運行策略分析在DES方案設計中的應用

高雄偉 潘軍松

上海申能能源服務有限公司

1 問題的提出

天然氣分布式供能系統(tǒng)（簡稱DES）作為當前有效的能源系統(tǒng)之一，在公用建筑、區(qū)域性能源項目中已成為一種基礎性的配置。在建筑天然氣DES系統(tǒng)中，天然氣發(fā)電機組（以下稱原動機）發(fā)電供應建筑電力需求的同時，還產(chǎn)生大量的余熱，轉換成冷凍水或熱水，滿足建筑的冷熱需求。

DES系統(tǒng)的一般流程如圖1所示。原動機生產(chǎn)電能并輸出，同時將以煙氣、蒸汽、熱水等形式的余熱回收，用于供熱或制冷。除了余熱鍋爐（換熱器）、吸收式制冷機等直接利用余熱的設備外，為了增加系統(tǒng)供電、供熱、供冷的穩(wěn)定性和可靠性，一般還要配備電動制冷機、燃氣鍋爐、蓄能裝置等。

圖1 DES系統(tǒng)原理示意圖

在DES方案設計中，原動機排放的余熱“梯級利用”已作為一個基本原則，根據(jù)不同的排熱形式和溫度水平采用相應的余熱利用方式，但僅此不足以保證系統(tǒng)運行的持續(xù)穩(wěn)定和高效。

實踐表明，原動機連續(xù)穩(wěn)定運行是保障DES項目經(jīng)濟性和節(jié)能性的關鍵，這也是DES激勵政策中提出機組年運行小時考核的主要因素。在一般方案的規(guī)劃中，為了確保機組的運行時間，往往會采用基礎負荷作為設計容量的依據(jù)，但同時也可能導致DES系統(tǒng)規(guī)模過小，帶來設備單價高、節(jié)能效益少的問題。

因此，在方案設計階段，為確立更合理的機組容量及配置方案，需要進行原動機運行特性與建筑負荷之間的匹配分析，從運行策略角度優(yōu)化機組配置，實現(xiàn)經(jīng)濟性和能效的最大化。

2 DES運行策略

在建筑DES中，系統(tǒng)可歸結為兩部分：設備側和建筑側。設備側在運行過程中不斷調(diào)整其運行狀態(tài)來滿足建筑各種形式的能源需求，其能量及運行關系如圖2所示。

圖2 設備側與建筑側能量關系

原動機作為DES中的關鍵設備，其運行特性與建筑負荷之間的匹配直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟性。原動機運行不可能做到0～100%的負荷調(diào)節(jié)，在每個工況點下都會有固定的運行參數(shù)，熱電比是衡量其工作性能的重要參數(shù)。同樣對于建筑來說，其能量需求也可分為熱和電兩部分，需要說明的是冷負荷也是熱需求的一種形式。

研究DES的運行策略，主要是基于原動機熱電比與建筑熱電比的匹配來確定運行模式。在實際運行中可采取的策略包括：原動機運行模式（以熱定電/以電定熱）、部分負荷調(diào)整、運行臺數(shù)控制、最小負荷率和最小購電量。

（1）原動機運行模式

基于原動機的熱或電輸出為基準，運行模式具有以下2種基本形式：①以輸出電力的多少來決定原動機運行工況的模式稱為”以電定熱”；②以原動機輸出熱量為依據(jù)來控制原動機的運行工況稱為”以熱定電”。

（2）部分負荷調(diào)整

原動機自身都有部分負荷的調(diào)節(jié)能力，利用原動機的部分負荷特性能有效擴大天然氣DES系統(tǒng)的工作時間。

（3）運行臺數(shù)控制

各種原動機在部分負荷率工況下，發(fā)電效率均有所下降，在50%負荷時效率下降8%～10%，而燃氣輪機在50%負荷率以下發(fā)電效率將下降15%～25%。DES系統(tǒng)方案設計時，出于系統(tǒng)安全性和設備維護等考慮，會配置2臺以上的原動機。在實際運行過程中也常利用原動機臺數(shù)控制和部分負荷策略來滿足不同的負荷需求。

