楊興林，羅星星，王玉寶，鄒曉薇

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.滬東重機(jī)有限公司，上海200129)

當(dāng)前，我國(guó)分布式能源進(jìn)入實(shí)質(zhì)性快速起步階段，即將邁向規(guī)?；瘜?shí)施進(jìn)程，產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊［1－5］.分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combined cooling，heating and power，CCHP)，利用這套設(shè)備可以不完全依賴電網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基地、一個(gè)院所、一群民居等區(qū)域用戶的獨(dú)立用電、供冷、供熱，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域用戶市場(chǎng)和樓宇用戶市場(chǎng)的供能有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［6－9］.相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)供能方式，該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有:①節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，能源利用率可達(dá)72%以上;②清潔環(huán)保，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的超低排放;③模塊化設(shè)計(jì)，使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，降低了投資成本，縮短了回收周期;④系統(tǒng)運(yùn)行安全、靈活、可靠.

文中提出一種分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化模型，通過(guò)對(duì)某示范工程大樓(以下簡(jiǎn)稱示范大樓)分布式能源系統(tǒng)供能方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化分析，驗(yàn)證此模型的實(shí)用價(jià)值，使分布式能源供能不僅能夠滿足用戶要求，又可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步增加了用戶的滿意度.

1 系統(tǒng)優(yōu)化分析

由于分布式能源系統(tǒng)復(fù)雜，牽涉到方案和運(yùn)行多方面的優(yōu)化，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，文中只對(duì)分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性加以分析，優(yōu)化方案的設(shè)備選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與余熱直燃溴化鋰空調(diào)機(jī)組組合.由年度化成本和年運(yùn)行收益建立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，建立以電定熱(熱電平衡)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分析.

“以熱定電(熱電平衡)”模型，即這種模型要求電量基本滿足要求，當(dāng)不足時(shí)可以從外網(wǎng)補(bǔ)充，冷熱不足時(shí)可以采用補(bǔ)燃的方式補(bǔ)充［10］.當(dāng)電力、冷熱負(fù)荷富裕時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)置逆保護(hù)功能，電力并網(wǎng)不上網(wǎng)，并且發(fā)電機(jī)發(fā)電量設(shè)置為用戶最低用電負(fù)荷，因此電力富裕量極小，相應(yīng)產(chǎn)生的的冷、熱量不會(huì)產(chǎn)生富裕量.

影響系統(tǒng)成本的因素包括設(shè)備初投資、年購(gòu)電費(fèi)、年燃?xì)赓M(fèi)以及設(shè)備維護(hù)費(fèi);系統(tǒng)運(yùn)行收益包括政府補(bǔ)貼、發(fā)電收益、供熱收益以及制冷收益(圖1).

圖1 系統(tǒng)成本、收益示意圖Fig.1 System cost and revenue schematic plot

2 建模

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)首要的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的深度分級(jí)利用.聯(lián)供系統(tǒng)通過(guò)不同循環(huán)的有機(jī)整合可以在滿足用戶需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的綜合梯級(jí)利用，使能源的利用率達(dá)到85%以上，而傳統(tǒng)的發(fā)電廠能源有效利用率僅為30%～40%，因此，CCHP可以大大提高能源利用效率.但是對(duì)于一個(gè)具體的能源需求問(wèn)題，需要對(duì)于三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性做出定量的評(píng)價(jià)，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)是基于單一能量品種的，而CCHP涉及到熱、電、冷3種能量形式，這就需要建立基于全系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型［11］.

國(guó)內(nèi)對(duì)分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析的研究主要為:①利用建筑能耗分析軟件建立CCHP系統(tǒng)和建筑模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)日模擬，進(jìn)而模擬全年運(yùn)行情況［12］;②在“單耗分析”理論基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)在熱電運(yùn)行方式和冷電運(yùn)行方式下不同環(huán)節(jié)的燃料單耗及成本單耗的計(jì)算模型，得到系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)(設(shè)備)存在的附加單耗過(guò)大的原因.國(guó)外的研究主要是基于數(shù)學(xué)程式的發(fā)電建模方法，并用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.

2.1 優(yōu)化公式

1)在經(jīng)濟(jì)學(xué)分析中，年度化成本是將非能量費(fèi)用年度化［13］，其公式為:

式中:Cax為年度化成本，元 /年;Cox為初投資，元:Sv為經(jīng)濟(jì)壽命期后的殘值系數(shù);PWF(i，M)為現(xiàn)金系數(shù);FN為第 N年耗費(fèi)的運(yùn)行成本，元;CRF(i，M)為資金回收系數(shù).其中，現(xiàn)金系數(shù)、資金回收系數(shù)分別為:

式中:i為基準(zhǔn)收益率，此處指銀行利率;M為系統(tǒng)運(yùn)行壽命，年.

