李博文,馮洪慶,張曉東,李雪萌
(1.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院,山東 青島 266580;2.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,福建 廈門 361021)
目前,很多已經(jīng)建成的分布式能源項(xiàng)目由于在設(shè)計(jì)過程中對系統(tǒng)容量的計(jì)算和機(jī)組配置大多采用經(jīng)驗(yàn)法,導(dǎo)致出現(xiàn)了設(shè)計(jì)周期長、計(jì)算方法不統(tǒng)一、系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不明確等問題。因此 ,對不同形式的分布式能源系統(tǒng)從機(jī)組配置、運(yùn)行策略和建設(shè)成本等方面[1]進(jìn)行優(yōu)化是非常值得研究的課題。
近年來,有學(xué)者對可再生能源和化石能源所構(gòu)建的多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-4]提出利用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)耦合地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供能,并采用遺傳算法來優(yōu)化系統(tǒng)容量。結(jié)果表明,混合供能系統(tǒng)比單一供能系統(tǒng)更加節(jié)能,并且效益更好。魏大鈞等[5]通過對生物質(zhì)氣分布式能源項(xiàng)目和天然氣分布式能源項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,認(rèn)為優(yōu)化后的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)相比,節(jié)能減排效果顯著。陳潔等[6]以一個(gè)包含光伏,風(fēng)電,微燃機(jī),燃料電池,蓄電池以及熱、電負(fù)荷組成的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象,運(yùn)用改進(jìn)遺傳算法,對綜合經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的多目標(biāo)優(yōu)化和單目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行了對比分析,證明了多目標(biāo)優(yōu)化比單目標(biāo)優(yōu)化精度更高。
盡管許多學(xué)者通過對分布式能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)方案的研究優(yōu)化了其能源利用效率,但是實(shí)際工程實(shí)踐中設(shè)備配置和容量的優(yōu)化仍然是制約系統(tǒng)節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的最關(guān)鍵因素。目前,通過模擬分布式能源系統(tǒng)機(jī)組配置并結(jié)合數(shù)學(xué)模擬計(jì)算是求解系統(tǒng)最優(yōu)容量比較常見的方式。Wang等[7]針對區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的余熱利用形式進(jìn)行分析,采取詳細(xì)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化,對余熱按照品質(zhì)等級進(jìn)行分類,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合整數(shù)線性規(guī)劃模型可以節(jié)約5%的能源成本。黃興華等[8]基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃理論,構(gòu)建了微型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化模型。通過對系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合儲能技術(shù),迭代生成運(yùn)行控制策略,項(xiàng)目運(yùn)行以后取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。Abdollahi等[9]通過智能優(yōu)化算法對小型分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化過程考慮了對于環(huán)境的影響。陳旭等[10]通過對比天然氣和供電價(jià)格,分別找到了分布式能源項(xiàng)目節(jié)能減排的平衡點(diǎn)和成本經(jīng)濟(jì)性平衡點(diǎn)。
但是分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行是一個(gè)動態(tài)過程,已有的優(yōu)化方案對基于全年動態(tài)負(fù)荷需求進(jìn)行發(fā)電機(jī)組容量配置的相關(guān)研究較少[11]。另外,發(fā)電機(jī)組的配置環(huán)節(jié)對于分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程非常重要,尤其是發(fā)電機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間和發(fā)電機(jī)組的貢獻(xiàn)情況,已有的研究尚缺乏明確的評價(jià)指標(biāo)。本文基于此提出了針對分布式能源系統(tǒng)中基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組的評價(jià)指標(biāo),耦合兩種算法優(yōu)化了分布式能源系統(tǒng),并驗(yàn)證了算法的有效適用性。
