考虑损失的三联供系统容量配置与运行模式研究

王剑锋,王旭东,李峰,戚艳,邬斌扬,苏万华

(1.国网天津市电力公司,天津 300010; 2.天津大学 机械工程学院,天津 300350; 3.国网天津市电力公司电力科学研究院,天津 300384)

0 引 言

面对能源紧缺、环境恶化等全球性问题,节能减排一直都是世界各国持续努力的目标[1-3]。由于冷热电三联供系统(CCHP system, combined cooling, heating and power system)与传统的供能系统相比具有更高的一次能源利用率,因此该系统已经被开发研究了数十年[4]。系统在设计、优化的过程中涉及制冷、供热和发电三个相互影响的子系统,因而导致其复杂性。其中,发电单元最佳装机容量的选取一直是困扰联供系统设计的主要问题。根据文献[5]的研究：中国的联供系统项目很多,但由于装机容量不匹配,其经济效益大大降低。为了探索得出综合能源三联供系统的最佳装机容量,世界上许多学者进行了相关研究。文献[6]中总结了一些典型的方法,而文献[7]则建议可以通过发电单元容量与用户用电需求峰值的比率来确定发电单元最佳容量。如今,设计人员更倾向于使用更小的装机容量,使得CCHP系统以更长的时间、更高的效率和更快的初始投资回报来运行。然而,并非装机容量越小对于整套系统就越好。文献[8]研究指出,如果总装机容量低于一定值,联供系统的能源供应能力将不足,过多地使用辅助手段(如补燃、市网购电等)去满足剩余的负荷需求会降低整个系统的经济效益。因此,设计合理的评价指标,用来确定特定负荷需求下发电单元的最佳装机容量显得十分必要。

除了系统容量配置,运行模式也是影响综合能源三联供系统与其负荷需求匹配的关键因素[9-10]。常见的三种基本运行模式分别是：以电定热、以热定电和热电结合[11]。在一些研究中报道了不同运行模式对系统综合性能的影响[12-13],虽然也考虑到了节能、减排、经济等方面的因素[14-15],但对考虑损失的综合性能评价模型研究较少。

1 综合能源三联供系统与传统供能系统模型

综合能源三联供系统的配置形式主要取决于当地的能源条件及用户的负荷需求,其基本组成包括动力系统、供热系统和制冷系统[16]。文章以天津市某宾馆三联供系统为研究背景,系统主要由燃气轮机、吸收式制冷机、燃气锅炉、热交换器、光伏阵列、储能系统等设备组成。由于光伏阵列的布置情况会受到宾馆实地情况的限制,故文章是在假设光伏阵列已经布置完成的条件下,对燃气轮机容量配置以及运行模式选取展开的研究。

综合能源三联供系统与传统供能系统相比,其核心优势是实现了能量的梯级利用。燃料燃烧后产生的高温气体经过燃气轮机的动力系统,高品位的能量驱动燃气轮机做功,高温气体经过余热回收系统将热量回收,用来满足冷、热负荷。当回收的热量无法满足冷、热负荷时,采用燃气锅炉补燃来满足剩余的冷、热负荷;当燃气轮机发出的电量无法满足电负荷时,从市网购电来满足剩余的电负荷。综合能源三联供系统结构如图1所示。

传统供能系统中,冷负荷通过电制冷机来满足,热负荷由燃气锅炉满足,电负荷由电网购电满足。传统供能系统的结构如图2所示。

图1 综合能源三联供系统结构

图2 传统供能系统结构

2 综合能源三联供系统运行模式

2.1 以电定热

以电定热运行模式是指燃气轮机在某容量下供应的电能最大限度地满足电负荷需求,同时通过余热回收的热量用来满足热量需求。如果不能满足热量需求,则进行锅炉补燃。如果在最大容量下仍不能满足电负荷需求,则从市网购电来满足剩余需求。

2.2 以热定电

以热定电运行模式是指燃气轮机在某容量下通过余热回收产生的热量最大限度地满足热负荷需求,同时产生的电量用来满足电负荷。如果不能满足电负荷需求,则从市网购电。如果在最大容量下仍不能满足热负荷需求,则进行锅炉补燃。

2.3 热电结合

热电结合模式是以上两种模式的结合,该模式的目标在于避免多余的热量和电量产生,进而造成能源的浪费导致低效率的能源利用。

3 高效、经济、低碳综合性能指标构建

3.1 综合能源三联供系统和传统供能系统约束条件

3.1.1 综合能源三联供系统约束条件

1)电负荷约束条件：

(1)

2)热负荷约束条件：

(2)

(3)

(4)

3)冷负荷约束条件：

(5)

4)设备运行约束条件：

(6)

3.1.2 传统供能系统约束条件

1)电负荷约束条件：

(7)

