詹翔燕，鄭徐躍，朱興儀，孟 超，趙英汝*

(1.廈門大學能源學院，福建 廈門 361102；2.福建省政府投資項目評審中心，福建 福州 350100)

隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭，發(fā)展環(huán)境友好的可再生能源，同時提高綜合能源利用效率已成為當今各界研究關注的重點[1].多聯(lián)產(polygeneration)技術可使用多種化石能源及可再生能源(如天然氣、煤和生物質)，利用各種能源轉換技術(包括氣化和熱解)，生產多種產品(包括電、熱、冷、氣體和液體)，通過系統(tǒng)集成和流程改進將化工過程和動力系統(tǒng)整合以實現對能源的高效清潔利用，在能源可持續(xù)性發(fā)展中占有舉足輕重的地位[2-3].基于生物質多聯(lián)產的綜合能源系統(tǒng)(biomass polygeneration integrated energy system, BPIES)將生物質氣化多聯(lián)產與區(qū)域BPIES相結合，不但可提高物質與能量綜合梯級轉換利用效率，同時還兼具節(jié)約能源、提高供能質量、增加經濟收益等綜合效益，體現了生物質能源技術與區(qū)域能源規(guī)劃的深度融合，有望成為最有效、最潔凈的生物質能綜合利用技術[5].

同時，化石能源與可再生能源互補的BPIES可彌補部分可再生能源能量密度低、輸出不穩(wěn)定等缺點，提高系統(tǒng)綜合效率[6-8].在可再生能源利用方面，太陽能以其儲量、普遍性與清潔性備受矚目，尤其屋頂光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電系統(tǒng)，可方便地與建筑物結合，在城市中應用最為普遍[9].因此，集成太陽能并網光伏發(fā)電系統(tǒng)與生物質基冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)并形成區(qū)域綜合供能系統(tǒng)的研究近年來受到了廣泛關注.

相較于傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)，BPIES更加強調滿足區(qū)域能源負荷與化工產品生產的綜合需求管理與協(xié)同互補.但當前對CCHP系統(tǒng)的研究或局限于天然氣基CCHP系統(tǒng)的冷、熱、電三聯(lián)供設備組成，或集中于以電網為核心、地源熱泵(ground source heat pump, GSHP)等可再生能源系統(tǒng)為輔助的電-熱耦合系統(tǒng)集成，缺乏對多聯(lián)產的設計分析，更鮮有涉及生物質氣化、燃燒及轉化的機理性建模分析.而有關多聯(lián)產系統(tǒng)的研究又多局限于煤氣化、生物質氣化等具體轉化技術，極少涉及用能端的負荷分析及BPIES的設計規(guī)劃和運行優(yōu)化[10-12].

為解決上述問題，本研究在構建生物質氣化多聯(lián)產各單元機理模型基礎上，構建了耦合電制冷空調(electric chiller, EC)、溴化鋰吸收式制冷、生物質鍋爐等輔助熱、冷設備及GSHP、光伏等可再生與不可再生能源系統(tǒng)的多層次、高維度數學優(yōu)化模型，探索系統(tǒng)架構的最優(yōu)平衡點，進一步提高區(qū)域BPIES的經濟性.本研究采用960個優(yōu)化時段(10年×4季×24 h)，結合不同地域的BPIES適用性與優(yōu)化運行策略，驗證模型及算法的可靠性和有效性，為推動基于生物質能的區(qū)域BPIES的開發(fā)及應用提供理論指導與決策支持.

1 BPIES的數學模型構建

本文中基于超結構的建模方法，對BPIES中的生物質發(fā)電系統(tǒng)氣化單元、熱電聯(lián)產(combined heat and power, CHP)單元、化學合成單元以及輔助供熱模塊、制冷模塊等進行了詳細的數學建模，該模型同時集成了PV與GSHP兩種可再生能源技術.

1.1 BPIES的超結構

BPIES系統(tǒng)超結構流程圖如圖1所示.

