陳 云，李紹金

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來，以燃?xì)廨啓C(jī)—吸收式供熱/制冷機(jī)組為代表的循環(huán)聯(lián)供機(jī)組的大規(guī)模應(yīng)用，顯著提高供能企業(yè)一次能源利用率［1，2］。同時(shí)，因傳統(tǒng)供電公司、供暖公司等供能企業(yè)相互存在信息、管理、決策等不同步的現(xiàn)狀，制約了包含循環(huán)多聯(lián)供機(jī)組的大型配網(wǎng)供能系統(tǒng)的發(fā)展。對(duì)配網(wǎng)供能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度時(shí)，存在電、冷、熱負(fù)荷供應(yīng)優(yōu)先順序問題?；陔?、冷、熱負(fù)荷分布情況，提出優(yōu)先滿足用戶冷熱負(fù)荷需求，電負(fù)荷通過并網(wǎng)(單向購電)滿足的并網(wǎng)“以熱定電”調(diào)度模式，能充分利用燃料的化學(xué)能，顯著降低單位供能的一次能耗率［3］。優(yōu)先進(jìn)行配網(wǎng)電能優(yōu)化調(diào)度，用戶冷、熱能需求則通過輔助供能機(jī)組或通過蓄能裝置移峰作用的“以電定熱”調(diào)度模式，因優(yōu)先進(jìn)行可靠性要求高的電能調(diào)度，其供能可靠性高［4］。未來信息化技術(shù)的發(fā)展，趨使配網(wǎng)、熱力管網(wǎng)等配網(wǎng)供能企業(yè)統(tǒng)一調(diào)度，充分考慮配網(wǎng)供能系統(tǒng)不同類型機(jī)組的運(yùn)行特性，在滿足用戶對(duì)供熱量、發(fā)電量要求的前提下，供能企業(yè)的燃耗成本最小，提出“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”的模型。

文獻(xiàn)［5］以聯(lián)供機(jī)組中燃料在燃燒室中燃燒，帶動(dòng)蒸汽機(jī)做功過程中產(chǎn)生的蒸汽量為媒介，近似得供熱量與發(fā)電量呈線性關(guān)系。多聯(lián)供機(jī)組因熱電比小，通過變工況運(yùn)行，降低回收熱品位以達(dá)到提高發(fā)電效率的目的，故可近似認(rèn)為供熱量與發(fā)電量為凸函數(shù)的關(guān)系。文獻(xiàn)［6］通過比較單個(gè)冷熱電多聯(lián)供機(jī)組在“以熱定電”和“以電定熱”策略下的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果，表明后者在經(jīng)濟(jì)效益上具有明顯優(yōu)勢。單個(gè)多聯(lián)供機(jī)組的在應(yīng)對(duì)區(qū)域性負(fù)荷時(shí)，存在靈活性不足等缺點(diǎn)，加入輔助型供能設(shè)備可滿足需求。

本文在配網(wǎng)供能系統(tǒng)中供電上網(wǎng)條件下，分別按“以熱定電”、“以電定熱”策略對(duì)電能、冷、熱能分別進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并將調(diào)度方案的燃料成本與“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”的聯(lián)合調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較，證明聯(lián)合調(diào)度策略比分別調(diào)度方案具備更好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)具備更低的對(duì)熱、冷備用機(jī)組容量的需求。本文所提出的聯(lián)合調(diào)度模型為配網(wǎng)多種供能方式下的聯(lián)合調(diào)度提供參考依據(jù)。

1 配網(wǎng)供能系統(tǒng)概述

配網(wǎng)供能系統(tǒng)包含燃?xì)廨啓C(jī)—吸收式雙效溴化鋰多聯(lián)供機(jī)組 (Combined Cold，Heat and Power，CCHP)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電壓縮式冷水機(jī)組等多供與單供機(jī)組作為供能源［7］?？紤]到配網(wǎng)新增供能負(fù)荷可能超過規(guī)劃預(yù)期，為滿足用戶需求，增加機(jī)組容量及增設(shè)線路等將導(dǎo)致額外建設(shè)成本，可引入蓄能裝置，進(jìn)行夏季冷能與冬季熱能的“削峰填谷”作用［8］。按后文進(jìn)行調(diào)度的需要，分別建立各機(jī)組的輸出—輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)多聯(lián)供機(jī)組