2)热负荷约束条件：

(8)

3)冷负荷约束条件：

(9)

3.2 高效、经济、低碳综合性能指标的提出

为了综合评价联供系统的高效、经济、低碳性能,文中提出了高效系数、经济系数、低碳系数,以及由三项系数构成的综合评价指标。其物理意义及数学模型如下所述。

3.2.1 高效系数

高效系数是能够反映联供系统一次能源(天然气)利用效率的参数,被定义为综合能源三联供系统一次能源损失率与传统供能系统一次能源损失率的比值。三联供系统损失率越小,说明系统越高效,传统供能系统损失率在既定外界需求负荷规律且既定供能系统结构下为定值,故高效系数越小越好。

(10)

式中Exergylosscos、Exergylossdiv分别为三联供系统与传统供能系统的损失率;Fpgu为燃气轮机天然气消耗总量,m3;Fboiler为燃气锅炉天然气消耗总量,m3;Fsp,boiler为传统供能系统中燃气锅炉天然气消耗总量,m3。

3.2.2 低碳系数

低碳系数是能够反映温室气体减排效果的参数,被定义为综合能源三联供系统综合碳排量与传统供能系统综合碳排量的比值。综合碳排量是指：在实际运行中通过对比单位产能各温室气体的排放量,将各类温室气体排放量折算成当量CO2的排放量[17]。三联供系统综合碳排量越低越好,传统供能系统综合碳排量在既定外界需求负荷规律且既定供能系统结构下为定值,故低碳系数越小越好。

(11)

式中Emissioncos、Emissiondiv分别为三联供系统与传统供能系统的综合碳排量,kg;μgrid为市售电网的综合碳排放因子,kg/(kW· h);μpgu为燃气轮机的综合碳排放因子,kg/(kW· h);μboiler为燃气锅炉的综合碳排放因子,kg/(kW· h)。

3.2.3 经济系数

经济系数是能够反映经济成本(包含全寿命周期内年均设备购置维护成本和运行成本)节约效果的参数,被定义为综合能源三联供系统经济成本与传统供能系统经济成本的比值。三联供系统经济成本越低越好,传统供能系统经济成本在既定外界需求负荷规律且既定供能系统结构下为定值,故经济系数越小越好。

(12)

式中Economiccos、Economicdiv分别为三联供系统与传统供能系统的经济成本,元;Cpr为三联供系统年均设备购置维护成本;Crun为三联供系统年运行成本;Csp,pr为传统供能系统年均设备购置维护成本;Csp,run为传统供能系统年运行成本。

3.2.4 综合性能指标

综合性能指标是综合考虑高效ηeff、低碳ηemi、经济ηeco三个系数的评价指标,通过对该指标进行最优化求解来实现对三联供系统的全面优化分析。该问题属于多目标优化问题,要解决多目标优化问题可以要求决策者提供目标之间的相对重要程度,算法以此为依据,将多目标问题转化为单目标问题进行求解。因此,“相对重要程度”就是权重因子,综合以上三项系数并结合权重因子,提出高效、经济、低碳综合性能指标(HEL, high efficiency, economy and low emissions)：

HEL=θ1ηeff+θ2ηemi+θ3ηeco

(13)

θ1、θ2、θ3、分别为高效系数、低碳系数、经济系数的权重因子,权重因子的分配比例如下所示：

θ1+θ2+θ3=1

(14)

(15)

式中 min(Exergylosscos)、min(Emissioncos)、min(Economiccos)分别为综合能源三联供系统损失率、综合碳排量、经济成本进行单目标优化求解所能取得的最小值。

该优化方式实际上是一种无偏好的均衡优化,通过权重因子的分配来实现总体的均衡。若要考察三项系数对综合指标的贡献程度,就需要分别对三项系数进行单目标优化求解,求得该项系数能取得的最小值[16]。若某项系数的性能较突出,即对应的值较小,则这项系数对最优综合性能指标min(HEL)的贡献程度较大,同时其敏感度较高。为了抵消高敏感度的影响,应该分配更小的权重因子。采用按比例分配的方案对三种系数在综合指标中所占的权重进行分配,从而均匀地考虑到系统的高效、经济、低碳性能。

将该指标作为系统的目标函数进行最优化求解,能够全面、客观地分析某容量、某种运行模式下的系统性能。

4 运行规划结果

4.1 某宾馆典型负荷介绍

该宾馆建筑面积5 650 m2,共三层,每层高3.5 m,建筑类型为多层民用公共建筑。宾馆内部需要全天24 h保障冷、热、电供应,因此适合研究综合能源三联供系统的配置及运行模式的规划。参考文献[18-19]研究中确定的光伏发电特性,通过清华大学开发的能耗分析软件DeST来模拟计算得到该建筑物全年逐时冷、热负荷与去除光伏发电后的电负荷分布图,如图3、图4所示。