圖1 BPIES超結構示意圖Fig.1 Diagram of the proposed BPIES system

系統(tǒng)的產電設備可選技術主要包括生物質氣化多聯(lián)產模塊(包括化學合成單元)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等，且系統(tǒng)可根據需要選擇是否與電網并網.供熱模塊的主要作用是為了滿足熱負荷與吸收式制冷機(absorption chiller, ABS)的供汽熱耗需求，可選技術包括余熱鍋爐、輔助備用鍋爐及GSHP等.EC、溴化鋰ABS及雙效的GSHP則為供冷模塊的備選技術.

1.2 BPIES子模塊建模

1.2.1 基于生物質氣化的多聯(lián)產模塊

r為體積分流比;下標sg和fg分別表示進入化工合成單元和生物質發(fā)電單元的合成氣.圖2 多聯(lián)產流程示意圖Fig.2 Simplified flowsheet of the proposed polygeneration process

生物質氣化多聯(lián)產過程主要分為3個模塊：生物質氣化單元、化學合成單元和生物質CHP單元，如圖2所示.其中，每個模塊均有幾種類型的備選技術設備以滿足不同地區(qū)對不同工藝流程的要求.

1) 生物質氣化單元

生物質氣化單元的功能是在高溫、高壓和還原氣氛中將熱值較低的生物質粗原料氣化，轉化為可供下游利用的熱值較高的合成氣.合成氣主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、未轉化的碳和灰分組成.

合成氣rawsg的焓H和比焓h可以表示為摩爾流率.

Hrawsg=morawsg×hrawsg.

(1)

對于生物質氣化過程，生物質原料中的主要元素為碳、氫、氧、氮和硫5種，轉化后的合成氣組分主要為N2、H2、CO、CO2、H2O、CH4和H2S.基于元素和組分平衡，合成氣及其中各元素組分的摩爾流率和質量流率的平衡方程如下(以碳為例)：

MWC×morawsg×(xCO+xCO2+xCH4)=

UC×maf，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，j=N2、H2、CO、CO2、H2O、CH4、H2S，t等于合成氣的溫度T除以1 000[13].方程(2)表示合成氣摩爾流率和質量流率的平衡，MWC表示碳的分子量，UC表示燃料中碳的質量分數(干燥狀態(tài))，而x表示合成氣的摩爾組成(與特定類型的氣化技術有關)，mo和ma分別表示摩爾流率和質量流率，下標rawsg和f分別代表原料與合成氣.通過計算合成氣的摩爾流率和質量流率的平衡方程，即可獲得進入化學合成單元和CHP單元的合成氣焓值.

合成氣中的其他元素，如氫、氧、氮和硫的平衡方程，其計算方法類似.方程(4)中的參數在NIST Chemistry Webbook[14]中有具體說明.

2) 化學合成單元

在離開氣化單元后，合成氣被分流為兩部分氣體.一部分進入化學合成單元，另一部分直接進入生物質CHP單元，其調整程度可通過設計參數分流比r來確定，如下式：

(6)

化學合成(以甲醇為例)主要包括以下3個反應：

CO+2H2→CH3OH，

(7)

CO2+3H2→CH3OH+H2O，

(8)

CO+H2O→CO2+H2.

(9)

進入化學合成單元的合成氣和產品的質量平衡方程可表示如下：

f(mosg,xsg,mopg,xpg,γmeoh)=0.

(10)

根據化學反應式(7)～(9)，質量平衡方程可以表示如下：

mosg×(xsg(H2)-2γmeoh(CO)×xsg(CO)-

3γmeoh(CO2)×xsg(CO2))=mopg×xpg(H2)，

(11)

式中，γ表示轉化效率，meoh代表甲醇合成過程.

結合上述各式，可以計算出最終產物甲醇的質量流率和摩爾流率.

