大型办公区分布式多能耦合能源站运行策略优化

2020-03-20宋宏升

分布式能源 2020年1期

宋宏升

(北京燃气能源发展有限公司,北京朝阳100101)

0 引言

面对日益严峻的世界能源形势,调整优化能源结构,提高清洁能源使用比例已经迫在眉睫。分布式能源系统符合我国当前的国情,应作为我国节能减排的重要手段[1]。但在项目实际开发过程中,常规分布式能源的局限性开始凸显,主要表现在系统单一、与环境协调不足、经济性欠佳等,因此多能耦合互补已成为分布式能源系统发展的新趋势,耦合系统的优势是可以克服常规分布式能源系统缺陷,在能源技术和利用方式上综合考虑能源、经济和环境因素,实现多能源系统耦合平衡,以及能源与环境最佳匹配融合。

为建设绿色、低碳、环保型经济,接近用户侧、环境友好的多能耦合分布式能源系统越来越受到青睐[2]。岳伟挺等[3]研究认为最佳方案是采用联供机组满足各项基本负荷的需求,采用燃气锅炉或电制冷机作为调峰设备使用。姒勇芳[4]、董兴杰[5]等研究了地源热泵与冰蓄冷耦合系统的设计与实现。郑拓等[6]建立了针对分布式能源系统的经济效益和环境效益的多目标优化模型。岳永魁等[7]综合考虑了热力学、经济学以及环境目标优化,开发建立了分布式能源系统的环境炯经济优化模型。

本文研究所基于的某大型办公区冷热电分布式多能耦合能源站,在规划设计之初就坚持世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位,建设一流的新能源示范中心的原则,作为全国首个多能源技术耦合+智慧能源管理的行政办公区能源站项目,以智能化能源管理,建生态新城;以个性化能源服务,创用能新态。该能源站通过将分布式冷热电三联供(combined cooling,heating and power,CCHP)系统与地源热泵系统、水蓄能、燃气锅炉以及电制冷机调峰设备等系统进行耦合实现优势互补,采用耦合系统不仅能提高燃气内燃发电机装机容量,而且可以降低运行成本,提高经济性[8]。能源站同时在各末端用能地块配套设置12个制冷换热子站,能源站建成运行以后将实现清洁能源利用率100%,可再生能源利用率大于40%,CCHP系统综合能源利用率大于86%,CO2减排率大于25%,全系统实现节能率不低于29%的目标,最大限度实现项目经济效益和环境效益,具有多能耦合节能减排的示范意义。

在实际应用中,分布式多能耦合能源中心所包括的设备种类繁多,多样性强,供能复杂性较高,尤其是同样的冷、热负荷需求可以由不同种类的设备组合进行满足[9]。对于本文所述能源站来说,冷负荷需求有15种设备组合方式,热负荷需求有10种设备组合方式,在波动的冷热电负荷下,系统运行策略多变,为了使分布式多能耦合能源系统的运行更加经济,需要针对用户的冷热电等负荷情况,随时对运行模式进行调整,因此冷热电联供系统的运行策略决定了系统的经济性[10-12]。

本文根据用户的冷热电负荷特征,以及天然气与电力能源价格,并同时考虑各主设备的启机最低负荷率和运行维护等成本,建立分布式能源系统数学优化模型,通过合理设定目标函数以及约束条件,利用数学优化软件Matlab对数学模型进行优化求解,并分析模型中各个因素的影响,对分布式多能耦合能源系统的运行策略进行优化,最后给出系统在各个供能季典型日的最优运行策略。

1 分布式多能耦合能源系统

本文研究对象为冷热电分布式多能耦合能源站。该系统由燃气内燃发电机组、烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵机组、冷(热)蓄能水池、10 kV电制冷机组、燃气热水锅炉和板式换热器等部分构成,系统结构如图1所示。

