以生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)為核心的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型

詹翔燕，鄭徐躍，朱興儀，孟 超，趙英汝*

(1.廈門大學(xué)能源學(xué)院，福建 廈門 361102；2.福建省政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，福建 福州 350100)

隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭，發(fā)展環(huán)境友好的可再生能源，同時(shí)提高綜合能源利用效率已成為當(dāng)今各界研究關(guān)注的重點(diǎn)[1].多聯(lián)產(chǎn)(polygeneration)技術(shù)可使用多種化石能源及可再生能源(如天然氣、煤和生物質(zhì))，利用各種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)(包括氣化和熱解)，生產(chǎn)多種產(chǎn)品(包括電、熱、冷、氣體和液體)，通過系統(tǒng)集成和流程改進(jìn)將化工過程和動(dòng)力系統(tǒng)整合以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效清潔利用，在能源可持續(xù)性發(fā)展中占有舉足輕重的地位[2-3].基于生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)的綜合能源系統(tǒng)(biomass polygeneration integrated energy system, BPIES)將生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)與區(qū)域BPIES相結(jié)合，不但可提高物質(zhì)與能量綜合梯級(jí)轉(zhuǎn)換利用效率，同時(shí)還兼具節(jié)約能源、提高供能質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)收益等綜合效益，體現(xiàn)了生物質(zhì)能源技術(shù)與區(qū)域能源規(guī)劃的深度融合，有望成為最有效、最潔凈的生物質(zhì)能綜合利用技術(shù)[5].

同時(shí)，化石能源與可再生能源互補(bǔ)的BPIES可彌補(bǔ)部分可再生能源能量密度低、輸出不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)綜合效率[6-8].在可再生能源利用方面，太陽能以其儲(chǔ)量、普遍性與清潔性備受矚目，尤其屋頂光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電系統(tǒng)，可方便地與建筑物結(jié)合，在城市中應(yīng)用最為普遍[9].因此，集成太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)基冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)并形成區(qū)域綜合供能系統(tǒng)的研究近年來受到了廣泛關(guān)注.

相較于傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)，BPIES更加強(qiáng)調(diào)滿足區(qū)域能源負(fù)荷與化工產(chǎn)品生產(chǎn)的綜合需求管理與協(xié)同互補(bǔ).但當(dāng)前對(duì)CCHP系統(tǒng)的研究或局限于天然氣基CCHP系統(tǒng)的冷、熱、電三聯(lián)供設(shè)備組成，或集中于以電網(wǎng)為核心、地源熱泵(ground source heat pump, GSHP)等可再生能源系統(tǒng)為輔助的電-熱耦合系統(tǒng)集成，缺乏對(duì)多聯(lián)產(chǎn)的設(shè)計(jì)分析，更鮮有涉及生物質(zhì)氣化、燃燒及轉(zhuǎn)化的機(jī)理性建模分析.而有關(guān)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究又多局限于煤氣化、生物質(zhì)氣化等具體轉(zhuǎn)化技術(shù)，極少涉及用能端的負(fù)荷分析及BPIES的設(shè)計(jì)規(guī)劃和運(yùn)行優(yōu)化[10-12].

為解決上述問題，本研究在構(gòu)建生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)各單元機(jī)理模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了耦合電制冷空調(diào)(electric chiller, EC)、溴化鋰吸收式制冷、生物質(zhì)鍋爐等輔助熱、冷設(shè)備及GSHP、光伏等可再生與不可再生能源系統(tǒng)的多層次、高維度數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，探索系統(tǒng)架構(gòu)的最優(yōu)平衡點(diǎn)，進(jìn)一步提高區(qū)域BPIES的經(jīng)濟(jì)性.本研究采用960個(gè)優(yōu)化時(shí)段(10年×4季×24 h)，結(jié)合不同地域的BPIES適用性與優(yōu)化運(yùn)行策略，驗(yàn)證模型及算法的可靠性和有效性，為推動(dòng)基于生物質(zhì)能的區(qū)域BPIES的開發(fā)及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與決策支持.

1 BPIES的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

本文中基于超結(jié)構(gòu)的建模方法，對(duì)BPIES中的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)氣化單元、熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power, CHP)單元、化學(xué)合成單元以及輔助供熱模塊、制冷模塊等進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模，該模型同時(shí)集成了PV與GSHP兩種可再生能源技術(shù).

