混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)建模與仿真分析研究*

梁曉龍 章 楠 張俊偉 張浩然 鐘 崴, 林小杰△

(1.國能寧夏供熱有限公司,銀川;2.浙江大學(xué),杭州;3.浙江大學(xué)工程師學(xué)院,杭州)

0 引言

城鎮(zhèn)供暖是我國一次能源消耗大戶,占全國建筑運(yùn)行總能耗的21%[1],是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域燃煤鍋爐一直是我國現(xiàn)行集中供暖系統(tǒng)的主力?，F(xiàn)階段“煤改電”正逐步成為北方城市清潔取暖的主流形式[2]。此前,我國電替代供暖多為電單獨(dú)供暖模式,采用不同電熱設(shè)備來替代分散的燃煤供暖設(shè)施。這種場(chǎng)景下的電替代供暖規(guī)模通常較小,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。在少數(shù)采用電供暖與熱電廠互補(bǔ)供暖的場(chǎng)景中,多是將電供暖設(shè)備集中配置于源側(cè),作為一種改善機(jī)組熱電特性的手段,忽略了供暖管網(wǎng)熱力學(xué)特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響,仍沒有改變城市集中供暖系統(tǒng)規(guī)模龐大、熱源單一、熱量損失嚴(yán)重、靈活性調(diào)節(jié)能力不足的問題。因此,研究熱電廠集中供暖系統(tǒng)與分布式電供暖耦合的供暖模式及其優(yōu)化配置對(duì)我國城市清潔供暖和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。

電供暖可以增加可再生能源發(fā)電消納量,減少能源浪費(fèi)。然而,實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,純粹的電供暖項(xiàng)目并不節(jié)能[3]。同時(shí),大規(guī)模電供暖設(shè)備的運(yùn)行容易造成負(fù)荷集中,極易產(chǎn)生高峰負(fù)荷,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。Zhang等人針對(duì)大規(guī)模電供暖負(fù)荷開發(fā)了一個(gè)高度精確的聚集模型,并基于該模型設(shè)計(jì)了一種新的負(fù)荷群體聚合控制策略,所提出的方法可以有效地管理大量電供暖設(shè)備,以提供各種需求響應(yīng)服務(wù)[4]。Shao等人則基于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性和人體舒適度指標(biāo),給出了電供暖裝置在不同需求下的運(yùn)行模式[5]。目前,針對(duì)電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的建模研究主要集中于電能和熱能的能流耦合轉(zhuǎn)換方面。Geidl等人提出的能源集線器模型是目前應(yīng)用最廣的熱電耦合系統(tǒng)內(nèi)部多能流耦合轉(zhuǎn)換設(shè)備理論數(shù)學(xué)模型,可以通過矩陣來描述能流輸入與輸出之間的關(guān)系[6]。Wasilewski利用圖論和網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了一種新的穩(wěn)態(tài)建模方法,克服了傳統(tǒng)能源集線器(energy hub)模型的一些局限性,并通過選定的能源運(yùn)行場(chǎng)景和示范性能源樞紐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算,驗(yàn)證了模型的正確性[7]。針對(duì)可再生能源大規(guī)模接入場(chǎng)景下的電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的設(shè)備配置問題,需要充分考慮多種能源的協(xié)調(diào)匹配,降低可再生能源出力不確定性的影響。Arivalagan針對(duì)熱電耦合系統(tǒng)短期和長期內(nèi)確定經(jīng)濟(jì)最優(yōu)能源組合的決策問題,提出了一種混合整數(shù)(0-1)線性規(guī)劃模型[8]。

現(xiàn)階段供熱系統(tǒng)的電能替代是采用不同電熱設(shè)備來替代分散的燃煤供暖設(shè)施的單獨(dú)電供暖模式,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。在系統(tǒng)建模方面,電熱混合供熱系統(tǒng)是多能流系統(tǒng),現(xiàn)有研究是以電力系統(tǒng)的建模為核心,對(duì)于熱力系統(tǒng)的建模過于簡化,且忽略了供暖管網(wǎng)的熱力學(xué)特性。本文在原有電供暖設(shè)備源側(cè)集中配置的基礎(chǔ)上,充分考慮供暖管網(wǎng)熱力學(xué)特性,提出了一種新型熱電廠集中供暖與分散式電供暖耦合的混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng),并建立了該系統(tǒng)的仿真求解模型,以我國華東地區(qū)某供暖系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真研究,對(duì)比分析了系統(tǒng)性能提升效果。