2)對(duì)于一個(gè)具體的能源系統(tǒng)，假設(shè)每年支出購(gòu)買能源的費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用等值，則年度化成本可簡(jiǎn)化為設(shè)備初投資折舊費(fèi)Cox1與年費(fèi)用Cl之和，得到以下公式:

式中:Cox1為設(shè)備初投資折舊費(fèi)，元;Cl為年費(fèi)用，元;Cgm為系統(tǒng)年燃料費(fèi)，元;Cwm為系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)，元;Cem為系統(tǒng)年購(gòu)電費(fèi)，元.

3)設(shè)備初投資(內(nèi)燃機(jī)和空調(diào)機(jī)種類多，價(jià)格良莠不齊，文中根據(jù)某廠家給出的公式計(jì)算)

式中:CGE，Ccon，Ctrs分別為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)單價(jià)，余熱直燃空調(diào)機(jī)單價(jià)，機(jī)組運(yùn)輸安裝費(fèi)，元;Pe為單臺(tái)內(nèi)燃機(jī)額定出力，kW;n為機(jī)組臺(tái)數(shù);Qc為制冷機(jī)組額定制冷量，kW.

4)年燃?xì)赓M(fèi)

式中:Cg，Ccq，Cheat，Ccool分別為年燃?xì)赓M(fèi)，春秋季燃?xì)赓M(fèi)，供熱期燃?xì)赓M(fèi)，制冷季燃?xì)赓M(fèi)，元;ag為單位體積天然氣價(jià)，元/m3;T，T1，T2分別為春秋季、制冷季、采暖季機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，h;n1為春秋季運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù);Hu為天然氣低位發(fā)熱量，kJ/m3;ηGE為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率;ηcon為余熱直燃機(jī)供熱效率;COPcon為余熱直燃機(jī)制冷系統(tǒng);Qbheat，Qbcool分別為余熱直燃機(jī)采暖季、制冷季補(bǔ)燃的熱量及冷量，kW.

5)年購(gòu)電費(fèi)

式中:Cex為年購(gòu)電費(fèi)，元;ae為電網(wǎng)電價(jià)，元/(kW·h);Pcq，Psw分別為春秋季從電網(wǎng)購(gòu)買電量，冬夏季從電網(wǎng)購(gòu)買電量，kW.

6)以電定熱年運(yùn)行收益

式中:Cins為年運(yùn)行收益，元;Cinheat為年供熱收益，元;Cincool為制冷收益，元;Cingd為年供電收益，元.

式中:ah，ac分別為熱價(jià)、冷價(jià)，元/kW·h;Qheat，Qcool分別為用戶需求的熱負(fù)荷、冷負(fù)荷，kW.

2.2 優(yōu)化模型

當(dāng)系統(tǒng)的年度化成本最小，運(yùn)行收益最大，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，因此可得以電定熱運(yùn)行模式下目標(biāo)函數(shù)為:

MinX=Cax－Cins=f(Pe，Qbheat，Qbcool)

式中:Pe為單臺(tái)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率，kW;Qbheat為采暖季補(bǔ)燃熱量，kW;Qbcool為制冷季補(bǔ)燃冷量，kW;且Pe，Qbheat，Qbcool為優(yōu)化的決策變量.

函數(shù)格式X=fmincon(fun，x0，A，b，Aeq，Beq，lb，ub)

式中:f(x)為目標(biāo)函數(shù);fun為fun.m的m函數(shù);x0為初始值，A，b，Aeq，Beq 分別為線性約束矩陣;lb，ub為優(yōu)化變量的上下臨界值.

3 項(xiàng)目驗(yàn)證

3.1 示范大樓概況及負(fù)荷分析

某示范大樓，設(shè)計(jì)建筑面積81 000 m2，主要用作辦公、專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室及餐廳.全年用電量較高，電負(fù)荷為2451 kW.且辦公樓也有夏季冷/冬季熱空調(diào)以及少量生活熱水的需求.從表1冷熱負(fù)荷分析可知，示范大樓最大電負(fù)荷約為2 600 kW、最大冷負(fù)荷為6 249 kW，最大熱負(fù)荷為4 326 kW.考慮到部分節(jié)假日大樓關(guān)閉，運(yùn)行時(shí)間為制冷季節(jié)150 d，采暖季節(jié)125 d，其余過(guò)渡季節(jié)22 d，每天8:00～18:00運(yùn)行，10 h/d(工作時(shí)間內(nèi))，預(yù)計(jì)全年運(yùn)行2970 h，具體負(fù)荷情況見(jiàn)表1.

表1 大樓負(fù)荷情況表Table 1 Building loads

3.2 天然氣分布式能源供能方案

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

以“以電定熱、熱電平衡”為設(shè)計(jì)原則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，采用內(nèi)燃機(jī)和熱水型溴化鋰機(jī)組組合，其余不足的能量全部由外電網(wǎng)補(bǔ)充.其他傳統(tǒng)節(jié)能方式(市電、電制冷機(jī)組或燃?xì)忮仩t等)作為備用和調(diào)峰.