1.1 BPIES的超結(jié)構(gòu)

BPIES系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示.

圖1 BPIES超結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the proposed BPIES system

系統(tǒng)的產(chǎn)電設(shè)備可選技術(shù)主要包括生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)模塊(包括化學(xué)合成單元)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等，且系統(tǒng)可根據(jù)需要選擇是否與電網(wǎng)并網(wǎng).供熱模塊的主要作用是為了滿足熱負(fù)荷與吸收式制冷機(jī)(absorption chiller, ABS)的供汽熱耗需求，可選技術(shù)包括余熱鍋爐、輔助備用鍋爐及GSHP等.EC、溴化鋰ABS及雙效的GSHP則為供冷模塊的備選技術(shù).

1.2 BPIES子模塊建模

1.2.1 基于生物質(zhì)氣化的多聯(lián)產(chǎn)模塊

r為體積分流比;下標(biāo)sg和fg分別表示進(jìn)入化工合成單元和生物質(zhì)發(fā)電單元的合成氣.圖2 多聯(lián)產(chǎn)流程示意圖Fig.2 Simplified flowsheet of the proposed polygeneration process

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)過程主要分為3個(gè)模塊：生物質(zhì)氣化單元、化學(xué)合成單元和生物質(zhì)CHP單元，如圖2所示.其中，每個(gè)模塊均有幾種類型的備選技術(shù)設(shè)備以滿足不同地區(qū)對(duì)不同工藝流程的要求.

1) 生物質(zhì)氣化單元

生物質(zhì)氣化單元的功能是在高溫、高壓和還原氣氛中將熱值較低的生物質(zhì)粗原料氣化，轉(zhuǎn)化為可供下游利用的熱值較高的合成氣.合成氣主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、未轉(zhuǎn)化的碳和灰分組成.

合成氣rawsg的焓H和比焓h可以表示為摩爾流率.

Hrawsg=morawsg×hrawsg.

(1)

對(duì)于生物質(zhì)氣化過程，生物質(zhì)原料中的主要元素為碳、氫、氧、氮和硫5種，轉(zhuǎn)化后的合成氣組分主要為N2、H2、CO、CO2、H2O、CH4和H2S.基于元素和組分平衡，合成氣及其中各元素組分的摩爾流率和質(zhì)量流率的平衡方程如下(以碳為例)：

MWC×morawsg×(xCO+xCO2+xCH4)=

UC×maf，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，j=N2、H2、CO、CO2、H2O、CH4、H2S，t等于合成氣的溫度T除以1 000[13].方程(2)表示合成氣摩爾流率和質(zhì)量流率的平衡，MWC表示碳的分子量，UC表示燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干燥狀態(tài))，而x表示合成氣的摩爾組成(與特定類型的氣化技術(shù)有關(guān))，mo和ma分別表示摩爾流率和質(zhì)量流率，下標(biāo)rawsg和f分別代表原料與合成氣.通過計(jì)算合成氣的摩爾流率和質(zhì)量流率的平衡方程，即可獲得進(jìn)入化學(xué)合成單元和CHP單元的合成氣焓值.

合成氣中的其他元素，如氫、氧、氮和硫的平衡方程，其計(jì)算方法類似.方程(4)中的參數(shù)在NIST Chemistry Webbook[14]中有具體說明.

2) 化學(xué)合成單元

在離開氣化單元后，合成氣被分流為兩部分氣體.一部分進(jìn)入化學(xué)合成單元，另一部分直接進(jìn)入生物質(zhì)CHP單元，其調(diào)整程度可通過設(shè)計(jì)參數(shù)分流比r來確定，如下式：

(6)

化學(xué)合成(以甲醇為例)主要包括以下3個(gè)反應(yīng)：

CO+2H2→CH3OH，

(7)

CO2+3H2→CH3OH+H2O，

(8)

CO+H2O→CO2+H2.

(9)

進(jìn)入化學(xué)合成單元的合成氣和產(chǎn)品的質(zhì)量平衡方程可表示如下：

f(mosg,xsg,mopg,xpg,γmeoh)=0.

(10)

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式(7)～(9)，質(zhì)量平衡方程可以表示如下：

mosg×(xsg(H2)-2γmeoh(CO)×xsg(CO)-

3γmeoh(CO2)×xsg(CO2))=mopg×xpg(H2)，

(11)

式中，γ表示轉(zhuǎn)化效率，meoh代表甲醇合成過程.