1 混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)建模

1.1 混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)組成

本文提出了一種新型混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng),在原有集中供暖系統(tǒng)熱力站處安裝電供暖裝置,利用電網(wǎng)進(jìn)行電加熱補(bǔ)熱,通過2種供暖方式的互補(bǔ)可以滿足用戶供暖需求。一方面分散式電供暖裝置的引入可以降低集中供暖系統(tǒng)供暖負(fù)荷,減少燃料消耗,同時(shí)電供暖還可以增加風(fēng)電、光電等清潔電力的消納,達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的;另一方面電供暖裝置分散布置于原有集中供暖系統(tǒng)熱力站處,不僅可以提高供暖靈活性,而且可以大幅度降低熱網(wǎng)過熱損耗。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合式電熱互補(bǔ)供暖在運(yùn)行過程中除需要滿足系統(tǒng)整體熱負(fù)荷供需平衡之外,還需要保證每個(gè)熱力站處都要滿足熱負(fù)荷供需平衡,即

Qi(t)=Qe,i(t)+Qh,i(t),i=1,2,…,m

(1)

式中Qi(t)為t時(shí)刻第i個(gè)熱力站處的總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;Qe,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)熱力站處的電供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;Qh,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)熱力站處的原有集中熱源供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;m為熱力站總數(shù)。

在混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)中,以Tw為室外計(jì)算溫度,當(dāng)室外溫度為Tw時(shí),原有集中熱源供暖負(fù)荷達(dá)到其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Qh,i,實(shí)際供暖負(fù)荷達(dá)到Qh,i,分散式電供暖設(shè)備也達(dá)到其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Qe,i。首先,熱水集中供暖系統(tǒng)開始運(yùn)作,將集中供暖系統(tǒng)的供暖設(shè)計(jì)溫度由原來的≥T0降低為≥T′0(T0、T′0分別為前后供暖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)溫度)。此時(shí)分散式電供暖設(shè)備尚未啟動(dòng),Qe,i(t)=0。由于供暖管網(wǎng)在輸送過程中存在水力損失和熱力損失,導(dǎo)致熱力站處實(shí)際供暖熱負(fù)荷Qh,i

1.2 混合式電熱互補(bǔ)子系統(tǒng)建模

混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)及能源耦合轉(zhuǎn)換設(shè)備組成。為進(jìn)一步與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證所提出的供熱模式的效果,下文開展了建模與仿真分析。

1.2.1電力系統(tǒng)計(jì)算模型

電力系統(tǒng)建模計(jì)算方法研究已經(jīng)較為成熟,其中應(yīng)用最廣的計(jì)算方法就是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法[9]。對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基爾霍夫定律建立電力系統(tǒng)的潮流模型,即假設(shè)電力系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率是恒定的。電力系統(tǒng)潮流方程可以表示為

i=1,2,…,Nbus

(2)

式中Pinji、Qinji分別為節(jié)點(diǎn)i的有功功率和無功功率,當(dāng)功率為供電輸入時(shí)為正值,為負(fù)荷輸出時(shí)為負(fù)值;Vi、Vj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓模值;Nbus為節(jié)點(diǎn)總數(shù);Yij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣位于第i行、第j列位置上的元素;δi、δj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓相角;φij為節(jié)點(diǎn)的電壓相角差。

本文采用Newton-Raphson法求解電力系統(tǒng)潮流模型,其基本計(jì)算步驟和流程見圖2。

圖2 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算流程

1.2.2系統(tǒng)水力計(jì)算模型

在供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中,水力工況的變化會(huì)導(dǎo)致熱力工況的變化,首先建立供暖系統(tǒng)水力工況仿真模型,使用數(shù)學(xué)語言表達(dá)出管道流量、阻力損失和管道集合參數(shù)的關(guān)系。供暖系統(tǒng)的水力計(jì)算遵循基爾霍夫定律,對(duì)于含有v個(gè)節(jié)點(diǎn)、w個(gè)支路的供暖管網(wǎng)的水力模型可以表示為式(3)。

