劉 堯 楊涌文 張麗婷 錢凡悅

上海電力學(xué)院

0 前言

2016年國家發(fā)改委、國家能源局對外正式發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》?！兑?guī)劃》大力支持分布式能源的發(fā)展，將分布式能源列入百大工程之中[1-2]。分布式能源在電力行業(yè)具有良好的發(fā)展前景。以清潔的天然氣為燃料的分布式聯(lián)供系統(tǒng)在中國已有近20多年的歷史，其發(fā)展崎嶇不平，原因主要是其投資金額大，天然氣價格高導(dǎo)致回收年限較長，動態(tài)回收期一般在10年以上。近年來，隨著LNG、CNG價格的大幅回落，區(qū)域型的天然氣分布式聯(lián)供項目受到廣泛關(guān)注。但是，由于該系統(tǒng)供能方式復(fù)雜，針對不同負荷需要采取不同的運行策略[3-4]，因此除設(shè)計階段的選型問題外，運行不善是大部分已建天然氣分布式聯(lián)供項目能效及經(jīng)濟性較差的主要原因。通過對天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)運行策略的優(yōu)化研究，可以提高一次能源利用率和經(jīng)濟效益，縮短回收年限[5]。

天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的梯級利用是其節(jié)能經(jīng)濟高效的主要原因[6]。在能源梯級利用中，除了一次能源的消耗外，余熱利用的比例也不容忽視。因此，合理運行內(nèi)燃機及溴化鋰冷溫水機，是影響系統(tǒng)能源利用率的直接因素，也是經(jīng)濟性的決定性因素。天然氣聯(lián)供運行的優(yōu)化工作，國內(nèi)外已有一些研究者進行了相關(guān)研究。李赟等[7]采用混合整數(shù)(0-1)多層次目標規(guī)劃方法建立聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化模型，得到了系統(tǒng)的最優(yōu)配置和運行策略。孟金英等[8]用單純形法對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)用于辦公樓宇時冬夏季典型日負荷下的運行策略進行優(yōu)化。李金霞等[9]通過分析三聯(lián)供系統(tǒng)中各設(shè)備的熱電特性以系統(tǒng)運行費用最低為優(yōu)化目標，采用內(nèi)點法對模型進行優(yōu)化分析。Andrew J.Yosten[10]提出了基于數(shù)學(xué)程序的分布式發(fā)電建模方法，并用數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化了四類任務(wù)。一次能源消耗和污染排放也可以作為優(yōu)化目標引進目標方程[11]。以上的研究均基于算法模擬得到最優(yōu)化方案，而無法對某一實際運行策略進行合理性驗證或優(yōu)化改進。

本文以中國上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站聯(lián)供系統(tǒng)為研究對象，總結(jié)出一套對運行策略進行合理性驗證及優(yōu)化改進的方法，具體步驟如下：首先基于TRNSYS軟件，搭建天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模型，通過對比用戶側(cè)實際負荷曲線，驗證、調(diào)整系統(tǒng)設(shè)備的模塊參數(shù)使仿真結(jié)果與實際工況參數(shù)有較好的擬合性，為后續(xù)全系統(tǒng)運行策略的驗證、優(yōu)化提供保障。同時，在全系統(tǒng)仿真模型中加入一次能源利用率和經(jīng)濟性算法模塊，用于對比分析不同運行策略下的一次能源利用率和經(jīng)濟性，從而對運行工況進行優(yōu)化調(diào)整。最后以在過渡季“大流量，小溫差”的運行工況為例，通過該模型模擬比較“提高供回水溫差”運行優(yōu)化調(diào)整前后的一次能源利用率和經(jīng)濟性。本文所用的驗證及優(yōu)化方法流程圖如圖1所示：

