風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)性能分析

劉 輝,張 磊,張俊杰,王順森,謝永慧

(1.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025； 2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

天然氣分布式能源系統(tǒng)具有一次能源利用率高、環(huán)境效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了大規(guī)模的發(fā)展，大量能源站被建造并投入使用[1-5]。

但是，我國(guó)然氣輪機(jī)技術(shù)起步較晚，與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距，這導(dǎo)致天然氣分布式能源系統(tǒng)中的然氣輪機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備需要進(jìn)口，進(jìn)而使得前期投資成本和后期運(yùn)維費(fèi)用較高，最終導(dǎo)致天然氣分布式能源站整體盈利水平不高，甚至虧損[6-7]。同時(shí)，我國(guó)一些已建成的能源站，由于缺少然氣，導(dǎo)致利用效率不高，甚至無(wú)法運(yùn)行。

隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機(jī)容量的逐年增長(zhǎng)，可再生能源的波動(dòng)性、反調(diào)峰性等給其自身并網(wǎng)輸送帶來(lái)了困難，導(dǎo)致其并網(wǎng)消納越來(lái)越困難?，F(xiàn)有研究表明，在電力系統(tǒng)內(nèi)多種類型電源之間互補(bǔ)運(yùn)行，可以更好地滿足電力負(fù)荷需求，提高可再生能源利用率[8]。

目前對(duì)多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益、綜合能源管理等方面[8-11]。

為了降低傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的投資和運(yùn)維成本，提高風(fēng)電、光伏等可再生資源利用率，本文提出了一種基于然氣鍋爐的新型多能互補(bǔ)分布式系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

1 新型分布式能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文提出的新型多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)由然氣鍋爐、背壓機(jī)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。然氣鍋爐、背壓機(jī)組成然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)，主要承擔(dān)系統(tǒng)內(nèi)的熱負(fù)荷和部分電負(fù)荷；多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備組成風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)；光伏發(fā)電設(shè)備組成光伏發(fā)電子系統(tǒng)；儲(chǔ)能設(shè)備組成儲(chǔ)能子系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)之間獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)又通過(guò)電力傳輸分別與儲(chǔ)能子系統(tǒng)相連。儲(chǔ)能子系統(tǒng)主要用來(lái)平衡系統(tǒng)和用戶之間電能負(fù)荷的作用，其在系統(tǒng)內(nèi)電能多余時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，缺少電能時(shí)進(jìn)行釋能。

圖1 新型分布式能源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)中含有四種能量輸出源，其中電能輸出源三種、熱能輸出源一種。不同能量輸出源設(shè)備的運(yùn)行工況以及用戶負(fù)荷的匹配程度共同決定了系統(tǒng)的運(yùn)行方式[12]。

(1)熱跟隨(Following the Thermal Loads,FTL)

分布式能源系統(tǒng)根據(jù)用戶熱負(fù)荷需求運(yùn)行，熱用戶的負(fù)荷需求決定了然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)的運(yùn)行方式和運(yùn)行工況，風(fēng)資源和光資源決定了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電子系統(tǒng)運(yùn)行工況，當(dāng)分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量高于或低于用戶電負(fù)荷需求時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備投入運(yùn)行，平衡系統(tǒng)內(nèi)的電能需求。

(2)電跟隨(Following the Electrical Loads,FEL)

分布式能源系統(tǒng)根據(jù)用戶電負(fù)荷需求運(yùn)行，鍋爐-背壓機(jī)組子系統(tǒng)發(fā)電量由系統(tǒng)內(nèi)可再生能源發(fā)電量和電能需求量共同確定，當(dāng)然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)的產(chǎn)熱量高于用戶需求時(shí)，多余部分熱量直接排放，如果不足，通過(guò)尖峰然氣鍋爐補(bǔ)燃解決。

2 系統(tǒng)建模與分析

2.1 系統(tǒng)建模

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備從風(fēng)中吸收的能量為[13-14]

(1)

式中λ=φr/v——尖速比；

φ——風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

v——風(fēng)速/m·s-1；

ρ——空氣密度/kg·m-3；

r——風(fēng)輪半徑/m；

κ——槳距角/°；

Cp(λ,κ)——風(fēng)能利用系數(shù)。

實(shí)際輸出功率P(v)的計(jì)算式為[13-14]

(2)

式中Pr——在額定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率/kW；

vi、vr和ve——啟動(dòng)風(fēng)速、額定風(fēng)速和停機(jī)風(fēng)速/m·s-1；

η(v)——非額定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率。

η(v)計(jì)算式為

(3)