(3)

式中A為供暖管網(wǎng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣,(v-1)×w階;G為管段的流量列向量,w×1階;g為節(jié)點(diǎn)的流量列向量,(v-1)×1階;B為基本回路矩陣,(w-v+1)×w階;ΔH為管段阻力損失列向量,w×1階;S為管段阻力損失對(duì)角陣,w×w階;|G|為管段流量絕對(duì)值對(duì)角陣,w×w階;Hp為水泵揚(yáng)程列向量,w×1階。

1.2.3系統(tǒng)熱力計(jì)算模型

供暖系統(tǒng)熱力模型主要用來分析熱網(wǎng)供暖過程中供暖介質(zhì)溫度的變化和供需流量的分配、變化及相互制約的相關(guān)問題。對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)為v、管段數(shù)為w的供暖系統(tǒng),其熱力模型可采用以下矩陣方程組(4)表示:

(4)

式中T為節(jié)點(diǎn)溫度列向量,v×1階;Φ為外界交換熱量列向量,v×1階;cp表示管道內(nèi)流體的比定壓熱容,J/(kg·℃);tin為熱力管道進(jìn)出口溫度向量,℃;tn為所有流入節(jié)點(diǎn)的流體混合后的溫度向量,℃;Δt為溫度變化量,℃;ta為環(huán)境溫度向量,℃;K為管道與環(huán)境之間的換熱系數(shù);l為管道的長度,m。

1.3 模型求解

本文采用分別求解的方法來求解混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)模型,即先對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解,并以部分求解結(jié)果作為邊界條件輸入下一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解?？紤]熱電機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行特性,首先計(jì)算熱力系統(tǒng)熱工水力仿真模型,然后再計(jì)算電力系統(tǒng)潮流模型。對(duì)于供熱系統(tǒng)矩陣方程組的求解多采用Gauss-Seidel迭代法;在電力系統(tǒng)潮流模型計(jì)算過程中,第1類節(jié)點(diǎn)是給定節(jié)點(diǎn)的有功功率和無功功率,求解節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和電壓相角,稱為PQ節(jié)點(diǎn);第2類節(jié)點(diǎn)是給定節(jié)點(diǎn)的有功功率和電壓幅值,求解節(jié)點(diǎn)的無功功率和電壓相角,稱為PV節(jié)點(diǎn)。將各機(jī)組設(shè)備視為PV節(jié)點(diǎn),電供暖裝置、水泵等熱力系統(tǒng)中的耗電設(shè)備視為PQ節(jié)點(diǎn)。混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)模型求解流程見圖3,運(yùn)用Newton-Raphson法求解電力系統(tǒng)潮流模型,運(yùn)用Gauss-Seidel迭代法求解供熱系統(tǒng)矩陣方程組。

圖3 電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)模型求解流程

2 混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)性能分析

在混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)中,不同的電替代供暖參數(shù)會(huì)對(duì)供暖系統(tǒng)的整體節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大的影響。為了分析不同電替代供暖參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并進(jìn)一步驗(yàn)證該新型供暖系統(tǒng)的優(yōu)越性,本文圍繞環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能3個(gè)方面建立了系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)模型,然后基于評(píng)價(jià)指標(biāo)模型,對(duì)不同電替代供暖參數(shù)下的系統(tǒng)性能進(jìn)行了理論分析。

2.1 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

2.1.1環(huán)境效益指標(biāo)計(jì)算

對(duì)供暖系統(tǒng)實(shí)施電供暖改造的主要目標(biāo)之一是降低系統(tǒng)污染物排放,增加可再生能源發(fā)電消納量。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,熱電機(jī)組和火電機(jī)組是其主要的污染排放源,風(fēng)電機(jī)組等其他可再生能源機(jī)組的污染物排放幾乎可以忽略不計(jì)。針對(duì)系統(tǒng)環(huán)境效益分析問題,可以對(duì)比分析供暖模式下系統(tǒng)整個(gè)供暖季的污染物排放量,其量化表達(dá)式為