圖1 驗證及優(yōu)化方法流程圖

1 研究對象介紹

中國上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站聯(lián)供系統(tǒng)主機采用顏巴赫JMS624型燃氣內(nèi)燃發(fā)電機，額定功率4.4MW。對應(yīng)的余熱設(shè)備采用煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷溫水機組。冷媒水額定供/回水溫度為15.6℃/6.0℃，額定制冷量為3 931kW，冷一次泵額定流量為380t/h；熱媒水額定供回水溫度為90℃/65.5℃，額定制熱量為3 931kW，熱一次泵額定流量為150t/h。離心式冷水機組和燃氣熱水鍋爐分別為冷負荷和熱負荷調(diào)峰設(shè)備；蓄能罐為冷熱儲能調(diào)節(jié)設(shè)備。其工藝流程如圖2所示。

圖2 能源站工藝流程圖

系統(tǒng)采取以冷/熱定電，梯級利用的原則，優(yōu)先滿足冷熱負荷，所發(fā)電力全部上網(wǎng)。夏季供冷：冷媒水由煙氣熱水型溴化鋰吸收式機組、離心式冷水機組以及蓄能系統(tǒng)提供。冬季供熱：熱媒水由煙氣熱水型溴化鋰吸收式機組、燃氣熱水鍋爐以及蓄能系統(tǒng)提供。

2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行仿真模型

2.1 TRNSYS軟件介紹

TRNSYS，Transient System Simulation Program，即瞬時系統(tǒng)模擬程序[12]，是一個完整、可擴充的、用于系統(tǒng)瞬態(tài)模擬的仿真軟件。通過在仿真界面將設(shè)備部件以模塊化形式形象地連接并構(gòu)成系統(tǒng)。每個設(shè)備部件都由一個可修改的數(shù)學(xué)模型描述。TRNSYS軟件基于模塊化分析適用于大型復(fù)雜的熱能與動力系統(tǒng)。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

搭建天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模型需要用TRNSYS下的多種基本部件，控制信號選用Type14h模塊，該部件是設(shè)定隨時間變化的函數(shù)值，利用該部件為聯(lián)供系統(tǒng)輸入系統(tǒng)運行的控制信號。該控制信號的值介于0和1之間?？刂菩盘栔禐?時，系統(tǒng)停止運行；控制信號為1時，系統(tǒng)滿負荷運行。介于0和1之間時，系統(tǒng)部分負荷運行?？梢栽O(shè)定聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定運行的控制信號。對于聯(lián)供系統(tǒng)制熱工況和制冷工況的穩(wěn)態(tài)運行均使用此控制信號。

其次是燃氣內(nèi)燃機電負荷計算器，選用系統(tǒng)計算器模塊，該部件對輸入控制信號和燃氣內(nèi)燃機的額定功率進行處理，輸出燃氣內(nèi)燃機電負荷（單位kJ/h），本系統(tǒng)輸入的公式為Lo ad=I np ut 1*15843600，其中I np ut是輸入控制信號，15843600k J=4401K k W*3600s，表示內(nèi)燃機每小時產(chǎn)生的電量。

熱交換器選用Type91，設(shè)置換熱器效率為0.8，它是實際換熱器交換的熱量占最大可能傳熱的比例，即ε=Q/Q m ax。設(shè)置熱側(cè)流體為缸套水，比熱為4.19 kJ/kg·K，冷側(cè)流體為中冷水，比熱為4.19kJ/kg·K。

燃氣內(nèi)燃機選用Type907、其額定負荷設(shè)置為4.4MW；為了能與能源站實際負荷相匹配，需調(diào)用外部文件設(shè)置。經(jīng)過多次反復(fù)模擬和擬合，內(nèi)燃機部分負荷參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 內(nèi)燃機部分參數(shù)（外部文件）

煙氣或蒸汽型溴化鋰冷溫水機組選用Type676、熱水型溴化鋰冷溫水機組選用Type677，離心式冷水機組選用Type666。由于溴化鋰及冷水機的COP會隨著煙氣流量、機組負荷的變化而變化[14]，因此，需要調(diào)用外部文件設(shè)置COP與冷卻水溫度、冷凍水溫度等參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，使其與實際設(shè)備相匹配。

2.3 穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與設(shè)計穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)的誤差分析