2.1.2 光伏電池模型

根據(jù)參考文獻(xiàn)[15-16]，可采用下列公式描述光伏電池功率對(duì)外輸出特性，

(4)

修正后短路電流：

(5)

修正后開路電壓：

Vop=Voc(1-cΔT)ln(1+bΔS)

(6)

修正參數(shù)：

(7)

(8)

工作溫度：

Tw=Tenv-0.03S

(9)

變化量：

(10)

式中V——PV輸出電壓；

I——PV輸出電流；

Sref和Tref——參考光照強(qiáng)度和參考電池溫度；

Voc——開路電壓；

Idl——短路電流；

S——實(shí)際光照強(qiáng)度；

Tw——實(shí)際電池溫度；

a、b、c——系數(shù)，a=0.002 5/℃，b=0.5，c=0.002 88/℃。

2.1.3 儲(chǔ)能電池模型

目前除抽水蓄能外，電化學(xué)儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式相比在使用壽命、存儲(chǔ)容量、電能品質(zhì)、安全性、技術(shù)成熟度等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，是目前在多能互補(bǔ)領(lǐng)域使用相對(duì)較廣泛的技術(shù)。表1從容量、功率、成本、壽命周期等角度對(duì)不同電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了比較。

風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)中要依靠?jī)?chǔ)能電池的充放電來(lái)平衡分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量與用戶電負(fù)荷之間的關(guān)系。因此，需要容量大、循環(huán)次數(shù)高的儲(chǔ)能電池。通過(guò)由表1的比較可知，全釩液流電池在存儲(chǔ)性能和成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)選用全釩液流電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。

儲(chǔ)能系統(tǒng)模型為：

(11)

式中pst,cha——儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放的電能/kW；

pst,dis——儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的電能/kW。

表1 不同儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)比較[17-18]

儲(chǔ)能技術(shù)容量/MW·h功率/MW效率/[%]壽命周期儲(chǔ)能成本/$·kW-1鉛酸電池3.2～481～1275～904 5002 000～4 600鈉硫電池7.21754 5003 200～4 000全釩液流電池4～401～1065～70>10 000750～830鋅鎳電池5～501～1060～65>10 0001 670～2 015鋰離子電池4～241～1090～944 5001 800～4 100

2.1.4 然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)

由然氣鍋爐和背壓機(jī)組成的然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)是本文提出的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，該部分負(fù)責(zé)提供全部熱能，以及部分電能。為了精確模擬該子系統(tǒng)的性能，對(duì)該子系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，仿真模型如圖2所示。

圖2 基于TPIS的系統(tǒng)仿真模型

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

一次能源效率和污染物排放量是評(píng)價(jià)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能和環(huán)境效益的主要指標(biāo)[19-20]。因此，本文采用上述指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

在系統(tǒng)中風(fēng)電和光電的能量來(lái)自于可再生能源，因此在一次能源效率計(jì)算中只考慮輸入系統(tǒng)的天然氣熱值：

(12)

式中wT,i——對(duì)外輸出的電能/kW；

qh——系統(tǒng)對(duì)外輸出的熱能/kW；

Fb——輸入然氣鍋爐的能量/kW；

τT——系統(tǒng)的等效利用小時(shí)數(shù)/h。

(13)

式中ηex——效率；

Einput——輸入系統(tǒng)的量/kW；

Eout,q——系統(tǒng)對(duì)外輸出的熱量/kW；

Eout,w——系統(tǒng)對(duì)外輸出功/kW。

3 實(shí)例分析

3.1 案例概況

某工業(yè)園區(qū)內(nèi)電負(fù)荷為工業(yè)生產(chǎn)用電：50 MW；熱負(fù)荷為工業(yè)生產(chǎn)用汽：420 t/h、4.0 MPa、 360 ℃。根據(jù)工業(yè)園區(qū)內(nèi)電、熱負(fù)荷需求情況，本文提出的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裝機(jī)容量分別為：43 MW然氣鍋爐-背壓機(jī)組、5 MW風(fēng)電、5 MW光伏、10 MW儲(chǔ)能。

在工業(yè)園區(qū)內(nèi)，電負(fù)荷可以通過(guò)電網(wǎng)獲得，熱負(fù)荷受傳輸距離限制，必須就近生產(chǎn)，因此用戶生產(chǎn)熱負(fù)荷為本分布式能源項(xiàng)目的主要負(fù)荷需求。因此系統(tǒng)的運(yùn)行方式為“以熱定電”。然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)向用戶提供熱負(fù)荷，電負(fù)荷由然氣鍋爐-背壓機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能子系統(tǒng)共同滿足。

