劉 輝,張 磊,張俊杰,王順森,謝永慧

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025； 2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

天然氣分布式能源系統(tǒng)具有一次能源利用率高、環(huán)境效益顯著等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)得到了大規(guī)模的發(fā)展，大量能源站被建造并投入使用[1-5]。

但是，我國然氣輪機技術(shù)起步較晚，與國際先進水平存在一定差距，這導(dǎo)致天然氣分布式能源系統(tǒng)中的然氣輪機等關(guān)鍵設(shè)備需要進口，進而使得前期投資成本和后期運維費用較高，最終導(dǎo)致天然氣分布式能源站整體盈利水平不高，甚至虧損[6-7]。同時，我國一些已建成的能源站，由于缺少然氣，導(dǎo)致利用效率不高，甚至無法運行。

隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機容量的逐年增長，可再生能源的波動性、反調(diào)峰性等給其自身并網(wǎng)輸送帶來了困難，導(dǎo)致其并網(wǎng)消納越來越困難。現(xiàn)有研究表明，在電力系統(tǒng)內(nèi)多種類型電源之間互補運行，可以更好地滿足電力負荷需求，提高可再生能源利用率[8]。

目前對多能互補能源系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度、系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)總體設(shè)計、經(jīng)濟與環(huán)境效益、綜合能源管理等方面[8-11]。

為了降低傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的投資和運維成本，提高風(fēng)電、光伏等可再生資源利用率，本文提出了一種基于然氣鍋爐的新型多能互補分布式系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行性能分析。

1 新型分布式能源系統(tǒng)簡介

本文提出的新型多能互補分布式能源系統(tǒng)由然氣鍋爐、背壓機、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。然氣鍋爐、背壓機組成然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)，主要承擔系統(tǒng)內(nèi)的熱負荷和部分電負荷；多臺風(fēng)力發(fā)電設(shè)備組成風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)；光伏發(fā)電設(shè)備組成光伏發(fā)電子系統(tǒng)；儲能設(shè)備組成儲能子系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)之間獨立運行，同時又通過電力傳輸分別與儲能子系統(tǒng)相連。儲能子系統(tǒng)主要用來平衡系統(tǒng)和用戶之間電能負荷的作用，其在系統(tǒng)內(nèi)電能多余時進行儲能，缺少電能時進行釋能。

圖1 新型分布式能源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)中含有四種能量輸出源，其中電能輸出源三種、熱能輸出源一種。不同能量輸出源設(shè)備的運行工況以及用戶負荷的匹配程度共同決定了系統(tǒng)的運行方式[12]。

(1)熱跟隨(Following the Thermal Loads,FTL)

分布式能源系統(tǒng)根據(jù)用戶熱負荷需求運行，熱用戶的負荷需求決定了然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)的運行方式和運行工況，風(fēng)資源和光資源決定了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電子系統(tǒng)運行工況，當分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量高于或低于用戶電負荷需求時，儲能設(shè)備投入運行，平衡系統(tǒng)內(nèi)的電能需求。

(2)電跟隨(Following the Electrical Loads,FEL)

分布式能源系統(tǒng)根據(jù)用戶電負荷需求運行，鍋爐-背壓機組子系統(tǒng)發(fā)電量由系統(tǒng)內(nèi)可再生能源發(fā)電量和電能需求量共同確定，當然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)的產(chǎn)熱量高于用戶需求時，多余部分熱量直接排放，如果不足，通過尖峰然氣鍋爐補燃解決。

2 系統(tǒng)建模與分析

2.1 系統(tǒng)建模

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機模型

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備從風(fēng)中吸收的能量為[13-14]

(1)

式中λ=φr/v——尖速比；

φ——風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度；

v——風(fēng)速/m·s-1；

ρ——空氣密度/kg·m-3；

r——風(fēng)輪半徑/m；

κ——槳距角/°；

Cp(λ,κ)——風(fēng)能利用系數(shù)。

實際輸出功率P(v)的計算式為[13-14]

(2)

式中Pr——在額定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機功率/kW；

vi、vr和ve——啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速和停機風(fēng)速/m·s-1；

η(v)——非額定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機的效率。

η(v)計算式為

(3)

2.1.2 光伏電池模型

根據(jù)參考文獻[15-16]，可采用下列公式描述光伏電池功率對外輸出特性，

(4)

修正后短路電流：

(5)

修正后開路電壓：

Vop=Voc(1-cΔT)ln(1+bΔS)

(6)

修正參數(shù)：

(7)

(8)

工作溫度：

Tw=Tenv-0.03S

(9)

變化量：

(10)

式中V——PV輸出電壓；

I——PV輸出電流；

Sref和Tref——參考光照強度和參考電池溫度；

Voc——開路電壓；

Idl——短路電流；

S——實際光照強度；

Tw——實際電池溫度；

a、b、c——系數(shù)，a=0.002 5/℃，b=0.5，c=0.002 88/℃。

2.1.3 儲能電池模型

目前除抽水蓄能外，電化學(xué)儲能與其他儲能方式相比在使用壽命、存儲容量、電能品質(zhì)、安全性、技術(shù)成熟度等方面都具有顯著優(yōu)勢，是目前在多能互補領(lǐng)域使用相對較廣泛的技術(shù)。表1從容量、功率、成本、壽命周期等角度對不同電化學(xué)儲能技術(shù)進行了比較。

