相變儲熱技術優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供運行

高峰，程林，劉琛，田浩，宋云亭

(1. 國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學研究院，銀川市 750002；2.清華大學電機工程與應用電子技術系 北京市 100084；3.中國電力科學研究院 北京市 100192)

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相變儲熱技術優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供運行

高峰1，程林2，劉琛2，田浩2，宋云亭3

(1. 國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學研究院，銀川市 750002；2.清華大學電機工程與應用電子技術系 北京市 100084；3.中國電力科學研究院 北京市 100192)

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源供應體系的重要發(fā)展方向，冷熱電三聯(lián)供實現(xiàn)了冷/熱和電能之間的聯(lián)系，是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心部件之一。在考慮集中式冷熱電三聯(lián)供運行時，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的啟停機方式和運行狀態(tài)將直接影響到三聯(lián)供機組的工作效率與運行收益，合理的開機策略是保障三聯(lián)供機組經(jīng)濟化運行的前提與基礎。針對以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為動力裝置，使用吸收式溴化鋰制冷技術，配有以相變材料為主體的儲能設備的三聯(lián)供機組進行分析，根據(jù)對三聯(lián)供機組運行相關參數(shù)，在對某地區(qū)的冷熱電負荷進行詳細調(diào)研的基礎上，建立起集中式三聯(lián)供運行的經(jīng)濟性目標函數(shù)，給出三聯(lián)供機組經(jīng)濟化運行的啟停機策略，從而達到提升工作效率、增加運行收益的目的。

冷熱電三聯(lián)供；經(jīng)濟化運行；啟停機策略；吸收式溴化鋰制冷；相變儲能

0 引 言

冷熱電三聯(lián)供(combined cooling ,heating and power system, CCHP)是指根據(jù)用戶負荷的需求，在能源梯級利用的原則上，將供冷/熱與供電結合起來，應用包含熱能驅(qū)動技術在內(nèi)的多種技術，多能聯(lián)產(chǎn)的能源供應系統(tǒng)。通過對冷、熱負荷的直接供應，可以解決能源存儲、能源供應安全等問題[1]，也可以實現(xiàn)降低電網(wǎng)變電站容量，提升設備利用率和能源利用效率的目的[2]，其能源系統(tǒng)的特征主要體現(xiàn)在能源的梯級利用和污染氣體的排放控制上，反映了今后能源技術的重要發(fā)展方向[3]。

冷熱電聯(lián)供的方式現(xiàn)在正處在發(fā)展的階段，澳大利亞、丹麥、芬蘭和荷蘭是三聯(lián)供利用最為普及的4個國家[1]。國內(nèi)外對三聯(lián)供機組的運行方式有了一定的研究：文獻[4]給出了分布式冷熱電三聯(lián)供的生產(chǎn)成本和環(huán)境成本的目標函數(shù)，運用目標隸屬度函數(shù)模糊算法求解并給出三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法；文獻[5]提出了一種冷熱電負荷的模擬計算方法，利用“逐時能源負荷分攤比例”的方法做出了相應驗證；文獻[6]給出了基于2種運行模式(以熱定電、以電定熱)的優(yōu)化運行策略，以保證三聯(lián)供機組運行在最優(yōu)工作點；文獻[7]使用了最小二乘法遞歸求解最小平方和的算法對負荷進行預測，并根據(jù)結果給出了在預測負荷條件下的三聯(lián)供運行策略。

以上文獻關于三聯(lián)供的運行策略都集中在根據(jù)負荷調(diào)節(jié)工作模式和確定機組工作點上，但實際上燃氣輪機的單位功率發(fā)電成本將隨著其功率的提升而降低，因此應保證燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的高功率運行，確保三聯(lián)供機組的發(fā)電成本低于大電網(wǎng)購電價格[8]。根據(jù)三聯(lián)供機組的單位功率發(fā)電成本特性，本文將在保證燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組工作在額定功率的條件下建立其經(jīng)濟性模型，為了避免三聯(lián)供機組輸出的電能和熱能過剩造成浪費，需要加入相變儲能設備補償供應與負荷之間的差距并配以合理的三聯(lián)供機組啟停策略[9]。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心部件之一，通過配合新能源協(xié)同運行可以較大提升能源的消納[10]。冷熱電三聯(lián)供機組通過燃燒天然氣同時供應冷、熱、電負荷需求，相較于過去的獨立供能來說，較大地提升了能源的利用效率。此外機組中的余熱制冷技術也保證了聯(lián)供系統(tǒng)在夏季的運行時間，提升了機組的有效負荷率。

