韋古強，胡從川，劉乙學，崔雙雙，李 紅

（1魯能集團有限公司，北京 100020；2華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

隨著國民經(jīng)濟由高速發(fā)展轉(zhuǎn)為高質(zhì)量發(fā)展，能源領域也確立了更高的發(fā)展目標，能源改革勢在必行[1]。傳統(tǒng)的供能方式互相獨立，不能合理利用能源，需要優(yōu)化能源配置來節(jié)約能源成本，因此綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)成為最佳的選擇。IES整合整個區(qū)域內(nèi)一、二次能源并將供電、供熱、供冷、供氣等供能方式耦合，在一定區(qū)域內(nèi)進行統(tǒng)一調(diào)度來滿足用戶側(cè)的各種負荷需求，具有提高能源利用率、降低系統(tǒng)運營成本等優(yōu)點[2-3]。大型園區(qū)具有能量需求平穩(wěn)，用能方式復雜的特點，更適合利用IES來提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。例如上海迪士尼度假區(qū)通過能源站進行綜合能源的調(diào)節(jié)與控制，有效提高了能源利用效率。天津生態(tài)城利用微網(wǎng)系統(tǒng)來提高經(jīng)濟收益[4]。2019年初，國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《推進綜合能源服務業(yè)務發(fā)展2019—2020 年行動計劃》，IES 迎來發(fā)展的黃金時期[5]。

IES 與其他技術(shù)耦合能擴大系統(tǒng)的適用范圍并有效提高經(jīng)濟性。王俊杰等[6]研究了冷熱雙蓄技術(shù)與熱泵耦合的綜合能源系統(tǒng)，確認了該系統(tǒng)可以提升凈現(xiàn)值，縮短回收周期。陳健等[7]研究了信息通訊技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)的耦合，建立了韌性-經(jīng)濟性兩步優(yōu)化框架來證明其有效性。Gao 等[8]研究了耦合儲能的綜合能源系統(tǒng)在不同地區(qū)的熱力學和經(jīng)濟分析。Amir 等[9]研究了耦合壓縮空氣儲能的綜合能源系統(tǒng)的可靠性，證實了系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲能后有更好的經(jīng)濟效益。由此可知，儲能用于IES具有良好的發(fā)展空間。在各類儲能中，液化空氣儲能(liquid air energy storage, LAES)作為一種新興的儲能方式，擁有占地面積小、循環(huán)效率高等優(yōu)點[10]。英國Highview公司在英國利茲大學研究團隊發(fā)明的基礎上研制出第一臺LAES 裝置。2011 年，Highview公司的LAES技術(shù)被蘇格蘭南方能源公司應用于其80 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)廠的350 kW/2.5 MW·h LAES系統(tǒng)中。2014年2月，在英國能源與氣候變化部8000000 英鎊的資助下，Viridor 公司選擇Highview 公司設計并建立了一個5 MW/15 MW·h的LAES 示范工廠，這是LAES 技術(shù)的首次商業(yè)示范[11]。

綜上所述，LAES 與IES 耦合具有研究價值。在實際生活中，經(jīng)濟性是評價系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標。因此，本文以園區(qū)為研究背景，“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式為對比，對園區(qū)內(nèi)冷、熱、電3種負荷的能源供應方案展開研究。通過夏季和冬季8 種方案的對比找到LAES 與IES 相結(jié)合時經(jīng)濟性最優(yōu)方案。

1 綜合能源系統(tǒng)

1.1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中綠線、紅線、藍線和黑線分別代表電能、熱量、冷量和天然氣的輸入及輸出。園區(qū)外電網(wǎng)、LAES 釋能階段和燃氣輪機發(fā)電滿足園區(qū)電負荷需求，電熱鍋爐和余熱鍋爐滿足園區(qū)熱負荷需求，吸收式制冷機和電制冷機滿足園區(qū)冷負荷需求，天然氣為燃氣輪機提供燃料。LAES 系統(tǒng)的儲能階段電能來源為園區(qū)外電網(wǎng)、園區(qū)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃氣輪機發(fā)電。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the integrated energy system in the park

1.2 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and power，CCHP)子系統(tǒng)能同時滿足冷、熱、電3 種負荷需求，廣泛用于IES，能源利用效率可達75%～90%。本文的CCHP系統(tǒng)包括燃氣輪機、余熱鍋爐和吸收式制冷機三部分。燃氣輪機利用天然氣發(fā)電，發(fā)電后的余熱進入余熱鍋爐和吸收式制冷機。

1.3 液化空氣儲能子系統(tǒng)

