袁興宇，馬銳鋒，梁俊宇，曾小松，王萬山，殷捷，顧江其

(1. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)能源投資有限責任公司，昆明 650217；3. 東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096；4. 南京瑞松信息科技有限公司，南京 210038)

隨著風和光等可再生能源的利用，分布式能源系統(tǒng)在能源的可持續(xù)發(fā)展進程中將會越發(fā)重要[1-3]，分布式能源系統(tǒng)的高效優(yōu)化運行是分布式能源系統(tǒng)研究的重點，建立精準可靠的模型是對于系統(tǒng)進行優(yōu)化和研究的基礎。許多學者對分布式能源系統(tǒng)的設備建模[4]和運行優(yōu)化[5]等方面進行了研究。孫文[6]利用Simulink軟件，對于燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進行了動、靜態(tài)仿真，具有較高的仿真精度，然而某些輸入?yún)?shù)修改的過程復雜，人機交互體驗較差。LIU 等[7]研究了在Aspen HYSYS中給出了三壓再熱燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的一般建模思路和方法，并通過與GateCycle軟件對比，證實了Aspen HYSYS和Aspen Plus這類通用建模軟件的優(yōu)越性。 WANG等[8]對利用EBSILON軟件搭建了太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，研究了環(huán)境溫度、大氣壓力等方面對于該系統(tǒng)運行性能的影響，提出該聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的運行狀況受溫度影響很大。張曉榮等[9]利用Aspen HYSYS軟件進行燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動力系統(tǒng)的模擬，對于LM2500型燃氣輪機中的壓氣機直接采用自帶模塊進行模擬，忽略了壓氣機中存在的中間級抽氣，且最終得到的模擬系統(tǒng)表示界面較為繁雜。張曉烽[10]對Aspen Plus軟件進行生物質(zhì)與太陽能耦合建筑冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模擬，而對于系統(tǒng)優(yōu)化則采用數(shù)學模型進行優(yōu)化，并未采用Aspen Plus中的模擬模型。可見許多學者的研究針對于分布式能源系統(tǒng)的建模仿真和運行優(yōu)化存在人機交互差、建模與優(yōu)化脫離等問題。

本文對于分布式能源系統(tǒng)典型動力、暖通和可再生設備進行了建模，并給出了一般結構的通用建模方法，并將復雜設備封裝為直觀的用戶模塊，在系統(tǒng)集成界面引入數(shù)據(jù)輸入結果展示界面，利用ActiveX接口，引入Excel VBA與Aspen Plus協(xié)同進行數(shù)據(jù)處理，并基于某工業(yè)園自然和負荷情況進行了仿真優(yōu)化計算。

1 分布式能源系統(tǒng)及Aspen Plus軟件介紹

分布式能源系統(tǒng)目前主要是指集成了可再生能源的分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，在研究過程中，很難直接采用實際的設備進行分析研究，往往采用模擬仿真的方法來體現(xiàn)其設備特性。

本文選擇典型的燃氣-光-儲互補分布式能源系統(tǒng)，構建基于燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的能源系統(tǒng)。燃氣輪機燃燒天然氣，一方面做功發(fā)電，另一方面產(chǎn)生高溫煙氣。高溫煙氣在余熱鍋爐內(nèi)加熱水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽和低溫低壓蒸汽。高溫高壓蒸汽進入蒸汽輪機，在做功發(fā)電的同時可以以中間抽汽的形式滿足熱負荷需求。低溫低壓蒸汽可以作為補汽進入蒸汽輪機做功發(fā)電，也可以用于驅(qū)動溴化鋰機組制冷。公共電網(wǎng)作為重要補充和應急措施來提供電能，燃氣鍋爐提供補燃滿足工業(yè)園熱負荷，電制冷機組用于輔助制冷。太陽集熱器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸入燃氣輪機，由于太陽能具有間歇性，在系統(tǒng)中加入儲電裝置，削峰填谷，以有效實現(xiàn)多能協(xié)同互補。采用Aspen Plus作為建立設備模型和進行系統(tǒng)集成的平臺，采用模塊化建模的思想進行建模。Aspen Plus是一款通用流程模擬軟件，發(fā)端于1981年完成的“先進過程工程系統(tǒng)”(Advanced System for Process Engineering)，簡稱Aspen，廣泛應用于化工、石化和能源等領域。在能源領域中，常用的模塊是模擬換熱過程的換熱器、模擬燃燒等化學反應的反應器、模擬壓縮膨脹過程的壓力變送設備三類模塊，采用模塊化建模思想和序貫模塊法進行建模。分布式能源系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 分布式能源系統(tǒng)示意圖

2 典型分布式能源設備建模

2.1 動力設備

2.1.1 燃氣輪機建模

燃氣輪機的通用結構都有壓氣機、燃燒室和渦輪。該設備的一般建模方法為：采用PR-BM的物性方法，RGibbs模塊模擬燃燒室， Compr模塊模擬壓縮機和渦輪。本文以GE LM2500+G4設備為例，該設備內(nèi)存在中間抽汽，由于Aspen Plus自帶的Compr模塊無法實現(xiàn)中間抽氣功能，故而采用等效為三個壓氣機的處理辦法，對于抽氣采用分離器模塊分離。

