盧海勇虞正發(fā)劉波

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 概述

天然氣分布式能源項(xiàng)目的成敗主要取決于負(fù)荷預(yù)測(cè)和裝機(jī)方案配置。負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性是項(xiàng)目成功的前提。裝機(jī)方案配置的合理性是項(xiàng)目成功的保障。對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)，目前已有指標(biāo)法、動(dòng)態(tài)計(jì)算法等多種方法[1]。但裝機(jī)方案優(yōu)化配置研究不多，已成為迫切需要解決的問(wèn)題。本文以典型的民用天然氣分布式能源項(xiàng)目為例，闡述系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法。典型的系統(tǒng)配置流程如圖1[2]所示。

圖1 民用天然氣分布式能源項(xiàng)目典型系統(tǒng)配置流程圖

1 優(yōu)化配置流程

天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)配置的優(yōu)化是基于負(fù)荷需求和能源價(jià)格優(yōu)化所確定的以下幾個(gè)方面內(nèi)容：（1）原動(dòng)機(jī)的機(jī)組形式、臺(tái)數(shù)和容量選擇；（2）溴化鋰、冷水機(jī)組和蓄冷裝置的優(yōu)化組合；（3）結(jié)合能源價(jià)格和負(fù)荷需求的運(yùn)行策略。由于天然氣分布式能源是冷熱電多種能源輸出的耦合，并且設(shè)備種類(lèi)繁多。因此，天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)優(yōu)化配置需要根據(jù)冷熱電負(fù)荷需求和冷熱電能源價(jià)格體系，針對(duì)可能的天然氣分布式能源系統(tǒng)配置方式和運(yùn)行模式進(jìn)行模擬分析計(jì)算，然后基于優(yōu)化目標(biāo)，分析比較得出最佳的系統(tǒng)配置與運(yùn)行模式。天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程如圖2所示。

圖2 天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程圖

2 優(yōu)化配置模型

根據(jù)圖1民用天然氣分布式能源項(xiàng)目典型系統(tǒng)配置，對(duì)冷、熱、電和天然氣進(jìn)行能量平衡分析，建立能量平衡模型、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)。

（1）電平衡：內(nèi)燃機(jī)總發(fā)電功率與從電網(wǎng)購(gòu)電功率之和等于電制冷機(jī)及輔助設(shè)備耗電功率、分布式能源系統(tǒng)及輔助設(shè)備耗電功率、蓄冷設(shè)備及輔助設(shè)備耗電功率、鍋爐及輔助設(shè)備耗電功率和用戶(hù)電負(fù)荷需求功率之和。

（2）冷平衡：內(nèi)燃機(jī)余熱帶溴化鋰供冷功率、電制冷機(jī)直接供冷功率和蓄冷裝置放冷功率之和等于用戶(hù)冷負(fù)荷需求功率。

（3）熱平衡：內(nèi)燃機(jī)余熱帶溴化鋰供熱功率和天然氣鍋爐直接供熱功率之和等于用戶(hù)熱負(fù)荷需求功率。

（4）天然氣平衡：天然氣的總耗量等于內(nèi)燃機(jī)天然氣耗量和天然氣鍋爐耗量之和。

（5）蓄放冷平衡：夜間蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡，考慮到蓄冷裝置效率，白天放冷量約為夜間蓄冷量的85%～90%。

（6）約束條件：

①天然氣分布式能源年利用小時(shí)數(shù)不低于2 000h。

②天然氣分布式能源綜合效率不低于70%，即

（7）優(yōu)化目標(biāo)：以天然氣分布式能源項(xiàng)目年綜合成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)如下：

A——天然氣分布式能源項(xiàng)目總投資，元

T——天然氣分布式能源項(xiàng)目折舊年限，年

天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置時(shí)，首先基于分析的冷熱電負(fù)荷，根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有原動(dòng)機(jī)的功率類(lèi)型，初步確定幾種可能的配置方案，其次建立能量平衡模型，然后結(jié)合運(yùn)行方式，進(jìn)行約束條件判斷，最后以年綜合成本最低對(duì)不同配置方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)配置方案。

3 工程案例

3.1 工程概況

本文以上海某綜合商務(wù)園區(qū)為例進(jìn)行分析，針對(duì)園區(qū)內(nèi)企業(yè)的冷熱電能源需求，為其量身打造以天然氣分布式能源為基礎(chǔ)的區(qū)域性綜合能源供應(yīng)項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、空調(diào)冷水機(jī)組、天然氣鍋爐和蓄冷系統(tǒng)。

