分布式能源系統(tǒng)配置優(yōu)化

郭洪賓，于惠鈞，申 廣

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

近年來(lái)以美國(guó)、歐洲國(guó)家為首的西方各國(guó)都出現(xiàn)過(guò)大面積停電事故，如2003年布魯克林大橋大停電和2007年歐洲大停電。電網(wǎng)的脆弱或電力策略的失衡都會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響正常工作生活秩序[1]。我國(guó)也出現(xiàn)過(guò)停電事故，如2008年雪災(zāi)對(duì)南方地區(qū)的電網(wǎng)設(shè)備造成了巨大的破壞，嚴(yán)重影響了工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)居民生活造成了嚴(yán)重干擾。因此，傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)存在的弊端已經(jīng)成為亟待解決的能源問(wèn)題之一。

目前，各國(guó)正在大力發(fā)展的分布式能源系統(tǒng)是針對(duì)集中式能源供電方式的全新一代能源系統(tǒng)(第二代能源系統(tǒng))，是利用潔凈能源(燃?xì)?、生物質(zhì)能和新型氫能源等作為一次能源[2]，再加上相應(yīng)的熱力設(shè)備或電力設(shè)備和制冷機(jī)組，構(gòu)成一個(gè)能夠提供冷、熱、電的小型自給自足的能源系統(tǒng)，并最終分布在終端用戶的附近。

我國(guó)已經(jīng)頒布了相關(guān)的政策，鼓勵(lì)分布式能源的發(fā)展，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)頒布的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見(jiàn)》、由國(guó)務(wù)院頒布的《分布式發(fā)電管理暫行辦法》等[3]。一些大型的分布式能源系統(tǒng)集成工程也取得了較大的成就，如長(zhǎng)沙黃花國(guó)際集成冷熱電多聯(lián)供能源站-航空民用型，新奧熱力分布式能源項(xiàng)目工業(yè)園供熱型等。但是我國(guó)在理論方面的研究發(fā)展還不夠成熟，研究的問(wèn)題普遍具有一定的局限性，有關(guān)的政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)還不是十分完善。

1 分布式能源系統(tǒng)組成及能量分析

分布式能源系統(tǒng)的類型多種多樣，除了以天然氣為一次能源的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)外，還包括由太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電以及地?zé)崮馨l(fā)電等結(jié)合而成的綜合能源利用系統(tǒng)。但分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)大致都相同，可分為：發(fā)電設(shè)備(內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī))、余熱回收設(shè)備(對(duì)能源系統(tǒng)過(guò)程中產(chǎn)生的中溫燃?xì)庥酂岬臒崃窟M(jìn)行回收)、調(diào)節(jié)裝置(調(diào)節(jié)機(jī)組的蒸汽參數(shù))等[4]。

以燃?xì)鉃橹鞯姆植际侥茉聪到y(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)電設(shè)備后產(chǎn)生電能進(jìn)入城市電網(wǎng)中，同時(shí)吸收式制冷機(jī)組會(huì)對(duì)燃?xì)饨?jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)后產(chǎn)生的尾氣余熱進(jìn)行回收利用，可用于夏季制冷和冬季供熱。

圖1 燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas distributed energy system structure

分布式能源系統(tǒng)能夠充分利用能量梯級(jí)利用的原則，在滿足電能供應(yīng)的基本要求下，夏季利用電制冷裝置或吸收式溴化鋰制冷機(jī)組向用戶供冷，冬季利用設(shè)備產(chǎn)生的熱量供暖，利用余熱換熱管道來(lái)實(shí)現(xiàn)全年提供生活熱水的功能[5]。

1.1 以內(nèi)燃機(jī)為核心的技術(shù)方案

內(nèi)燃機(jī)型余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]，該系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)組、發(fā)電機(jī)、吸收式制冷機(jī)組和冷卻水熱回收系統(tǒng)所組成。系統(tǒng)的余熱回收包括回收內(nèi)燃機(jī)組中的全部熱量，還能提高內(nèi)燃機(jī)的效率以及延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)的壽命。本方案可同時(shí)用于夏季制冷和冬季取暖。

圖2 內(nèi)燃機(jī)型余熱利用系統(tǒng)Fig.2 Internal combustion engine type waste heat utilization system

