冷熱電三聯(lián)供（CCHP）分布式能源系統(tǒng)建模綜述

劉小軍，李進，曲勇，陳建強

（1.華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206；2.山東魯能集團有限公司，濟南 250001）

能源是人類生存的基本條件和社會發(fā)展的原動力，能源問題從來沒有像當今這樣受到世界各國的高度重視[1-3]。隨著我國社會的不斷發(fā)展，我國在能源建設(shè)方面取得了巨大的成就，長期困擾國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的能源“瓶頸”有所緩解。國家發(fā)展改革委員會能源局日前的資料顯示，中國能源消費總量已經(jīng)位居世界第二位，約占世界能源消費總量的11%。但是由于我國人口眾多，人均煤炭、石油、天然氣資源儲量僅僅相當于世界平均水平的60%、10%和5%。同時，我國在能源利用方面卻存在著一個嚴重問題:能源資源短缺、浪費嚴重、能源效率低。每噸標準煤的產(chǎn)出效率僅僅相當于日本的10.3%，歐盟的16.8%，美國的28.6%，也低于巴西、印度等發(fā)展中國家的水平。近年，中國經(jīng)濟的增長速度令全球矚目，尤其是跨入新世紀以來，中國的經(jīng)濟總量在全球地位越來越重要[4]。但隨著經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，能源需求將進一步增大，供需矛盾會更加突出，所以合理的開發(fā)利用能源、提高能源的利用效率、分析各種能源的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益已成為普遍關(guān)注的問題[5-6]。

CCHP（Combined Cooling Heating and power）系統(tǒng)，也稱作分布式能源系統(tǒng)或者能源島。它是從熱電聯(lián)產(chǎn)CHP（combined heating and Power）系統(tǒng)發(fā)展而來的。這是一種建立在能量的梯級利用概念基礎(chǔ)上，將制冷、供熱（包括采暖和生活用熱水）及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，目的在于綜合能源供應(yīng)方式、提高能源利用效率和能源供應(yīng)的穩(wěn)定和可靠性、減少碳化物及其他有害氣體的排放。CCHP系統(tǒng)不僅提高了能源利用率，減少了污染排放，更被看作是對我國當前大機組、大電網(wǎng)的有益補充。CCHP系統(tǒng)可能在提高電力系統(tǒng)可靠性、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低污染排放方面發(fā)揮重要的作用[7-8]。

1 CCHP系統(tǒng)的工作流程

CCHP系統(tǒng)有多種系統(tǒng)配置可以選擇。對于低品位的能源，采用吸收式制冷機制冷利用。文獻[1]涉及一種燃氣輪機+余熱直燃溴化鋰制冷機組的三聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠流程圖如圖1所示。

圖1 燃氣輪機+余熱直燃溴化鋰制冷機CCHP系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the CCHP system of gas turbine+waste heat direct-fired lithium bromide chiller

在圖1所示系統(tǒng)中，電負荷由燃氣輪機發(fā)電機組和蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組提供。熱負荷由汽輪機的排汽提供。而溴化鋰機組利用燃氣輪機排氣中的能力提供冷負荷。該系統(tǒng)燃用天然氣的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能實現(xiàn)能源的梯級利用,一次能源利用率可以達到75%～83%。

2 CCHP系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀

CCHP冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一個重要的研究方向是系統(tǒng)的建模,一個好的系統(tǒng)模型可以用來確定系統(tǒng)的可行性和分析預(yù)測系統(tǒng)的運行,以及用于系統(tǒng)的控制策略研究,并可以為系統(tǒng)的優(yōu)化配置和優(yōu)化運行提供指導(dǎo)。按照建立模型的目的和研究問題的層次的不同可以對CCHP系統(tǒng)建立不同的模型。

2.1 控制模型

對于CCHP系統(tǒng)可以采用機理法和辨識法建立面向過程的數(shù)學(xué)模型，通常的做法是按照系統(tǒng)的流程將CCHP系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，然后將每一個子系統(tǒng)或者一個設(shè)備作為對象建立較精確的模塊模型,各模塊之間通過質(zhì)量及能量平衡方程聯(lián)系起來。這類模型可以作為控制模型用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和自動化運行。