LAES 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，由三部分組成，分別為進氣、儲氣、排氣階段。在進氣階段，利用壓縮機將空氣壓縮，壓縮后的空氣依次經(jīng)過換熱器、回熱器和節(jié)流閥進入氣液分離器。儲氣階段，液態(tài)空氣存儲在液態(tài)儲罐中，氣態(tài)空氣進入回熱器吸熱。在排氣階段，液態(tài)空氣利用液態(tài)泵加壓，高壓空氣利用回熱器吸熱氣化變?yōu)楦邷馗邏嚎諝獠⒃谂蛎洐C中做功[12]。因為LAES 系統(tǒng)的響應速度快、占地面積小、工質(zhì)來源廣等優(yōu)點，所以本文選擇LAES系統(tǒng)進行研究。

圖2 LAES子系統(tǒng)原理圖Fig.2 Structure diagram of LAES subsystem

LAES系統(tǒng)的循環(huán)效率η為[13]

式中，Wc為系統(tǒng)壓縮過程的耗功，kJ；We為系統(tǒng)膨脹過程輸出功，kJ；Wp為低溫液態(tài)泵的耗功，kJ。

LAES系統(tǒng)的釋能功率為[13]

2 經(jīng)濟性分析模型

2.1 液化空氣儲能系統(tǒng)

LAES 系統(tǒng)成本為設備購入成本和損耗維護成本，儲能總成本Ca為[13]

式中，Ca1為設備購入成本，元；Ca2為損耗維護成本，元。

設備購入成本為[13]

式中，Ca3為單位容量投資成本，元/kW；Ca4為儲能容量，kW；Ta為系統(tǒng)使用期限，天。

損耗維護成本為[13]

式中，Ca5為單位維護費，元/(kW·h)。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電成本為光伏發(fā)電設備購入成本，光伏損耗維護成本和光伏補貼[13]

式中，Cb為光伏發(fā)電的總成本，元；Cb1為光伏發(fā)電設備購入成本，元；Cb4為光伏發(fā)電設備損耗維護成本，元；Ch為商業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電的單位補貼，元/(kW·h)；Pb為光伏發(fā)電實際輸出功率，kW；T為時間，h。

光伏發(fā)電設備購入成本為[13]

式中，Cb2為單位容量投資成本，元/kW；Cb3為光伏發(fā)電設備容量，kW；Tb為光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用期限，天。

光伏發(fā)電損耗維護成本為[13]

式中，Cb5為單位維護費，元/(kW·h)。

2.3 購電成本和購氣成本

園區(qū)從電網(wǎng)購電時輸入功率和成本關系為[13]

式中，Ce為電網(wǎng)購電的總成本，元；Pe為電網(wǎng)輸入功率，kW；S1為購電電價，元/(kW·h)；S2為售電電價，元/(kW·h)；Pg為天然氣管道的輸入功率，kW。

通過管道輸入園區(qū)的天然氣成本為[13]

式中，Ct為天然氣成本，元；S3為天然氣價格，元/m3；QL為天然氣的低熱熱值，kW·h/m3。

2.4 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

CCHP 系統(tǒng)涉及冷、熱、電三種能量的轉(zhuǎn)換。CCHP系統(tǒng)模型為[13]

式中，Mc為CCHP系統(tǒng)天然氣的使用量，m3；Pc為系統(tǒng)輸出電功率，kW；ηc為發(fā)電效率。CCHP系統(tǒng)的輸出熱量Hz為[13]

CCHP系統(tǒng)的冷負荷Uc為[13]

CCHP系統(tǒng)的熱負荷Hc為[13]

CCHP 成本包括設備購入成本和損耗維護成本[13]

式中，Cc為總成本，元；Cc1為設備購入成本，元；Cc4為損耗維護成本，元。設備購入成本為[13]

式中，Cc2為單位容量投資成本，元/kW；Cc3為容量，kW；Tc為CCHP系統(tǒng)的使用期限，天。

損耗維護成本為[13]

式中，Cc5為單位維護費，元/(kW·h)。

2.5 電制冷系統(tǒng)和電制熱系統(tǒng)

電制熱轉(zhuǎn)換的功率為[13]

式中，Hn表示電制熱輸出熱功率，kW；ηn為電熱轉(zhuǎn)換效率。

電制冷轉(zhuǎn)換的功率為[13]

式中，Um表示電制冷輸出熱功率，kW；COP為電制冷制冷系數(shù)。

電制冷機和電鍋爐的成本同樣分為設備購入成本和損耗維護成本，計算式見式(15)～(17)。

2.6 系統(tǒng)約束條件

電力系統(tǒng)輸出功率包括光伏輸出功率，CCHP輸出功率，電網(wǎng)輸入功率和LAES釋能功率。電力系統(tǒng)消耗功率包括電制冷，電鍋爐消耗功率，LAES功率和園區(qū)電負荷。電力系統(tǒng)約束條件為[13]

