朱承治，徐立中

（浙江省電力公司，杭州 310007）

輸配電技術(shù)

天然氣價格對熱電聯(lián)產(chǎn)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行影響的研究

朱承治，徐立中

（浙江省電力公司，杭州 310007）

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以極大地提高能源利用效率，優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，服務(wù)節(jié)能減排，是高效利用天然氣的有效手段。在分析熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)、總結(jié)在浙江發(fā)展分布式熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的有利條件后，對含分布式熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并通過仿真算例分析了天然氣價格對含熱電聯(lián)產(chǎn)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

天燃?xì)?；熱電?lián)產(chǎn)；價格；微網(wǎng)；運(yùn)行；影響

0 引言

對傳統(tǒng)的集中供電方式而言，熱電聯(lián)產(chǎn)可以同時為某一負(fù)荷區(qū)域提供電能和熱能，通過余熱回收技術(shù)， 其能源的綜合利用效率可以達(dá)到 80%以上[1]。 分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以安裝在機(jī)場、 大型商業(yè)場所、居民區(qū)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等區(qū)域。因?yàn)榭拷?fù)荷，因此可有效減少輸熱、輸電系統(tǒng)的投資，同時降低能量輸送過程產(chǎn)生的損耗，尤其是熱能的傳輸損耗。另外，通過配置吸收式制冷設(shè)備，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還可以向負(fù)荷供冷。熱電聯(lián)產(chǎn)還能夠參與大電網(wǎng)的削峰填谷，降低和延緩電力系統(tǒng)的建設(shè)投資。在當(dāng)前電力短缺的情況下，分布式熱電聯(lián)產(chǎn)具有廣闊的發(fā)展前景。

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性直接影響用戶投資熱電聯(lián)產(chǎn)的積極性。針對熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的政策制定和研究， 是目前急需開展的課題[2-4]。 本文通過對天然氣價格對熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行影響的研究，探討燃?xì)鈨r格對熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的重要性，為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供氣價格的制定提供參考。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢

熱電聯(lián)產(chǎn)能源利用效率高，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。同時，作為分布式電源，將對電力系統(tǒng)起到很好的補(bǔ)充作用。

1.1 能源利用率高， 污染少

傳統(tǒng)集中式發(fā)電廠的發(fā)電效率一般為 35%～55%， 考慮廠用電和遠(yuǎn)距離輸電損耗， 對一次能源的利用效率只有 30%～47%。 而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電效率可以達(dá)到 40%左右，同時通過余熱回收等技術(shù)， 一次能源的綜合利用效率可達(dá)到 80%以上，與傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸電相比，還能減少因遠(yuǎn)距離輸電造成的線損約 6%～7%。

大部分熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用天然氣作為燃料，污染排放較少，因此可以在寫字樓、商場、醫(yī)院、酒店等區(qū)域安裝使用。 根據(jù)美國的調(diào)查數(shù)據(jù)[5]，采用聯(lián)供系統(tǒng)作為能源可有效減少溫室氣體排放，寫字樓、商場、醫(yī)院、體育場館、酒店可分別減少 22.7%， 34.4%， 61.4%， 22.7%和 34.3%。

1.2 具有雙重削峰填谷作用

以浙江為例，浙江地處東南沿海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季低溫少雨，夏季高溫多雨。因此冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調(diào)負(fù)荷使夏季用電遠(yuǎn)超冬季，造成夏季電力供應(yīng)緊張，電力供需極難平衡。且浙江的能源結(jié)構(gòu)以火電為主，調(diào)峰機(jī)組少，調(diào)峰能力差。特別是夏季高溫天氣，峰谷差很大，空調(diào)負(fù)荷激增，造成電力供應(yīng)緊張[6]。 而燃?xì)庳?fù)荷的特性正好與電力負(fù)荷相反，如杭州市夏季的燃?xì)庑枨罅績H為冬季的60%。 因此發(fā)展分布式天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)是解決電力和燃?xì)夥骞炔黄胶獾挠行侄巍?/p>