Rekha T.Jagaduri在文獻[2]中對包括燃料電池的燃氣輪機分布式發(fā)電系統(tǒng)的建模和控制進行了研究。該系統(tǒng)中燃料電池通過直流/交流逆變裝置連接電力系統(tǒng)，燃料電池和燃氣輪機都設(shè)置電壓和頻率控制回路。作者應(yīng)用機理法對于系統(tǒng)中的燃料電池，燃氣輪機及其發(fā)電系統(tǒng)分別建立了數(shù)學(xué)模型。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，引入了一種多變量補充模糊邏輯控制器，并對比分析分別在有無控制器兩種情況下的動態(tài)特性。

2.2 系統(tǒng)運行模型

控制模型的特點是可以實現(xiàn)對于對象的較為精確的描述，為系統(tǒng)的控制提供依據(jù)。而三聯(lián)供系統(tǒng)的特性是高度非線性化的，傳統(tǒng)的熱力學(xué)模型無法準確描述其運行特性。CCHP系統(tǒng)的優(yōu)勢在于冷、熱、電三大系統(tǒng)的整合運行，相互利用。所以要發(fā)揮CCHP系統(tǒng)在經(jīng)濟性和可靠性方面的優(yōu)勢，就必須建立系統(tǒng)的運行模型。對于這一類模型，國內(nèi)文獻中常用的建模方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

魏會東等在文獻[3]中以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為工具,建立了燃氣發(fā)電機組和吸附式制冷機組成的微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的模型,對于模型的仿真結(jié)果進行了分析。通過對模型的分析和評價,發(fā)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能準確適應(yīng)聯(lián)供系統(tǒng)的高度非線性。仿真結(jié)果顯示了模型與系統(tǒng)的實際運行規(guī)律較為符合,為以后指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化運行和控制的設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。而胡忠文的文獻[4]在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對微燃機和煙氣型溴化鋰吸收式機組建立模型的基礎(chǔ)上，再結(jié)合南京市某年全年工作時間環(huán)境溫度變化條件在微燃機全工況下得到CCHP系統(tǒng)仿真結(jié)果，為以后優(yōu)化運行打下基礎(chǔ)。

Sergio Arosio在文獻[5]中把CCHP系統(tǒng)中原動機和其他設(shè)備假定為通過性能參數(shù)辨識的“黑箱”的基礎(chǔ)上建立模型，研究了小型三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中變量對于性能的影響。通過參數(shù)化相關(guān)設(shè)備的特性，這樣的模型可以對每一個參數(shù)對于整個系統(tǒng)的影響進行評價。這樣的分析是在基于簡單模型和全局模型2個層面上進行的。目的在于對于三聯(lián)產(chǎn)行業(yè)中的廠家，設(shè)計者和用戶進行有益的指導(dǎo)。

2.3 經(jīng)濟性評價模型

三聯(lián)供系統(tǒng)首要的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)對能源的分級深度利用。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)不僅提高了低品位熱能的利用率，更重要的是提高了能源綜合利用率。聯(lián)供系統(tǒng)通過不同循環(huán)的有機整合可以在滿足用戶需求的同時實現(xiàn)能源的綜合梯級利用，使能源的利用率達到85%以上。而傳統(tǒng)的發(fā)電廠能源有效利用率僅為30%～40%。因此，CCHP可以大大提高能源利用效率。但是對于一個具體的能源需求問題，需要對于三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性做出定量的評價。傳統(tǒng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價是基于單一能量品種的，而CCHP涉及到熱、電、冷3種能量形式。這就需要建立基于全系統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)綜合經(jīng)濟性評價模型。

畢慶生在文獻[6]中在“單耗分析”理論的基礎(chǔ)上，針對具有多電源供電，多熱（冷）源的供熱（制冷）的天然氣CCHP系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)在熱電運行方式和冷電運行方式下的不同環(huán)節(jié)的燃料附加單耗，燃料單耗及成本單耗的計算模型，并利用該模型對案例進行了計算和分析，指出了案例中各個環(huán)節(jié)（設(shè)備）存在的附加單耗過大的原因。為今后系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)（設(shè)備）改造和運行優(yōu)化提供了依據(jù)。

在實際運行中，CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟性除了受自身系統(tǒng)的影響之外，還在很大程度上由實際負荷的變化決定。在對CCHP系統(tǒng)與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較分析的前提是均可以不受限制地滿足用戶的能源需求。所以在對CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟性模型需要與建筑能耗模型相結(jié)合才能更加客觀地反映系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

