基于全年動態(tài)負荷的樓宇式天然氣分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化研究

李博文，馮洪慶，張曉東，李雪萌

(1.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

目前，很多已經(jīng)建成的分布式能源項目由于在設(shè)計過程中對系統(tǒng)容量的計算和機組配置大多采用經(jīng)驗法，導(dǎo)致出現(xiàn)了設(shè)計周期長、計算方法不統(tǒng)一、系統(tǒng)評價標準不明確等問題。因此 ，對不同形式的分布式能源系統(tǒng)從機組配置、運行策略和建設(shè)成本等方面[1]進行優(yōu)化是非常值得研究的課題。

近年來，有學(xué)者對可再生能源和化石能源所構(gòu)建的多能互補分布式能源系統(tǒng)進行了研究。文獻[2-4]提出利用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供能，并采用遺傳算法來優(yōu)化系統(tǒng)容量。結(jié)果表明，混合供能系統(tǒng)比單一供能系統(tǒng)更加節(jié)能，并且效益更好。魏大鈞等[5]通過對生物質(zhì)氣分布式能源項目和天然氣分布式能源項目進行設(shè)計分析，認為優(yōu)化后的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)相比，節(jié)能減排效果顯著。陳潔等[6]以一個包含光伏，風(fēng)電，微燃機，燃料電池，蓄電池以及熱、電負荷組成的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，運用改進遺傳算法，對綜合經(jīng)濟性與環(huán)保性的多目標優(yōu)化和單目標優(yōu)化進行了對比分析，證明了多目標優(yōu)化比單目標優(yōu)化精度更高。

盡管許多學(xué)者通過對分布式能源系統(tǒng)多能互補方案的研究優(yōu)化了其能源利用效率，但是實際工程實踐中設(shè)備配置和容量的優(yōu)化仍然是制約系統(tǒng)節(jié)能和經(jīng)濟性的最關(guān)鍵因素。目前，通過模擬分布式能源系統(tǒng)機組配置并結(jié)合數(shù)學(xué)模擬計算是求解系統(tǒng)最優(yōu)容量比較常見的方式。Wang等[7]針對區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的余熱利用形式進行分析，采取詳細的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，對余熱按照品質(zhì)等級進行分類，實驗結(jié)果表明混合整數(shù)線性規(guī)劃模型可以節(jié)約5%的能源成本。黃興華等[8]基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃理論，構(gòu)建了微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的多目標運行優(yōu)化模型。通過對系統(tǒng)運行過程進行優(yōu)化，結(jié)合儲能技術(shù)，迭代生成運行控制策略，項目運行以后取得了較好的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果。Abdollahi等[9]通過智能優(yōu)化算法對小型分布式能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程考慮了對于環(huán)境的影響。陳旭等[10]通過對比天然氣和供電價格，分別找到了分布式能源項目節(jié)能減排的平衡點和成本經(jīng)濟性平衡點。

但是分布式能源系統(tǒng)運行是一個動態(tài)過程，已有的優(yōu)化方案對基于全年動態(tài)負荷需求進行發(fā)電機組容量配置的相關(guān)研究較少[11]。另外，發(fā)電機組的配置環(huán)節(jié)對于分布式能源系統(tǒng)設(shè)計過程非常重要，尤其是發(fā)電機組的滿負荷運行時間和發(fā)電機組的貢獻情況，已有的研究尚缺乏明確的評價指標。本文基于此提出了針對分布式能源系統(tǒng)中基礎(chǔ)發(fā)電機組的評價指標，耦合兩種算法優(yōu)化了分布式能源系統(tǒng)，并驗證了算法的有效適用性。

1 構(gòu)建系統(tǒng)模型

1.1 基礎(chǔ)發(fā)電機組原動機類型的選擇

本文對于計算方法驗證和發(fā)電機組評價指標的分析過程基于中國四川某樓宇式建設(shè)項目模型，模型一年中有冷、熱、電3種負荷需求，并且熱負荷中包含蒸汽和建筑采暖兩種形式。分布式能源系統(tǒng)在不同的運行時間段，動態(tài)負荷需求曲線的波動情況不同，見圖1。全年共8760 h，本文把分布式能源系統(tǒng)的單位運行周期定為24 h，全年共365個運行周期，見圖1。