3) 生物質CHP單元

進入生物質CHP單元的另一部分合成氣與大量壓縮空氣混合，并在燃燒室中燃燒以產生高溫、高壓的氣體做功.其建模過程基于能量平衡，進入發(fā)電單元中壓縮機的空氣質量流率是溫度T1的函數，燃料氣體的ma和x可由下式表示：

(12)

對于由CO、CO2、H2、H2O、O2、N2和微量CH4、H2S組成的典型燃料氣體，式(12)可具體表示為：

mofg+moair=mogasin，

mofg×(xfg,CO+xfg,CO2+xfg,CH4)=

mogasin×xgasin,CO2，

j=N2,H2,O2,CO,CO2,H2O,CH4,H2S,

(13)

mofghfg+moairhair=mogasin×hgasin，

j=N2,O2,CO2,H2O,SO2，

xgasout,j=xgasin,j,j=N2,O2,CO2,H2O,SO2，

式中，下標fg表示進入發(fā)電單元的氣體，gasin和gasout分別代表進、出口處的氣體.氫、氧、氮和硫的平衡方程由類似方程表示.

與氣化單元中合成氣的焓值計算相類似，生物質CHP單元中進出口氣體的焓也是與溫度相關的經驗函數.燃料氣體的焓值可以根據經驗公式計算[14]，即方程(13)，流經壓縮機的空氣焓值和入口處氣體的焓值可以用相同的方式計算得出.

由上述計算得到壓縮機的進、出口參數，發(fā)電單元產生的機械功wgt是流經CHP單元的氣體質量流率及其進、出口物理參數的函數，表示為：

wgt=mogasin×(hgasin-hgasout).

由CHP單元產生的余熱后續(xù)可用于ABS進行制冷或供熱.

1.2.2 吸收式制冷模塊

ABS是多聯(lián)產系統(tǒng)中能量梯級利用的重要技術，其非設計工況性能曲線擬合模型如下：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，COABS表示ABS的制冷功率，IEelec為耗電量，COPABS為ABS的制冷性能系數，下標s,h表示季節(jié)s內的h時段CRABS為機組的額定功率，α表示機組的負載率，ω1、ω2、ω3為ABS的性能系數擬合曲線參數.

與ABS不同，模型中輔助聯(lián)供的鍋爐與電制冷機組均采用固定能效比的數學模型，即能量輸出等于能量輸入乘以能效系數，且輸入的能量不超過其額定容量與設備數量之積.

1.2.3 光伏模塊

PV的輸出受可安裝光伏板面積的限制，其輸出電量OE與太陽輻射強度δPV成正比，表示如下：

(18)

(19)

式中:OEPV表示PV在h時段內的總產電量;ηPV為PV系統(tǒng)的光電轉換效率(視為常數);N為設備數量，此處設備為光伏板;θPV表示單個設備的面積;SPV為最大允許安裝面積;太陽輻射強度δPV可參考當地太陽能輻射量數據庫.

1.2.4 GSHP模塊

與PV類似，GSHP同樣也受到可用安裝面積的限制：

Ni,gshp,y×θgshp≤Si,gshp,

(20)

式中，Ni,gshp，y表示第y年GSHP的建造數量，θgshp為單個GSHP占用的面積，Si，gshp為園區(qū)內所有GSHP的可裝機面積.GSHP的其他約束條件如下：

(21)

(22)

式中:ΔTs，h為土壤與GSHP出口的溫差；COP表示GSHP的性能系數，其值由式(21)計算可得[15]；IEgshp和OEgshp分別表示單個GSHP的能量輸入和輸出.

1.2.5 能量平衡

區(qū)域內的能源需求根據能源類型可分為電、熱、冷3類.下面兩式表示區(qū)域電網的能量平衡方程：

(23)

Enety,s,h+Ebuyy,s,h=

(24)

式中，OEelec表示多聯(lián)產系統(tǒng)生產的電量，Enet表示系統(tǒng)供應給區(qū)域電網的總凈電量，IEelec表示系統(tǒng)內部相關設備的寄生功耗，Ebuy和Esell分別表示從電網買入和賣出給電網的電量，Ed為區(qū)域內需求的電量.