图1 分布式多能耦合能源系统示意图Fig.1 Diagram of distributed multi-energy coupled energy system

图中显示：系统能源输入来源于天然气、市政电网电力,其中400 V电负荷需求可以来自燃气内燃机供电,也可以通过市政电网获得。根据负荷需求并结合设备性能特点,用户冷负荷可以通过内燃机余热驱动烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵机组、电制冷机组、蓄能水池中任一设备或者由相关设备任意进行组合提供,其中电制冷机的电力来源只能是由10 kV市政电网提供。用户热负荷可以通过燃气内燃发电机发电过程中产生的高温缸套水通过采暖板式换热器换热、燃气内燃发电机发电过程中产生的高温烟气驱动烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵、蓄能水池、燃气锅炉中任一设备或者由相关设备任意进行组合提供。

2 数学模型

冷热电分布式多能耦合能源系统经济最优化模型建立的假设(前提)条件包括：

1)内燃机排烟余热经烟气热水余热型溴化锂冷温水机组回收后,烟气温度降至120℃。

2)系统产生的电力并网但不上网,即系统电力不足时可从公共电网购电,但不能将电输送到公共电网,系统运行时联供系统所发出的电能要全部被利用。

3)系统设备在优化期间无故障运行,同类设备的高效负荷区间相同,效率也相同。

4)采用各季典型日的负荷需求来代表全年负荷,假设在该典型日代表期间的负荷需求均相同,且不随年份变化。

2.1 各主要设备数学模型

系统主设备包括：燃气内燃发电机组,额定功率851 kW,2台;烟气热水余热型冷温水机组,制冷量825 kW,制热量897 kW,制冷性能系数(coefficient of performance,COP)值为1.42,制热COP值为0.93,2台;燃气真空热水锅炉,额定功率4 200 kW,效率0.92,2台;电制冷机组,制冷量6 680 kW,COP值为5.03,2台;地源热泵机组,制冷量1 417 kW,制热量1 443 kW,制冷COP值为6.35,制热COP值为4.16,6台;冷(热)蓄能水池系统包含3个蓄能水池,其中1号蓄能水池容量5 525 m3,2号蓄能水池容量6 343 m3,3号蓄能水池容量8 798 m3。三个水池并联运行,液位高度约8.5 m。1号水池夏季蓄冷冬季蓄热;2、3号水池仅夏季蓄冷,冬季不使用,蓄能水池的有效蓄能比例按照88%考虑。采暖用板式换热器,单台换热量446 kW,换热效率0.9,2台(分两期建设,一期设置1台);其他辅助设备包括泵、风机、冷却塔、远程散热水箱等。

2.1.1 燃气内燃发电机组

本分布式多能耦合能源系统中利用的内燃机余热包括缸套水和烟气余热两部分。燃气内燃机开关逻辑变量wGC表示燃气内燃机的关闭(wGC=0)/运行(wGC=1)状态,输出电功率PGC表示内燃机对外输出的电功率,变化范围为(0～851 kW)。本文对厂家提供的内燃机发电机组性能数据进行了拟合,得到燃气内燃机发电机组的工作性能曲线,如图2—4所示。可以看出,拟合结果能够较好的描述内燃发电机组的性能。

图2 内燃机天然气输入功率和输出电功率关系Fig.2 Relation between gas input power and electrical output of internal combustion engine

图3 内燃机烟气余热回收功率和输出电功率关系Fig.3 Relation between recovery heat of exhaust gas and electrical output of internal combustion engine

图4 内燃机缸套水余热回收功率和输出电功率关系Fig.3 Relation between recovery heat of jacket water and electrical output of internal combustion engine

根据拟合曲线,分布式多能耦合能源系统中燃气内燃机的天然气输入功率、可利用烟气余热功率和可利用缸套水余热功率可由下式计算得出：

对应的天然气耗量为：

式中：VGC为燃气内燃机耗气量,m3;HNG为天然气热值;GGC为燃气内燃机天然气输入功率,kW;为燃气内燃机可利用烟气余热量,kW;为燃气内燃机可利用缸套水余热量,kW。

对于燃气内燃机,低负荷率时,因其效率下降和污染物排放急剧增加而必须关闭。为使燃气内燃机运行于其高效运行区间,定义其高效运行时的最小负荷率为αGC=0.5,并假设系统所有同类设备的最小负荷率均相同。