結(jié)合上述各式，可以計(jì)算出最終產(chǎn)物甲醇的質(zhì)量流率和摩爾流率.

3) 生物質(zhì)CHP單元

進(jìn)入生物質(zhì)CHP單元的另一部分合成氣與大量壓縮空氣混合，并在燃燒室中燃燒以產(chǎn)生高溫、高壓的氣體做功.其建模過程基于能量平衡，進(jìn)入發(fā)電單元中壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流率是溫度T1的函數(shù)，燃料氣體的ma和x可由下式表示：

(12)

對(duì)于由CO、CO2、H2、H2O、O2、N2和微量CH4、H2S組成的典型燃料氣體，式(12)可具體表示為：

mofg+moair=mogasin，

mofg×(xfg,CO+xfg,CO2+xfg,CH4)=

mogasin×xgasin,CO2，

j=N2,H2,O2,CO,CO2,H2O,CH4,H2S,

(13)

mofghfg+moairhair=mogasin×hgasin，

j=N2,O2,CO2,H2O,SO2，

xgasout,j=xgasin,j,j=N2,O2,CO2,H2O,SO2，

式中，下標(biāo)fg表示進(jìn)入發(fā)電單元的氣體，gasin和gasout分別代表進(jìn)、出口處的氣體.氫、氧、氮和硫的平衡方程由類似方程表示.

與氣化單元中合成氣的焓值計(jì)算相類似，生物質(zhì)CHP單元中進(jìn)出口氣體的焓也是與溫度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù).燃料氣體的焓值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[14]，即方程(13)，流經(jīng)壓縮機(jī)的空氣焓值和入口處氣體的焓值可以用相同的方式計(jì)算得出.

由上述計(jì)算得到壓縮機(jī)的進(jìn)、出口參數(shù)，發(fā)電單元產(chǎn)生的機(jī)械功wgt是流經(jīng)CHP單元的氣體質(zhì)量流率及其進(jìn)、出口物理參數(shù)的函數(shù)，表示為：

wgt=mogasin×(hgasin-hgasout).

由CHP單元產(chǎn)生的余熱后續(xù)可用于ABS進(jìn)行制冷或供熱.

1.2.2 吸收式制冷模塊

ABS是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中能量梯級(jí)利用的重要技術(shù)，其非設(shè)計(jì)工況性能曲線擬合模型如下：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，COABS表示ABS的制冷功率，IEelec為耗電量，COPABS為ABS的制冷性能系數(shù)，下標(biāo)s,h表示季節(jié)s內(nèi)的h時(shí)段CRABS為機(jī)組的額定功率，α表示機(jī)組的負(fù)載率，ω1、ω2、ω3為ABS的性能系數(shù)擬合曲線參數(shù).

與ABS不同，模型中輔助聯(lián)供的鍋爐與電制冷機(jī)組均采用固定能效比的數(shù)學(xué)模型，即能量輸出等于能量輸入乘以能效系數(shù)，且輸入的能量不超過其額定容量與設(shè)備數(shù)量之積.

1.2.3 光伏模塊

PV的輸出受可安裝光伏板面積的限制，其輸出電量OE與太陽輻射強(qiáng)度δPV成正比，表示如下：

(18)

(19)

式中:OEPV表示PV在h時(shí)段內(nèi)的總產(chǎn)電量;ηPV為PV系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率(視為常數(shù));N為設(shè)備數(shù)量，此處設(shè)備為光伏板;θPV表示單個(gè)設(shè)備的面積;SPV為最大允許安裝面積;太陽輻射強(qiáng)度δPV可參考當(dāng)?shù)靥柲茌椛淞繑?shù)據(jù)庫.

1.2.4 GSHP模塊

與PV類似，GSHP同樣也受到可用安裝面積的限制：

Ni,gshp,y×θgshp≤Si,gshp,

(20)

式中，Ni,gshp，y表示第y年GSHP的建造數(shù)量，θgshp為單個(gè)GSHP占用的面積，Si，gshp為園區(qū)內(nèi)所有GSHP的可裝機(jī)面積.GSHP的其他約束條件如下：

(21)

(22)

式中:ΔTs，h為土壤與GSHP出口的溫差；COP表示GSHP的性能系數(shù)，其值由式(21)計(jì)算可得[15]；IEgshp和OEgshp分別表示單個(gè)GSHP的能量輸入和輸出.