Pi,NOx+Pi,CO+Pi,CO2)

(5)

式中Pall為系統(tǒng)供暖季污染物排放總量,g;nw為污染物種類總數(shù),本文只考慮SO2、NOx、CO及CO2等4種主要污染物;Pi(t)為t時(shí)刻機(jī)組i的電功率出力或熱功率出力,kW;Δt為該功率下的運(yùn)行時(shí)間,h;Pi,SO2、Pi,NOx、Pi,CO、Pi,CO2分別為機(jī)組i的SO2、NOx、CO、CO2的排放系數(shù),g/(kW·h)。

2.1.2經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)計(jì)算

城市供暖系統(tǒng)實(shí)施電供暖改造建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性成本主要包括設(shè)備投資、設(shè)備維護(hù)成本及供暖運(yùn)行成本,一般折合成費(fèi)用年值來計(jì)算,即

Call=Ct+Cw+Cy

(6)

式中Call為系統(tǒng)年建設(shè)成本,元;Ct為系統(tǒng)年投資,元;Cw為系統(tǒng)年維護(hù)成本,元;Cy為系統(tǒng)年運(yùn)行成本,元。

2.1.3節(jié)能效益計(jì)算模型

在供暖系統(tǒng)中配置電供暖的另一個(gè)主要目標(biāo)就是充分利用電供暖設(shè)備配置的靈活性,大大減少熱網(wǎng)損耗,因此對(duì)電供暖進(jìn)行合理配置并計(jì)算節(jié)能效益也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。為了明顯地表示系統(tǒng)節(jié)能效益的變化,需要建立系統(tǒng)節(jié)能效益量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文將系統(tǒng)節(jié)能效益評(píng)價(jià)指標(biāo)表示為系統(tǒng)熱負(fù)荷需求與系統(tǒng)能耗等效電出力之比,稱為系統(tǒng)供需比ηall,其計(jì)算公式為

(7)

式中m為電加熱設(shè)備對(duì)應(yīng)的熱力站總數(shù)量;ne、nchp分別為電供暖設(shè)備和熱電機(jī)組的總數(shù)量;Pj(t)為t時(shí)刻第j個(gè)電供暖設(shè)備的耗電量,kW,只計(jì)算純凝電力,不考慮棄風(fēng)電力消納量;ζn為第n個(gè)熱電機(jī)組的熱電調(diào)換比,指單位熱出力所需蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后續(xù)氣缸可生產(chǎn)的電量;Qn(t)為t時(shí)刻第n臺(tái)熱電機(jī)組的出力,kW。

2.2 電替代供暖參數(shù)分析

2.2.1電替代供暖設(shè)備配置容量

本文以24 h為調(diào)度周期,在固定運(yùn)行模式下設(shè)計(jì)電加熱設(shè)備和蓄熱裝置的配置容量。在固定運(yùn)行模式下,設(shè)定電加熱設(shè)備中直接電加熱模塊和蓄熱電加熱模塊同時(shí)運(yùn)行T小時(shí),蓄熱裝置運(yùn)行(24-T)小時(shí)。

2.2.1.1電加熱模塊設(shè)備配置參數(shù)

對(duì)于電加熱設(shè)備而言,制熱功率主要由調(diào)度周期熱負(fù)荷需求和制熱效率決定,其中電加熱模塊可以分為直接電加熱模塊和蓄熱電加熱模塊兩部分。因此,在固定運(yùn)行模式下,電加熱模塊設(shè)備配置參數(shù)計(jì)算公式如下:

(8)

2.2.1.2蓄熱模塊設(shè)備配置參數(shù)

一般情況下,蓄熱裝置內(nèi)的蓄熱采用周期運(yùn)行的方式[10]。本文取24 h為1個(gè)運(yùn)行期。因此蓄熱模塊設(shè)備配置容量可以根據(jù)蓄熱裝置運(yùn)行時(shí)長內(nèi)的熱負(fù)荷需求計(jì)算得出,即