因機(jī)組在額定工況運(yùn)行時(shí)效率最高，當(dāng)負(fù)荷比低于80%時(shí)，效率將急劇降低［9］。為滿足用戶多樣時(shí)變的能量需求，機(jī)組需經(jīng)常變工況運(yùn)行，筆者從多聯(lián)供機(jī)組的電、冷、熱輸出對(duì)應(yīng)的煙氣利用效率對(duì)機(jī)組變工況運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)學(xué)簡化，以燃?xì)廨啓C(jī)多聯(lián)供機(jī)組為例。

燃?xì)廨啓C(jī)多聯(lián)供機(jī)組的能量傳遞示意圖如圖1 所示。氣體燃料在燃?xì)廨啓C(jī)的透平中充分燃燒，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子發(fā)電，排出的煙氣余熱先進(jìn)入蒸汽鍋爐，產(chǎn)生的高中溫蒸汽進(jìn)入雙效吸收式溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組，通過溴化鋰溶液的吸/放熱循環(huán)，進(jìn)行空調(diào)制冷/供熱［5］。剩余低溫余熱進(jìn)入余熱鍋爐集中產(chǎn)出生活熱水。剩余少量低溫廢熱排入環(huán)境，危害小，可忽略。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)多聯(lián)供機(jī)組能量梯級(jí)利用圖Fig.1 Step utilization diagram of the energy in gas turbine trigeneration system

氣體燃料主要成分為碳?xì)淙剂?，表示為CmHn，式(1)表示碳?xì)淙剂系牡臀粺嶂?Inferior Calorific Value，LHV)與燃料中碳?xì)湓睾勘圈袰/H之間的關(guān)系［10］。其中btu/lb 為英熱單位，折合2.326 kJ/kg。

燃料燃燒產(chǎn)生的所有能量Qall隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間燃料輸入量(此處簡稱燃料流量)Mgas增加而顯著增大，并受與燃燒時(shí)燃燒室中氧氣含量、壓強(qiáng)等條件相關(guān)的燃燒效率ηf的影響，呈式(2)所示關(guān)系。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率與可回收熱生成效率，隨機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率變化而變化，不同負(fù)載率βP下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率ηP計(jì)算式(3)和可回收熱生成效率ηR計(jì)算式(4)［11］。此處假定燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的可回收熱均被雙效吸收式機(jī)組利用，且忽略傳輸過程中的熱量消耗，即可回收熱生成效率等于燃?xì)廨啓C(jī)多聯(lián)供機(jī)組的供冷 (ηC)、熱(ηH)、生活熱水(ηW)及廢熱排放效率之和。故CCHP 電、冷(熱)量功率由式(5)可求，其中λ 表示CCHP 千瓦燃耗，單位為(kJ/kW);Q 可表示熱、冷負(fù)荷，COPQ為吸收式機(jī)組制冷/供熱性能系數(shù)。

1.2 燃?xì)忮仩t與電壓縮冷水機(jī)組

燃?xì)忮仩t與電壓縮冷水機(jī)組被廣泛應(yīng)用于需要輔助供熱制冷的場合，由于用戶冷熱電負(fù)荷比與作為配網(wǎng)供能系統(tǒng)主體部分的CCHP 機(jī)組供能熱電比不同，故需要燃?xì)廨啓C(jī)與電壓縮冷水機(jī)組作為補(bǔ)充。前者以氣體燃料燃燒發(fā)熱供暖，后者以電力帶動(dòng)壓縮機(jī)組壓縮空氣供冷。

燃?xì)忮仩t運(yùn)行效率也與負(fù)荷率有關(guān)，低于85%或高于100%對(duì)運(yùn)行效率造成極大影響，具體關(guān)系如式(6)，燃?xì)忮仩t供熱量與氣體燃料流量(單位:Nm3/h)滿足下式(7)，其中ηGB表示燃?xì)忮仩t的供熱效率。

電壓縮冷水機(jī)組運(yùn)行效率受負(fù)荷率影響不大，即ηF為定值。電壓縮機(jī)組耗電量與供冷量存在如式(8)所示的線性關(guān)系，其中COPF表征電壓縮冷水機(jī)組制冷系數(shù)［15］。