圖1 典型單位運行周期負荷需求波動圖Fig.1 Load comparisonin typical unit operating cycles

樓宇分布式能源系統(tǒng)，單位運行周期內(nèi)用能負荷晝夜波動較大，要求機組具有更快的動態(tài)響應(yīng)，機組的運行調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有更高的靈敏度。本文中，樓宇分布式能源系統(tǒng)采用天然氣作為一次能源，冷熱電負荷都需要通過分布式能源站滿足，這就要求能源站運行過程可以靈活調(diào)節(jié)，隨用能負荷變化系統(tǒng)運行響應(yīng)迅速，并且分布式能源系統(tǒng)容量應(yīng)該和用能需求匹配合理。由于燃氣輪機在電負荷變化比較大的情況下生產(chǎn)的電能品質(zhì)差，安全系數(shù)低，所以樓宇式項目發(fā)電機組不宜采用燃氣輪機作為原動機。為了保證樓宇分布式能源系統(tǒng)供能穩(wěn)定，滿足綜合能源利用率、經(jīng)濟性指標等條件，基礎(chǔ)發(fā)電機組優(yōu)先選擇天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組。

1.2 系統(tǒng)配置方案

項目模型全年動態(tài)電負荷在單位運行周期內(nèi)波動較大，發(fā)電機組采用天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組是合理的。項目全年有穩(wěn)定蒸汽需求，不適合采用儲熱設(shè)備，余熱的主要利用方式為提供熱負荷，僅在夏季有空調(diào)冷負荷需求，所以機組配置方案采用蒸汽型余熱鍋爐、蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組、汽-水換熱器和蓄電單元。蓄電單元的作用主要是在電負荷需求比較低的時間段協(xié)同基礎(chǔ)發(fā)電機組提高發(fā)電功率，基礎(chǔ)發(fā)電機組結(jié)合蓄電單元用于減小電負荷調(diào)峰的范圍，提高余熱供熱能力，可以實現(xiàn)電能削峰填谷和保障熱負荷供給目的。另外，由于政策限制，本系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)供電方式，電負荷調(diào)峰采用電網(wǎng)調(diào)峰方式，熱負荷調(diào)峰設(shè)備采用燃氣蒸汽鍋爐。系統(tǒng)設(shè)備配置模型見圖2。

圖2 系統(tǒng)機組配置方案Fig.2 Schematic of the system configuration

1.3 系統(tǒng)能量平衡

本例中發(fā)電機組采用國產(chǎn)天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組，發(fā)電效率為38%，蓄電池的輸入輸出效率為95%[12]，余熱鍋爐對余熱的利用效率根據(jù)實際項目熱需求進行確定，蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組制冷系數(shù)取1.2，燃氣鍋爐熱效率取92%，負荷數(shù)據(jù)計算過程均考慮了3%的管網(wǎng)損失。

蓄電單元容量計算式如下：

(1)

式中：Qb為蓄電單元容量，A·h；Pg,s為蓄電單元實時充電量，kW·h；ηc為充電效率；U為蓄電單元輸出電壓，V；U(t)為實時充電電壓，V；I(t)為實時充電電流，A；t為時間，h。

蓄電單元供電能力計算公式如下：

Pd=Qb×ηd，

(2)

式中：Pd為蓄電單元輸出電量，kW·h；ηd為放電效率。

機組實際供能熱電比計算公式如下：

(3)

基礎(chǔ)發(fā)電機組余熱供能能力表達式：

(4)