在Aspen Plus中建立GE LM2500+G4設備仿真圖如圖2所示。

圖2 GE LM2500+G4設備仿真圖

2.1.2 蒸汽輪機建模

蒸汽輪機在Aspen Plus中的建模，由于存在中間抽汽和補汽進入，單一的Compr模塊無法進行有效模擬。本文采用三個Compr模塊模擬有中間抽汽和補汽的蒸汽輪機，根據(jù)抽汽或補汽的參數(shù)來決定Compr模塊的參數(shù)設置，由Fsplit模塊來表征抽汽量的多少或份額。在Aspen Plus中建立蒸汽輪機設備仿真圖如圖3所示。

圖3 蒸汽輪機設備仿真圖

2.2 暖通設備

2.2.1 余熱鍋爐建模

Aspen Plus中已經(jīng)內(nèi)置換熱器模塊，通過輸入不同部件的換熱面積和換熱系數(shù)，即可完成對于余熱鍋爐設備的模擬，煙氣側采用PR-BM物性方法，水汽側采用STEAMNBS物性方法，換熱器用HeatX模塊，分離器用Flash2模塊，泵用Pump模塊。參照該余熱鍋爐的設計參數(shù)。在Aspen Plus中建立雙壓余熱鍋爐設備仿真如圖4所示。

圖4 雙壓余熱鍋爐設備仿真圖

2.2.2 單效吸收式溴化鋰制冷機組建模

采用ELECNRTL物性方法，發(fā)生器用Flash2模塊，冷凝器、吸收器和蒸發(fā)用HeatX模塊，節(jié)流閥用Valve2模塊，泵用Pump模塊。在Aspen Plus中建立單效吸收式溴化鋰制冷機組設備仿真圖如圖5所示。

2.2.3 燃氣鍋爐建模

本文中設定燃氣鍋爐熱效率為92%，具體產(chǎn)生蒸汽量和蒸汽壓力根據(jù)具體需求設定，采用 RGibbs模塊模擬天然氣和空氣混合燃燒過程，HeatX模塊模擬煙氣和水之間的換熱過程。在Aspen Plus中建燃氣鍋爐設備仿真圖如圖6所示。

圖5 單效吸收式溴化鋰制冷機組設備仿真圖

圖6 燃氣鍋爐設備仿真圖

2.3 可再生能源設備

2.3.1 太陽能集熱器建模

選擇Pump模塊模擬泵，Heater模塊模擬預熱蒸發(fā)段和過熱段，Sep模塊模擬汽水分離器，Mix模塊模擬混合器。

在Aspen Plus 中建立太陽能集熱器設備仿真圖如圖7所示。

圖7 太陽能集熱器設備仿真圖

2.3.2 儲能設備建模

常見的儲能技術有物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，其基本流程大多均為物質(zhì)的A和B兩種狀態(tài)間的相互轉換或者甲和乙兩種物質(zhì)間的相互轉換，依照這樣的思想，在Aspen Plus中建立儲電裝置的簡化模型，即儲能過程每輸出0.1 kg/s某載能體EC，需消耗的電功率為60 kW；放電過程每消耗0.1 kg/s載能體EC，釋放電功率為60 kW。本文雖然模擬上忽略輸入輸出差異以及儲存損耗，將輸入輸出差異和儲存損耗納入到運行成本中。儲能設備仿真圖如圖8所示。

圖8 儲能設備儲放電過程仿真圖

圖中CASEC HIERARCHY模塊即為儲電裝置的儲電過程，CASED HIERARCHY模塊即為儲電裝置的放電過程，物料ECO為儲能過程產(chǎn)生的載能體，物料ECI為放電過程消耗的載能體；能流W1、W2分別為儲電過程的耗電功率和放電過程的輸出電功率。

3 能源系統(tǒng)集成及人機交互優(yōu)化

圖2比較完整地展示了燃氣輪機的內(nèi)部結構及物質(zhì)能量關系，然而當它集成到能源系統(tǒng)中時，人們關注的焦點往往在特定氣溫條件下，不同的燃料輸入情況對應的輸出功率及其排煙參數(shù)，故本文將其封裝為一個新的用戶模型，使之便于與其它設備集成，提高其可移植性和用戶友好度。

在Aspen中將該設備模型封裝為如圖9的用戶模型。

圖9 LM2500+G4設備封裝用戶模型示意圖

圖中LM2500G4 HIERARCHY模塊即為LM2500+G4設備模型，物料FUEL和AIR為該設備工作所需的燃料和空氣，物料EG為低壓渦輪的排氣，能流WORK為低壓渦輪的對外輸出功。

此外，還可以利用插入自定義表格，如圖10所示，通過變量關聯(lián)的方法，在表格內(nèi)直接輸入所研究的輸入變量的參數(shù)，在表格中直接輸出所關注輸出變量的參數(shù)結果，這樣一方面簡化了改變輸入、查看輸出的工作，另一方面可以實現(xiàn)類似于“所見即所得”的效果，提高人機交互體驗。