就冷、熱平衡而言，能源系統(tǒng)的總熱能與冷能輸出OE須分別等于區(qū)域內的用戶冷(Cd)、熱(Hd)需求與設備寄生負荷(如ABS所需的熱能)的總和：

(25)

(26)

1.2.6 目標函數

本模型以規(guī)劃期內的總成本最小為優(yōu)化目標，采用凈現值(net present value, NPV)法進行評估[16]，具體如下：

(27)

式中，λ表示折現率，y表示時間維度年.其中含有3個成本約束，即投資成本CC、運行與維護成本OM及余電上網和甲醇銷售收入IN.其中CC、OM、IN的約束方程如下：

(28)

(29)

(30)

式中，Nip為第p個設備在y年新增的數量，Cpp表示其單機價格，Pbio為生物質價格，Ptou為分時電價，N為表示設備在y年的總數量，β表示年維護費用，REG與REB分別表示買電收入與化工產品銷售收入，Pfit與Pme分別表示上網電價和化工產品的銷售價格.

2 典型區(qū)域的BPIES案例分析與數學優(yōu)化結果

本文中將提出的BPIES模型分別應用于4個典型氣候地域內具有類似建筑供能與類似負荷的城市綜合體，對BPIES在不同地域的具體運行策略進行了重點研究.

2.1 數據輸入

考慮到不同地區(qū)冷、熱、電負荷之間的差異較大，不同方案的生物質CHP系統(tǒng)對生物質燃料的要求及熱電比例有不同的地域適用性，因此，本文中根據余熱利用方式的不同，分別設計以燃氣輪機和蒸汽輪機為核心的4種生物質CHP系統(tǒng)作為可供選擇的方案.模型的基本輸入數據包括所選取區(qū)域及其所在地的負荷需求、能源價格、可再生能源信息、各類技術設備的技術經濟性等，如表1與表2所示.

2.2 案例分析

本文中使用GAMS軟件中集成的Lindo求解器進行模型求解，并在Intel(R) Core(TM) i5-6500 CPU@3.20 GHz處理器和4 GB內存的硬件環(huán)境下運行.模型共含有228 429個平衡方程、310 685個變量及404 767個約束方程.4個案例中，模型求解時間最短的為昆明案例，經過16 min獲得優(yōu)化結果.最長的為上海案例，經過28 min 獲得優(yōu)化結果.

2.2.1 供熱方案

4個案例典型冬季12月至明年2月日熱輸出占比如圖3所示.從縱坐標的負荷值可明顯看出，熱負荷大連最高、上海次之、廣州最低.具體的運行策略方面，大連的BCHP2全天運行，并且保持穩(wěn)定地輸出，而生物質鍋爐運行在日間熱負荷較高時刻，尤其是08:00—13:00時段，其運行負載達到最大值.隨著熱負荷的下降鍋爐的輸出逐漸降低，在23:00—07:00幾乎沒有輸出.GSHP與BCHP1僅作為輔助熱源，不同的是高效率的GSHP依靠系統(tǒng)產生的電能全天輸出，而需要使用生物質燃料且熱效率較BCHP2更高的BCHP1僅在部分時段輸出.同樣是熱負荷較高的上海，與大連不同的是其鍋爐是主要熱源，全天輸出，這是因為上海的生物質燃料價格較高，其選擇使用的BCHP3運行當地電價處于非低谷時段，這主要是為了盡可能減少在電價較高時段由電網購電而選擇使用系統(tǒng)自發(fā)電量.對于熱負荷最低的廣州來說，夜間主要通過使用電驅動的GSHP與生物質鍋爐滿足熱負荷需求(主要原因是夜間電價較低，可通過電網購電以滿足電需求)，日間的熱負荷幾乎全由BCHP2+BCHP3的組合進行滿足，這也是4個地區(qū)中唯一一個鍋爐并非運行于負荷較高時段的地區(qū).熱負荷與生物質燃料均較低的昆明，其熱輸出占比與大連類似，同樣為BCHP2全天運行，日間熱負荷較高時段由鍋爐滿足，但并沒有選用BCHP1，同時GSHP也僅在日間作為輔助熱源輸出.