1.2 以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的技術(shù)方案

燃?xì)廨啓C(jī)型分布式能源系統(tǒng)通常由發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組、煙氣余熱回收裝置、吸收式制冷機(jī)組、余熱供熱系統(tǒng)、輔助燃?xì)庀到y(tǒng)裝置組成[7]。其結(jié)構(gòu)形式有如下2種：

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+(備用鍋爐)+蒸汽型吸收式制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。燃?xì)馐紫冗M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)中產(chǎn)生高溫蒸汽帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，大部分燃?xì)庖淮文芰縿t可用于冬季供暖；當(dāng)進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組模式時(shí)，可用于夏季制冷。備用鍋爐的加入，可以使主燃?xì)廨啓C(jī)不工作時(shí)，直接利用補(bǔ)燃?xì)怏w來(lái)輔助整個(gè)燃?xì)饽茉聪到y(tǒng)的小規(guī)模運(yùn)行，起到了安全備用的作用[8]。該方案的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，在余熱鍋爐的基礎(chǔ)上又增加了備用鍋爐，且各裝置之間管網(wǎng)聯(lián)系密切，明顯增加了系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)成本；但備用鍋爐的投入明顯能保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，若智能化協(xié)調(diào)好各裝置管網(wǎng)之間的關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率也會(huì)大大提高。因此這個(gè)系統(tǒng)常用于發(fā)電容量大、蒸汽需求量高的工程場(chǎng)所，如產(chǎn)業(yè)園區(qū)、機(jī)場(chǎng)等。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+(備用鍋爐)+蒸汽型吸收式制冷機(jī)Fig.3 Gas turbine+waste heat boiler+(spare boiler)+steam absorption chiller

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)+補(bǔ)燃型吸收式冷暖機(jī)(直燃型)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。與圖3類似，燃?xì)馐紫冗M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)中產(chǎn)生高溫蒸汽帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，大部分燃?xì)饽茉崔D(zhuǎn)化為電力進(jìn)入城市電網(wǎng)中。還有一部分中溫燃?xì)庵苯訉?dǎo)入煙氣溴化鋰吸收型冷熱水機(jī)組中，同樣可起到夏季制冷、冬季取暖以及全年獲得生活熱水的目的。與圖3的裝置一樣，當(dāng)主燃?xì)廨啓C(jī)不工作時(shí)，補(bǔ)燃?xì)怏w可進(jìn)入吸收型冷熱水機(jī)組中，輔助系統(tǒng)的局部運(yùn)行[9]。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)十補(bǔ)燃型吸收式冷暖機(jī)(直燃型)Fig.4 Gasturbine and complementary combustion type heating and cooling(direct-fired type)

該方案沒(méi)有傳統(tǒng)方案中的余熱鍋爐，燃?xì)庵苯愚D(zhuǎn)化為電力進(jìn)入城市電網(wǎng)中。還有一部分中溫燃?xì)膺M(jìn)入余熱鍋爐后在進(jìn)行二次余熱利用，當(dāng)進(jìn)入冷卻水熱交換器模式時(shí)，備用蒸汽鍋爐系統(tǒng)，從而明顯降低了系統(tǒng)的建造、運(yùn)行和維護(hù)成本，顯著提高了效率。此外，系統(tǒng)連接更加簡(jiǎn)單合理，用于對(duì)生活中熱水需求量不高的場(chǎng)所。

2 兩種配置方式的參數(shù)分析

分別針對(duì)“以電定熱”和“以熱定電”這2種配置方式建立計(jì)算模型[10]，令系統(tǒng)一次能源利用率Pe，系統(tǒng)的熱電比為Hp1，系統(tǒng)的冷電比為Hp2，余熱鍋爐效率η1=0.8，補(bǔ)燃鍋爐的效率η2=0.937 5，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率ηe=0.3，內(nèi)燃機(jī)的功率為Pd，電制冷機(jī)的制冷系數(shù)為Co1=5.0, 吸收式制冷機(jī)組的制冷系數(shù)為Co2=1.2，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率ηh=0.6。