1.2.5 能量平衡

區(qū)域內(nèi)的能源需求根據(jù)能源類型可分為電、熱、冷3類.下面兩式表示區(qū)域電網(wǎng)的能量平衡方程：

(23)

Enety,s,h+Ebuyy,s,h=

(24)

式中，OEelec表示多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)的電量，Enet表示系統(tǒng)供應(yīng)給區(qū)域電網(wǎng)的總凈電量，IEelec表示系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)設(shè)備的寄生功耗，Ebuy和Esell分別表示從電網(wǎng)買入和賣出給電網(wǎng)的電量，Ed為區(qū)域內(nèi)需求的電量.

就冷、熱平衡而言，能源系統(tǒng)的總熱能與冷能輸出OE須分別等于區(qū)域內(nèi)的用戶冷(Cd)、熱(Hd)需求與設(shè)備寄生負(fù)荷(如ABS所需的熱能)的總和：

(25)

(26)

1.2.6 目標(biāo)函數(shù)

本模型以規(guī)劃期內(nèi)的總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用凈現(xiàn)值(net present value, NPV)法進(jìn)行評(píng)估[16]，具體如下：

(27)

式中，λ表示折現(xiàn)率，y表示時(shí)間維度年.其中含有3個(gè)成本約束，即投資成本CC、運(yùn)行與維護(hù)成本OM及余電上網(wǎng)和甲醇銷售收入IN.其中CC、OM、IN的約束方程如下：

(28)

(29)

(30)

式中，Nip為第p個(gè)設(shè)備在y年新增的數(shù)量，Cpp表示其單機(jī)價(jià)格，Pbio為生物質(zhì)價(jià)格，Ptou為分時(shí)電價(jià)，N為表示設(shè)備在y年的總數(shù)量，β表示年維護(hù)費(fèi)用，REG與REB分別表示買電收入與化工產(chǎn)品銷售收入，Pfit與Pme分別表示上網(wǎng)電價(jià)和化工產(chǎn)品的銷售價(jià)格.

2 典型區(qū)域的BPIES案例分析與數(shù)學(xué)優(yōu)化結(jié)果

本文中將提出的BPIES模型分別應(yīng)用于4個(gè)典型氣候地域內(nèi)具有類似建筑供能與類似負(fù)荷的城市綜合體，對(duì)BPIES在不同地域的具體運(yùn)行策略進(jìn)行了重點(diǎn)研究.

2.1 數(shù)據(jù)輸入

考慮到不同地區(qū)冷、熱、電負(fù)荷之間的差異較大，不同方案的生物質(zhì)CHP系統(tǒng)對(duì)生物質(zhì)燃料的要求及熱電比例有不同的地域適用性，因此，本文中根據(jù)余熱利用方式的不同，分別設(shè)計(jì)以燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)為核心的4種生物質(zhì)CHP系統(tǒng)作為可供選擇的方案.模型的基本輸入數(shù)據(jù)包括所選取區(qū)域及其所在地的負(fù)荷需求、能源價(jià)格、可再生能源信息、各類技術(shù)設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等，如表1與表2所示.

2.2 案例分析

本文中使用GAMS軟件中集成的Lindo求解器進(jìn)行模型求解，并在Intel(R) Core(TM) i5-6500 CPU@3.20 GHz處理器和4 GB內(nèi)存的硬件環(huán)境下運(yùn)行.模型共含有228 429個(gè)平衡方程、310 685個(gè)變量及404 767個(gè)約束方程.4個(gè)案例中，模型求解時(shí)間最短的為昆明案例，經(jīng)過16 min獲得優(yōu)化結(jié)果.最長的為上海案例，經(jīng)過28 min 獲得優(yōu)化結(jié)果.