熱力系統(tǒng)約束條件包括熱負荷約束和冷負荷約束。熱負荷中CCHP系統(tǒng)中余熱鍋爐輸出熱量加上電鍋爐實際輸出熱量大于等于園區(qū)所需熱量。冷負荷中CCHP中吸收式制冷機輸出冷量加上電制冷實際輸出冷量大于等于園區(qū)所需冷量。熱力系統(tǒng)約束條件為[13]

天然氣管道輸入的天然氣量等于CCHP系統(tǒng)需要的天然氣量[13]

2.7 系統(tǒng)總成本

IES 的成本包括購電成本，天然氣成本，光伏發(fā)電設備成本，CCHP 成本，LAES 裝置成本，電制冷電制熱裝置成本。總成本的數(shù)學模型為[13]

式中，C表示整個系統(tǒng)的總成本，元；Cm表示電制冷系統(tǒng)成本，元；Cn表示電制熱系統(tǒng)成本，元。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 算例分析

為了研究園區(qū)能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本文選擇2019 年大暑日和2019 年大寒日這2 個典型日來進行計算。各時段能源調(diào)度負荷在文獻[14]的基礎上進行改進，調(diào)度負荷如圖3所示。

圖3 2019年大寒日和大暑日的園區(qū)調(diào)度負荷Fig.3 Park dispatch load on Great Cold Day and Great Heat Day in 2019

園區(qū)電價參考天津市一般工商業(yè)電價，分為高峰電價，低谷電價和平段電價。各時段電價和天然氣價格的具體數(shù)據(jù)如表1所示[13]。

表1 各時段電價和天然氣價格Table 1 Electricity price and natural gas price in each period

IES 設備參數(shù)如表2 和表3 所示。表中列舉了IES各設備運行參數(shù)及經(jīng)濟性指標。表中部分設備數(shù)據(jù)參考文獻[13]。

表2 IES設備運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of IES equipment

表3 IES設備經(jīng)濟性指標Table 3 Economy index of IES equipment

3.2 系統(tǒng)配置方案

算例以系統(tǒng)配置LAES 和未配置LAES 作為一種對比，以使用“以電定熱”模式運行或使用“以熱定電”的模式運行作為另一種對比為大暑日和大寒日的能源負荷設計優(yōu)化方案。通過對方案經(jīng)濟性對比得出最佳方案。方案中“以熱定電”是指系統(tǒng)優(yōu)先考慮熱量的供應，滿足熱量供應后再確定電量的供應?！耙噪姸帷眲t是以電量需求為優(yōu)先考慮，來確定系統(tǒng)的熱量需求[15]。配置方案如表4所示。

表4 系統(tǒng)配置方案Table 4 System configuration scheme

3.3 電能輸出結(jié)果

IES的電能輸出結(jié)果如圖4所示。方案1～4為大寒日的設計方案，電能輸出總量相同。方案1和方案2在“以電定熱”的模式下運行，優(yōu)先考慮電負荷需求。為了節(jié)約成本，在光伏發(fā)電量相同的情況下，方案1的系統(tǒng)中CCHP機組的電能輸出高于方案2。方案2的系統(tǒng)中加入了LAES，相比于方案1電網(wǎng)購電量減少。方案3和方案4在“以熱定電”的模式下運行，優(yōu)先考慮熱負荷需求，所以CCHP系統(tǒng)的熱能和電能輸出相同。因為方案3 加入了LAES 系統(tǒng)，所以方案3 的電網(wǎng)購電量比方案4 大大降低。

圖4 8種方案的電能出力情況Fig.4 Electricity output of eight schemes

方案5～8 為大暑日的設計方案，由圖可知大暑日的用電需求高于大寒日。大暑日的光伏發(fā)電量要高于大寒日。類比于方案1～4，方案5 系統(tǒng)中CCHP 機組的電能輸出高于方案6，方案6 的系統(tǒng)中加入了LAES，相比于方案5 電網(wǎng)購電量減少。方案7 和方案8 的系統(tǒng)中CCHP 系統(tǒng)的熱能和電能輸出也相同。因為方案7 加入了LAES 系統(tǒng)，所以方案7的電網(wǎng)購電量比方案8大大降低。

3.4 熱能輸出結(jié)果

熱能輸出結(jié)果如圖5 所示，圖中的負值表示CCHP機組輸出的熱量高于園區(qū)的熱能需求。因為方案2 配置了LAES 系統(tǒng)，所以CCHP 機組輸出的電能降低。同時機組中的熱量輸出也降低。所以方案2 的熱量輸出低于方案1，節(jié)省部分熱量損失。方案3 和方案4 都是“以熱定電”的模式運行，熱量輸出結(jié)果相同。同理，方案6 的發(fā)熱量低于方案5，方案7和方案8的熱量輸出結(jié)果相同。