1.3 蓄能裝置模擬

增設(shè)蓄能裝置是提高配網(wǎng)供能系統(tǒng)靈活性、合理安排供能計(jì)劃、達(dá)到削峰填谷、顯著提高能源利用率的主要方式，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)［12］可得蓄能裝置蓄能、放能的動(dòng)態(tài)模型，如式(9)所示:

式中:X (t)t 時(shí)刻蓄能裝置所存儲(chǔ)的冷 (熱)量;Δt 做蓄放能決策的時(shí)間間隔，本文取1 h;α表示單位時(shí)間內(nèi)蓄能裝置中冷(熱)量因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)損失的能量;E (t)表示t 時(shí)刻的蓄放能功率，取流入蓄能裝置為正，反之為負(fù)，單位為MJ/h;σ 表示冷(熱)量傳遞的有效系數(shù)。

本文忽略熱量的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和蓄放能過程中冷(熱)量傳遞損失，即假定α=0，σ=1。蓄能裝置滿足容量約束(10)，單位時(shí)間蓄放能量上下限約束(11)，與各蓄能裝置蓄放周期初始值始終不變的約束(12)，以保證蓄能裝置中始終留有最低額定的能量。其中XVolume表示蓄能裝置所能蓄入的冷(熱)量最大值，單位為MJ，s 表示蓄能裝置中初始含能量值，單位為MJ。

2 配網(wǎng)供能系統(tǒng)的調(diào)度策略

2.1 概述

配網(wǎng)供能系統(tǒng)與當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)絡(luò)存在三種能量交換關(guān)系，無聯(lián)接、單向弱聯(lián)、雙向強(qiáng)聯(lián)。于是配網(wǎng)供能系統(tǒng)存在三種運(yùn)行策略，能量“自給自足”的孤島運(yùn)行模式、配網(wǎng)供能系統(tǒng)僅能從電網(wǎng)買電的單向并網(wǎng)模式、允許配網(wǎng)供能系統(tǒng)與電網(wǎng)實(shí)時(shí)買賣電的雙向上網(wǎng)模式［13］。配網(wǎng)供能系統(tǒng)存在電量與熱(冷)量供需的平衡，即反應(yīng)在電網(wǎng)與熱力管網(wǎng)供能上。依據(jù)電網(wǎng)與熱力管網(wǎng)優(yōu)先程度，將調(diào)度策略分為熱力優(yōu)先的以熱(冷)定電策略、電網(wǎng)優(yōu)先的以電定熱策略、及綜合二者以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則進(jìn)行調(diào)度的第三種調(diào)度策略［14］。為最大限度的提高系統(tǒng)能源利用效率，假定大電網(wǎng)能在一定限度內(nèi)與配網(wǎng)度哦聯(lián)供系統(tǒng)自由的進(jìn)行能量交換，采用電量上網(wǎng)的運(yùn)行模式。

2.2 策略

以熱(冷)定電策略，指在使余熱得到最大程度利用的原則下控制燃料流量，使聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行在犧牲發(fā)電效率以優(yōu)先滿足用戶熱(冷)負(fù)荷需求的工況下，作為附屬產(chǎn)品的電能富余或缺額，則通過上網(wǎng)滿足。在這種調(diào)度策略下分布式能源熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合效率得到顯著提高［15］。

此種調(diào)度策略下，當(dāng)用戶熱(冷)負(fù)荷需求不超過CCHP 中吸收式機(jī)組容量限額時(shí)，由CCHP單獨(dú)供應(yīng)熱(冷)能;當(dāng)用戶熱(冷)負(fù)荷需求大于CCHP 中吸收式機(jī)組容量限額時(shí)，CCHP 運(yùn)行于吸收式機(jī)組額定狀態(tài)，熱(冷)量缺額由燃?xì)忮仩t(供熱量)與電壓縮冷水機(jī)組(供冷量)提供。為滿足配網(wǎng)供能系統(tǒng)電能供需平衡，優(yōu)先使用單供電的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行供電，不足部分由大電網(wǎng)提供。故可建立如式(13)～ (14)的成本模型，總的成本f1與式(13)、(14)所得的f11與f12存在式(15)所示的關(guān)系。