采用瞬態(tài)模擬仿真軟件TRNSYS對天然氣分布式冷聯(lián)供系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)性能仿真具有以下意義：第一，要保證聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性、節(jié)能性和環(huán)保性，必須保證聯(lián)供系統(tǒng)長久處于高效區(qū)域運行，而滿負荷穩(wěn)態(tài)運行是聯(lián)供系統(tǒng)的最佳運行工況點；第二，通過滿負荷穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果參數(shù)與系統(tǒng)配置運行的設(shè)計工況參數(shù)的接近程度，能夠驗證系統(tǒng)配置是否合理；第三，系統(tǒng)配置運行的設(shè)計工況參數(shù)與滿負荷穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果參數(shù)的接近程度，可以反向驗證系統(tǒng)仿真結(jié)果的正確性。所以，對滿負荷穩(wěn)態(tài)性能進行仿真至關(guān)重要。

以供冷工況為例。供冷工況下，聯(lián)供系統(tǒng)模型由燃氣內(nèi)燃機和煙氣熱水型溴化鋰冷溫水機組組成，另外配置離心式冷水機組進行供冷調(diào)峰。其仿真結(jié)果如表2所示。

比較供冷工況下的穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與設(shè)計穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)，如表2所示，聯(lián)供系統(tǒng)和調(diào)峰設(shè)備滿負荷穩(wěn)態(tài)運行時，其各主要參數(shù)的相對誤差在5%以內(nèi)且出力一致，能夠滿足用戶要求的冷量，說明聯(lián)供系統(tǒng)配置較為合理，同時也說明聯(lián)供系統(tǒng)和調(diào)峰設(shè)備模型的精度和正確性基本上達到要求。

3 全系統(tǒng)的仿真模擬

3.1 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)關(guān)系研究

在完成各個模塊的調(diào)試后，搭建整個系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)能源站實際運行工況調(diào)整各個設(shè)備模塊出力，匹配其實際負荷情況，目的是驗證全系統(tǒng)仿真的準確性。由于2016年冬季國際旅游度假區(qū)尚未開園，負荷較低參考意義不大，故選擇開園后的夏季某日冷負荷進行模擬。采取5臺內(nèi)燃機加溴化鋰機組與6臺冷水機組系統(tǒng)的配合運行方式，模擬匹配負荷需求的機組啟停與部分負荷運行，系統(tǒng)如圖3所示：

表2 供冷工況穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與設(shè)計穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)比較

圖3 供冷工況系統(tǒng)圖

根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)和實際負荷需求，合理選擇機組運行方案，做出如表3所示的設(shè)備啟停及負荷安排：

表3 設(shè)備啟停情況

根據(jù)表3，設(shè)置TRNSYS仿真模型中設(shè)備參數(shù)，運行系統(tǒng)得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行冷媒水供應(yīng)量曲線，并與實際負荷需求做對比，如圖4所示，模擬結(jié)果與負荷基本匹配。

圖4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行冷媒水供應(yīng)量與負荷對比圖

通過模擬匹配實際工況的系統(tǒng)負荷曲線，驗證了仿真模型的合理性及準確性，至此，天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的驗證平臺搭建完成。通過這一模型，對運行策略進行驗證，并通過模塊參數(shù)的進一步調(diào)整，得出系統(tǒng)的運行優(yōu)化方案。在分布式能源中，運行優(yōu)化方案的評判標準之一是一次能源利用率。一次能源利用率越高，則證明系統(tǒng)越高效節(jié)能。此外，經(jīng)濟性的測算，同時可以預(yù)測出該運行優(yōu)化方案的經(jīng)濟效益。

