(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

工業(yè)園區(qū)是以工業(yè)負(fù)荷為主的復(fù)雜能源系統(tǒng)，涵蓋多種產(chǎn)能及用能主體，涉及電、冷、熱等多種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和利用。工業(yè)園區(qū)負(fù)荷具有需求量大、負(fù)荷特性復(fù)雜、供電可靠性要求高的特點(diǎn)。隨著分布式可再生能源和清潔能源發(fā)電的高滲透率應(yīng)用、多元化儲(chǔ)能設(shè)備規(guī)模化推廣，用戶通過(guò)智能化手段參與需求響應(yīng)，各類能源供應(yīng)系統(tǒng)耦合互補(bǔ)，社會(huì)綜合能效進(jìn)一步提升，促使工業(yè)園區(qū)的用能向更加綠色、高效的方向轉(zhuǎn)變。如何統(tǒng)一對(duì)園區(qū)用能優(yōu)化，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益將是未來(lái)工業(yè)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[1-5]。

現(xiàn)有研究多針對(duì)帶有電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6-7]研究了以能量集線器最小運(yùn)行費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，采用魯棒優(yōu)化算法計(jì)及負(fù)荷需求的不確定性，最終對(duì)調(diào)度方案從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、清潔性角度加以設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]中建立了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，并采用Hessian矩陣迭代的內(nèi)點(diǎn)法對(duì)模型進(jìn)行求解，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展優(yōu)化規(guī)劃。在文獻(xiàn)[9-12]中，應(yīng)用了帶約束的粒子群算法對(duì)多目標(biāo)規(guī)劃模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[13]建立了含有風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電、冷熱電聯(lián)供以及蓄能系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)，以能源利用率最大和系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[14]提出一種雙層優(yōu)化配置模型，用于應(yīng)對(duì)多能源的運(yùn)行復(fù)雜性。

綜合來(lái)看，目前對(duì)混合能源系統(tǒng)的研究偏重于理論分析，存在優(yōu)化配置變量多、模型理論化等問(wèn)題，為實(shí)際工程的求解帶來(lái)了很多問(wèn)題，缺乏在實(shí)際工程中應(yīng)用的可操作性。下面基于具有冷、熱、電需求的分布式能源系統(tǒng)，首先通過(guò)傳統(tǒng)配置方式的粗放式分析確定設(shè)備集，然后構(gòu)建同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)配置和運(yùn)行方案的非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，綜合考慮系統(tǒng)投資費(fèi)用、方案年運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)，即從經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備容量和運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化配置分析，實(shí)現(xiàn)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性最大化。

1 優(yōu)化配置模型與方法

研究可知，園區(qū)供能有：冷熱電聯(lián)供運(yùn)行模式，即燃?xì)夥植际侥茉垂┠苡糜跐M足園區(qū)內(nèi)的冷熱電負(fù)荷需求，地區(qū)電網(wǎng)作為有益補(bǔ)充；熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行模式，即采用燃?xì)夥植际侥茉垂┠苡糜跐M足園區(qū)內(nèi)的冷熱負(fù)荷需求，發(fā)電上網(wǎng)。不同的供能運(yùn)行模式將對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)化配置結(jié)果，下面主要對(duì)冷熱電聯(lián)供的運(yùn)行模式進(jìn)行闡述。

園區(qū)冷熱電混合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型是以經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)目標(biāo)是使整個(gè)規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)的總投資運(yùn)行費(fèi)用的年費(fèi)用最小。

1.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)可選擇系統(tǒng)總的投資運(yùn)行等年值費(fèi)用，該費(fèi)用由設(shè)備初始投資和工業(yè)園區(qū)混合能源系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用兩部分構(gòu)成。

(1)

工業(yè)園區(qū)混合能源系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行年費(fèi)用包括年購(gòu)電費(fèi)用、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用以及年運(yùn)行所需燃料費(fèi)用，可表示為

(2)