其中fi(Qi)表示第i 個(gè)CCHP 機(jī)組供熱燃耗量性能函數(shù)，可由式 (15)求得。在完全利用CCHP 中燃?xì)廨啓C(jī)燃燒余熱的情況下，CCHP 機(jī)組輸出的供熱(冷)量與供電量存在式(16)所示關(guān)系。類似的fGB(QGB)與fF(QF)為燃?xì)忮仩t、電壓縮機(jī)組的燃耗性能函數(shù)，可近似為式(7)～(8)的逆函數(shù)。σ 為表征夏季、冬季的季節(jié)性特征向量，當(dāng)σ=1 表示夏季，假定僅供應(yīng)冷能，電壓縮冷水機(jī)組開啟、燃?xì)忮仩t停止運(yùn)行;反則反之。Qd(t)表示t 時(shí)刻的電、冷、熱負(fù)荷值，單位為kW，MJ。Qi_max則表示第i 個(gè)CCHP 機(jī)組的供電、冷、熱容量上限，單位為kW，MJ。

以“以熱定電”策略進(jìn)行調(diào)度時(shí)，配網(wǎng)供能系統(tǒng)中各機(jī)組需滿足式(17)的供能設(shè)備容量上下限約束，式(10)～ (12)的蓄能裝置運(yùn)行約束，與式(18)～ (19)的能量平衡約束，以及式(20)～ (22)的機(jī)組爬坡/下坡速率約束。其中E (t)表示t 時(shí)刻從熱力管網(wǎng)流向蓄能裝置的熱(冷)能量流大小，單位為kW·h。假定正數(shù)表示將能量注入蓄能裝置，反則反之。

式(20)～ (22)表示系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組爬坡、下坡速率約束，其中u，d 分別表示機(jī)組的爬坡速率、下坡速率，單位為kW/h，或MJ/h。是受機(jī)組機(jī)械性能等因素影響的常量，常常可通過查詢?cè)O(shè)備出產(chǎn)手冊(cè)獲得。

其中(i=1，…，nG1+nG2)。

2.3 “以電定熱(冷)”策略

以電定熱(冷)，指聯(lián)供機(jī)組中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬浞钟糜谕苿?dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以滿足用戶電負(fù)荷需求，而作為附屬產(chǎn)品的熱能富余或缺額，通過燃?xì)忮仩t和電壓縮冷水機(jī)組供能，同時(shí)蓄能裝置在熱(冷)負(fù)荷低谷儲(chǔ)存能量—負(fù)荷高峰釋放能量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度［15］。

與2.2 節(jié)內(nèi)容相同，當(dāng)用戶電負(fù)荷需求小于CCHP 中燃?xì)廨啓C(jī)額定容量時(shí)，由CCHP 單獨(dú)供能;當(dāng)用戶電負(fù)荷大于CCHP 中燃?xì)廨啓C(jī)額定容量，而未超過系統(tǒng)所有燃?xì)廨啓C(jī)額定容量之和時(shí)，由CCHP 于僅供電燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合供電;當(dāng)用戶電負(fù)荷大于兩者之和時(shí)，配網(wǎng)供能系統(tǒng)將向大電網(wǎng)購買電，以滿足電量供需平衡。故可建立如下式(23)～ (24)的成本模型，總的成本f2與式(23)、(24)所得的f21與f22存在式(25)所示的關(guān)系。

該策略下的優(yōu)化調(diào)度亦需滿足 (10)～(12)、(17)～ (22)的約束。

2.4 “經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”策略

實(shí)施此種調(diào)度策略時(shí)，將在滿足配網(wǎng)熱(冷)、電負(fù)荷的供需平衡同時(shí)，以CCHP 聯(lián)供機(jī)組氣體燃料消耗費(fèi)用及上網(wǎng)與大電網(wǎng)交換電能經(jīng)濟(jì)成本之和最小，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。建立模型如下:蓄能裝置約束 (10)～ (12)，式 (23)為經(jīng)濟(jì)最有策略的成本函數(shù)，在滿足式(17)～(22)的機(jī)組容量上下限約束與能量平衡約束的前提下需滿足的約束，其中式(23)為電量平衡約束。