本文對于計(jì)算方法驗(yàn)證和發(fā)電機(jī)組評價(jià)指標(biāo)的分析過程基于中國四川某樓宇式建設(shè)項(xiàng)目模型,模型一年中有冷、熱、電3種負(fù)荷需求,并且熱負(fù)荷中包含蒸汽和建筑采暖兩種形式。分布式能源系統(tǒng)在不同的運(yùn)行時(shí)間段,動態(tài)負(fù)荷需求曲線的波動情況不同,見圖1。全年共8760 h,本文把分布式能源系統(tǒng)的單位運(yùn)行周期定為24 h,全年共365個(gè)運(yùn)行周期,見圖1。
圖1 典型單位運(yùn)行周期負(fù)荷需求波動圖Fig.1 Load comparisonin typical unit operating cycles
樓宇分布式能源系統(tǒng),單位運(yùn)行周期內(nèi)用能負(fù)荷晝夜波動較大,要求機(jī)組具有更快的動態(tài)響應(yīng),機(jī)組的運(yùn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有更高的靈敏度。本文中,樓宇分布式能源系統(tǒng)采用天然氣作為一次能源,冷熱電負(fù)荷都需要通過分布式能源站滿足,這就要求能源站運(yùn)行過程可以靈活調(diào)節(jié),隨用能負(fù)荷變化系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)迅速,并且分布式能源系統(tǒng)容量應(yīng)該和用能需求匹配合理。由于燃?xì)廨啓C(jī)在電負(fù)荷變化比較大的情況下生產(chǎn)的電能品質(zhì)差,安全系數(shù)低,所以樓宇式項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組不宜采用燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)。為了保證樓宇分布式能源系統(tǒng)供能穩(wěn)定,滿足綜合能源利用率、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等條件,基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組優(yōu)先選擇天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。
項(xiàng)目模型全年動態(tài)電負(fù)荷在單位運(yùn)行周期內(nèi)波動較大,發(fā)電機(jī)組采用天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是合理的。項(xiàng)目全年有穩(wěn)定蒸汽需求,不適合采用儲熱設(shè)備,余熱的主要利用方式為提供熱負(fù)荷,僅在夏季有空調(diào)冷負(fù)荷需求,所以機(jī)組配置方案采用蒸汽型余熱鍋爐、蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組、汽-水換熱器和蓄電單元。蓄電單元的作用主要是在電負(fù)荷需求比較低的時(shí)間段協(xié)同基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組提高發(fā)電功率,基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組結(jié)合蓄電單元用于減小電負(fù)荷調(diào)峰的范圍,提高余熱供熱能力,可以實(shí)現(xiàn)電能削峰填谷和保障熱負(fù)荷供給目的。另外,由于政策限制,本系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)供電方式,電負(fù)荷調(diào)峰采用電網(wǎng)調(diào)峰方式,熱負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備采用燃?xì)庹羝仩t。系統(tǒng)設(shè)備配置模型見圖2。
圖2 系統(tǒng)機(jī)組配置方案Fig.2 Schematic of the system configuration
本例中發(fā)電機(jī)組采用國產(chǎn)天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組,發(fā)電效率為38%,蓄電池的輸入輸出效率為95%[12],余熱鍋爐對余熱的利用效率根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目熱需求進(jìn)行確定,蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷系數(shù)取1.2,燃?xì)忮仩t熱效率取92%,負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算過程均考慮了3%的管網(wǎng)損失。
蓄電單元容量計(jì)算式如下:
(1)
式中:Qb為蓄電單元容量,A·h;Pg,s為蓄電單元實(shí)時(shí)充電量,kW·h;ηc為充電效率;U為蓄電單元輸出電壓,V;U(t)為實(shí)時(shí)充電電壓,V;I(t)為實(shí)時(shí)充電電流,A;t為時(shí)間,h。