2.2.1 供熱方案

4個(gè)案例典型冬季12月至明年2月日熱輸出占比如圖3所示.從縱坐標(biāo)的負(fù)荷值可明顯看出，熱負(fù)荷大連最高、上海次之、廣州最低.具體的運(yùn)行策略方面，大連的BCHP2全天運(yùn)行，并且保持穩(wěn)定地輸出，而生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行在日間熱負(fù)荷較高時(shí)刻，尤其是08:00—13:00時(shí)段，其運(yùn)行負(fù)載達(dá)到最大值.隨著熱負(fù)荷的下降鍋爐的輸出逐漸降低，在23:00—07:00幾乎沒有輸出.GSHP與BCHP1僅作為輔助熱源，不同的是高效率的GSHP依靠系統(tǒng)產(chǎn)生的電能全天輸出，而需要使用生物質(zhì)燃料且熱效率較BCHP2更高的BCHP1僅在部分時(shí)段輸出.同樣是熱負(fù)荷較高的上海，與大連不同的是其鍋爐是主要熱源，全天輸出，這是因?yàn)樯虾５纳镔|(zhì)燃料價(jià)格較高，其選擇使用的BCHP3運(yùn)行當(dāng)?shù)仉妰r(jià)處于非低谷時(shí)段，這主要是為了盡可能減少在電價(jià)較高時(shí)段由電網(wǎng)購電而選擇使用系統(tǒng)自發(fā)電量.對(duì)于熱負(fù)荷最低的廣州來說，夜間主要通過使用電驅(qū)動(dòng)的GSHP與生物質(zhì)鍋爐滿足熱負(fù)荷需求(主要原因是夜間電價(jià)較低，可通過電網(wǎng)購電以滿足電需求)，日間的熱負(fù)荷幾乎全由BCHP2+BCHP3的組合進(jìn)行滿足，這也是4個(gè)地區(qū)中唯一一個(gè)鍋爐并非運(yùn)行于負(fù)荷較高時(shí)段的地區(qū).熱負(fù)荷與生物質(zhì)燃料均較低的昆明，其熱輸出占比與大連類似，同樣為BCHP2全天運(yùn)行，日間熱負(fù)荷較高時(shí)段由鍋爐滿足，但并沒有選用BCHP1，同時(shí)GSHP也僅在日間作為輔助熱源輸出.

表1 4個(gè)城市的分時(shí)電價(jià)與生物質(zhì)燃料價(jià)格

表2 設(shè)備參數(shù)

圖3 4個(gè)城市典型冬季日供熱輸出組成Fig.3 Heating supply in a typical winter day of the four cities

2.2.2 供冷方案

從4個(gè)城市典型夏季(6—8月)日冷輸出占比來看，如圖4所示，大連與昆明較為類似，ABS全天運(yùn)行，EC與GSHP的運(yùn)行時(shí)段近乎一致，即08:00—21:00，在冷負(fù)荷增高的時(shí)段開始運(yùn)行，冷負(fù)荷下降時(shí)段停止.而廣州和上海的運(yùn)行策略與另外兩個(gè)地區(qū)相反，ABS僅在日間負(fù)荷較高的時(shí)段運(yùn)行，GSHP與EC全天運(yùn)行.這說明在冷負(fù)荷較低且生物質(zhì)價(jià)格較低的地區(qū)，其夏季最佳的運(yùn)行策略應(yīng)是采用ABS全天運(yùn)行作為主要冷源，EC與GSHP在負(fù)荷較高的時(shí)候作為輔助冷源.而在冷負(fù)荷較高且生物質(zhì)價(jià)格也較高的地區(qū)，夜間使用GSHP與EC作為冷源更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)電價(jià)處于低谷，使用燃燒生物質(zhì)燃料產(chǎn)生余熱驅(qū)動(dòng)ABS制冷不但運(yùn)行費(fèi)用較高，且ABS的制冷效率也較低，而日間負(fù)荷較高且電價(jià)也較高時(shí)則需采用ABS作為輔助冷源.

圖4 4個(gè)城市典型夏季日供冷輸出組成Fig.4 Cooling supply in a typical summer day of the four cities

盡管日間運(yùn)行策略有所不同，但在日間負(fù)荷較高時(shí)段，EC的供能比例明顯高于其余兩者.除了受可用面積限制的GSHP無法更多地產(chǎn)生能量輸出外，EC的制冷效率遠(yuǎn)高于采用余熱吸收的ABS也是一個(gè)重要原因.值得注意的是，4個(gè)城市均沒有采用單一EC供冷的方式，而都是通過采用與其余兩種設(shè)備組合功能的方式滿足負(fù)荷需求.這是因?yàn)閱我辉O(shè)備供能不但會(huì)使設(shè)備裝機(jī)容量過大投資較高，同時(shí)會(huì)造成負(fù)荷較低時(shí)的空置率較高，效率降低，因此負(fù)荷波動(dòng)時(shí)無法到達(dá)多能協(xié)同互補(bǔ)的效果.