3 算例分析

以南方某地區(qū)一處大型居民區(qū)夏季負(fù)荷基本參數(shù)進(jìn)行分析。參照文獻(xiàn)［16］、［17］的數(shù)據(jù)進(jìn)行冷熱電多聯(lián)供機(jī)組(CCHP)、電壓縮冷水機(jī)組等機(jī)組參數(shù)擬合，得到其性能參數(shù)如表1 所示。對(duì)所建立的三種調(diào)度策略下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，采用MATLAB 非線性規(guī)劃工具箱進(jìn)行優(yōu)化求解。

不同調(diào)度策略優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖所示。圖2(a)、(b)分別為“以熱定電”調(diào)度策略下配網(wǎng)聯(lián)供系統(tǒng)熱力管網(wǎng)優(yōu)先調(diào)度、配電網(wǎng)滯后調(diào)度的結(jié)果;圖2 (c)、(d)為“以電定熱”調(diào)度策略下的結(jié)果。圖3 為經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度策略下的調(diào)度結(jié)果。

比較三種調(diào)度策略下的調(diào)度成本，結(jié)果見表2。如表所示，當(dāng)不考慮“以熱定電”調(diào)度策略發(fā)電懲罰成本和“以電定熱”調(diào)度策略供熱懲罰成本時(shí)，“以電定熱”策略調(diào)度成本最少，“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”策略次之，“以熱定電”最多。由于三種調(diào)度方案均采用上網(wǎng)方式與當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)相連，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)買賣電能，當(dāng)以買賣為主時(shí)該項(xiàng)成本為正，反之則為負(fù)。加入懲罰成本后，由于“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”策略下電能與熱能均能保持平衡，不存在能量的浪費(fèi)，故懲罰成本為0;“以熱定電”策略下熱能優(yōu)先保持平衡，電能通過從電網(wǎng)買賣電能亦能保持平衡，故懲罰成本亦為0;“以電定熱”策略下存在一定的熱量浪費(fèi)，懲罰成本值不為0。綜上所述，本文提出“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”調(diào)度策略能通過改變系統(tǒng)不同機(jī)組調(diào)度安排，降低3%的燃料成本，在滿足用戶多種供能需求的同時(shí)不對(duì)環(huán)境造成額外的污染，同時(shí)降低電力系統(tǒng)調(diào)度成本，具有顯著的節(jié)能減排意義。

表1 配網(wǎng)供能系統(tǒng)各個(gè)機(jī)組性能參數(shù)Tab.1 Performance function coefficient of distributed energy-supply system kW

圖3 “經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”調(diào)度策略下機(jī)組調(diào)度結(jié)果Fig.3 Dispatch result of Economical policy

表2 不同調(diào)度策略下配網(wǎng)各個(gè)機(jī)組調(diào)度成本Tab.2 Cost of the distributed network in variety dispatch policy元

4 結(jié)論

的需求。本文所提出的聯(lián)合模型為配網(wǎng)多種供能方式下的聯(lián)合調(diào)度提供參考依據(jù)。

本文結(jié)合熱力學(xué)第一定律分析了燃?xì)廨啓C(jī)—吸收式制冷/供熱機(jī)組進(jìn)行多種能量循環(huán)利用過程，以單位燃料所含熱量轉(zhuǎn)換為供冷(熱)量或電量的比值，等價(jià)為該機(jī)組熱—電關(guān)系。通過這個(gè)關(guān)系，可將CCHP 燃耗性能函數(shù)表示為僅與發(fā)電量相關(guān)的函數(shù)，且算例所使用機(jī)組的模擬結(jié)果基本符合工程實(shí)際。

在以供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度模式下，分別與“以熱定電”、“以電定熱”進(jìn)行供能的優(yōu)化調(diào)度相比，在多種負(fù)荷的供能方式下，聯(lián)合調(diào)度對(duì)用戶的供冷(熱)、供電進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，減少分供造成企業(yè)間協(xié)調(diào)操作帶來的額外成本。

在供電上網(wǎng)模式下，分別“以熱定電”、“以電定熱”策略進(jìn)行供能的優(yōu)化調(diào)度，其結(jié)果與“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”的聯(lián)合調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較，表明“經(jīng)濟(jì)最優(yōu)”的調(diào)度策略比之前者，具備更好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)具備更低的對(duì)熱、冷備用機(jī)組容量

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