朱文敏在文獻[7]中利用建筑能耗分析軟件EnegryPlus建立了CCHP系統(tǒng)的軟件模型和建筑模型，并設(shè)定了系統(tǒng)的運行控制策略和建筑的能源需求情況。然后對聯(lián)供系統(tǒng)進行設(shè)計日模擬，以分析該系統(tǒng)的單日運行情況，以及能否滿足建筑的冷熱電需求。在此基礎(chǔ)上，再對系統(tǒng)進行上海氣候條件下的全年運行的模擬，以考察系統(tǒng)在整個年度的運行情況，并獲得系統(tǒng)主要運行參數(shù)的年度數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，表明該聯(lián)供系統(tǒng)比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)節(jié)能9%，年度凈收益為1.2萬元，比分供系統(tǒng)節(jié)省費用0.4萬元，有著較好的節(jié)能性和經(jīng)濟效益。最后，通過EnegryPlus，對聯(lián)供系統(tǒng)在其他五座代表城市的全年運行情況進行了模擬和分析。軟件模擬的結(jié)果表明該聯(lián)供系統(tǒng)不適合用于哈爾濱這類冬季有較大采暖需求的城市。在結(jié)合對當?shù)啬茉磧r格因素的考慮后，本文認為該聯(lián)供系統(tǒng)比較適合用于電價較高的商業(yè)建筑和非工業(yè)建筑，而不適合用于電價較低的民用建筑。

以上模型均是以能量的數(shù)量作為依據(jù)。對于CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價模型除了要考慮能量的“量”之外還要考慮能量的“質(zhì)”。CCHP系統(tǒng)在很大程度上利用了系統(tǒng)排放的低品位能源。所以，以系統(tǒng)能量中的有用能為計算依據(jù)，可以建立更加科學(xué)、客觀的CCHP系統(tǒng)經(jīng)濟性評價模型。

2.4 CCHP系統(tǒng)優(yōu)化模型

對系統(tǒng)的評價的可以指導(dǎo)運行，優(yōu)化運行[16]。CCHP系統(tǒng)能夠的優(yōu)化模型是目前國內(nèi)外文獻熱衷的熱點問題。其中用到的方法有：數(shù)學(xué)規(guī)劃法、矩陣建模法、計算機輔助法等。其中數(shù)學(xué)規(guī)劃法是以實際運行需求為依據(jù)，設(shè)置經(jīng)濟性、環(huán)保性的目標函數(shù)和被優(yōu)化參數(shù)，在一定的約束條件下建立系統(tǒng)的優(yōu)化模型。

AndrewJ.Yosten在文獻[8]中提出了基于數(shù)學(xué)程序的分布式發(fā)電建模方法，并用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對4類任務(wù)進行了優(yōu)化。對于費用成本而言，分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制可以通過降低從電網(wǎng)購電量，降低需求費用，降低從供熱系統(tǒng)獲取熱負荷三方面來降低運行。相應(yīng)地，一次能源消耗和污染排放也可以作為優(yōu)化目標引進目標方程。P.J.Mago在文獻[9]中提出了基于能源消耗、運行費用和環(huán)境影響三方面考慮的優(yōu)化模型。該文獻分別在以電定熱和以熱定電和復(fù)合運行3種運行模式下基于能源消耗、運行費用和環(huán)境影響3個方面對系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化。結(jié)果表明優(yōu)化后的系統(tǒng)具有更好的性能。對于某城市的評價結(jié)果顯示，優(yōu)化后可以降低一次能源消耗和運行費用分別為7.5%和4.4%，對于以電定熱運行的CCHP系統(tǒng)，優(yōu)化后可以降低碳排放14.8%。

CCHP熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)為節(jié)能高效能量系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的選擇。由于三聯(lián)供系統(tǒng)的復(fù)雜性，這就要求引進整體模型去處理分析系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的不同部分和不同類型的能量流問題?？紤]到系統(tǒng)部分間的關(guān)系和外部的能量流網(wǎng)絡(luò)，Gianfranco Chicco在文獻[10]中提出了一種綜合的輸入輸出矩陣方法來處理小規(guī)模三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的建模問題。在定義了系統(tǒng)各部分的效率矩陣的基礎(chǔ)上，建立了可以表示系統(tǒng)總效率矩陣模型。該模型簡潔、清晰地反映出CCHP系統(tǒng)中4種能量形式的傳遞情況。其建模過程總結(jié)如下。