對于集中式的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)來說，一方面為了保證機組的運行效率和能源利用效率，需要將機組盡量滿額運行，但是這就會造成機組出力與負荷需求不匹配的現(xiàn)象，因此獨立的聯(lián)供系統(tǒng)需要通過冷負荷或熱負荷的需求頻繁調(diào)節(jié)出力，并且可能造成余熱浪費。相變儲能設備可以通過更換儲能材料，有效地配合三聯(lián)供系統(tǒng)運行，通過對冷熱量的存儲和釋放，解決了能源供求關系在時間上不匹配的問題。

通過對某地區(qū)的實際年冷、熱、電負荷進行分析，在保證全年開機時間固定，儲熱設備的冷熱儲存與釋放在24 h內(nèi)平衡的情況下，按照優(yōu)化求出的機組開機策略，給出該地區(qū)的一年中三聯(lián)供機組的啟停機安排，并根據(jù)設置三聯(lián)供機組及其相關設備的運行維護費用，折舊成本和年收益計算使用三聯(lián)供機組供應冷熱電負荷相較于傳統(tǒng)能源供應方式每年節(jié)約的費用。

按照以上思路，本文的正文主要包含4部分：第1部分提出了配有相變儲能設備的三聯(lián)供系統(tǒng)運行方案；第2部分分析了冷熱電三聯(lián)供的具體結構并據(jù)此建立模型；第3部分根據(jù)模型提出三聯(lián)供機組運行時的經(jīng)濟性目標函數(shù)；第4部分結合某地區(qū)的相應冷、熱、電三類負荷的實際曲線對經(jīng)濟目標進行優(yōu)化，并給出相應的三聯(lián)供機組的運行策略。

1 相變儲能設備配合聯(lián)供系統(tǒng)運行方案

1.1 相變儲能設備特性

相變儲能設備是指利用相變材料進行儲能的設備。不同的相變材料在相變時具有不同的溫度點，根據(jù)其工作環(huán)境的溫度，選擇適當?shù)南嘧儾牧?，可以實現(xiàn)其最優(yōu)性能。

1.2 相變儲能設備運行方案

相變儲能設備利用相變材料的相變潛熱進行能量的儲存和釋放，其單位熱值大，工作溫度穩(wěn)定，導熱性好，相比于冰蓄冷和儲熱水箱設備更適用于三聯(lián)供系統(tǒng)。三聯(lián)供系統(tǒng)配置相變儲能設備協(xié)同運行方案系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)配置相變儲能設備協(xié)同運行方案Fig.1 Cooperative operation scheme of CCHP with phase-change

2 集中式冷熱電三聯(lián)供優(yōu)化目標

本文將對以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為動力裝置，使用吸收式溴化鋰制冷技術，配有以相變材料為主體的儲能設備的三聯(lián)供機組進行建模。

2.1 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組從外部吸收空氣,經(jīng)壓縮后送入燃燒室和燃料混合后燃燒，生成的高溫氣體將生成帶動燃氣輪機的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，向發(fā)電機提供動能進行發(fā)電。從燃氣輪機中排出的余熱廢氣將通入余熱鍋爐，鍋爐的受熱面受熱并產(chǎn)生蒸汽，進而推動蒸汽輪機運行，帶動電機運行。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的具體原理圖如圖2所示。

圖2 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組工作原理示意圖Fig.2 Working principle of gas-steam combined cycles

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組可以充分利用燃氣輪機運行時產(chǎn)生的余熱，因此具有較高的能源利用效率；此外該機組從停機狀態(tài)到滿負荷運行只需要20 min左右的啟動時間，完全可以每天啟停機以滿足經(jīng)濟運行的需要。

本文選用工程燃機為上海電氣的STG5—2000型號的聯(lián)合循環(huán)機組進行分析，其各項具體參數(shù)如表1所示。

表1 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具體參數(shù)

Table 1 Parameters of gas-steam combined cycles

結合上述參數(shù)，可以建立燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行經(jīng)濟性模型(單位為元/a)：

fop1=103Top[PeCe+PhCh-

Cgas(RegPe+RhgPg)]-kd1Cb1

(1)

式中：Top代表年機組計劃開機時間，h；Pe、Ph分別代表燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的供電功率和供熱功率，MW；Ce、Ch、Cgas分別表示上網(wǎng)電價、計量熱價、天然氣價格；Reg、Rhg分別為發(fā)電氣耗和發(fā)電熱耗；kd1和Cb1分別為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的折舊率和建設費用。