(9)

式中Cst為蓄熱設(shè)備的儲(chǔ)熱容量,kW·h;ηst,out為蓄熱設(shè)備的放熱效率。

2.2.2電替代供暖熱負(fù)荷比例

在當(dāng)?shù)啬茉刺攸c(diǎn)及供暖負(fù)荷需求確定的條件下,影響系統(tǒng)性能的主要因素就是電供暖設(shè)備的配置種類及配置容量。但是在城市供暖系統(tǒng)中,電供暖設(shè)備可替代的負(fù)荷是有限的,經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,采用純凝電力進(jìn)行電供暖時(shí)的供暖煤耗遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)熱電廠的供暖煤耗,電供暖完全取代傳統(tǒng)熱電廠集中供暖的項(xiàng)目并不節(jié)能[11]。因此新型供暖系統(tǒng)的環(huán)境效益主要在于整個(gè)供暖季消納了多少可再生能源電力用于供暖,需要分別統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)運(yùn)行過程中純凝電力和清潔電力的消耗量,計(jì)算公式如下:

Pe,c=Pe-Pe,q

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)中Pe,c為電供暖設(shè)備消耗的純凝電量,kW·h;Pe為電供暖設(shè)備消耗的總電量,kW·h;Pe,q為電供暖設(shè)備消耗的清潔電量,kW·h;Pq(t)為t時(shí)刻的可再生能源出力,kW;αe,st為蓄熱電加熱模塊設(shè)備制熱效率;ηst,in為蓄熱模塊設(shè)備蓄熱效率;a、b為判定指標(biāo),其表達(dá)式為

(13)

b=Qe,hαe,h+Qe,stαe,stηst,inηst,out

(14)

3 案例研究與分析

3.1 算例介紹

以山東某區(qū)域供暖系統(tǒng)為基礎(chǔ),對(duì)原有傳統(tǒng)集中供暖系統(tǒng)實(shí)施電供暖改造,根據(jù)該地區(qū)的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展規(guī)劃,利用第2章中的供熱系統(tǒng)仿真計(jì)算模型,比較在固定運(yùn)行方式下不同電替代供暖參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。算例區(qū)域熱力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。該區(qū)域集中供暖系統(tǒng)共有熱力站34座,供暖面積118.75萬m2,熱負(fù)荷需求由東部1個(gè)熱電廠提供,機(jī)組容量60 MW。本文選取該系統(tǒng)整體供暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù),從2021年11月15日開始供暖,到2022年3月31日供暖結(jié)束,共計(jì)137 d。圖5顯示了該區(qū)域供暖季熱負(fù)荷需求時(shí)序曲線,最大熱負(fù)荷為45.58 MW,平均熱負(fù)荷為26.42 MW。計(jì)算可得,該區(qū)域供暖季總供熱量為86 234.88 MW·h。

注:PID1～33為控制閥編號(hào)。

圖5 算例區(qū)域熱負(fù)荷需求時(shí)序分布圖

風(fēng)電供暖作為一種新型的供暖形式,可以增加風(fēng)電的消納量。圖6為該區(qū)域供暖季棄風(fēng)電力時(shí)序分布圖,供暖季總棄風(fēng)電量為37 692.86 MW·h,最大棄風(fēng)功率為49.80 MW。

圖6 算例區(qū)域棄風(fēng)電力時(shí)序分布圖

該區(qū)域動(dòng)力煤價(jià)為700元/t,熱電機(jī)組維護(hù)費(fèi)用為0.05元/(kW·h),熱單價(jià)為23元/m2,單處熱力站或熱源改造費(fèi)用為11.29萬元。電供暖設(shè)備通過向電網(wǎng)購電進(jìn)行電制熱補(bǔ)熱,所消耗電出力由純凝電力和清潔電力兩部分組成。純凝電力分時(shí)段計(jì)價(jià),棄風(fēng)電力統(tǒng)一電價(jià)為0.05元/(kW·h)。結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和政策分析后,現(xiàn)有電鍋爐、地源熱泵及蓄熱裝置3種設(shè)備待選擇,待配置電供暖設(shè)備參數(shù)參考文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù),見表1。