蓄電單元供電能力計(jì)算公式如下:
Pd=Qb×ηd,
(2)
式中:Pd為蓄電單元輸出電量,kW·h;ηd為放電效率。
機(jī)組實(shí)際供能熱電比計(jì)算公式如下:
(3)
基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組余熱供能能力表達(dá)式:
(4)
式中:cg為煙氣質(zhì)量比熱容,kJ/(kg·℃) 。在此給出標(biāo)況下本項(xiàng)目所需煙氣物理性質(zhì)相關(guān)參數(shù)(400 ℃時(shí)cg=1.151;500 ℃時(shí)cg=1.185;600 ℃時(shí)cg=1.214;700 ℃時(shí)cg=1.239);Cbg為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量,kW;Gg為通過余熱利用設(shè)備的煙氣質(zhì)量流量,kg/h;Tg1、Tg2為通過余熱設(shè)備的煙氣進(jìn)出口溫度,℃;cj為缸套水質(zhì)量比熱容,kJ/(kg·℃),在此取4.2;Gj為通過余熱利用設(shè)備的缸套水質(zhì)量流量,kg/h;Tj1、Tj2為通過余熱設(shè)備的缸套水進(jìn)出口溫度,℃;Qwh為余熱供能能力,kW ;Reld為全年動態(tài)電負(fù)荷,kW;i為運(yùn)行時(shí)間,h。
分布式能源系統(tǒng)電平衡表達(dá)式:
Enggs+Egrid+Eb-Enggs,b=EAC,
(5)
式中:Enggs為發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)輸出功率,kW;Egrid為分布式能源系統(tǒng)采用電網(wǎng)調(diào)峰瞬時(shí)功率,kW;Eb為電池瞬態(tài)輸出功率,kW;Enggs,b為電池瞬態(tài)輸入功率,kW;EAC為電負(fù)荷瞬時(shí)功率,kW。
分布式能源系統(tǒng)冷熱平衡表達(dá)式:
Qhrsg+Qsb=Qsteam+Qhe+Qac,
(6)
式中:Qhrsg為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組余熱功率,kW;Qsb為燃?xì)庹羝仩t功率,kW;Qsteam為項(xiàng)目蒸汽負(fù)荷,kW;Qhe為汽-水換熱器輸入功率,kW;Qac為蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組輸入功率,kW。
目前國際上建筑環(huán)境模擬軟件很多,研究表明清華大學(xué)建筑環(huán)境模擬軟件DeST計(jì)算結(jié)果符合中國建筑特征,其建筑模型充分考慮了房間的熱平衡和建筑環(huán)境等因素,尤其是在動態(tài)模擬方面,DeST計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確[13-14],所以本文中原始負(fù)荷數(shù)據(jù)采用DeST軟件計(jì)算。
第一個(gè)指標(biāo)是發(fā)電機(jī)組有效利用率,即機(jī)組實(shí)際全年總發(fā)電量和理論上全年8760 h均以額定功率運(yùn)行時(shí)總發(fā)電量的比值,ηeu的大小用來評價(jià)分布式能源系統(tǒng)裝機(jī)容量是否恰當(dāng),ηeu越小則說明裝機(jī)容量越大。
第二個(gè)指標(biāo)是機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率,即機(jī)組實(shí)際全年總發(fā)電量和建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際需求總電量的比值,ηeg的大小用來評價(jià)分布式能源系統(tǒng)對于用戶總需求的貢獻(xiàn)作用,ηeg越小則說明分布式能源系統(tǒng)在整個(gè)供能系統(tǒng)中起的作用越小。
機(jī)組有效利用率計(jì)算式如下:
(7)
(8)
機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率計(jì)算式如下:
(9)
式中:Eat為年發(fā)電總量,kW·h;ηeu為機(jī)組有效利用率;ηeg為機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率。
本文經(jīng)濟(jì)性分析主要考慮分布式能源系統(tǒng)能源成本節(jié)約率[15]。
(10)
(11)
(12)
式中:ηcost為年運(yùn)行成本節(jié)約率;QcostA為分布式能源系統(tǒng)年運(yùn)行成本,元;QcostB為常規(guī)系統(tǒng)年運(yùn)行成本,元;Ogas,i為天然氣價(jià)格,元;Fgs,i為發(fā)動機(jī)消耗燃料量,m3;Fsb,i為燃?xì)忮仩t燃料消耗量,m3;Fgrid,i為從電網(wǎng)購電量,kW·h;Ogrid,i為購電價(jià)格,元。
分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率[16]表達(dá)式:
(13)
式中:v為年平均能源綜合利用率;W為年聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電量,kW·h;Q1為年有效供熱利用余熱總量,MJ;Q2為年有效供冷利用余熱總量,MJ;B為年聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)饪偤牧?,m3;QL為燃?xì)獾臀话l(fā)熱值,MJ / m3。