2.2 吸收式溴化鋰制冷機組

吸收式溴化鋰制冷機組與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)不同，使用吸收劑和熱源代替壓縮機消耗機械能做功實現(xiàn)熱量從低溫介質(zhì)傳導至高溫介質(zhì)的功能，從而實現(xiàn)消耗熱能并驅(qū)動非自發(fā)過程進行的效果。

其原理示意圖如圖3所示。整個機組可以劃分為2部分，左半部分為吸收劑的循環(huán)過程，右半部分為制冷劑的循環(huán)過程。在吸收式溴化鋰制冷機組中，吸收劑選用溴化鋰溶液，制冷劑為水，溴化鋰溶液具有飽和水蒸氣壓力低的特點，在吸收器中可以吸收蒸發(fā)器內(nèi)溫度遠低于它的水釋放出的水蒸氣，從而完成制冷劑降溫的要求；使用熱源為發(fā)生器中的溴化鋰溶液提供熱能，進而產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣，提供給冷凝器以便向外界釋放熱量。整體循環(huán)可以完成對燃氣輪機余熱氣體的有效利用，并且能夠向外界提供高效率的冷能。

圖3 吸收式溴化鋰制冷機工作原理示意圖Fig.3 Working principle of lithium bromide absorption refrigeration

使用熱力系數(shù)表示吸收式溴化鋰制冷系統(tǒng)的制冷功率，其表達式為

(2)

式中：Q0為制冷量；Qg為消耗的熱量；對溴化鋰吸收式制冷機組來說，ηCOP取值一般在0.9至1.2左右，考慮直接供應冷能節(jié)省下的電能作為吸收式溴化鋰制冷機組的運行收益，可以確定其運行收益為

(3)

式中：Ts為全年供冷時長，h；ηCOPe為電制冷效率的熱力系數(shù)，取值一般在3.8至4之間[11]。

2.3 相變儲能設備

相變儲能設備是指使用相變材料吸收或釋放潛熱以實現(xiàn)對熱能的有效存儲利用，可以用來解決熱能在生產(chǎn)與需求上的差距，改善能源浪費的現(xiàn)象。相變材料具有在狀態(tài)改變時，能夠在一定的熱量范圍內(nèi)保持溫度不變，并且儲能密度大，設備體積小，容易實現(xiàn)定溫控制[12]的特點。

在考慮相變儲能設備的運行經(jīng)濟效益時，熱能在存儲和釋放時存在損耗，那么相變儲能設備的運行效益為

(4)

式中：η為儲能設備的熱效率；Lh表示熱負荷， MW；Ton表示全年中三聯(lián)供機組產(chǎn)熱大于熱負荷的時間，h；kd3和Cb3分別為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的折舊率和建設費用。

3 三聯(lián)供機組運行經(jīng)濟性目標函數(shù)

3.1 優(yōu)化目標函數(shù)

根據(jù)第2節(jié)建立的三聯(lián)供機組模型，以機組運行的年經(jīng)濟效益作為目標，則得到目標函數(shù)為

fop=max(fop1+fop2+fop3)

(5)

通過以下約束條件對函數(shù)進行最優(yōu)值求解。

(1)功率平衡約束。

任意時刻，冷、熱、電3種能源的供應與需求應該保持平衡：

Pe|t∈Top+Penet=Le

(6)

Ph|t∈(T-Ts)+Pph+Phnet=Lh

(7)

ηCOP(Ph|t∈Ts+Pph)+ηCOPePec=Lc

(8)

式中：Penet表示從電網(wǎng)中獲取的電能，MW；Le,Lc分別為電能負荷和冷負荷，MW；Pph表示相變儲能裝置的儲能或放能功率，MW；Phnet代表熱網(wǎng)中供應的熱能，MW。

(2)最大最小出力約束。

電能無法有效地大規(guī)模存儲，因此要保證三聯(lián)供機組僅在額定功率小于電負荷時運行：

Pe|t≤Le|tt∈Top

(9)

相變儲能的容量和充放功率都存在上限：

-(Pph)max≤Pph≤(Pph)max

(10)

(11)