表1 待配置電供暖設(shè)備參數(shù)[12]

3.2 電替代供暖參數(shù)分析

3.2.1電替代供暖設(shè)備配置容量

為了得出城市供暖系統(tǒng)不同電供暖改造方案的效果,設(shè)置了4個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析,見表2。

表2 不同運(yùn)行場(chǎng)景下電供暖設(shè)備設(shè)置情況

為了進(jìn)一步說明城市熱網(wǎng)輸配損耗對(duì)電供暖改造配置的影響,場(chǎng)景2、3、4中電供暖配置方式均分為集中式和混合式2種情況,在混合式電熱互補(bǔ)供暖模式中,電供暖設(shè)備分散等比配置于每個(gè)熱力站處。在場(chǎng)景2中,電鍋爐與熱電機(jī)組在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)保持等比例運(yùn)行。在場(chǎng)景3、4中,電供暖采用固定的運(yùn)行方式:電鍋爐(熱泵)在每日23:00到次日07:00之間運(yùn)行,共運(yùn)行8 h;蓄熱裝置在07:00—23:00之間運(yùn)行,共運(yùn)行16 h。電鍋爐(熱泵)在8 h運(yùn)行期間內(nèi)除需滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求之外,還需要將次日供暖系統(tǒng)16 h的熱量需求儲(chǔ)存在蓄熱裝置中。

對(duì)熱電機(jī)組承擔(dān)90%熱負(fù)荷、電供暖承擔(dān)10%熱負(fù)荷的運(yùn)行場(chǎng)景下各設(shè)備配置情況及供暖系統(tǒng)性能變化進(jìn)行分析。計(jì)算得到各場(chǎng)景下電供暖設(shè)備配置,見表3。進(jìn)一步通過仿真模型可以模擬出整個(gè)供暖期3 288 h下各設(shè)備的運(yùn)行狀況,圖7顯示了供暖系統(tǒng)不同場(chǎng)景下棄風(fēng)電力和純凝電力的消納量,折線表示棄風(fēng)電力與純凝電力的消納量之比。

表3 不同場(chǎng)景下設(shè)備配置容量

圖7 不同場(chǎng)景下棄風(fēng)電力與純凝電力的消納量

結(jié)果表明4種場(chǎng)景下的供暖系統(tǒng)運(yùn)行方案均具備經(jīng)濟(jì)可行性,見表4。

表4 不同場(chǎng)景下供暖系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

3.2.2電供暖改造模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為反映混合式電熱互補(bǔ)供暖模式對(duì)系統(tǒng)性能的提升作用,本文定義改變配置模式后系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比α的計(jì)算公式為

(14)

式中μ0,i為集中式電熱互補(bǔ)供暖模式下系統(tǒng)第i個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的值;μ1,i為混合式電熱互補(bǔ)供暖模式下系統(tǒng)第i個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的值。

計(jì)算得到不同場(chǎng)景下,采用混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)相較于集中式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)各性能指標(biāo)優(yōu)化比,如表5所示。

表5 供暖系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化比 %

通過對(duì)比可以看出,場(chǎng)景2、3、4的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能效益優(yōu)化比逐漸降低,其中,場(chǎng)景4在配置熱泵和蓄熱裝置的情況下,性能指標(biāo)優(yōu)化比下降明顯。在場(chǎng)景4中,相較于電鍋爐,在同樣的熱負(fù)荷需求情況下熱泵耗能量更低,因此其優(yōu)化效果更不明顯。