式中：cg為煙氣質(zhì)量比熱容，kJ/(kg·℃) 。在此給出標況下本項目所需煙氣物理性質(zhì)相關(guān)參數(shù)(400 ℃時cg=1.151；500 ℃時cg=1.185；600 ℃時cg=1.214；700 ℃時cg=1.239)；Cbg為基礎(chǔ)發(fā)電機組容量，kW；Gg為通過余熱利用設(shè)備的煙氣質(zhì)量流量，kg/h；Tg1、Tg2為通過余熱設(shè)備的煙氣進出口溫度，℃；cj為缸套水質(zhì)量比熱容,kJ/(kg·℃)，在此取4.2；Gj為通過余熱利用設(shè)備的缸套水質(zhì)量流量，kg/h；Tj1、Tj2為通過余熱設(shè)備的缸套水進出口溫度，℃；Qwh為余熱供能能力，kW ；Reld為全年動態(tài)電負荷，kW；i為運行時間，h。

分布式能源系統(tǒng)電平衡表達式：

Enggs+Egrid+Eb-Enggs,b=EAC，

(5)

式中：Enggs為發(fā)電機組瞬時輸出功率，kW；Egrid為分布式能源系統(tǒng)采用電網(wǎng)調(diào)峰瞬時功率，kW；Eb為電池瞬態(tài)輸出功率，kW；Enggs,b為電池瞬態(tài)輸入功率，kW；EAC為電負荷瞬時功率，kW。

分布式能源系統(tǒng)冷熱平衡表達式：

Qhrsg+Qsb=Qsteam+Qhe+Qac，

(6)

式中：Qhrsg為基礎(chǔ)發(fā)電機組余熱功率，kW；Qsb為燃氣蒸汽鍋爐功率，kW；Qsteam為項目蒸汽負荷，kW；Qhe為汽-水換熱器輸入功率，kW；Qac為蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組輸入功率，kW。

2 優(yōu)化模型

目前國際上建筑環(huán)境模擬軟件很多，研究表明清華大學(xué)建筑環(huán)境模擬軟件DeST計算結(jié)果符合中國建筑特征，其建筑模型充分考慮了房間的熱平衡和建筑環(huán)境等因素，尤其是在動態(tài)模擬方面，DeST計算結(jié)果更加準確[13-14]，所以本文中原始負荷數(shù)據(jù)采用DeST軟件計算。

2.1 分布式能源系統(tǒng)中基礎(chǔ)發(fā)電機組性能評價指標

第一個指標是發(fā)電機組有效利用率，即機組實際全年總發(fā)電量和理論上全年8760 h均以額定功率運行時總發(fā)電量的比值，ηeu的大小用來評價分布式能源系統(tǒng)裝機容量是否恰當(dāng)，ηeu越小則說明裝機容量越大。

第二個指標是機組發(fā)電量貢獻率，即機組實際全年總發(fā)電量和建設(shè)項目實際需求總電量的比值，ηeg的大小用來評價分布式能源系統(tǒng)對于用戶總需求的貢獻作用，ηeg越小則說明分布式能源系統(tǒng)在整個供能系統(tǒng)中起的作用越小。

機組有效利用率計算式如下：

(7)

(8)

機組發(fā)電量貢獻率計算式如下：

(9)

式中：Eat為年發(fā)電總量，kW·h；ηeu為機組有效利用率；ηeg為機組發(fā)電量貢獻率。

2.2 能源成本經(jīng)濟性優(yōu)化模型

本文經(jīng)濟性分析主要考慮分布式能源系統(tǒng)能源成本節(jié)約率[15]。

(10)

(11)

(12)

式中：ηcost為年運行成本節(jié)約率；QcostA為分布式能源系統(tǒng)年運行成本，元；QcostB為常規(guī)系統(tǒng)年運行成本，元；Ogas,i為天然氣價格，元；Fgs,i為發(fā)動機消耗燃料量，m3；Fsb,i為燃氣鍋爐燃料消耗量，m3；Fgrid,i為從電網(wǎng)購電量，kW·h；Ogrid,i為購電價格，元。

2.3 分布式能源系統(tǒng)綜合用能優(yōu)化模型

分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率[16]表達式：

(13)

式中：v為年平均能源綜合利用率；W為年聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電量，kW·h；Q1為年有效供熱利用余熱總量，MJ；Q2為年有效供冷利用余熱總量，MJ；B為年聯(lián)供系統(tǒng)燃氣總耗量，m3；QL為燃氣低位發(fā)熱值，MJ / m3。