設(shè)備初始投資等年值費(fèi)用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3)

式中：CI,i為第i個(gè)設(shè)備初始投資費(fèi)用，一般與設(shè)備容量相關(guān)；rCR,i代表資金收回系數(shù)；r為貼現(xiàn)率；li為第i個(gè)設(shè)備的運(yùn)行壽命期望值，a。

設(shè)備的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用可表示為

(4)

設(shè)備年消耗燃料費(fèi)用主要指DGs的年消耗燃料費(fèi)用，與DGs年發(fā)電量成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

工業(yè)園區(qū)混合能源系統(tǒng)向電網(wǎng)的購(gòu)電費(fèi)用的構(gòu)成和區(qū)域電價(jià)機(jī)制有關(guān)，一般可歸納為基本容量、功率、電度(電量)3類費(fèi)用。

(6)

1.2 約束條件

模型的約束條件分為不等式約束和等式約束。等式約束主要為滿足用能端逐時(shí)對(duì)電、冷、熱3種能源的需求，即供給能源量等于能源需求量：

(7)

除上述冷熱電需求平衡約束外，針對(duì)供能設(shè)備的運(yùn)行特性，還可能包含設(shè)備運(yùn)行工況出力約束、各設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率和能源消耗量等約束條件。

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述和優(yōu)化配置模型，以系統(tǒng)備選設(shè)備的數(shù)量或容量作為優(yōu)化變量，采用基于粒子群聯(lián)合CPLEX求解器的算法進(jìn)行求解，其具體流程如圖1所示。

圖1 配置優(yōu)化流程

2 工程案例介紹

選取成都市某生物園區(qū)為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化研究。為了成功打造綠色低碳能源基礎(chǔ)設(shè)施，該生物園區(qū)擬投資建設(shè)天然氣分布式能源站及配套使用的天然氣管網(wǎng)和配電網(wǎng)項(xiàng)目，為生物園區(qū)內(nèi)的企業(yè)、居民和其他單位提供蒸汽、熱水、冷水、電力等綜合能源服務(wù)，在生物園區(qū)內(nèi)構(gòu)建環(huán)保、高效、穩(wěn)定、便捷的智慧能源保障體系。

由于生物園區(qū)存在較大的電負(fù)荷，擬通過(guò)220 kV變電站與大電網(wǎng)連接，保障園區(qū)的電負(fù)荷需求。燃?xì)夥植际侥茉垂┠苤饕糜跐M足生物園區(qū)內(nèi)的冷熱電負(fù)荷需求，地區(qū)電網(wǎng)作為園區(qū)負(fù)荷的有益補(bǔ)充。

2.1 電負(fù)荷

生物園區(qū)近期建設(shè)范圍為起步區(qū)1期、2期，通過(guò)選取各負(fù)荷分類指標(biāo)、用地指標(biāo)，計(jì)算出近期生物城的飽和最大負(fù)荷為139.55 MW。根據(jù)園區(qū)典型負(fù)荷特征曲線預(yù)測(cè)得到生物園區(qū)的日負(fù)荷需求曲線，如圖2所示。

圖2 生物園區(qū)電負(fù)荷

2.2 熱負(fù)荷

供熱區(qū)域所需熱負(fù)荷以工業(yè)生產(chǎn)性蒸汽熱負(fù)荷為主，參數(shù)為0.7 MPa(g)的飽和蒸汽?？紤]由能源站集中供應(yīng)以利于節(jié)能環(huán)保。根據(jù)收資、調(diào)查情況，本項(xiàng)目工業(yè)熱負(fù)荷逐時(shí)變化曲線如圖3所示。