2.1.2 烟气热水余热型溴化锂冷温水机组

在制冷工况下,内燃机组的烟气与全部高温缸套水分别进入冷温水机组的余热高压发生器和低压发生器。冷热水机制冷量为

在供热工况下,内燃机组的烟气进入冷温水机的余热高压发生器。冷温水机制热量为

2.1.3 地源热泵主机系统

(1)制冷工况下机组供冷量为

(2)制热工况下机组供热量为

2.1.4 冷(热)蓄能水池

考虑到蓄能经济性,蓄能水池蓄冷热均利用夜间8 h市政低谷电价时段进行,由于项目夜间也有冷热负荷需求,因此其中蓄冷量可由系统内满足夜间末端冷负荷需求后剩余的地源热泵及电制冷机组提供,蓄热可由系统内满足夜间末端热负荷需求后剩余的地源热泵机组提供。蓄水池释能原则是尽量在白天电价尖峰、峰及平时段将所蓄能量全部释放完毕,并尽量在电价尖峰及峰时段多释能。

(1)制冷工况下释冷量为

2)制热工况下释热量为

2.1.5 采暖板式换热器

内燃机组的高温缸套水通过采暖板式换热器加热采暖回水供热,采暖板式换热器供热量为

式中：ηPHE为采暖板式换热器换热效率为采暖板式换热器供热总量,kW。

2.1.6 电制冷主机系统

系统供冷量为

2.1.7 锅炉主机系统

燃气锅炉的供热总量采用线性化表示,即

相对应的锅炉天然气耗量为

式中：QNG为燃气锅炉的天然气输入热量,kW;ηGB为锅炉效率。

2.2 能量平衡

系统能量平衡方程包括冷(热)平衡和电平衡,以满足负荷需求。

2.2.1 冷(热)平衡

冷负荷需求可以由燃气内燃机组的烟气及缸套水余热驱动烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵机组、电制冷机组、蓄能水池中任一设备或者由相关设备任意进行组合提供,热负荷可以由燃气内燃发电机发电过程中产生的高温缸套水通过采暖板式换热器换热、燃气内燃发电机发电过程中产生的高温烟气驱动烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵、蓄能水池、燃气锅炉其中任一设备或者由相关设备任意进行组合提供。

2.2.2 电平衡

燃气内燃机组发电总量扣除系统生产辅助用电及其它辅助设备包括：泵、风机、冷却塔、远程散热水箱等自耗电(PEC)和驱动地源热泵机组、烟气热水余热型溴化锂冷温水机组及锅炉主机后,满足用户电负荷需求,不足电量购自市电,系统不对外供电,系统自耗电由式(18)表示。

式中：PBUY为通过市政电力购买的电量;Pdem为末端的用电负荷需求;PGSHP为地源热泵机组的耗电量;PAC为余热溴化锂吸收式机组的耗电量;PGB为锅炉的耗电量。

2.3 目标函数

本文将分布式多能耦合能源系统的年总运行及维修维护费用作为评价系统经济性的指标。即以系统年总运行及维修维护费用最低为优化目标,目标函数表达式为

要求各季典型日的运行费用(COC)及维护费用(CMC)的总和最低,其中燃气内燃机还考虑了脱硝和润滑油费用,即

式中：βNG为的天然气价格;βEL为购电电力价格;λ为各主设备的维修维护费用;D为燃气内燃机脱硝费用;L为燃气内燃机润滑油费用。

2.4 约束条件

系统各设备工作特性、能量平衡要求均作为优化问题的约束条件处理。为保证数学模型解的合理性及符合优化条件,考虑系统实际情况,另外附加的约束条件包括：

式(22)(23)(26)(27)(28)(29)保证烟气热水余热型溴化锂冷温水机组、地源热泵机组及蓄能水池分别在供冷及供热工况下提供而非消耗能量;式(24)保证系统从市政电网购电而不向其输电,即并网而不上网;式(25)保证锅炉供热时消耗而非生产天然气;式(30)保证锅炉在供热时提供而非消耗能量;式(31)保证采暖板式换热器提供而非消耗能量;式(32)保证电制冷机组提供而非消耗能量。