分布式能源系統(tǒng)節(jié)能率表達(dá)式:
(14)
式中:Ape為常規(guī)系統(tǒng)一次能源消耗量,m3;Bpe為分布式能源系統(tǒng)一次能源消耗量,m3。
本方案以動態(tài)電負(fù)荷的平均值為系統(tǒng)基礎(chǔ)發(fā)電容量,計(jì)算方法如下:
任意時(shí)間段機(jī)組供電做功計(jì)算式:
(15)
動態(tài)電負(fù)荷平均值計(jì)算式:
(16)
式中:Eaal為電負(fù)荷的平均值,kW;En為動態(tài)電負(fù)荷,kW;WE為電功,kW·h;U(t)為發(fā)電機(jī)組輸出動態(tài)電壓,V;I(t)為發(fā)電機(jī)組輸出動態(tài)電流,A;k為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長,h(系統(tǒng)全年運(yùn)行工況下k=8760 h);t0為統(tǒng)計(jì)開始時(shí)間;t1為統(tǒng)計(jì)結(jié)束時(shí)間。
多維度迭代算法通過對全年動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行冷、熱、電、時(shí)間、性能、貢獻(xiàn)比和經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行耦合計(jì)算,首先對全年最高電負(fù)荷按照固定步長進(jìn)行迭代降值計(jì)算,輸出可以作為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量的一維數(shù)組Rcd(n)。然后,分別以機(jī)組容量數(shù)組中的值為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組,通過計(jì)算得到發(fā)電機(jī)組年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間數(shù)組Tf(n)、實(shí)際滿負(fù)荷發(fā)電總量數(shù)組Ef(n)和基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組的全年總發(fā)電量數(shù)組Eat(n)。本方案運(yùn)算過程考慮了在全年動態(tài)負(fù)荷需求下的機(jī)組的能量轉(zhuǎn)化情況,運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)用來分析機(jī)組有效利用率和發(fā)電量貢獻(xiàn)率兩個(gè)指標(biāo),具體計(jì)算模型見式(17)。
(17)
依次運(yùn)算可以得到以下數(shù)組:
Rcd(1),Rcd(2),Rcd(3),Rcd(4),Rcd(5),…,Rcd(n),
Tf(1),Tf(2),Tf(3),Tf(4),Tf(5),…,Tf(n),
Ef(1),Ef(2),Ef(3),Ef(4),Ef(5),…,Ef(n),
Eat(1),Eat(2),Eat(3),Eat(4),Eat(5),…,Eat(n)。
以數(shù)組Rcd(n)的數(shù)據(jù)為X軸,命名為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量;以Tf(n)的數(shù)據(jù)為Y軸,命名為滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間;以Ef(n)的數(shù)據(jù)為Z軸,命名為滿負(fù)荷發(fā)電量,建立三維曲面圖,如圖3。
通過三維曲面圖(圖3),找到Z軸方向峰值A(chǔ)點(diǎn),即當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量為2477 kW時(shí),全年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為3505 h,滿負(fù)荷發(fā)電量為8677 MW·h。采用多維度迭代計(jì)算優(yōu)化,以圖3中A點(diǎn)機(jī)組容量為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組,全年實(shí)際滿負(fù)荷發(fā)電量最大,說明基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組在此容量時(shí)達(dá)到了本建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際滿負(fù)荷運(yùn)行的最佳條件。
圖3 不同容量發(fā)電機(jī)組在全年的運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Year-round operation comparison of generator sets with different capacities