2.1 “以熱定電”配置方式參數(shù)分析

現(xiàn)假設(shè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電量為Pg，而用戶的電負(fù)荷為P0，在春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率Pe1，當(dāng)系統(tǒng)輸出的電量大于用戶需求，即Pg≥P0，則系統(tǒng)的Pe1值為

參照《中國(guó)2型糖尿病防治指南》中提出的周圍神經(jīng)病變?cè)\斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行診斷，對(duì)比有無(wú)周圍神經(jīng)病變對(duì)象的心電圖檢查自主神經(jīng)功能指標(biāo)。同時(shí)將以上指標(biāo)，與正中神經(jīng)、尺神經(jīng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度（MCV）、感覺(jué)神經(jīng)傳導(dǎo)速度(SCV）進(jìn)行相關(guān)性分析。

(1)

當(dāng)系統(tǒng)輸出的電量小于用戶需求，即Pg

(2)

綜合式(1)(2)可得出在春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率Pe1與熱電比Hp1之間的關(guān)系為

(3)

在夏季工況下，系統(tǒng)的一次能源利用率為Pe2，Pe2與系統(tǒng)產(chǎn)生的電量之間的關(guān)系，即為Pe2與Hp2、Hp1之間的關(guān)系[11]。為便于對(duì)比分析不同季節(jié)工況，現(xiàn)假定冷電比為定值Hp2=1.2，則Pe2與Hp1之間的關(guān)系為

(4)

夏季工況和春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率與熱電比的關(guān)系如圖5所示。

圖5 “以熱定電”方式下夏季工況和春秋冬三季工況的Hp1與Pe關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining electricity by heat’

由圖5可知：

(1) 分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用率隨著熱電比的增大，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)實(shí)際工況下的Hp1值大于最佳熱電比時(shí)，系統(tǒng)的Pe值會(huì)隨著Hp1值的增大而減小，此時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的總供暖量大于用戶的需求，從而降低系統(tǒng)的一次能源利用率；同理，當(dāng)實(shí)際工況下的Hp1值小于最佳熱電比時(shí)，系統(tǒng)的Pe值會(huì)隨著Hp1值的增大而增大，但仍小于Pemax值，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)需要從城市電網(wǎng)中獲取電量以滿足用戶的需求。

(2) 系統(tǒng)的最佳熱電比會(huì)隨著運(yùn)行工況的改變而變化。一般而言，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)夏季工況的最佳熱電比較春、秋和冬季的最佳熱電比小。但是，夏季工況的最佳熱電比對(duì)應(yīng)的Pemax值比春秋冬三季的最佳熱電比對(duì)應(yīng)Pemax值大[12]。

2.2 “以電定熱”配置方式參數(shù)分析

現(xiàn)假設(shè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電量為Plw，用戶所需的熱量為P1，系統(tǒng)產(chǎn)生的電量為Pg，在春秋冬三季工況下系統(tǒng)一次能源利用率Pe1，系統(tǒng)產(chǎn)生的總能量為Pn。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電量高于用戶需求的熱量時(shí)，即Plw≥P1則系統(tǒng)的Pe1值為

(5)

當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電量小于用戶需求的熱量時(shí)，即Plw

(6)

在公式(5)(6)中，令未加補(bǔ)燃鍋爐時(shí)原系統(tǒng)的熱電比為k=Plw/pg=1.2則滿足k<η1η2/ηe-1，春秋冬三季工況的函數(shù)關(guān)系為單調(diào)遞增：

(7)

在夏季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率為Pe2，計(jì)算出系統(tǒng)一次能源利用率Pe2與系統(tǒng)產(chǎn)生的冷熱量之間的關(guān)系，即Pe2與Hp2、Hp1之間的關(guān)系。為便于不同季節(jié)工況的對(duì)比分析，現(xiàn)令未加補(bǔ)燃鍋爐時(shí)原系統(tǒng)的熱電比為k=Plw/pg=1.2，未加補(bǔ)燃鍋爐時(shí)原系統(tǒng)的效率為ηk，同時(shí)可假設(shè)未加電制冷機(jī)原系統(tǒng)的冷電比為PlwCo2/pg=k=1.2滿足

(8)

此時(shí)函數(shù)y單調(diào)遞增[14]，且此時(shí)系統(tǒng)的Hp2=1.4。故只考慮Pe2與熱電比之間關(guān)系為

(9)