3.2 全系統(tǒng)仿真模擬優(yōu)化

3.2.1 一次能源利用率計算

(1)一次能源利用率公式

一次能源利用率（PER）是對聯(lián)供系統(tǒng)的運行策略進行評定的常用指標之一，其計算公式如下：

式中：

P E R：一次能源利用率，%；

Qe：系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供電量，kW；

QC：系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供冷量，制冷工況有效供熱量取值為0，kW；

QH：系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供熱量，制熱工況有效供冷量取值為0，kW；

Vf：天然氣體積流量，m3/h；

ρf：天然氣密度，kg/m3；

Qar，net：天然氣低位發(fā)熱量，kJ/kg。

式（1）是從熱力學(xué)第一定律的角度對能源的利用總量進行分析，并未考慮電能和冷、熱能在品位上的差別。

(2)單位時間有效供冷量

其中：

hcw，，hcw，：冷媒水進、回水口焓值，kJ/kg。根據(jù)tcw，，tcw，，查表得到；

qcw，：冷媒水回水流量，m3/h；

ρcw，：冷媒水回水密度，kg/m3。

（3）單位時間有效供電量

發(fā)電機產(chǎn)生的電能除了滿足用戶的需求之外，還有一部分用于系統(tǒng)自身水泵、風(fēng)機、制冷機等耗能。因此系統(tǒng)的有效供電量應(yīng)將這一部分予以扣除。

其中：

we：發(fā)電機輸出供率，kW。

wi：系統(tǒng)內(nèi)各個輔機設(shè)備的電能消耗，kW。

3.2.2 經(jīng)濟性計算

根據(jù)市場調(diào)研，上海市分布式能源天然氣氣價為2.7元/Nm3，上網(wǎng)電價為0.82元/kWh，供熱價為0.468元/kJ。因此經(jīng)濟性計算公式如下：

(1)三聯(lián)供經(jīng)濟性計算公式：

式中：

Ei：內(nèi)燃機的有效供電量，kW；

QC、QH：溴化鋰有效供冷量、供熱量，kJ；

N：天然氣消耗量，Nm3。

(2)電制冷經(jīng)濟性計算公式：

其中，I為系統(tǒng)成本電價，其計算公式為：

式（5）和（6）中：

C O Pi：冷水機能效比；

ηe：內(nèi)燃機發(fā)電效率，%。

經(jīng)濟性的好壞是判斷運行策略的優(yōu)劣依據(jù)之一。同時，還可以通過改變天然氣價格、上網(wǎng)電價和冷熱價格，模擬出不同的運行成本及售價時能源站的收益，使能源站在正式運營前能設(shè)定更為合理的成本及售冷熱價，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。

下面以內(nèi)燃機變負荷為例，進行模型的運用。

4 過渡季內(nèi)燃機變負荷工況研究

4.1 現(xiàn)狀分析

根據(jù)上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站DCS系統(tǒng)調(diào)取的數(shù)據(jù)，從2016年6月12日12：00至6月14日12：00的48小時的實際運行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#內(nèi)燃機在該時間段內(nèi)處于制熱工況，由于此時用戶熱負荷需求量低，導(dǎo)致回水溫度較高，機組處于非標工況下運行。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，1#內(nèi)燃機在99%負荷運行時內(nèi)燃機溴化鋰冷溫水機組的一次能源利用率為69.8%，在87%負荷運行時一次能源利用率為75.5%，出現(xiàn)了內(nèi)燃機負荷降低，系統(tǒng)一次能源利用率提高的現(xiàn)象。

在過渡季，冷負荷和熱負荷需求量銳減，使進入系統(tǒng)的回水溫度改變，與溴化鋰和冷水機組額定進出口溫度相差較大，導(dǎo)致溴化鋰制冷制熱量下降，一次能源利用率減小。以冷媒水為例，余熱制冷設(shè)備采用煙氣熱水型溴化鋰機組的冷媒水額定供回水溫度為6.0℃/15.6℃，冷一次泵額定流量為380t/h，額定制冷量為3 931kW。經(jīng)過采集實際數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在過渡季，溴化鋰機組實際冷媒水供回水溫度為6.7℃/12℃，實際流量為340t/h。內(nèi)燃機產(chǎn)生的煙氣量無法被溴化鋰機組全部用來進行余熱利用，大量余熱被浪費，因此造成余熱一次能源利用率極低的情況。

4.2 內(nèi)燃機變負荷運行策略的提出

顏巴赫JMS624型燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的負載特性描述了恒定轉(zhuǎn)速下輸出功率變化時機組效率、排煙溫度、排煙流量等參數(shù)隨之變化的關(guān)系。根據(jù)制造廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，通過擬合，這種關(guān)系可以用無量綱方程[15]表示：