2.2.3 供電方案

從日間運(yùn)行策略來看，如圖5所示，由于從電網(wǎng)購電量極少，典型夏季日中大連的電出力組合較其余3個(gè)地區(qū)顯得較為單一，即07:00開始隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，PV逐漸成為主要電源，18:00—22:00光照逐漸減弱，BCHP1作為輔助電源逐漸增大出力.值得注意的是，在中午12：00—13：00時(shí)段，BCHP2完全停止工作，此時(shí)采用電效率更低、熱效率更高的BCHP1.這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)段PV的出力達(dá)到最大值，此時(shí)區(qū)域的電、冷負(fù)荷與08:00—12:00時(shí)段相比有所下降，PV與BCHP1產(chǎn)生的電能已經(jīng)超出區(qū)域所需電量.因此，使用熱效率更高的BCHP1產(chǎn)生更多的熱能作為ABS的熱源制冷，這種運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性更優(yōu).此外，在23:00—07:00時(shí)段，大連與其他區(qū)域完全不同，僅由BCHP2滿足區(qū)域電負(fù)荷需求.上海與廣州的典型夏季日電出力組成較為類似，即夜間電價(jià)處于低谷時(shí)段完全由電網(wǎng)購電滿足負(fù)荷需求，日間電價(jià)處于平段或峰值時(shí)主要由PV與生物質(zhì)CHP組合供電，但仍需從電網(wǎng)購買少量電量，尤其是電價(jià)處于峰值的18:00—21:00時(shí)段內(nèi)，并沒有通過選用更大容量的生物質(zhì)CHP以覆蓋區(qū)域負(fù)荷.而昆明電出力組成與其他3個(gè)案例最為明顯的不同在于全天生物質(zhì)CHP運(yùn)行，并保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的出力，主要原因是其生物質(zhì)CHP的裝機(jī)容量較低，僅作為輔助電源.

圖5中的曲線表示生物質(zhì)CHP單元與化學(xué)合成單元在典型夏季日的逐時(shí)分流比.可以明顯地看出4個(gè)城市在夜間與中午時(shí)分的分流比都較低，這是因?yàn)椋?) 在夜間負(fù)荷較低，合成氣可以更多地進(jìn)入化學(xué)合成單元，廣州和上海地區(qū)更是全部進(jìn)入化學(xué)合成單元，以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益；2) 中午12:00—13:00時(shí)段，光照最強(qiáng)，PV出力達(dá)到最大，生物質(zhì)CHP單元出力減少，相應(yīng)地進(jìn)入化學(xué)合成單元的合成氣增加，其余時(shí)段，尤其是下午至夜晚時(shí)段，區(qū)域負(fù)荷較大，生物質(zhì)CHP單元出力增加，則進(jìn)入化學(xué)合成單元的合成氣減少.說明耦合化學(xué)合成單元的BPIES系統(tǒng)在滿足區(qū)域負(fù)荷與生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品上達(dá)到良好的互補(bǔ)作用，可有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與能源的利用率.

圖5 4個(gè)城市典型夏季日供電組成Fig.5 Electricity supply in a typical summer day of the four cities

2.2.4 綜合效益

4個(gè)案例的設(shè)備組合與相關(guān)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化結(jié)果見表3與表4，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性主要分為設(shè)備初始投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用以及部分電力或化工產(chǎn)品的銷售收入3個(gè)部分，并對(duì)4個(gè)案例采用一般供能方式與本模型的一次能源消耗量及二氧化碳排放量進(jìn)行了對(duì)比(一般供能方式指4個(gè)案例均采用傳統(tǒng)供能方式，即電、熱、冷分別由外部電網(wǎng)、鍋爐以及壓縮式空調(diào)供給).由于生物質(zhì)燃料的熱值低于天然氣或煤炭等其他常規(guī)一次能源，通過使用生物質(zhì)燃料可改變地區(qū)單一的供能方式，利用其較低的價(jià)格調(diào)整逐時(shí)的運(yùn)行策略以提高能源的綜合利用率，降低運(yùn)行費(fèi)用.因此，4個(gè)案例中的一次能源節(jié)約率均不超過30%，但由于生物質(zhì)燃料的清潔屬性，各案例中的二氧化碳減排率都達(dá)到了40%以上.