圖5 8種方案的熱能出力情況Fig.5 Heat output of eight schemes

3.5 經(jīng)濟性對比分析

各個方案的總成本構(gòu)成如表5 所示。由表5 可知在大寒日，方案1 和方案2 都在“以電定熱”的模式下運行，但方案2 的購電成本比方案1 減少元7661，占比36.1%。方案2 的購氣成本比方案1 減少16299元，占比26.7%。購電成本減少的原因是方案2 的系統(tǒng)配置了LAES 系統(tǒng)，在電價低谷時段方案2 的LAES 系統(tǒng)儲電成本取代了部分在電網(wǎng)購電的成本。購氣成本的減少是因為在“以電定熱”模式下，為了保證電負荷的需求造成了部分熱量的浪費，方案2 的LAES 系統(tǒng)在用電高峰時釋電，即滿足電負荷需求，又能減少部分熱量的浪費。方案3和方案4 的系統(tǒng)都在“以熱定電”的模式下運行，所以兩種方案的購氣成本相同。方案3的購電成本比方案4 減少29506 元，占比53.2%。購電成本的減少是因為方案3 配置了LAES 系統(tǒng)，在電價低谷時段方案3 的LAES 系統(tǒng)儲電取代部分電網(wǎng)購電成本。在本算例中，雖然電制冷購電成本和電熱鍋爐購電成本較低，但園區(qū)利用電制冷機和電熱鍋爐快速響應冷、熱負荷的變化，所以不能忽略不計。

表5 8種方案的總成本及其成本構(gòu)成Table 5 The total cost of eight schemes and their cost structure

方案2 的總成本比方案1 減少3325 元，占比3.2%。雖然方案2配置LAES系統(tǒng)導致其初始建設和運行維護成本比方案1 多花費1762 元。但是，方案2的購能成本比方案1減少5075元。同理，方案3 的總成本比方案4 減少4540 元，占比4.5%。由上述可知，LAES 系統(tǒng)能提高園區(qū)的經(jīng)濟性。為了對比在配置LAES系統(tǒng)的前提下采用以“以電定熱”模式和“以熱定電”模式的經(jīng)濟性，將方案2和方案3的成本進行對比。方案3的總成本比方案2減少4490 元，占比4.5%。方案3 的方案為大寒日的最優(yōu)方案。

同理，在大暑日的4 種設計方案中，方案7 的購電成本比方案6 減少11150 元，占比63.6%。方案7 的購氣成本比方案6 減少18378 元，占比37.1%。方案7的購電成本比方案8減少35879元，占比67.2%。方案6的總成本比方案5減少2363元，占比2.2%。因為方案6配置了LAES系統(tǒng)，所以方案6 的初始建設和運行維護成本比方案5 多花費1181元。而方案6的購能成本方案5減少3545元。同理，方案7的總成本比方案8減少6137元，占比6.1%。將方案6 和方案7 的成本進行對比，方案7的總成本比方案6 減少9814 元，占比9.5%。方案7的方案為大暑日的最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)采用“以電定熱”模式運行時，配置LAES的方案2比未配置LAES的方案1總成本減少3325 元，下降3.2%；方案6 總成本比方案5 減少2363 元，下降2.2%。在算例中，綜合能源系統(tǒng)使用“以電定熱”的模式運行，會造成一部分熱量的浪費。LAES 在“以電定熱”模式中的作用是平衡用電負荷。將電價低谷時段的電能儲存起來，在用電高峰釋放用以降低CCHP 在高峰時段的輸出電量，降低部分熱量的浪費。系統(tǒng)采用“以熱定電”模式運行時，配置LAES 的方案3 比未配置LAES的方案4 總成本減少4540 元，下降4.5%；方案7比方案8 總成本減少6137 元，下降6.1%。LAES在“以熱定電”模式中的作用是當CCHP機組為了滿足熱負荷的需求而降低輸出功率時，將電價低谷時段的電能儲存起來，在用電高峰釋放用以替代直接從外部電網(wǎng)購電從而節(jié)約成本，LAES 同樣起到平衡用電負荷的作用。

（2）在配置LAES系統(tǒng)的前提下采用“以熱定電”模式的方案7的總成本比采用“以電定熱”模式的方案6 減少9814 元，下降9.5%；方案3 的總成本比方案2 減少4490 元，下降4.5%。系統(tǒng)配置了LAES時，采用“以熱定電”的模式運行的系統(tǒng)比采用“以電定熱”模式運行的系統(tǒng)總成本大大降低。因此，方案3為最優(yōu)方案。

（3）園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)配置LAES 并采用“以熱定電”模式運行總成本最低。根據(jù)本文的研究，證實了在大型工商業(yè)園區(qū)使用帶有LAES的綜合能源系統(tǒng)能達成預期目標，同時通過優(yōu)化方案能提高園區(qū)的經(jīng)濟性，具有現(xiàn)實意義。