圖3 生物園區(qū)熱負(fù)荷

2.3 冷負(fù)荷

冷負(fù)荷主要包括工藝制冷負(fù)荷及空調(diào)制冷負(fù)荷。根據(jù)園區(qū)收資、調(diào)查可知，園區(qū)冷負(fù)荷主要有工藝制冷及空調(diào)制冷負(fù)荷需求。在冷負(fù)荷調(diào)研的過(guò)程中，通過(guò)業(yè)主和用戶初步協(xié)商，供冷方式采用將制冷蒸汽通過(guò)蒸汽管道送往用戶側(cè)，在用戶側(cè)建造制冷站的方式來(lái)滿足用戶的用冷需求。本項(xiàng)目冷負(fù)荷逐時(shí)變化曲線如圖4所示。

工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)型企業(yè)居多，且其倒班輪換的工作機(jī)制使得工業(yè)園區(qū)一般都具有較為穩(wěn)定的電、熱、冷負(fù)荷。工業(yè)園區(qū)各類負(fù)荷都比較大，受季節(jié)性變化影響較小。

設(shè)備選型主要遵照“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原則，合理進(jìn)行電力、供冷、供熱設(shè)備的配置，做到按需供給、適時(shí)匹配，達(dá)到冷熱電負(fù)荷的相對(duì)平衡。同時(shí)，綜合考慮到工程冷熱負(fù)荷需求大，該地區(qū)以水電為主的電力結(jié)構(gòu)以及電力“豐?？萦唷?、棄水問(wèn)題突出等因素，為有效擴(kuò)大天然氣應(yīng)用，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地區(qū)電力行業(yè)發(fā)展，天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)配置應(yīng)首選燃?xì)鈫窝h(huán)機(jī)組。

圖4 生物園區(qū)冷負(fù)荷

通過(guò)統(tǒng)籌考慮該地區(qū)可用資源潛力、冷熱電負(fù)荷需求分析以及投資方需求情況，選取燃?xì)廨啓C(jī)組、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、蒸汽型溴化鋰制冷機(jī)組、電制冷機(jī)組為備選設(shè)備集進(jìn)行園區(qū)供能優(yōu)化配置設(shè)計(jì)，從而滿足生物園區(qū)的冷、熱、電負(fù)荷需求。

根據(jù)前述備選設(shè)備集，建立生物園區(qū)供能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 生物園區(qū)的供能結(jié)構(gòu)

3 仿真分析

3.1 配置參數(shù)及邊界條件

從園區(qū)綜合熱負(fù)荷分析可知，工程設(shè)計(jì)綜合平均負(fù)荷為50.9 t/h。通過(guò)傳統(tǒng)配置方式粗放式分析燃機(jī)的發(fā)電效率、工程的綜合能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性，工程選取SGT400燃?xì)廨啓C(jī)組作為主要供能設(shè)備，并配置燃?xì)忮仩t等其他供儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行能源供應(yīng)。各設(shè)備的單位投資建設(shè)成本如表1所示。

按照當(dāng)前電價(jià)，設(shè)定容量電價(jià)和功率電價(jià)為0，電度電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)。豐枯季節(jié)劃分：豐水期為6月至10月，枯水期為1月至4月、12月，平水期為5月、11月。銷售側(cè)豐枯電價(jià)調(diào)整為枯水期電價(jià)上浮5%，豐水期電價(jià)下浮5%。峰谷分時(shí)浮動(dòng)電價(jià)繼續(xù)按高峰時(shí)段在豐枯浮動(dòng)基礎(chǔ)上上浮50%，低谷時(shí)段在豐枯浮動(dòng)基礎(chǔ)上下浮50%。該地區(qū)天然氣價(jià)為1.8元每標(biāo)準(zhǔn)立方米，不同季節(jié)、不同時(shí)段的電價(jià)如表2所示。

表1 備選供儲(chǔ)能設(shè)備成本

注：機(jī)組成本包含了余熱鍋爐投資。

表2 園區(qū)購(gòu)電電價(jià)(豐、枯、平期)