（4）最小負荷率

所有的原動機均不能在0～100%的全負荷范圍進行調(diào)節(jié)，因此需要設置最小負荷率，當電力負荷需求使得原動機的部分負荷率低于該最低負荷率時，原動機停機，不會輸出電力或者余熱。最小負荷率參數(shù)可以從機組樣本獲得。

（5）最小購電量

最小購電量是在電力不能上網(wǎng)的情況下保障系統(tǒng)運行正常的一種策略。該策略即保障無論何時系統(tǒng)都必須從電網(wǎng)購電的最小極限。該值可根據(jù)運行經(jīng)驗進行設置。

3 運行模式分析

基于原動機的電或熱輸出為基準的運行模式輸出有”以電定熱”和”以熱定電”，也有兩種模式在不同階段混用，即“混合模式”。

圖3 某原動機的熱電參數(shù)

圖3給出了某原動機的熱電參數(shù)。從圖3可以看出，對于某時刻建筑的熱電需求相對于原動機的熱電曲線，如圖3所示的A、B、C 三種情況，A、B、C三點的橫坐標表示建筑的電力負荷，縱坐標表示建筑的熱力負荷。A點建筑的熱電需求剛好與此時的原動機熱電比平衡，選擇“以電定熱”的運行策略與“以熱定電”的效果完全一樣；B點時原動機的工作點可能落在A點也可以是D點，選擇“以電定熱”則落在A點，選擇“以熱定電”則落在D點；對于C點，原動機的工作點可以落在A點也可以是E點，選擇“以電定熱”則落在A點，選擇“以熱定電”則落在E點。

對于B點，若選擇“以熱定電”（原動機實際工作點D）則原動機的余熱剛好滿足建筑的熱力需求，而此時的原動機發(fā)電量將超過建筑電力需求，需要向電網(wǎng)送電或者儲存多余的電力；若選擇“以電定熱”（原動機實際工作點A）則原動機的發(fā)電量剛好滿足建筑的電力需求，而原動機提供的余熱將低于建筑的熱力需求所需要補充的熱量。當建筑的熱電參數(shù)點在B點時，上網(wǎng)電價不合適的情況下，只能選擇“以電定熱”的運行模式，并且需要補充熱源。

對于C點，若選擇“以熱定電”（原動機實際工作點E點）則原動機的余熱剛好滿足建筑的熱力需求，而發(fā)電量將低于建筑的電力需求，需要向電網(wǎng)購電；若選擇“以電定熱”（原動機實際工作點A點）則原動機的發(fā)電量剛好滿足建筑的電力需求，而原動機的余熱量將超過建筑的熱力需求。在此類情況下，系統(tǒng)選擇“以電定熱”會出現(xiàn)余熱浪費，“以熱定電”需要購電。

上述各點只有A點是最理想情況，B點需要補充熱量，C點將有熱量浪費，D點需要余電上網(wǎng)，E點電力不足，需要向電網(wǎng)購電。在上網(wǎng)電價過低的情況下，單純采取“以熱定電”的運行模式還不成熟。而采取“以電定熱”模式，將經(jīng)常性出現(xiàn)熱量不足或者熱量浪費的情況。若采用儲熱裝置，雖可有效平衡熱力產(chǎn)出和需求，改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性，但運行管理更為復雜、初投資也會增加。

若DES的運行調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以做到根據(jù)監(jiān)測建筑能源需求、實時調(diào)整其運行策略，那么當建筑的實際負荷落在C點時采取“以熱定電”模式，而落在B點時采取“以電定熱”模式，就可以有效應對建筑負荷變化導致的系統(tǒng)余熱浪費，且能避免多余電力上網(wǎng)的困境，本文稱此種模式為“混合模式”。