1）從輸出開始，根據(jù)輸入輸出關(guān)聯(lián)矩陣，找到從輸出到輸入的能量流通路。

圖2 基于分配因子的系統(tǒng)能量流描述Fig.2 Description of the system energy flow based on distribution factors

2）根據(jù)能量流通路，將通路中的矩陣相乘，得到該通路的效率矩陣。

3）將各通路效率矩陣相加，得到總系統(tǒng)效率矩陣。

在建立矩陣模型后，利用Mathworks Matlab優(yōu)化工具包。在給定的日負荷和電價的情況下，以總能源成本最低為目的進行優(yōu)化計算。從而得出日最優(yōu)能源成本和相應(yīng)的能量流圖3。這為運行優(yōu)化提供了依據(jù)。需要指出的是，本文給定的電價是浮動電價，這是國外的能源政策。

圖3 優(yōu)化后的能量流圖之一Fig.3 An energy flow chart after optimization

2.5 能源規(guī)劃模型

針對相同的能源需求，CCHP系統(tǒng)可以有多種不同的方案選擇。為了發(fā)揮CCHP系統(tǒng)的潛能，必須科學(xué)合理地對采用的設(shè)備類型和系統(tǒng)方案進行比較分析，從而選擇最佳的設(shè)備和方案，更好地滿足目標用戶的能源需求。另外還需要對選定的系統(tǒng)根據(jù)能源需求的變化確定最佳的運行策略。這一類問題稱為CCHP系統(tǒng)的能源規(guī)劃問題，其定義為：基于有限的技術(shù)、資金和資源的情況下建設(shè)生態(tài)可持續(xù)的CCHP先進能量系統(tǒng)。

Hongbo Ren在文獻[11]中基于這種能源規(guī)劃的思想，提出了一種混合線性程序模型。該模型的應(yīng)用范圍為：①指導(dǎo)設(shè)備的系統(tǒng)的選擇；②對于一個系統(tǒng)提供優(yōu)化運行準則；③可以用來衡量CCHP技術(shù)的市場潛力。該模型以總費用最少為優(yōu)化目標，在優(yōu)化中考慮了系統(tǒng)的組成、運行優(yōu)化、經(jīng)濟性分析、環(huán)境分析等問題，并且對于能源需求、電價、燃氣價格、排放稅均做了敏感性分析。這對系統(tǒng)的設(shè)計和運行均有重要的指導(dǎo)意義。HongboRen在文獻[11]中將這一模型應(yīng)用于某生態(tài)校園進行優(yōu)化分析，通過仿真結(jié)果得出了以下結(jié)論:對于一個生態(tài)校園，當使用沒有儲能的余熱回收系統(tǒng)時，CCHP系統(tǒng)的最佳配置為2 683 kW的CHP系統(tǒng)。這會帶來總費用、CO2排放和一次能源消耗的降低值分別為13.4%、4.5%和17.0%。

3 結(jié)論與展望

我國CCHP技術(shù)的發(fā)展正面臨巨大的機遇和挑戰(zhàn)。CCHP分布式能源系統(tǒng)在國外已經(jīng)是成熟的常規(guī)能量系統(tǒng)，但在國內(nèi)尚處于起步發(fā)展階段。CCHP系統(tǒng)的發(fā)展一方面受政策因素影響，另一方面也需要自身技術(shù)的成熟。而對于目前現(xiàn)有項目和行業(yè)經(jīng)驗都很有限的情況下，建立CCHP系統(tǒng)多層次的研究模型，對系統(tǒng)進行模擬、仿真、分析。這對于CCHP系統(tǒng)的控制、設(shè)計、評價、優(yōu)化等方面都有著重要的意義。從本文的論述可以看出，對于CCHP系統(tǒng)的建模并不拘泥于傳統(tǒng)的機理、辨識等建模方法。建模目的的多樣性決定了建模方法和所建模型的多樣性。針對CCHP系統(tǒng)自身的特點，科學(xué)的建模思想應(yīng)該是根據(jù)實際研究問題的需要，提取系統(tǒng)主要特性，忽略次要因素，建立繁簡適當、特色鮮明的系統(tǒng)模型。對于經(jīng)濟性評價模型，需要建立基于熱力學(xué)第二定律的有用能評價模型。從本文中對模型的分析可以看出，對于CCHP系統(tǒng)，不僅要建立針對子系統(tǒng)或設(shè)備的精確數(shù)學(xué)模型，更需要建立基于全系統(tǒng)、甚至全項目的全局規(guī)劃模型。

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