图3 建筑物全年冷、热负荷分布图

该宾馆建筑属于冬冷夏热型负荷,冷负荷最大值、最小值、平均值为823.4 kW、 0 kW、 54.6 kW;热负荷最大值、最小值、平均值为949.1 kW、 0 kW、 66.1 kW;电负荷最大值、最小值、平均值为252.7 kW、 159.5 kW、 186.2 kW。

图4 去除光伏发电后的建筑物全年电负荷分布图

文中算例均在MATLAB R2016a环境下编写,最优化求解采用软件内置的线性规划算法实现。计算机硬件配置为英特尔酷睿i7-8 700的CPU,16 G的内存,操作系统为WIN 10 64 bit。

根据项目相关的设备资料,对案例分析中的各相关参数进行选取,如表1所示。

表1 最优综合性能指标min(HEL)计算中的相关参数

4.2 模型建立与案例求解流程

文章模型建立与案例求解流程如图5所示。首先将设备运行参数和全年逐小时冷、热、电负荷参数导入到模型中,分别以高效、低碳、经济系数作为目标函数进行单目标优化求解,将优化结果归一化处理后作为综合评价指标的权重因子。然后以综合评价指标作为优化的目标函数,求出三联供系统在热电结合、以热定电、以电定热运行模式下,不同燃气轮机容量所对应的最优综合性能指标min(HEL)。最后将最终优化结果导出,以供分析研究。

4.3 高效、经济、低碳综合性能指标优化结果

为了确定权重因子,对三项系数进行单目标优化求解,求得各项系数能取得的最小值,然后根据单目标优化结果按比例分配三项系数所占的权重,单目标优化结果如表2所示。

图5 模型建立与案例求解流程图

表2 单目标优化结果

基于既定外界需求负荷规律且既定供能系统结构,对不同燃气轮机容量、不同运行模式下min(HEL)值进行计算,以得出最适合本案例的运行模式和燃气轮机容量。计算结果如图6所示。

图6 高效、经济、低碳综合性能指标优化结果

由图6可知,热电结合模式是本案例的最优运行模式,燃气轮机容量在200 kW时,其对应的min(HEL)最小,为0.795。此时损失率为26.58 %;年综合碳排量为2 145.32 t;年经济成本为96.27 万元。在容量大于450 kW后,min(HEL)值大于1。这主要由于燃气轮机扩容成本的不断增加,导致min(HEL)值持续增大,与传统供能系统相比将明显不再具有优势。

以电定热模式按照min(HEL)增长速度的变化可以划分为三个阶段。第一阶段：在较低的燃气轮机容量下,燃气轮机提供的电、热功率不足,需要持续购电,所以和热电结合的曲线是重合的;第二阶段：燃气轮机的最大功率不能覆盖全部电负荷范围(159.5 kW ～252.7 kW),需要额外购电。燃气轮机以满足电负荷为目标满负荷运行,当热负荷低于余热回收功率时,会造成热量的浪费。容量增大导致成本上升也是min(HEL)增长的原因;第三阶段：在较高的燃气轮机容量下,燃气轮机能满足全部电负荷,无须购电。且在电负荷全部满足的情况下,燃气轮机通过余热回收产生的热量也不再增加,热量的浪费不再增多。但随着最大容量的增加,导致成本的上升,致使min(HEL)上升。在容量大于200 kW后min(HEL)值大于1,与传统供能系统相比将明显不再具有优势。

在以热定电模式曲线中呈现的燃气轮机容量范围不能覆盖全部热负荷范围(0～949.1 kW),需要额外购气。相当于整段曲线均处在以电定热模式曲线的第二阶段。燃气轮机以满足热负荷为目标运行的情况下,当系统电负荷低于燃气轮机发电功率时,会造成电能的浪费。随着容量的增大也会导致系统经济成本的增加,致使min(HEL)上升。整段曲线的min(HEL)已明显高于其他两种模式,说明在该负荷特征下,以热定电显然不如其他两种模式更有优势。

5 结束语

在现有设备性能和能源价格条件下,将该方法运用到某宾馆的供能系统规划工程中。利用综合性能指标对联供系统进行优化的结果与传统供能系统相比,高效、经济、减排性能提升效果明显,从运行效果方面验证了该方法的可行性。

基于单目标优化结果分配权重因子的方法,能够充分体现各项性能系数对于综合性能指标的贡献程度,能够全面、客观地分析某容量、某种运行模式下的系统性能。随着今后社会的发展和科学技术的进步,决策者可以根据对不同效益的关注程度来改变权重因子的分配比例,使该模型具备更广的适应性和更优的灵活性。该研究方法为联供系统的运行规划提供了一定的理论指导,也为解决其它领域的多目标优化问题提供了参考。