4 運行模式的計算流程

（1）“以電定熱”模式

該模式下全年采取“以電定熱”運行策略。如圖4所示，根據(jù)電力負荷Er確定原動機的部分負荷率，由此根據(jù)原動機樣本插值得出其可用的余熱量Qs以及燃氣耗量V1；再根據(jù)此時的冷負荷（夏季）或熱負荷（冬季）加上熱水負荷得到熱需求Qrc+Qw。

圖4 “以電定熱”計算流程圖

如果Qs＜Qrc+Qw，那么鍋爐需要補充熱量為：Qrc+Qw-Qs，即可得到鍋爐的燃氣耗量V2；反之，若Qs＞Qrc+Qw，說明原動機的余熱有富裕，即浪費余熱量為Qs-（Qrc+Qw）。若此時的建筑電力負荷超過原動機的額定發(fā)電功率，那么差值即為購電量Er-E。

此對比所需的原動機和鍋爐燃氣耗量、購電量、余熱浪費量等數(shù)據(jù)均可得到。

（2）“以熱定電”模式

“以熱定電”模式是指全年以熱需求為基準來確定原動機發(fā)電量，這在允許電力上網(wǎng)且電價合適的情況下，可以將天然氣DES系統(tǒng)的經(jīng)濟性最大化。

圖5 “以熱定電”計算流程圖

如圖5所示，首先根據(jù)冷負荷或者熱負荷以及熱水負荷得到熱需求Qrc+Qw，如果該熱需求大于原動機的最大余熱量，那么鍋爐需要開啟,補充熱量為Qrc+Qw-Qs,得到鍋爐的燃氣耗量V2，此時內(nèi)燃機組滿負荷運行，發(fā)電量為E，如果發(fā)電量大于電力負荷則向電網(wǎng)輸電量為E-Er，否則購電量為Er-E；如果Qrc+Qw小于原動機的額定余熱量，那么根據(jù)插值得到此時原動機的發(fā)電量E，以及燃氣耗量V1，此種情況鍋爐不需要開啟，沒有熱量浪費，發(fā)電量E與電力負荷Er比較得出購電量或者售電量。

（3）混合模式

該模式下需要預判當前建筑負荷的熱電比與原動機的熱電比的關系，來決定是采取“以熱定電”還是“以電定熱”模式。

圖6 混合策略判斷流程

首先，建筑側的電力負荷Er如果大于原動機額定發(fā)電量，則以原動機最大發(fā)電量進入后續(xù)計算，否則以實際電力負荷進行后續(xù)計算。根據(jù)電力負荷得出相應時刻原動機的余熱量Qs，如果大于建筑熱需求Qrc+Qrw＜Qs即建筑熱電比小于原動機熱電比，那么就采取“以熱定電”模式，否則采取“以電定熱”模式。

判斷式Qrc+Qrw＜Qs實際上體現(xiàn)了建筑熱電比與原動機熱電比的關系，兩邊同除以電力負荷Er即為熱電比的比較。判斷出基本模式后轉入相應的計算模塊即可進行計算。計算流程見圖6。

5 案例分析

以某個面積為20 000m2的辦公樓為目標建筑，經(jīng)計算負荷后初步設計DES系統(tǒng)方案，系統(tǒng)配置見表1。

表1 某建筑的DES系統(tǒng)配置

分別利用“以電定熱”、“以熱定電”、“混合模式”進行計算。計算時的假設如下：

（1）建筑的使用時間為8：00AM到22：00PM，不考慮其余時段；

（2）原動機的參數(shù)根據(jù)樣本數(shù)據(jù)采取直線插值求取；

（3）原動機最小部分負荷率為30%，即電力負荷低于原動機額定發(fā)電量30%時不發(fā)電。

（4）兩臺原動機運行工況根據(jù)電力負荷進行分配，將發(fā)電量為400kW的記為P400，發(fā)電量為600kW的記為P600。臺數(shù)運行狀況如下：當電力負荷＜120kW時，兩臺均不啟動；在120～400kW時P400運行；在400～600kW之間時P600運行；在600～720kW之間時P400滿負荷運行，P600部分負荷運行；在720～1000kW時，P600滿負荷運行，P400部分負荷運行；大于1 000kW時2臺均滿負荷運行；