2.5 负荷需求

本文所述分布式能源系统根据项目自身特点,确定年采暖制冷时间为：采暖季,11月8日至次年3月22日,共计134天;制冷季,5月1日至9月30日,共计153天。每天供冷及供热时段均为全天24 h,在全年供能期间,系统大部分时间是运行在部分负荷下的。该系统的供冷季、供暖季典型日24 h逐时冷热负荷数据详见图5。

图5 供能季典型日逐时负荷图Fig.5 Typical day hourly cooling and heating load

2.6 能源价格和设备经济性参数

2.6.1 能源价格

天然气价格和峰谷电价决定着分布式多能耦合能源系统的智慧、经济运行策略。表1所示为项目所在地峰谷平电价,本文中天然气的组分和性质按陕甘宁的天然气组分和性质估算,其热值按照其低位热值为35.2 MJ/m3来计算,发电用气(含供暖、制冷)为2.25元/m3。

2.6.2 各主要设备经济参数

各主要设备的维护维修费用如表2所示。

2.7 优化求解结果及分析

根据以上所述,通过MATLAB程序语言建立优化模型,根据系统运行费用最低(经济最优)所求解模型得到的计算结果如下。

表1 项目所在地峰谷电价Table 1 Peak valley electricity price in project site

表2 各主要设备经济参数Table 2 Economic parameters of main equipment

2.7.1 供冷季典型日

图6分别表示优化得到的系统供冷季典型冷负荷工况下逐时供冷经济运行策略。根据负荷需求的波动,在市政电价低谷时段,燃气内燃发电机组全部处于停机状态,随着冷负荷的增加依次投入地源热泵机组、电制冷机组进行满足,满足夜间末端冷负荷需求后剩余的地源热泵及电制冷机组用于夜间8 h蓄冷。

在电价峰、平时段,发电成本低于购电成本,内燃发电机保持开启,对应烟气热水余热型冷温水机组与燃气内燃机同步开启,内燃机的烟气和缸套水余热全部进入相对应的烟气热水余热型冷温水机组用于提供冷负荷,余下的冷负荷需求,依次由蓄能水池释冷、地源热泵机组、电制冷机组进行满足。蓄能水池释能原则是尽量在白天电价尖峰、峰及平时段将所蓄能量全部释放完毕,并尽量在电价尖峰及峰时段多释能。

2.7.2 供暖季典型日

图6 供冷季典型日运行策略Fig.6 Operation strategy on typical days in cooling season

图7分别表示优化得到的系统供暖季典型热负荷工况下逐时供热经济运行策略。根据负荷需求的波动,在市政电价低谷时段,燃气内燃发电机组全部处于停机状态,随着热负荷的增加依次投入地源热泵机组、热水锅炉机组进行满足,满足夜间末端热负荷需求后如果还有剩余的地源热泵机组用于夜间8 h蓄热,用于白天电价尖峰、峰及平时段释能。

图7 供暖季典型日运行策略Fig.7 Operation strategy on typical days in heating season

在电价峰时段,发电成本低于购电成本,内燃发电机保持开启,对应烟气热水余热型冷温水机组与燃气内燃机同步开启,内燃机的烟气全部进入相对应的烟气热水余热型冷温水机组用于提供热负荷,内燃机的缸套水进行采暖板式换热器用于提供热负荷,余下的热负荷需求,依次由蓄能水池释热、热水锅炉机组、地源热泵机组进行满足。蓄能水池释能原则是尽量在白天电价尖峰、峰及平时段将所蓄能量全部释放完毕,并尽量在电价尖峰及峰时段多释能。

在电价平时段,发电成本低于购电成本,内燃发电机保持开启,对应烟气热水余热型冷温水机组与燃气内燃机同步开启,内燃机的烟气全部进入相对应的烟气热水余热型冷温水机组用于提供热负荷,内燃机的缸套水进行采暖板式换热器用于提供热负荷,余下的热负荷需求,依次由电价尖峰及峰时段未完全释能的蓄能水池继续释热、地源热泵机组、热水锅炉机组进行满足。