3.2.3電替代供暖熱負(fù)荷比例對(duì)系統(tǒng)性能的影響

相較于電鍋爐裝置,熱泵高效的電熱轉(zhuǎn)換比更符合能源利用規(guī)律。經(jīng)計(jì)算分析,在本文算例區(qū)域地?zé)釤嵩闯渥愕那闆r下,配置熱泵可以獲得更好的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。為了保證供暖系統(tǒng)機(jī)組的正常運(yùn)行,避免出現(xiàn)電供暖設(shè)備大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊問題,該算例區(qū)域熱電機(jī)組需要至少承擔(dān)30%的熱負(fù)荷。圖8顯示了在風(fēng)電出力和供暖負(fù)荷需求相同的情況下,更改電替代供暖負(fù)荷比例時(shí),供暖系統(tǒng)各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化情況。

圖8 不同電替代供暖負(fù)荷下供暖系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)變化曲線

從環(huán)境效益和節(jié)能效益角度進(jìn)行分析,場(chǎng)景2、3變化趨勢(shì)一致,均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵陔娞娲┡?fù)荷比例較低時(shí),棄風(fēng)電力可滿足絕大部分供暖需求;隨著熱負(fù)荷需求增大,當(dāng)棄風(fēng)電力無法滿足供暖需求時(shí),系統(tǒng)開始大量消耗純凝電力,導(dǎo)致污染物排放量快速增加。在場(chǎng)景4中,由于熱泵耗電量較少,即使在最大70%供暖負(fù)荷需求下,棄風(fēng)電力仍可以滿足熱負(fù)荷需求,具有較好的環(huán)境效益。從經(jīng)濟(jì)效益角度進(jìn)行分析,除采用混合式布置的場(chǎng)景4在電替代供暖負(fù)荷占比為0～30%之間時(shí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本降低、效益提升,其余場(chǎng)景下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。在電替代供暖負(fù)荷超過30%時(shí),場(chǎng)景2、3的經(jīng)濟(jì)成本已經(jīng)超過系統(tǒng)供暖收益,不具備經(jīng)濟(jì)可行性。在電替代供暖比例為25%時(shí),相比于場(chǎng)景1,場(chǎng)景4系統(tǒng)環(huán)境效益優(yōu)化26.00%,經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化3.13%,節(jié)能效益優(yōu)化25.89%,系統(tǒng)性能得到較大提升。

3種運(yùn)行場(chǎng)景下混合式電供暖設(shè)備配置時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化比見圖9。由圖9可知,隨著電替代供暖負(fù)荷比例的增大,系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比也在逐步增大。當(dāng)電替代供暖熱負(fù)荷比例達(dá)到70%時(shí),系統(tǒng)性能優(yōu)化比達(dá)到16%以上,已大幅超過熱網(wǎng)損耗占比,這是因?yàn)榛旌鲜诫姽┡粌H可以降低熱網(wǎng)損耗,還可以降低電供暖設(shè)備運(yùn)行功率,在風(fēng)電出力較低的運(yùn)行環(huán)境中減少了純凝電力的消耗,增加了棄風(fēng)電力消納占比。

圖9 3種運(yùn)行場(chǎng)景下混合式電供暖設(shè)備配置時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化比

4 結(jié)論

混合式電熱互補(bǔ)供暖模式在環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益三方面均優(yōu)于集中式電熱互補(bǔ)供暖模式,其中場(chǎng)景2(配置電鍋爐)中各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比分別為3.06%、4.76%、3.70%,場(chǎng)景3(配置電鍋爐和蓄熱裝置)中各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比分別為2.89%、4.63%、3.54%,場(chǎng)景4(配置熱泵和蓄熱裝置)中各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比分別為1.91%、2.41%、2.90%。最佳的配置種類是熱泵和蓄熱裝置。

混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)相對(duì)于集中式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能,電替代供暖負(fù)荷比例越大,優(yōu)化效果越明顯,各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化比最大可達(dá)約16%。相比于供暖改造前,配置有8.8 MW熱泵、170.48 MW·h蓄熱裝置的混合式電熱互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的環(huán)境效益優(yōu)化了26.00%、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化了3.13%、節(jié)能效益優(yōu)化了25.89%,系統(tǒng)性能得到較大提升。但當(dāng)處于不適宜配置熱泵的運(yùn)行環(huán)境時(shí),可以采用配置小容量的電鍋爐和蓄熱裝置的混合式電熱互補(bǔ)供暖方案。