分布式能源系統(tǒng)節(jié)能率表達式：

(14)

式中：Ape為常規(guī)系統(tǒng)一次能源消耗量，m3；Bpe為分布式能源系統(tǒng)一次能源消耗量，m3。

2.4 動態(tài)電負荷平均值算法

本方案以動態(tài)電負荷的平均值為系統(tǒng)基礎(chǔ)發(fā)電容量，計算方法如下：

任意時間段機組供電做功計算式：

(15)

動態(tài)電負荷平均值計算式：

(16)

式中：Eaal為電負荷的平均值，kW；En為動態(tài)電負荷，kW；WE為電功，kW·h；U(t)為發(fā)電機組輸出動態(tài)電壓，V；I(t)為發(fā)電機組輸出動態(tài)電流，A；k為系統(tǒng)運行時長，h(系統(tǒng)全年運行工況下k=8760 h)；t0為統(tǒng)計開始時間；t1為統(tǒng)計結(jié)束時間。

2.5 基礎(chǔ)發(fā)電機組容量多維度迭代算法

多維度迭代算法通過對全年動態(tài)負荷進行冷、熱、電、時間、性能、貢獻比和經(jīng)濟性等進行耦合計算，首先對全年最高電負荷按照固定步長進行迭代降值計算，輸出可以作為基礎(chǔ)發(fā)電機組容量的一維數(shù)組Rcd(n)。然后，分別以機組容量數(shù)組中的值為基礎(chǔ)發(fā)電機組，通過計算得到發(fā)電機組年滿負荷運行時間數(shù)組Tf(n)、實際滿負荷發(fā)電總量數(shù)組Ef(n)和基礎(chǔ)發(fā)電機組的全年總發(fā)電量數(shù)組Eat(n)。本方案運算過程考慮了在全年動態(tài)負荷需求下的機組的能量轉(zhuǎn)化情況，運算得到的數(shù)據(jù)用來分析機組有效利用率和發(fā)電量貢獻率兩個指標，具體計算模型見式(17)。

(17)

依次運算可以得到以下數(shù)組：

Rcd(1)，Rcd(2)，Rcd(3)，Rcd(4)，Rcd(5)，…，Rcd(n)，

Tf(1)，Tf(2)，Tf(3)，Tf(4)，Tf(5)，…，Tf(n)，

Ef(1)，Ef(2)，Ef(3)，Ef(4)，Ef(5)，…，Ef(n)，

Eat(1)，Eat(2)，Eat(3)，Eat(4)，Eat(5)，…，Eat(n)。

3 結(jié)果和討論

3.1 基于基礎(chǔ)發(fā)電機組容量多維度迭代計算的優(yōu)化運行結(jié)果

以數(shù)組Rcd(n)的數(shù)據(jù)為X軸，命名為基礎(chǔ)發(fā)電機組裝機容量；以Tf(n)的數(shù)據(jù)為Y軸，命名為滿負荷運行時間；以Ef(n)的數(shù)據(jù)為Z軸，命名為滿負荷發(fā)電量，建立三維曲面圖，如圖3。

通過三維曲面圖(圖3)，找到Z軸方向峰值A(chǔ)點，即當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)電機組容量為2477 kW時，全年滿負荷運行時間為3505 h，滿負荷發(fā)電量為8677 MW·h。采用多維度迭代計算優(yōu)化，以圖3中A點機組容量為基礎(chǔ)發(fā)電機組，全年實際滿負荷發(fā)電量最大，說明基礎(chǔ)發(fā)電機組在此容量時達到了本建設(shè)項目實際滿負荷運行的最佳條件。

圖3 不同容量發(fā)電機組在全年的運行結(jié)果Fig.3 Year-round operation comparison of generator sets with different capacities