（5）熱水吸收式溴化鋰機組的能效系數(shù)（COP）為常數(shù)，鍋爐熱效率為常數(shù)，兩者均為額定值。

（6）以平均電價0.71元/kWh，天然氣3.04元/Nm3計算年運行費用。

計算結果見表2?？梢钥闯?，“以熱定電”模式購電量最少而混合模式購電量最多，但混合模式的燃氣耗量最少，與“以電定熱”模式相比少了近130 000Nm3；“以電定熱”模式浪費熱量達1 940 000MJ，相當于56 000Nm3天然氣（熱值按35MJ/Nm3計），而其余兩種模式均無熱量浪費。

“以電定熱”的全年運行費用最高（未計入多余的熱量收益），“以熱定電”最少，“混合模式”介于二者之間?！耙詿岫姟北取耙噪姸帷鄙?80 000元左右，“混合模式”比“以電定熱”模式的年運行費用少41 000元左右。 盡管“以熱定電”模式運行費用最低，但是需要有一部分時間電力上網(wǎng)。

表2 三種模式下的運行數(shù)據(jù)

對計算結果進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)全年運行時間為5 484h的“混合模式”中有2 784h是按“以熱定電”模式運行的，約占總運行時間的50.1%，其運行比例非常大。從負荷數(shù)據(jù)也能看出。圖7顯示了全年每月一天的建筑熱電比和原動機熱電比。根據(jù)前面的分析，建筑熱電比大于原動機熱電比時采取“以電定熱”模式，否則“以熱定電”。

圖7 建筑和原動機每月熱電比圖

由負荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：原動機熱電比超過建筑熱電比的時間比例高達52%。在天然氣DES系統(tǒng)設計階段可以根據(jù)負荷數(shù)據(jù)作圖7，以對項目是否適合采用混合模式進行初步判斷。

以上的分析僅基于案例的一種設計配置，可以調(diào)整設計方案重新進行計算，直到獲得最佳的控制目標值。

6 結論

在現(xiàn)有多數(shù)建筑的DES中不具備電力上網(wǎng)條件的情況下，經(jīng)上述分析可發(fā)現(xiàn)，若能實現(xiàn)天然氣DES系統(tǒng)不同運行模式之間的簡單切換，采取“混合模式”有可能獲得最大的經(jīng)濟性和節(jié)能效果。

需要特別指出，本文所述的“以電定熱”和“以熱定電”的原則，是指原動機的運行模式，與通常從建筑負荷分析的“以熱定電”機組容量的設計原則有所不同。

上述運行策略中“以電定熱”、“以熱定電”作為基本原則，需要在系統(tǒng)設計的初步階段考慮，這將對原動機的選型產(chǎn)生影響。但是在建筑DES中采用電力并網(wǎng)不上網(wǎng)的情況下，不需要考慮“以熱定電”模式，因此設計階段原動機選型分析中，運行原則依然是“以電定熱”為主。“混合模式”只是系統(tǒng)的一種運行原則，對系統(tǒng)設計沒有影響。

本文所提及的其他運行策略，均從屬于原動機的運行模式，通過這些策略來保證系統(tǒng)的安全性（最小購電量原則、最小負荷率）、系統(tǒng)運行高效率（臺數(shù)控制、部分負荷率控制），這些策略的綜合運用可以更好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的熱電比輸出以匹配建筑不斷變化的熱電比，提高DES的適應性和穩(wěn)定性。