風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)中要依靠儲能電池的充放電來平衡分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量與用戶電負荷之間的關(guān)系。因此，需要容量大、循環(huán)次數(shù)高的儲能電池。通過由表1的比較可知，全釩液流電池在存儲性能和成本方面具有一定的優(yōu)勢，因此本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)選用全釩液流電池作為儲能設(shè)備。

儲能系統(tǒng)模型為：

(11)

式中pst,cha——儲能系統(tǒng)釋放的電能/kW；

pst,dis——儲能系統(tǒng)存儲的電能/kW。

表1 不同儲能技術(shù)參數(shù)比較[17-18]

儲能技術(shù)容量/MW·h功率/MW效率/[%]壽命周期儲能成本/$·kW-1鉛酸電池3.2～481～1275～904 5002 000～4 600鈉硫電池7.21754 5003 200～4 000全釩液流電池4～401～1065～70>10 000750～830鋅鎳電池5～501～1060～65>10 0001 670～2 015鋰離子電池4～241～1090～944 5001 800～4 100

2.1.4 然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)

由然氣鍋爐和背壓機組成的然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)是本文提出的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，該部分負責(zé)提供全部熱能，以及部分電能。為了精確模擬該子系統(tǒng)的性能，對該子系統(tǒng)進行建模仿真分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 基于TPIS的系統(tǒng)仿真模型

2.2 系統(tǒng)評價指標

一次能源效率和污染物排放量是評價分布式能源系統(tǒng)進行熱力性能和環(huán)境效益的主要指標[19-20]。因此，本文采用上述指標對系統(tǒng)進行性能分析。

在系統(tǒng)中風(fēng)電和光電的能量來自于可再生能源，因此在一次能源效率計算中只考慮輸入系統(tǒng)的天然氣熱值：

(12)

式中wT,i——對外輸出的電能/kW；

qh——系統(tǒng)對外輸出的熱能/kW；

Fb——輸入然氣鍋爐的能量/kW；

τT——系統(tǒng)的等效利用小時數(shù)/h。

(13)

式中ηex——效率；

Einput——輸入系統(tǒng)的量/kW；

Eout,q——系統(tǒng)對外輸出的熱量/kW；

Eout,w——系統(tǒng)對外輸出功/kW。

3 實例分析

3.1 案例概況

某工業(yè)園區(qū)內(nèi)電負荷為工業(yè)生產(chǎn)用電：50 MW；熱負荷為工業(yè)生產(chǎn)用汽：420 t/h、4.0 MPa、 360 ℃。根據(jù)工業(yè)園區(qū)內(nèi)電、熱負荷需求情況，本文提出的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計裝機容量分別為：43 MW然氣鍋爐-背壓機組、5 MW風(fēng)電、5 MW光伏、10 MW儲能。

在工業(yè)園區(qū)內(nèi)，電負荷可以通過電網(wǎng)獲得，熱負荷受傳輸距離限制，必須就近生產(chǎn)，因此用戶生產(chǎn)熱負荷為本分布式能源項目的主要負荷需求。因此系統(tǒng)的運行方式為“以熱定電”。然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)向用戶提供熱負荷，電負荷由然氣鍋爐-背壓機、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能子系統(tǒng)共同滿足。

具體運行方式為：用戶熱負荷決定然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)的運行工況，同時向園區(qū)內(nèi)提供部分電能，剩余電能需求由風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電共同滿足。儲能子系統(tǒng)負責(zé)平衡電能輸出與電能需求之間的關(guān)系。當系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電能多余工業(yè)園區(qū)內(nèi)電能需求時，多余電能存入儲能系統(tǒng)，當系統(tǒng)發(fā)電能力不足時儲能系統(tǒng)釋放電能，進而起到平衡電能供需關(guān)系的作用，減少對電網(wǎng)的沖擊。

3.2 系統(tǒng)熱力性能分析

基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表2所示，由于工業(yè)園區(qū)內(nèi)長年有熱負荷需求，因此然氣鍋爐-背壓機子系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)為7 000小時。系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，在設(shè)計工況下，本文提出的新型分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率為80.48%，由此可以看出該系統(tǒng)具有較好的熱力學(xué)性能。系統(tǒng)的效率為47.20%，與一次能源效率相比較低，這說明系統(tǒng)內(nèi)較大一部分能量是對低品位熱能進行的利用，即為用戶提供熱負荷。

表2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)[18]

項目數(shù)值當?shù)卮髿鉁囟?K298.15當?shù)卮髿鈮毫?kPa1.01×102光伏電池標準光照強度/kW·m-21風(fēng)機額定風(fēng)速/m·s-112然氣鍋爐效率/%91燃料低位發(fā)熱量/kJ·m-334 928背壓機效率/%83背壓機排汽壓力/kPa4.0×103液流電池效率/%67.5然氣鍋爐-背壓機運行時間/h·a-17 000風(fēng)電運行小時數(shù)/h·a-11 924光伏運行小時數(shù)/h·a-11 355