采用動態(tài)電負(fù)荷平均值計(jì)算法優(yōu)化得到項(xiàng)目基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量結(jié)果為2297 kW,發(fā)現(xiàn)多維度迭代計(jì)算得到的電負(fù)荷值與全年動態(tài)電負(fù)荷平均值有一定的偏差。以數(shù)組Rcd(n)負(fù)荷值和全年動態(tài)電負(fù)荷平均值的并集作為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量,計(jì)算出發(fā)電機(jī)組有效利用率和機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率的曲線,見圖4。可以看出隨著基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量增加,機(jī)組有效利用率呈下降趨勢,機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率呈上升趨勢。發(fā)電機(jī)組容量越大,機(jī)組全年有效發(fā)電量越多,雖然機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率增高,但是理論上全年8760 h均以額定工況運(yùn)行時(shí)總發(fā)電量會更大,機(jī)組在實(shí)際動態(tài)運(yùn)行時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間減少,導(dǎo)致機(jī)組有效利用率低。圖4中A點(diǎn)發(fā)電機(jī)組容量為2477 kW,B點(diǎn)為全年動態(tài)電負(fù)荷平均值時(shí)發(fā)電機(jī)組容量2297 kW,以兩條曲線的交點(diǎn)為中心,A、B兩點(diǎn)對稱,說明在兩個(gè)比率因素共同影響時(shí),A、B兩點(diǎn)為參與計(jì)算的數(shù)值中的優(yōu)選數(shù)值。考慮到根據(jù)實(shí)際情況,基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組選擇機(jī)型時(shí)應(yīng)該有一個(gè)功率選型范圍,耦合優(yōu)化方案把A、B兩點(diǎn)的容量值定為發(fā)電機(jī)組選型功率范圍,即2297~2477 kW,A、B兩點(diǎn)對比結(jié)果見表1。
圖4 發(fā)電機(jī)組有效利用率和機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率對比圖Fig.4 Comparison of the effective utilization rates and electricity contribution rates of the generator sets
表1 A、B兩點(diǎn)參數(shù)
注:Efi=Cbg×8760,為理想全年滿負(fù)荷發(fā)電總量(kW·h)
以Rcd(n)數(shù)組中的數(shù)值作為基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量進(jìn)行運(yùn)行模擬計(jì)算,計(jì)算出每個(gè)機(jī)組容量的能源成本節(jié)約率。從圖5可以看出,隨著機(jī)組容量上升,能源成本節(jié)約率也逐漸升高。在2297~2477 kW內(nèi),能源成本節(jié)約率為20.14%~20.85%,具有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組利用率、基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組貢獻(xiàn)率,選擇2297~2477 kW機(jī)組容量較為合適。
圖5 不同容量機(jī)組的能源成本節(jié)約率曲線Fig.5 Energy cost saving ratio curves of generator sets of different capacities
通過圖6a可以看出在2297~2477 kW內(nèi)均保證了分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率大于70%,通過圖6b可以看出隨著基礎(chǔ)發(fā)電機(jī)組容量的增大,分布式能源系統(tǒng)均保證節(jié)能率大于14.3%,根據(jù)《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》[16]要求,在2297~2477 kW內(nèi)的基礎(chǔ)發(fā)電容量是有效容量。
圖6 機(jī)組容量變化對年平均能源綜合利用率和節(jié)能率影響圖Fig.6 Influence of generator capacity changes on the annual average energy utilization rate and primary energy saving ratio
(1)本文提出針對天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組的兩個(gè)評價(jià)指標(biāo),其中發(fā)電機(jī)組有效利用率以機(jī)組本身在整個(gè)供能系統(tǒng)全年運(yùn)行周期中的使用情況為研究對象,利用率越高說明機(jī)組容量閑置越少,機(jī)組運(yùn)行過程中利用越充分。機(jī)組發(fā)電量貢獻(xiàn)率是以能源供應(yīng)的分配問題為研究對象,發(fā)電機(jī)組有效發(fā)電量大,對于整個(gè)用能系統(tǒng)貢獻(xiàn)率高,說明調(diào)峰需求能量就會減少,這種工況下分布式能源系統(tǒng)在供能系統(tǒng)中貢獻(xiàn)更大。
(2)耦合算法得到的裝機(jī)容量范圍為2297~2477 kW,在此容量范圍內(nèi)的分布式能源系統(tǒng)相對于分產(chǎn)供能系統(tǒng)一次能源節(jié)約率大于14.3%,能源經(jīng)濟(jì)性提高了20.14%~20.85%,能源綜合利用率大于70%。耦合時(shí)間和動態(tài)負(fù)荷等多維度優(yōu)化方案適用于樓宇式分布式能源項(xiàng)目,可以顯著提高能源利用率和經(jīng)濟(jì)性。