饱和蒸汽。考虑由能源站集中供应以利于节能环保。根据收资、调查情况，本项目工业热负荷逐时变化曲线如图3所示。

图3 生物园区热负荷

2.3 冷负荷

冷负荷主要包括工艺制冷负荷及空调制冷负荷。根据园区收资、调查可知，园区冷负荷主要有工艺制冷及空调制冷负荷需求。在冷负荷调研的过程中，通过业主和用户初步协商，供冷方式采用将制冷蒸汽通过蒸汽管道送往用户侧，在用户侧建造制冷站的方式来满足用户的用冷需求。本项目冷负荷逐时变化曲线如图4所示。

工业园区生产型企业居多，且其倒班轮换的工作机制使得工业园区一般都具有较为稳定的电、热、冷负荷。工业园区各类负荷都比较大，受季节性变化影响较小。

设备选型主要遵照“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原则，合理进行电力、供冷、供热设备的配置，做到按需供给、适时匹配，达到冷热电负荷的相对平衡。同时，综合考虑到工程冷热负荷需求大，该地区以水电为主的电力结构以及电力“丰裕枯余”、弃水问题突出等因素，为有效扩大天然气应用，统筹协调地区电力行业发展，天然气分布式能源项目系统配置应首选燃气单循环机组。

图4 生物园区冷负荷

通过统筹考虑该地区可用资源潜力、冷热电负荷需求分析以及投资方需求情况，选取燃气轮机组、燃气锅炉、电锅炉、蒸汽型溴化锂制冷机组、电制冷机组为备选设备集进行园区供能优化配置设计，从而满足生物园区的冷、热、电负荷需求。

根据前述备选设备集，建立生物园区供能结构如图5所示。

图5 生物园区的供能结构

3 仿真分析

3.1 配置参数及边界条件

从园区综合热负荷分析可知，工程设计综合平均负荷为50.9 t/h。通过传统配置方式粗放式分析燃机的发电效率、工程的综合能源利用效率和经济性，工程选取SGT400燃气轮机组作为主要供能设备，并配置燃气锅炉等其他供储能设备进行能源供应。各设备的单位投资建设成本如表1所示。

按照当前电价，设定容量电价和功率电价为0，电度电价采用分时电价。丰枯季节划分：丰水期为6月至10月，枯水期为1月至4月、12月，平水期为5月、11月。销售侧丰枯电价调整为枯水期电价上浮5%，丰水期电价下浮5%。峰谷分时浮动电价继续按高峰时段在丰枯浮动基础上上浮50%，低谷时段在丰枯浮动基础上下浮50%。该地区天然气价为1.8元每标准立方米，不同季节、不同时段的电价如表2所示。

表1 备选供储能设备成本

注：机组成本包含了余热锅炉投资。

表2 园区购电电价(丰、枯、平期)

3.2 优化配置方案

如前所述，该优化设计问题是一个多变量、多约束的非线性规划问题。这里选粒子群算法予以求解，粒子群个数为100，最大迭代次数1000，个体加速因子设置为2，全局加速因子设置为2。通过求解优化配置模型，得到该系统的优化配置为燃气轮机系统配置2台燃气轮机组(含余热锅炉)，配套20 t/h燃气锅炉，1.9 MW电制冷机组，9.2 MW蒸汽型溴化锂机组。

在基础配置之上，考虑在一台燃机或余热锅炉故障或检修停运时，另一台机组满负荷运行可提供约26.05 t/h蒸汽，因此需考虑2台20 t/h的燃气锅炉进行备用。

系统基本运行策略如下：

1)在非检修月，两台燃机优先满足热负荷需求，不足部分有燃气锅炉补足。冷负荷夜间以余热部分通过蒸汽型溴化锂机组供冷为主，电制冷机制冷为辅。在高峰期，机组热出力都用于热负荷供能，则冷负荷由电制冷机组制冷满足需求。

2)在检修月，由于一台燃机检修停运，另一台机组满负荷运行可提供约26.05 t/h蒸汽，将2台20 t/h的燃气锅炉均投入运行，以满足最大冷热负荷需求，保障工业园区供能的稳定性和安全性。

图6、图7给出了生物园区非检修月和检修月的供能调度计划方案。

图6 非检修月供冷、热调度计划

图7 检修月供冷、热调度计划

4 经济性对比

该园区企业居多，一般都具有稳定的电、热和冷负荷，各项负荷都比较大，该园区根据传统配置方法“以热定电”的原则配置设备。配置方案为2台燃气轮机组(含余热锅炉)、2台20 t/h的燃气锅炉、4.8 MW电制冷机组、42 kW蒸汽型溴化锂机组。优化配置方法和传统配置方法的经济性对比结果如表3所示。

表3 优化配置方法与传统方法经济性对比

由经济性对比可知，传统配置方案更多采用电制冷机组供冷为主，在现行丰枯峰谷电价机制和气价条件下，该方案从电网购电比例相比于优化配置方案更高，导致其运行成本费用增大。冷、热、电耦合的优化配置方案虽然增加了设备投资成本，但达到降低系统年运行费用及总的等年值费用，提高了工程整体的经济性。

5 结 语

研究了混合能源系统的规划问题，把混合能源系统设计转化为了非线性规划问题进行求解。建立以投资成本和运行成本最小为目标的优化函数，提出了以粒子群结合CPLEX的方法对优化问题进行求解，在备选供能设备中寻找最优配置组合方案。

仿真结果表明，通过对混合能源优化配置方法和典型调度运行策略研究可充分挖掘多能源之间的互补潜力，使工业园区混合能源系统的配置方式由传统粗放式转变为精确优化配置，降低系统配置方案的保守性；通过多种能源混合利用，提升了系统的综合经济性。优化配置方法的应用能够为工业园区能源供应项目的规划、设计提供参考性支撑，丰富了设计手段。