夏季工況和春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率與熱電比的關(guān)系如圖6所示。

圖6 “以電定熱”方式下夏季工況和春秋冬三季工況的Hp1與Pe關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining heat by electricity’

由圖6可知：

(1) “以電定熱”的模式下，夏季的一次能源節(jié)約率的均值明顯高于春秋冬三季一次能源節(jié)約率的均值。在春秋冬三季，隨著熱電比的增加，一次能源利用率增加，當(dāng)熱電比增加到某一定點(diǎn)附近，一次能源利用率的增加趨勢(shì)平緩，系統(tǒng)輸出的能量能滿足用戶需求，此點(diǎn)即為最佳冷熱電比。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)當(dāng)熱電比繼續(xù)增大，系統(tǒng)輸出熱量不足時(shí)，可以利用補(bǔ)燃鍋爐來(lái)彌補(bǔ)欠缺的熱量，但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)一次能源燃?xì)獾南脑黾?，系統(tǒng)的Pe值增加趨勢(shì)變緩，同理對(duì)于夏季，隨著熱電比的增大，系統(tǒng)的一次能源利用率逐漸呈現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)。

(2) 由圖表可知由于整個(gè)系統(tǒng)的原始冷電比k、原始熱電比k及機(jī)組相關(guān)參數(shù)都處于假設(shè)的理想定值，導(dǎo)致當(dāng)增大熱力設(shè)備的效率時(shí)，在夏季狀況下，一次能源利用率可能會(huì)超過(guò)100%，但圖6(a)的關(guān)系曲線仍能反映出一次能源利用率隨著熱電比增大與變小的變化趨勢(shì)。并且系統(tǒng)處在不同的運(yùn)行工況時(shí)，其最佳熱電比是不同的。無(wú)論系統(tǒng)處在什么季節(jié)中運(yùn)行熱力設(shè)備的發(fā)電效率越高，其最佳熱電比反而降低。

(3) 當(dāng)熱電比一定時(shí)，熱力設(shè)備的發(fā)電效率越高，其Pe值越大，故當(dāng)系統(tǒng)采用“以電定熱”的配置方式時(shí)，常采用發(fā)電效率高的熱力機(jī)組[15]。

3 結(jié)論

(1) 在夏季,若系統(tǒng)采用“以熱定電”的配置方式，當(dāng)系統(tǒng)的熱電比Hp1在0.5左右時(shí)，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；在夏季，若系統(tǒng)采用以電定熱”的配置方式，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率為ηe=0.4，系統(tǒng)的熱電比Hp1在0.5左右時(shí)，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率為ηe=0.3，系統(tǒng)的熱電比Hp1在1.2左右時(shí)，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；能夠?qū)Ψ植际侥茉聪到y(tǒng)的節(jié)能性起到一定的建議作用。

(2) “以熱定電”和“以電定熱”是分布式能源系統(tǒng)常用到的2種配置運(yùn)行方式，都從不同的需求點(diǎn)出發(fā)去解決用戶負(fù)荷與電廠供給的矛盾。結(jié)果表明，在“以熱定電”模型中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的電量大于用戶負(fù)荷時(shí)，無(wú)論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源利用率都和系統(tǒng)的冷熱電比成反比關(guān)系;當(dāng)系統(tǒng)輸出的電量不能滿足用戶負(fù)荷時(shí)，無(wú)論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率都和系統(tǒng)的冷熱電比成正比關(guān)系。在“以電定熱”模型中，當(dāng)系統(tǒng)的輸出的冷熱量大于用戶需求時(shí)，無(wú)論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率都和系統(tǒng)的冷熱電比成正比關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)的輸出的冷熱量大于用戶需求時(shí)，系統(tǒng)的一次能源利用率都和系統(tǒng)的冷熱電比之間的關(guān)系與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

(3) 對(duì)“以熱定電”和“以電定熱”的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)化分析，此時(shí)選取的是雙效嗅化銼制冷機(jī)組，可明顯得到夏季的平均一次能源利用率高于春、秋、冬季的平均一次能源利用率，此外內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率的提高也能明顯改善全年的平均一次能源利用率。