3.2 優(yōu)化配置方案

如前所述，該優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)多變量、多約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題。這里選粒子群算法予以求解，粒子群個(gè)數(shù)為100，最大迭代次數(shù)1000，個(gè)體加速因子設(shè)置為2，全局加速因子設(shè)置為2。通過(guò)求解優(yōu)化配置模型，得到該系統(tǒng)的優(yōu)化配置為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)配置2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)組(含余熱鍋爐)，配套20 t/h燃?xì)忮仩t，1.9 MW電制冷機(jī)組，9.2 MW蒸汽型溴化鋰機(jī)組。

在基礎(chǔ)配置之上，考慮在一臺(tái)燃機(jī)或余熱鍋爐故障或檢修停運(yùn)時(shí)，另一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行可提供約26.05 t/h蒸汽，因此需考慮2臺(tái)20 t/h的燃?xì)忮仩t進(jìn)行備用。

系統(tǒng)基本運(yùn)行策略如下：

1)在非檢修月，兩臺(tái)燃機(jī)優(yōu)先滿足熱負(fù)荷需求，不足部分有燃?xì)忮仩t補(bǔ)足。冷負(fù)荷夜間以余熱部分通過(guò)蒸汽型溴化鋰機(jī)組供冷為主，電制冷機(jī)制冷為輔。在高峰期，機(jī)組熱出力都用于熱負(fù)荷供能，則冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組制冷滿足需求。

2)在檢修月，由于一臺(tái)燃機(jī)檢修停運(yùn)，另一臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行可提供約26.05 t/h蒸汽，將2臺(tái)20 t/h的燃?xì)忮仩t均投入運(yùn)行，以滿足最大冷熱負(fù)荷需求，保障工業(yè)園區(qū)供能的穩(wěn)定性和安全性。

圖6、圖7給出了生物園區(qū)非檢修月和檢修月的供能調(diào)度計(jì)劃方案。

圖6 非檢修月供冷、熱調(diào)度計(jì)劃

圖7 檢修月供冷、熱調(diào)度計(jì)劃

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

該園區(qū)企業(yè)居多，一般都具有穩(wěn)定的電、熱和冷負(fù)荷，各項(xiàng)負(fù)荷都比較大，該園區(qū)根據(jù)傳統(tǒng)配置方法“以熱定電”的原則配置設(shè)備。配置方案為2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)組(含余熱鍋爐)、2臺(tái)20 t/h的燃?xì)忮仩t、4.8 MW電制冷機(jī)組、42 kW蒸汽型溴化鋰機(jī)組。優(yōu)化配置方法和傳統(tǒng)配置方法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化配置方法與傳統(tǒng)方法經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由經(jīng)濟(jì)性對(duì)比可知，傳統(tǒng)配置方案更多采用電制冷機(jī)組供冷為主，在現(xiàn)行豐枯峰谷電價(jià)機(jī)制和氣價(jià)條件下，該方案從電網(wǎng)購(gòu)電比例相比于優(yōu)化配置方案更高，導(dǎo)致其運(yùn)行成本費(fèi)用增大。冷、熱、電耦合的優(yōu)化配置方案雖然增加了設(shè)備投資成本，但達(dá)到降低系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用及總的等年值費(fèi)用，提高了工程整體的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究了混合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問(wèn)題，把混合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為了非線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解。建立以投資成本和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)，提出了以粒子群結(jié)合CPLEX的方法對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，在備選供能設(shè)備中尋找最優(yōu)配置組合方案。

仿真結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)混合能源優(yōu)化配置方法和典型調(diào)度運(yùn)行策略研究可充分挖掘多能源之間的互補(bǔ)潛力，使工業(yè)園區(qū)混合能源系統(tǒng)的配置方式由傳統(tǒng)粗放式轉(zhuǎn)變?yōu)榫_優(yōu)化配置，降低系統(tǒng)配置方案的保守性；通過(guò)多種能源混合利用，提升了系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化配置方法的應(yīng)用能夠?yàn)楣I(yè)園區(qū)能源供應(yīng)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供參考性支撐，豐富了設(shè)計(jì)手段。