表3 4個(gè)城市的設(shè)備組合

表4 4個(gè)城市優(yōu)化結(jié)果

從初始設(shè)備投資費(fèi)用方面看，大連>上?！謴V州>昆明，與4個(gè)案例的負(fù)荷大小有著類似的趨勢(shì).考慮到4個(gè)地區(qū)的實(shí)際生物質(zhì)價(jià)格及電價(jià)水平差距，運(yùn)行費(fèi)用的結(jié)果，即廣州>上海>大連≈昆明，基本合理.另外，就4個(gè)案例的銷售收入來看，4地差別不大.但由于不同地區(qū)的生物質(zhì)燃料與產(chǎn)出的化工產(chǎn)品價(jià)格不同，導(dǎo)致大連與昆明地區(qū)的化學(xué)合成所需生物質(zhì)燃料費(fèi)用遠(yuǎn)低于廣州與上海.因此，就生物質(zhì)合成化工產(chǎn)品的投入產(chǎn)出效益而言，大連>昆明>廣州>上海.盡管如此，昆明案例的投資回收期仍是所有案例中最長的，廣州略短于上海，大連最佳.

3 結(jié) 論

本文中基于運(yùn)籌學(xué)規(guī)劃理論及能源綜合梯級(jí)利用原則，提出將生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)與區(qū)域能源系統(tǒng)相結(jié)合，圍繞BPIES的系統(tǒng)優(yōu)化配置模型及運(yùn)行策略方法展開研究，對(duì)其中的生物質(zhì)氣化單元、生物質(zhì)CHP單元以及化學(xué)合成單元進(jìn)行機(jī)理建模，同時(shí)耦合多種能量轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行集成建模，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行策略與能量最優(yōu)傳輸時(shí)序進(jìn)行了重點(diǎn)剖析.同時(shí)，結(jié)合國內(nèi)4個(gè)典型氣候城市為案例，在滿足區(qū)域負(fù)荷的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行策略的關(guān)鍵要素進(jìn)行了具體分析，研究結(jié)論如下：

1) 從生物質(zhì)CHP的選擇來看，BCHP1裝機(jī)價(jià)格較低，但效率也較低，僅適于在大連這類熱負(fù)荷較高且燃料價(jià)格較低的地區(qū)作為輔助熱源使用.BCHP2由于其低燃料消耗水平、低裝機(jī)價(jià)格與較BCHP1更高的熱電效率，適用性較強(qiáng).對(duì)于上海與廣州這類能源負(fù)荷且能源價(jià)格較高的地區(qū)，盡管BCHP3的燃料消耗水平較高，但由于其較高的熱電效率，適用性更佳.BCHP4的裝機(jī)價(jià)格過高，適用性最差.

2) 通過4個(gè)典型區(qū)域BPIES的適用性案例分析可知，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及能效水平等指標(biāo)，大連優(yōu)于廣州與上海，主要是由于大連地區(qū)較高的熱負(fù)荷需求與較低的生物質(zhì)燃料價(jià)格.而昆明地區(qū)BPIES的適用性最差，主要源自該地區(qū)較低的熱、電負(fù)荷與較低的外部電網(wǎng)價(jià)格，BPIES僅作為輔助供能系統(tǒng)使用.

3) 光伏發(fā)電系統(tǒng)在4個(gè)城市都有較好的應(yīng)用，因?yàn)槠洳坏勺鳛橹匾碾娔軄碓矗€可在日間光照較強(qiáng)的時(shí)段減少生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的出力，增加進(jìn)入化學(xué)合成單元的生物質(zhì)氣量，進(jìn)而通過銷售化工產(chǎn)品有效增加系統(tǒng)收入，降低規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行的總費(fèi)用.

4) 耦合了化學(xué)合成單元的BPIES系統(tǒng)在滿足區(qū)域負(fù)荷與生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品上達(dá)到良好的互補(bǔ)作用，在區(qū)域能源負(fù)荷需求較低時(shí)增加化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)出，在需求較高時(shí)增大生物質(zhì)產(chǎn)能單元的出力，不僅能夠達(dá)到能源的高效利用，還能同時(shí)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益.