3.2 負(fù)荷分析

本項(xiàng)目園區(qū)內(nèi)企業(yè)用能主要為民用負(fù)荷，包括：辦公、酒店、會(huì)議中心、展館、商業(yè)和公寓。用能需求為建筑物的冬季采暖供熱和夏季空調(diào)制冷。合理選取負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)建筑特點(diǎn)考慮逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)，繪制典型日負(fù)荷曲線(xiàn)如圖3～圖5所示。

圖3 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線(xiàn)

圖4 典型日逐時(shí)空調(diào)熱負(fù)荷曲線(xiàn)

圖5 典型日逐時(shí)電負(fù)荷曲線(xiàn)

根據(jù)典型日負(fù)荷分析，最大冷負(fù)荷約44.5MW，最大熱負(fù)荷約30MW，最大電負(fù)荷約29MW。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化配置

根據(jù)園區(qū)負(fù)荷的性質(zhì)以及冷熱負(fù)荷需求量，采用以熱（冷）電聯(lián)供、熱（電）電平衡原則進(jìn)行機(jī)組配置，同時(shí)為提高原動(dòng)機(jī)的利用時(shí)數(shù)，保證在較低負(fù)荷時(shí)原動(dòng)機(jī)仍然可以連續(xù)運(yùn)行，擬選方案如下：

方案一：配置2臺(tái)2 000kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)5 276kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)8.4MW天然氣鍋爐+1套150MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案二：配置2臺(tái)3 333kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)4 924kW離心式冷水機(jī)組+4臺(tái)5.6MW天然氣鍋爐+1套140MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案三：配置2臺(tái)4 300kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)4 572kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)7MW天然氣鍋爐+1套130MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案四：配置3臺(tái)4 300kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+3臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)3 869kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)5.6MW天然氣鍋爐+1套105MWh蓄冷系統(tǒng)。

分別針對(duì)上述4個(gè)方案，根據(jù)能量平衡模型，進(jìn)行冷、熱、電能量平衡分析，詳見(jiàn)圖6～圖9所示。

圖6 方案一冷、熱、電平衡圖

圖7 方案二冷、熱、電平衡圖

圖8 方案三冷、熱、電平衡圖

圖9 方案四冷、熱、電平衡圖

本項(xiàng)目天然氣分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式是晚間用電低谷期間停機(jī)、早晨工作時(shí)間開(kāi)機(jī)。這是由于晚間谷電期間，用能負(fù)荷較低，且此時(shí)市電價(jià)格低，系統(tǒng)停機(jī)可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。為保證機(jī)組充分利用時(shí)間和良好的經(jīng)濟(jì)效益，冬季優(yōu)先利用天然氣分布式能源系統(tǒng)供熱，不足部分由天然氣鍋爐補(bǔ)充；夏季優(yōu)先利用天然氣分布式能源系統(tǒng)供冷，其次水蓄冷，不足部分由冷水機(jī)組補(bǔ)充。從上述各圖可以看出，隨著裝機(jī)規(guī)模的增加，天然氣分布式能源系統(tǒng)提供的冷、熱、電份額逐漸增加，但機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)逐漸降低。

隨著裝機(jī)規(guī)模的增加，減少了高電價(jià)和高價(jià)天然氣的使用，年成本逐漸降低，方案三的年成本最低，約10 260萬(wàn)元；裝機(jī)規(guī)模繼續(xù)增加，年成本又有所上升，主要是裝機(jī)規(guī)模的增加減少機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)，高投資帶來(lái)的效益減小，詳見(jiàn)圖10。因此推薦方案三作為裝機(jī)方案。

圖10 天然氣分布式能源項(xiàng)目年成本比較圖

4 結(jié)論

（1）天然氣分布式能源項(xiàng)目的成敗主要取決于負(fù)荷預(yù)測(cè)和裝機(jī)方案配置。負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性是項(xiàng)目成功的前提，裝機(jī)方案配置的合理性是項(xiàng)目成功的保障。

（2）本文提出了天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程，建立了基于冷、熱、電和天然氣能量平衡的優(yōu)化配置模型。

（3）本文提出的天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置研究方法，對(duì)后續(xù)工程實(shí)踐中天然氣分布式能源的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。