式中：η—折合效率，內(nèi)燃機發(fā)電效率與其標定值之比；tg—折合排煙溫度，燃氣內(nèi)燃機排煙溫度與其標定值之比，mg—折合煙氣流量，燃氣內(nèi)燃機排煙流量與其標定值之比，Ne—折合功率，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電功率與其標定值之比。

由式（8）、（9）、（10）可見，發(fā)電功率與效率、排煙溫度以及煙氣流量并不是呈線性關(guān)系。排煙溫度和煙氣流量不會隨功率的增加而線性增加。由此可以得出，降低內(nèi)燃機負荷這一運行策略存在可行性，可通過搭建的仿真模型判斷其合理性，并做出優(yōu)化調(diào)整。

4.3 仿真模擬研究

以過渡季制冷工況為例，首先將全系統(tǒng)測試平臺設(shè)置成為過渡季實際工況，擬合過渡季實際負荷曲線，并得到該工況下內(nèi)燃機溴化鋰冷溫水機組的一次能源利用率，模擬得到過渡季一次能源利用率僅為65%。改變內(nèi)燃機負荷輸入，經(jīng)過模型仿真可以得到一次能源利用率隨內(nèi)燃機降負荷的變化，如圖5所示。

圖5 內(nèi)燃機降負荷的一次能源利用率變化圖

由圖5可知，若過渡季無法完全消納煙氣量，則系統(tǒng)滿負荷運行并不是最優(yōu)運行策略。降低負荷可減少天然氣的消耗量，從而提高一次能源率。但降低負荷會導(dǎo)致經(jīng)濟性的下降。經(jīng)過模擬得到的部分負荷下系統(tǒng)的經(jīng)濟性如表4所示：

表4 內(nèi)燃機部分負荷經(jīng)濟性測算表

由表4可見，內(nèi)燃機大幅降低負荷會減少內(nèi)燃機溴化鋰冷溫水機組的收益。根據(jù)式（4）可知，內(nèi)燃機溴化鋰冷溫水機組經(jīng)濟性與天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價有關(guān)。因此，在過渡季實際工況下分別改變天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價，得到系統(tǒng)的經(jīng)濟性，如表5所示，敏感性分析結(jié)果見表6。

由表5和表6可見，上網(wǎng)電價對系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響最大。內(nèi)燃機負荷的降低，會造成發(fā)電量的減少，并且這部分的收益大于天然氣消耗量的成本減少，故系統(tǒng)經(jīng)濟性會下降。因此，當上網(wǎng)電價較低時，適當采取內(nèi)燃機降負荷運行提高系統(tǒng)一次能源利用率是可行的。

表5 不同天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價下的系統(tǒng)收益

表6 天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價的敏感性分析

5 結(jié)論

本文提出了對天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)運行策略驗證及優(yōu)化的方法。結(jié)合實際運行工況，基于TRNSYS軟件，研究搭建了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)仿真模型，并通過對比用戶側(cè)實際負荷曲線，驗證和調(diào)整系統(tǒng)設(shè)備的模塊參數(shù)使仿真結(jié)果與實際工況參數(shù)有了較好的擬合性，為全系統(tǒng)運行策略的驗證、優(yōu)化提供保障。加入一次能源利用率和經(jīng)濟性算法模塊，用于對比分析不同運行策略下的一次能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟性，從而對運行工況進行合理的優(yōu)化調(diào)整。通過對內(nèi)燃機變負荷運行策略的案例分析，由于過渡季煙氣無法完全消納，造成余熱浪費，降低內(nèi)燃機負荷可提高一次能源利用率。由經(jīng)濟性分析得出上網(wǎng)電價對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響最大，因此，當上網(wǎng)電價較低時，適當采取內(nèi)燃機降負荷運行提高系統(tǒng)一次能源利用率是可行的。

本文提出的通過搭建仿真模型對運行策略驗證及優(yōu)化的方法具有直觀性、開放性的特點，可適用于各類運行策略的驗證及優(yōu)化，具有一定的推廣價值。