為了更好的分析本文提出的新型系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，以傳統(tǒng)非多能互補系統(tǒng)為基準進行比較分析。通過比較分析結(jié)果可知：在相同用戶負荷條件下，非天然氣多能互補能源系統(tǒng)的一次能源效率為70.35%、效率為41.63%，與本文提出的系統(tǒng)相比分別低10.13%和5.57%。由此可知，在相同用戶負荷條件下，采用本文提出的系統(tǒng)不僅可以提高系統(tǒng)的能源利用率，還可以減少天然氣消耗量。

表3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

序號參數(shù)名風(fēng)-光-天然氣互補分布式系統(tǒng)燃氣鍋爐-背壓機分布式系統(tǒng)數(shù)值數(shù)值1背壓機組做功/MW43502背壓機組供汽量/t·h-14204203風(fēng)電場功率/MW504光伏電站功率/MW505燃氣消耗量/萬m3·a-133 585.5838 982.956一次能源效率/[%]80.4870.357效率/[%]47.2041.63

為了對系統(tǒng)的環(huán)境效益進行分析，本文根據(jù)《第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中的相關(guān)要求和規(guī)定來計算分布式系統(tǒng)的環(huán)境效益。

表4為污染物排放計算結(jié)果。由表4可知，在相同用戶負荷需求條件下，本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)具有較好的環(huán)境效益，其煙塵、SO2、NOx、CO2等污染物年排放水平均小于傳統(tǒng)非多能互補系統(tǒng)，具有較好的環(huán)境效益。

表4 污染物排放結(jié)果[18,21]

項目污染物排放濃度/mg·Nm-3排放量/t/a風(fēng)-光-天然氣互補分布式系統(tǒng)燃氣鍋爐-背壓機分布式系統(tǒng)煙塵216.4919.14SO2324.7428.71NOx49.28406.33471.63CO22.09×1061.72×1072.00×107

3.3 參數(shù)敏感性分析

圖3為儲能效率對基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)性能的影響。由圖3可知，儲能系統(tǒng)效率增加35%時，一次能源效率和效率僅增加了0.05%，即儲能系統(tǒng)效率對該系統(tǒng)性能影響較小。因此，在風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的選擇應(yīng)主要以成本和循環(huán)充放電次數(shù)為主要選擇依據(jù)。

圖3 儲能系統(tǒng)效率對基于然氣鍋爐的新型分布式能源系統(tǒng)效率影響

為了消除系統(tǒng)在實際運行中風(fēng)電和光伏利用小時數(shù)不同對系統(tǒng)性能的影響，本文采用風(fēng)電、光伏年實際等效利用小時數(shù)與年等效利用小時數(shù)的比值，即相對利用小時數(shù)來分析風(fēng)電、光伏年利用小時數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

由圖4和5可知，風(fēng)、光利用小時數(shù)的增加會使系統(tǒng)的一次能源效率和效率增大，而天然氣利用小時數(shù)的增加會使系統(tǒng)的熱力性能降低。其原因為，在一次能源效率和效率的計算中，投入系統(tǒng)的燃料為天然氣，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的資源來自于可再生能源，其不算入系統(tǒng)的投入燃料，因此，風(fēng)、光利用小時數(shù)的增加會引起一次能源效率和效率的增加，天然氣利用小時數(shù)的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。

圖4 風(fēng)、光相對利用小時數(shù)對基于然氣鍋爐的新型分布式能源系統(tǒng)效率影響

圖6為用戶熱負荷對基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響示意圖。由圖6可知，用戶熱負荷需求量的變化對系統(tǒng)性能有著較大的影響，當用戶蒸汽量每增加1 t/h，系統(tǒng)的一次能源效率和效率分別增加0.17%和0.53%。

圖5 天然氣利用小時數(shù)對基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響

圖6 熱負荷對基于天然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響

4 結(jié)論

本文提出了一種基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)非互補分布式能源系統(tǒng)進行了性能比較。結(jié)論如下：

(1)通過熱力性能指標分析可知：在相同用戶負荷和設(shè)備等效利用時間條件下，本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補分布式能源系統(tǒng)在額定工況下一次能源效率和效率可以達到80.86%和47.31%，與非互補分布式能源系統(tǒng)相比具有較好的熱力學(xué)性能，并且投資成本相對較低；

(2)通過環(huán)境指標分析可知：在相同用戶負荷和相同設(shè)備等效利用時間條件下，本文提出的能源系統(tǒng)與非互補能源系統(tǒng)相比污染物排放水平相對較低，具有較好的環(huán)境效益；

(3)通過參數(shù)敏感性分析可知：風(fēng)電、光伏年等效利用小時數(shù)，儲能系統(tǒng)效率等參數(shù)對系統(tǒng)的性能有一定影響，但是影響最大的因素為用戶熱負荷，用戶蒸汽量每增加1 t/h，系統(tǒng)的一次能源效率和效率分別增加0.17%和0.53%。