1.3 具有良好的經(jīng)濟(jì)性

以 CAPSTONE C200 型燃?xì)廨啓C(jī) 組[7-8]為例，其最高發(fā)電效率約為 35%， 余熱回收效率約為45%。 1m3的天然氣含熱量約為 10.35 kWh， 蒸汽價格為 0.231 元/kWh，居民電價為 0.568 元/kWh，則 1 m3的天然氣產(chǎn)生的效益為 3.13 元。 目前杭州 民 用 天 然 氣 價格 為 2.4 元 /m3，可 見 熱 電 聯(lián) 產(chǎn)在當(dāng)前電價和氣價的情況下存在贏利空間。

根據(jù)美國的調(diào)查數(shù)據(jù)[5]， 采用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可有效減少供能成本，寫字樓、商場、醫(yī)院、體育場館、 酒店可分別減少 12%， 11%， 21%， 32%和23%。

2 含熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的微網(wǎng)

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)在成本、技術(shù)和環(huán)境方面具有綜合優(yōu)勢，因而在國外得到了大量的應(yīng)用，在國內(nèi)也陸續(xù)有示范項(xiàng)目投入運(yùn)行。天然氣價格和電價對熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行的影響，是一個迫切需要研究的課題。分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一般用于商場、醫(yī)院、寫字樓等場合，滿足特定區(qū)域的熱能需求，同時通過與外部電網(wǎng)的電能交換滿足用電需求。因此，本文考慮含熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)，通過分析不同天然氣價格下微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，探討天然氣價格對含熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

含熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 含熱電聯(lián)產(chǎn)的微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

微網(wǎng)中的設(shè)備包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP）、 儲熱設(shè)備、鍋爐等。CHP在生產(chǎn)電能的同時，通過余熱回收向用戶提供熱能，提高其整體效率和燃料利用率，從而降低成本和污染物排放。

3 考慮機(jī)組開停機(jī)的微網(wǎng)調(diào)度模型

微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，滿足熱、電負(fù)荷的平衡，同時考慮各種運(yùn)行約束，如設(shè)備容量約束、爬坡率約束、機(jī)組最小開/停機(jī)時間等[10]。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

微網(wǎng)調(diào)度的目標(biāo)是微網(wǎng)系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用最低，包括微網(wǎng)與外部電網(wǎng)的電能交換成本、發(fā)電機(jī)和鍋爐的燃料成本。目標(biāo)函數(shù)可表示為：

3.2 約束條件

模型的約束條件主要包括熱/電系統(tǒng)的平衡、設(shè)備容量約束、機(jī)組爬坡率約束、機(jī)組最小開/停機(jī)時間約束等。

3.2.1 有功平衡

t時刻電力供需平衡可表示為：

PCC 處的交換功率必須滿足連接變壓器的容量約束，或者事先約定的容量約束：

3.2.2 熱平衡

熱能產(chǎn)生應(yīng)大于或等于熱需求，可表述為：

B網(wǎng) 的熱負(fù)荷 需 求和分 別 是 t時 刻 儲 熱 裝置的充放功率；是儲熱裝置的熱輸出效率。

鍋爐的熱輸出滿足容量約束：

儲熱裝置的運(yùn)行約束如下：

3.2.3 機(jī)組容量和爬坡約束

CHP 輸出上下限約束和爬坡率約束表示為：

CHP 的輸出功率在兩個連續(xù)時間間隔內(nèi)的爬坡率約束滿足：

3.2.4 最小開 /停機(jī)時間

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]， 開停機(jī)滿足如下約束。

最小開機(jī)時間約束可表示為：

最小關(guān)機(jī)時間約束可表示為：

4 燃?xì)鈨r格對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

仿真算例參考文獻(xiàn)[8]， 電網(wǎng)電價采用峰谷電價形式： 8∶00-22∶00 為峰電價 0.568 元 /kWh， 其余時刻為谷電價 0.288 元 /kWh。 居民用天然氣價格為 2.4 元 /m3。