采用動態(tài)電負荷平均值計算法優(yōu)化得到項目基礎(chǔ)發(fā)電機組容量結(jié)果為2297 kW，發(fā)現(xiàn)多維度迭代計算得到的電負荷值與全年動態(tài)電負荷平均值有一定的偏差。以數(shù)組Rcd(n)負荷值和全年動態(tài)電負荷平均值的并集作為基礎(chǔ)發(fā)電機組容量，計算出發(fā)電機組有效利用率和機組發(fā)電量貢獻率的曲線，見圖4?？梢钥闯鲭S著基礎(chǔ)發(fā)電機組容量增加，機組有效利用率呈下降趨勢，機組發(fā)電量貢獻率呈上升趨勢。發(fā)電機組容量越大，機組全年有效發(fā)電量越多，雖然機組發(fā)電量貢獻率增高，但是理論上全年8760 h均以額定工況運行時總發(fā)電量會更大，機組在實際動態(tài)運行時滿負荷運行時間減少，導(dǎo)致機組有效利用率低。圖4中A點發(fā)電機組容量為2477 kW，B點為全年動態(tài)電負荷平均值時發(fā)電機組容量2297 kW，以兩條曲線的交點為中心，A、B兩點對稱，說明在兩個比率因素共同影響時，A、B兩點為參與計算的數(shù)值中的優(yōu)選數(shù)值。考慮到根據(jù)實際情況，基礎(chǔ)發(fā)電機組選擇機型時應(yīng)該有一個功率選型范圍，耦合優(yōu)化方案把A、B兩點的容量值定為發(fā)電機組選型功率范圍，即2297～2477 kW，A、B兩點對比結(jié)果見表1。

圖4 發(fā)電機組有效利用率和機組發(fā)電量貢獻率對比圖Fig.4 Comparison of the effective utilization rates and electricity contribution rates of the generator sets

表1 A、B兩點參數(shù)

注：Efi=Cbg×8760,為理想全年滿負荷發(fā)電總量(kW·h)

以Rcd(n)數(shù)組中的數(shù)值作為基礎(chǔ)發(fā)電機組容量進行運行模擬計算，計算出每個機組容量的能源成本節(jié)約率。從圖5可以看出，隨著機組容量上升，能源成本節(jié)約率也逐漸升高。在2297～2477 kW內(nèi)，能源成本節(jié)約率為20.14%～20.85%，具有良好的運行經(jīng)濟效益。綜合考慮基礎(chǔ)發(fā)電機組利用率、基礎(chǔ)發(fā)電機組貢獻率，選擇2297～2477 kW機組容量較為合適。

圖5 不同容量機組的能源成本節(jié)約率曲線Fig.5 Energy cost saving ratio curves of generator sets of different capacities

通過圖6a可以看出在2297～2477 kW內(nèi)均保證了分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率大于70%，通過圖6b可以看出隨著基礎(chǔ)發(fā)電機組容量的增大，分布式能源系統(tǒng)均保證節(jié)能率大于14.3%，根據(jù)《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》[16]要求，在2297～2477 kW內(nèi)的基礎(chǔ)發(fā)電容量是有效容量。

圖6 機組容量變化對年平均能源綜合利用率和節(jié)能率影響圖Fig.6 Influence of generator capacity changes on the annual average energy utilization rate and primary energy saving ratio

4 結(jié)論

(1)本文提出針對天然氣發(fā)動機發(fā)電機組的兩個評價指標，其中發(fā)電機組有效利用率以機組本身在整個供能系統(tǒng)全年運行周期中的使用情況為研究對象，利用率越高說明機組容量閑置越少，機組運行過程中利用越充分。機組發(fā)電量貢獻率是以能源供應(yīng)的分配問題為研究對象，發(fā)電機組有效發(fā)電量大，對于整個用能系統(tǒng)貢獻率高，說明調(diào)峰需求能量就會減少，這種工況下分布式能源系統(tǒng)在供能系統(tǒng)中貢獻更大。

(2)耦合算法得到的裝機容量范圍為2297～2477 kW，在此容量范圍內(nèi)的分布式能源系統(tǒng)相對于分產(chǎn)供能系統(tǒng)一次能源節(jié)約率大于14.3%，能源經(jīng)濟性提高了20.14%～20.85%，能源綜合利用率大于70%。耦合時間和動態(tài)負荷等多維度優(yōu)化方案適用于樓宇式分布式能源項目，可以顯著提高能源利用率和經(jīng)濟性。