根據(jù)《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》，并入電網(wǎng)的分布式供能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量不應(yīng)大于相應(yīng)電力系統(tǒng)接入點(diǎn)上級(jí)變電站容量(2 600 kW)的30%，可知系統(tǒng)適宜的配置容量不應(yīng)大于800 kW.

3.2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，采用多個(gè)單元組成分布式能源系統(tǒng)，其通過(guò)電網(wǎng)構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)間可互為補(bǔ)充，互為備用;具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和抗負(fù)載擾動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)供能效率最大化.系統(tǒng)中主要設(shè)備參數(shù)如下:

1)發(fā)電機(jī)組選擇燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 TCG2016 V08C內(nèi)燃機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 2 TCG2016 V08C internal combustion engine related technical parameters

2)制冷機(jī)組選用熱水型溴化鋰機(jī)組，參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 LCC-12D熱水型溴化鋰機(jī)組相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 3 LCC-12D hot water LiBr unit related technical parameters

3.3 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

3.3.1 原方案經(jīng)濟(jì)性分析

示范大樓首先由分布式能源系統(tǒng)供能，不足的部分通過(guò)電網(wǎng)供應(yīng).系統(tǒng)的投入資金與輸出效益分析見(jiàn)表4.

分析表4，與初投資相比，系統(tǒng)運(yùn)行的年收益較少，僅為134.3萬(wàn)元，系統(tǒng)靜態(tài)回收期卻高達(dá)5.37 a，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有進(jìn)一步提升的可能.因此，希望通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)化，增加系統(tǒng)年收益，縮短成本回收周期，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

表4 經(jīng)濟(jì)性分析Table 4 Economic analysis

3.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)文中所提模型，對(duì)師范大樓分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)表5及圖2.

表5 系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行收益情況Table 5 System optimization run earnings

圖2 系統(tǒng)收益Fig.2 System earnings

圖2a)為n1=1，n分別取 1，2，3，4 時(shí)系統(tǒng)收益情況，可以看出:當(dāng)n1一定，n越小，即冬夏季運(yùn)行的機(jī)組越少，Cx值也越小，即當(dāng)機(jī)組的發(fā)電量越接近用戶端的實(shí)際負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)成本回收期就越短，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性就越好.

從圖2b)，c)，d)趨勢(shì)可知，當(dāng)冬夏季運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)一定時(shí)，春秋季運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)越多，即n一定，n1越大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性越好，并且n1越接近n越好.雖然辦公樓對(duì)于春秋季的冷熱負(fù)荷需求較小，幾乎不會(huì)產(chǎn)生冷熱收益，但系統(tǒng)燃燒天然氣發(fā)電的成本要比直接購(gòu)買市電要小得多，所以得以保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

圖3為n=n1=1，2，3，4 的收益情況，從圖可知，當(dāng)n=n1時(shí)分別取1，2，3，4，n越小系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的收益越多，成本回收期越短.

圖3 n=n1=1，2，3，4 系統(tǒng)收益Fig.3 n=n1=1，2，3，4 system earnings

綜上所述，n=n1=1時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生收益最多.但是，如果整個(gè)系統(tǒng)只有一套設(shè)備，那么一旦這套設(shè)備發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)陷入癱瘓狀態(tài)，無(wú)法運(yùn)行，這種情況非常不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在既保證經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的前提下，選取了n=n1=2.因此系統(tǒng)最佳運(yùn)行組合為n=n1=2，其成本回收期為2.65a，詳細(xì)收益數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4.

圖4 n=2，n1=2系統(tǒng)收益Fig.4 n=2，n1=2，system earnings

4 結(jié)論

文中提出的建模方法是根據(jù)具體案例的能量需求特性，采取不同的運(yùn)行策略，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化分析，以確定不同運(yùn)行策略下的最佳容量配置.通過(guò)文中優(yōu)化結(jié)果分析可知，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定功率為397.3 kW，并且兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組輸出的功率較為接近示范大樓用戶實(shí)際負(fù)荷量.示范大樓電負(fù)荷、冷熱負(fù)荷由此分布式能源優(yōu)先提供，電力不足則從電網(wǎng)購(gòu)買;冷熱負(fù)荷不足則通過(guò)溴化鋰機(jī)組補(bǔ)燃補(bǔ)充，以達(dá)到系統(tǒng)最佳經(jīng)濟(jì)性.原系統(tǒng)運(yùn)行方案成本回收期為5.37 a，優(yōu)化之后縮短至2.65 a，經(jīng)濟(jì)性提高了50.7%，優(yōu)化效果顯著.此優(yōu)化模型，不僅僅針對(duì)某示范工程大樓，同樣也可為其他分布式能源系統(tǒng)提供一些借鑒，有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值.

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