圖2給出了對應(yīng)不同天然氣價格，微網(wǎng)系統(tǒng)在峰、谷時段從電網(wǎng)購電的情況。

仿真結(jié)果表明： 在天然氣價格低于 2.0 元 /m3時，高峰時段微網(wǎng)系統(tǒng)不從電網(wǎng)購電，微網(wǎng)內(nèi)的用電負(fù)荷通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組來滿足；在低峰時刻，微網(wǎng)從電網(wǎng)購電滿足負(fù)荷用電需求。所以，小型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組在當(dāng)前的電價和天然氣價格條件下，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)贏利。

圖2 不同天然氣價格下微網(wǎng)從電網(wǎng)購電量

5 結(jié)語

熱電聯(lián)產(chǎn)能有效提高能源利用效率，減少污染物排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。天然氣價格對于分布式熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的運(yùn)營非常重要，仿真算例研究表明：在浙江當(dāng)前的電價和天然氣價格條件下，分布式熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目具有很好的贏利空間。除了對分布式熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行給予一定的優(yōu)惠政策外，如果政府再對分布式發(fā)電設(shè)備給予一定的補(bǔ)貼，小型燃?xì)夥植际綗犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目在浙江將具有很好的發(fā)展前景。

[1]JH HORLOCK.Cogeneration∶combined heat and power thermodynamics and economics[M].Pergamon Press，Oxford，England，1987.

[2]馮 志 兵 ， 金 紅 光.冷 熱 電 聯(lián) 產(chǎn) 系 統(tǒng) 的 評 價 準(zhǔn) 則[J].工 程熱物理學(xué)報，2005，26（5）∶725-728.

[3]徐 建 中.分 布 式 供 電 和 冷 熱 電 聯(lián) 產(chǎn) 的 前 景[J].節(jié) 能 與 環(huán)保，2002（3）∶10-14.

[4]劉 莉 ，黃 錦 濤 ， 豐 鎮(zhèn) 平.100 kW 微 型 燃 機(jī) 冷 熱 電 聯(lián) 產(chǎn) 的經(jīng) 濟(jì) 性 分 析[J].工 程 物 理 學(xué) 報 ，2004，25（6）∶909-912.

[5]LNBL-56359.The Potential for Distributed Generation in Japanese Prototype Buildings∶A DER-CAM Analysis of Policy,Tariff Design,Building Energy Use,and Technology Development[R].2004.

[6]CAPSTONE C200 MICROTURBINE TECHNICAL REFERENCE[EB/OL].http∶//www.interstatepower.us/Capstone% 20Document%20Library/Technical%20Reference/410066C _C200_Tech_Ref.pdf.

[7]肖小清，鐘清，闞為民，等.以微型燃?xì)廨啓C(jī)組為基礎(chǔ)的微 網(wǎng) 動 態(tài) 特 性[J].中 國 電 力 ，2011，44（1）∶11-14.

[8]徐立中，楊光亞，許昭，等.考慮風(fēng)電隨機(jī)性的微電網(wǎng)熱電 聯(lián) 合調(diào) 度[J].電 力 系 統(tǒng) 自 動 化 ，2011，35（9）∶53-60.

（本文編輯：龔 皓）

Research on Im pact of Natural Gas Price on Operation of M icrogrid System w ith Combined Heat and Power

ZHU Cheng-zhi， XU Li-zhong
（Zhejiang Electric Power Corporation， Hangzhou 310007， China）

Distributed combined heat and power （CHP）， which can improve the energy utilization efficiency，optimize energy supply structure and serve energy saving and emission reduction， is an effective way to achieve high efficiency utilization of natural gas.The advantages of distributed CHP are analyzed and the favorable conditions of its development in Zhejiang are summarized.With the microgrid system of distributed CHPmodeled， the impact of natural gas price on its operation is analyzed through simulation and calculation.

natural gas； combined heatand power； price； microgrid； operation； impact

TM732

： A

： 1007-1881（2011）12-0001-03

2011-11-02

朱承治（1977-）， 男， 江西豐城人， 工程師， 從事新能源并網(wǎng)相關(guān)的研究及管理工作。