式中：Eph表示相變儲能設備中的熱能儲量，MW·h。

(3)每日啟停機次數(shù)約束。

機組每次啟停機耗時約20min，為了保證機組良好的運行，每日限制啟停機次數(shù)為1次。

3.2 優(yōu)化算法實現(xiàn)步驟

(1)首先根據(jù)電負荷是否小于三聯(lián)供機組出力，排除機組開機時間的不可行解。

(2)使用單目標優(yōu)化的方法，在約束條件和可行域的允許范圍內(nèi)，求取三聯(lián)供機組運行的年經(jīng)濟效益的最大值。

(3)根據(jù)計算過程和結果反推出三聯(lián)供啟停機的時間安排，從而得到機組運行的經(jīng)濟運行策略。

4 算例仿真及結果分析

某地區(qū)的日冷、熱負荷分別如圖4及圖5所示(采樣率：小時)。

圖4 冬季典型日熱負荷曲線Fig.4 Typical daily heating load curve in winter

圖5 夏季典型日冷負荷曲線Fig.5 Typical daily cooling load curve in winter

根據(jù)第3節(jié)優(yōu)化運行方案的安排，可以得到上述2類典型日的三聯(lián)供啟停機策略。其中冬季典型日中全天的熱負荷大于三聯(lián)供機組供熱出力，因此三聯(lián)供機組全天開機，相變儲能設備不工作；夏季典型日中全日冷負荷積分值大于三聯(lián)供機組24 h開機供應值，因此三聯(lián)供機組全天開機，并且通過相變儲能設備調(diào)節(jié)供應與需求在時間上的不平衡關系。根據(jù)如上運行策略安排，全年的機組運行情況如圖6，7所示(采樣率：小時)。

圖6 全年冷負荷曲線Fig.6 Annual cooling load curve

圖7 全年熱負荷曲線Fig.7 Annual heating load curve

使用單目標優(yōu)化方法，結合上述3類實際年負荷進行優(yōu)化運行策略，得到的結果如圖8、9所示。

相較于傳統(tǒng)的能源供應體系，按照上述的三聯(lián)供機組運行策略安排機組的啟停機時間，可以較大提升能源的利用效率，避免了頻繁調(diào)節(jié)機組出力的復雜工作，同時也有較大的經(jīng)濟收益，據(jù)如上模型及啟停機時間的優(yōu)化解安排運行的三聯(lián)供機組每年運行凈收益可以達到1.67億元左右。

圖8 優(yōu)化后的全年冷負荷曲線Fig.8 Annual cooling load curve after optimization

圖9 優(yōu)化后的全年熱負荷曲線Fig.9 Annual heating load curve after optimization

5 結 論

運行在經(jīng)濟運行策略下的三聯(lián)供機組，不僅可以減少污染的排放，提高能源的利用效率，而且能獲得在固定條件下的最大收益，本文提出的三聯(lián)供機組經(jīng)濟運行策略能夠為今后的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟效益提供一定的參考。

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(編輯： 張媛媛)

CCHP Operation with Phase-Change Energy Storage Technology Optimization

GAO Feng1, CHENG Lin2, LIU Chen2, TIAN Hao2, SONG Yunting3

(1. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750002, China;2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Energy internet is an important development direction of future energy supply systems, and combined cooling, heating and power (CCHP), which is one of the fundamental elements of energy internet, builds a conversation relationship between heating/cooling and power. When considering the operation of concentrated CCHP, the unit startup and shutdown method of gas-steam combined cycles and its operating state will impact the running efficiency and operating income of concentrated CCHP. So the reasonable unit startup strategy is the promise and foundation for the economic operation of CCHP. This paper analyzed the CCHP that used gas-steam combined cycle as power plant, lithium bromide absorption refrigeration technology and phase-change energy storage devices. According to relevant operating parameters of CCHP units, the economy objective function of concentrated CCHP operating was established based on the investigation of cooling-heating-power load in a region; and a unit startup and shutdown strategy of CCHP under economic operation was proposed, in order to improve the work efficiency and increase the operating income.

combined cooling, heating and power (CCHP); economic operation; unit startup and shutdown strategy; lithium bromide absorption refrigeration; phase-change energy storage

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGNXDK00BGQT140073)。

TM 731

A

1000-7229(2015)10-0093-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.014

2015-07-01

2015-08-25

高峰(1982)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃和電力系統(tǒng)分析方面的研究工作；

程林(1973)，男，副教授，博士生導師，主要從事電力系統(tǒng)可靠性，主動配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)規(guī)劃方面的研究工作；

劉琛(1993)，男，碩士研究生，主要從事配電網(wǎng)可靠性和規(guī)劃方面的研究工作。