表1 4個城市的分時電價與生物質燃料價格

表2 設備參數

圖3 4個城市典型冬季日供熱輸出組成Fig.3 Heating supply in a typical winter day of the four cities

2.2.2 供冷方案

從4個城市典型夏季(6—8月)日冷輸出占比來看，如圖4所示，大連與昆明較為類似，ABS全天運行，EC與GSHP的運行時段近乎一致，即08:00—21:00，在冷負荷增高的時段開始運行，冷負荷下降時段停止.而廣州和上海的運行策略與另外兩個地區(qū)相反，ABS僅在日間負荷較高的時段運行，GSHP與EC全天運行.這說明在冷負荷較低且生物質價格較低的地區(qū)，其夏季最佳的運行策略應是采用ABS全天運行作為主要冷源，EC與GSHP在負荷較高的時候作為輔助冷源.而在冷負荷較高且生物質價格也較高的地區(qū)，夜間使用GSHP與EC作為冷源更有優(yōu)勢，因為此時電價處于低谷，使用燃燒生物質燃料產生余熱驅動ABS制冷不但運行費用較高，且ABS的制冷效率也較低，而日間負荷較高且電價也較高時則需采用ABS作為輔助冷源.

圖4 4個城市典型夏季日供冷輸出組成Fig.4 Cooling supply in a typical summer day of the four cities

盡管日間運行策略有所不同，但在日間負荷較高時段，EC的供能比例明顯高于其余兩者.除了受可用面積限制的GSHP無法更多地產生能量輸出外，EC的制冷效率遠高于采用余熱吸收的ABS也是一個重要原因.值得注意的是，4個城市均沒有采用單一EC供冷的方式，而都是通過采用與其余兩種設備組合功能的方式滿足負荷需求.這是因為單一設備供能不但會使設備裝機容量過大投資較高，同時會造成負荷較低時的空置率較高，效率降低，因此負荷波動時無法到達多能協(xié)同互補的效果.

2.2.3 供電方案

從日間運行策略來看，如圖5所示，由于從電網購電量極少，典型夏季日中大連的電出力組合較其余3個地區(qū)顯得較為單一，即07:00開始隨著光照強度增強，PV逐漸成為主要電源，18:00—22:00光照逐漸減弱，BCHP1作為輔助電源逐漸增大出力.值得注意的是，在中午12：00—13：00時段，BCHP2完全停止工作，此時采用電效率更低、熱效率更高的BCHP1.這是因為在這個時段PV的出力達到最大值，此時區(qū)域的電、冷負荷與08:00—12:00時段相比有所下降，PV與BCHP1產生的電能已經超出區(qū)域所需電量.因此，使用熱效率更高的BCHP1產生更多的熱能作為ABS的熱源制冷，這種運行方式經濟性更優(yōu).此外，在23:00—07:00時段，大連與其他區(qū)域完全不同，僅由BCHP2滿足區(qū)域電負荷需求.上海與廣州的典型夏季日電出力組成較為類似，即夜間電價處于低谷時段完全由電網購電滿足負荷需求，日間電價處于平段或峰值時主要由PV與生物質CHP組合供電，但仍需從電網購買少量電量，尤其是電價處于峰值的18:00—21:00時段內，并沒有通過選用更大容量的生物質CHP以覆蓋區(qū)域負荷.而昆明電出力組成與其他3個案例最為明顯的不同在于全天生物質CHP運行，并保持在一個較為穩(wěn)定的出力，主要原因是其生物質CHP的裝機容量較低，僅作為輔助電源.

圖5中的曲線表示生物質CHP單元與化學合成單元在典型夏季日的逐時分流比.可以明顯地看出4個城市在夜間與中午時分的分流比都較低，這是因為：1) 在夜間負荷較低，合成氣可以更多地進入化學合成單元，廣州和上海地區(qū)更是全部進入化學合成單元，以提高系統(tǒng)經濟效益；2) 中午12:00—13:00時段，光照最強，PV出力達到最大，生物質CHP單元出力減少，相應地進入化學合成單元的合成氣增加，其余時段，尤其是下午至夜晚時段，區(qū)域負荷較大，生物質CHP單元出力增加，則進入化學合成單元的合成氣減少.說明耦合化學合成單元的BPIES系統(tǒng)在滿足區(qū)域負荷與生產化學產品上達到良好的互補作用，可有效提高系統(tǒng)的經濟效益與能源的利用率.