圖10 輸入輸出界面

4 Excel VBA與Aspen Plus結合進行數(shù)據(jù)處理

在VBA中可以借助類比于定義變量的方法定義Aspen Plus的模擬文件作為一個IHapp對象實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，這種方法已經(jīng)得到了廣泛的應用，也可以利用Aspen Plus的Excel加載項Aspen Simulation Workbook實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，本文選擇定義IHapp對象的方法，該方法在Aspen的說明書及很多文獻中均有詳盡說明。利用ActiveX接口實現(xiàn)Excel與Aspen Plus之間的交互示意圖如圖11所示。

圖11 利用ActiveX接口實現(xiàn)Excel與Aspen Plus之間的交互示意圖

以遺傳算法為例進行優(yōu)化計算，通過Excel的VBA加載宏與Aspen Plus結合，首先將Excel中的設定數(shù)據(jù)導入到Aspen Plus中去，并基于導入數(shù)據(jù)運行模擬過程，而后將Aspen Plus中的模擬結果中的參數(shù)導入到Excel中，最后計算模擬結果參數(shù)的適應度。Excel與Aspen Plus結合的遺傳算法流程如圖12所示。

圖12 Excel與Aspen Plus結合的遺傳算法流程

本文編寫了遺傳算法的Excel的VBA程序，在Excel中進行數(shù)據(jù)的初始賦值與給定，將數(shù)據(jù)導入至調(diào)用Aspen Plus進行模擬，得到模擬結果導入回Excel，通過遺傳算法的VBA程序，不斷地尋優(yōu)，最終得到滿足適應度要求的運行策略。

5 仿真優(yōu)化示例

本文選擇某工業(yè)園的一個典型日的12:00為一個日間工作點，該點光照最強，14:00為另一個日間工作點，該點氣溫最高，對于基于遺傳算法的最優(yōu)運行方式(GAO)與以電定熱模式(FEL)、以熱定電模式(FTL)進行對比分析。

對于典型時刻12:00，該點的特征為氣溫較高，光照最強，冷熱電負荷較高，熱電比最低。針對該情況制定優(yōu)化運行策略。該工業(yè)園自然條件及負荷情況見表1。

表 1 該工業(yè)園自然條件及負荷情況

針對該情況制定優(yōu)化運行策略得到?jīng)Q策變量取值與運行結果見表2。

表2 制定優(yōu)化運行策略得到?jīng)Q策變量取值與運行結果

該種情況下，由于光照強，太陽能集熱器產(chǎn)生了大量的高壓蒸汽，可以用于發(fā)電和抽汽，所以即使負荷較高，燃氣輪機依然非滿負荷運轉，抽汽份額由進汽量決定，抽汽用于滿足熱負荷，鍋爐的低壓蒸汽全部用于驅(qū)動溴化鋰制冷機組。汽輪機抽汽尚未到最大抽汽份額，故不需要燃氣鍋爐補燃滿足熱負荷。蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電量足以供應工業(yè)園的電負荷，故不需要從公共電網(wǎng)購電。

對于典型時刻14:00，該工業(yè)園自然條件及負荷見表3。

表3 該工業(yè)園自然條件及負荷

該點的特征為氣溫最高，光照較強，冷熱電負荷較高，熱電比較低。針對該情況制定優(yōu)化運行策略得到?jīng)Q策變量取值與運行結果見表4。

表4 制定優(yōu)化運行策略得到?jīng)Q策變量取值與運行結果

該種情況下，由于光照較強，太陽能集熱器產(chǎn)生了大量的高壓蒸汽，可以用于發(fā)電和抽汽，所以即使負荷較高，燃氣輪機依然非滿負荷運轉，抽汽份額由進汽量決定，抽汽用于滿足熱負荷，鍋爐的低壓蒸汽全部用于驅(qū)動溴化鋰制冷機組，剩余冷負荷由電制冷機組滿足。汽輪機抽汽尚未到最大抽汽份額，故不需要燃氣鍋爐補燃滿足熱負荷。蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電量足以供應工業(yè)園的電負荷，故不需要從公共電網(wǎng)購電。

綜上，采用Excel VBA和Aspen Plus結合運用遺傳算法的最優(yōu)運行方式可行，且優(yōu)于常規(guī)的以熱定電或者以電定熱模式。

6 結語

本文對于分布式能源系統(tǒng)典型動力、暖通、可再生設備進行了建模，提出了設備的一般組成結構的通用建模方法，并將復雜設備封裝為直觀的用戶模塊，在系統(tǒng)集成界面引入數(shù)據(jù)輸入結果展示界面，提高了系統(tǒng)仿真的人機交互度，利用ActiveX接口，通過 Excel VBA與Aspen Plus的協(xié)同進行數(shù)據(jù)處理，基于某工業(yè)園自然、負荷情況以遺傳算法對系統(tǒng)運行方式進行了優(yōu)化計算，通過與以電定熱和以熱定電方式對比，驗證了該方法的可行性和優(yōu)越性。