圖5 4個城市典型夏季日供電組成Fig.5 Electricity supply in a typical summer day of the four cities

2.2.4 綜合效益

4個案例的設備組合與相關經濟性優(yōu)化結果見表3與表4，系統(tǒng)經濟性主要分為設備初始投資費用、運行費用以及部分電力或化工產品的銷售收入3個部分，并對4個案例采用一般供能方式與本模型的一次能源消耗量及二氧化碳排放量進行了對比(一般供能方式指4個案例均采用傳統(tǒng)供能方式，即電、熱、冷分別由外部電網、鍋爐以及壓縮式空調供給).由于生物質燃料的熱值低于天然氣或煤炭等其他常規(guī)一次能源，通過使用生物質燃料可改變地區(qū)單一的供能方式，利用其較低的價格調整逐時的運行策略以提高能源的綜合利用率，降低運行費用.因此，4個案例中的一次能源節(jié)約率均不超過30%，但由于生物質燃料的清潔屬性，各案例中的二氧化碳減排率都達到了40%以上.

表3 4個城市的設備組合

表4 4個城市優(yōu)化結果

從初始設備投資費用方面看，大連>上?！謴V州>昆明，與4個案例的負荷大小有著類似的趨勢.考慮到4個地區(qū)的實際生物質價格及電價水平差距，運行費用的結果，即廣州>上海>大連≈昆明，基本合理.另外，就4個案例的銷售收入來看，4地差別不大.但由于不同地區(qū)的生物質燃料與產出的化工產品價格不同，導致大連與昆明地區(qū)的化學合成所需生物質燃料費用遠低于廣州與上海.因此，就生物質合成化工產品的投入產出效益而言，大連>昆明>廣州>上海.盡管如此，昆明案例的投資回收期仍是所有案例中最長的，廣州略短于上海，大連最佳.

3 結 論

本文中基于運籌學規(guī)劃理論及能源綜合梯級利用原則，提出將生物質氣化多聯(lián)產與區(qū)域能源系統(tǒng)相結合，圍繞BPIES的系統(tǒng)優(yōu)化配置模型及運行策略方法展開研究，對其中的生物質氣化單元、生物質CHP單元以及化學合成單元進行機理建模，同時耦合多種能量轉換單元進行集成建模，并對系統(tǒng)運行策略與能量最優(yōu)傳輸時序進行了重點剖析.同時，結合國內4個典型氣候城市為案例，在滿足區(qū)域負荷的基礎上，對系統(tǒng)規(guī)劃和運行策略的關鍵要素進行了具體分析，研究結論如下：

1) 從生物質CHP的選擇來看，BCHP1裝機價格較低，但效率也較低，僅適于在大連這類熱負荷較高且燃料價格較低的地區(qū)作為輔助熱源使用.BCHP2由于其低燃料消耗水平、低裝機價格與較BCHP1更高的熱電效率，適用性較強.對于上海與廣州這類能源負荷且能源價格較高的地區(qū)，盡管BCHP3的燃料消耗水平較高，但由于其較高的熱電效率，適用性更佳.BCHP4的裝機價格過高，適用性最差.

2) 通過4個典型區(qū)域BPIES的適用性案例分析可知，綜合考慮經濟、環(huán)境以及能效水平等指標，大連優(yōu)于廣州與上海，主要是由于大連地區(qū)較高的熱負荷需求與較低的生物質燃料價格.而昆明地區(qū)BPIES的適用性最差，主要源自該地區(qū)較低的熱、電負荷與較低的外部電網價格，BPIES僅作為輔助供能系統(tǒng)使用.

3) 光伏發(fā)電系統(tǒng)在4個城市都有較好的應用，因為其不但可作為重要的電能來源，還可在日間光照較強的時段減少生物質發(fā)電系統(tǒng)的出力，增加進入化學合成單元的生物質氣量，進而通過銷售化工產品有效增加系統(tǒng)收入，降低規(guī)劃期內系統(tǒng)運行的總費用.

4) 耦合了化學合成單元的BPIES系統(tǒng)在滿足區(qū)域負荷與生產化學產品上達到良好的互補作用，在區(qū)域能源負荷需求較低時增加化學產品的產出，在需求較高時增大生物質產能單元的出力，不僅能夠達到能源的高效利用，還能同時提高系統(tǒng)經濟效益.