具體運(yùn)行方式為：用戶熱負(fù)荷決定然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)的運(yùn)行工況，同時(shí)向園區(qū)內(nèi)提供部分電能，剩余電能需求由風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電共同滿足。儲(chǔ)能子系統(tǒng)負(fù)責(zé)平衡電能輸出與電能需求之間的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電能多余工業(yè)園區(qū)內(nèi)電能需求時(shí)，多余電能存入儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電能力不足時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能，進(jìn)而起到平衡電能供需關(guān)系的作用，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3.2 系統(tǒng)熱力性能分析

基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，由于工業(yè)園區(qū)內(nèi)長(zhǎng)年有熱負(fù)荷需求，因此然氣鍋爐-背壓機(jī)子系統(tǒng)的年等效利用小時(shí)數(shù)為7 000小時(shí)。系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，在設(shè)計(jì)工況下，本文提出的新型分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率為80.48%，由此可以看出該系統(tǒng)具有較好的熱力學(xué)性能。系統(tǒng)的效率為47.20%，與一次能源效率相比較低，這說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)較大一部分能量是對(duì)低品位熱能進(jìn)行的利用，即為用戶提供熱負(fù)荷。

表2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)[18]

項(xiàng)目數(shù)值當(dāng)?shù)卮髿鉁囟?K298.15當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?kPa1.01×102光伏電池標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度/kW·m-21風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速/m·s-112然氣鍋爐效率/%91燃料低位發(fā)熱量/kJ·m-334 928背壓機(jī)效率/%83背壓機(jī)排汽壓力/kPa4.0×103液流電池效率/%67.5然氣鍋爐-背壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間/h·a-17 000風(fēng)電運(yùn)行小時(shí)數(shù)/h·a-11 924光伏運(yùn)行小時(shí)數(shù)/h·a-11 355

為了更好的分析本文提出的新型系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，以傳統(tǒng)非多能互補(bǔ)系統(tǒng)為基準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。通過(guò)比較分析結(jié)果可知：在相同用戶負(fù)荷條件下，非天然氣多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的一次能源效率為70.35%、效率為41.63%，與本文提出的系統(tǒng)相比分別低10.13%和5.57%。由此可知，在相同用戶負(fù)荷條件下，采用本文提出的系統(tǒng)不僅可以提高系統(tǒng)的能源利用率，還可以減少天然氣消耗量。

表3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

序號(hào)參數(shù)名風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式系統(tǒng)燃?xì)忮仩t-背壓機(jī)分布式系統(tǒng)數(shù)值數(shù)值1背壓機(jī)組做功/MW43502背壓機(jī)組供汽量/t·h-14204203風(fēng)電場(chǎng)功率/MW504光伏電站功率/MW505燃?xì)庀牧?萬(wàn)m3·a-133 585.5838 982.956一次能源效率/[%]80.4870.357效率/[%]47.2041.63

為了對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境效益進(jìn)行分析，本文根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中的相關(guān)要求和規(guī)定來(lái)計(jì)算分布式系統(tǒng)的環(huán)境效益。

表4為污染物排放計(jì)算結(jié)果。由表4可知，在相同用戶負(fù)荷需求條件下，本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)具有較好的環(huán)境效益，其煙塵、SO2、NOx、CO2等污染物年排放水平均小于傳統(tǒng)非多能互補(bǔ)系統(tǒng)，具有較好的環(huán)境效益。

表4 污染物排放結(jié)果[18,21]

項(xiàng)目污染物排放濃度/mg·Nm-3排放量/t/a風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式系統(tǒng)燃?xì)忮仩t-背壓機(jī)分布式系統(tǒng)煙塵216.4919.14SO2324.7428.71NOx49.28406.33471.63CO22.09×1061.72×1072.00×107

3.3 參數(shù)敏感性分析

圖3為儲(chǔ)能效率對(duì)基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)性能的影響。由圖3可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率增加35%時(shí)，一次能源效率和效率僅增加了0.05%，即儲(chǔ)能系統(tǒng)效率對(duì)該系統(tǒng)性能影響較小。因此，在風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇應(yīng)主要以成本和循環(huán)充放電次數(shù)為主要選擇依據(jù)。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)效率對(duì)基于然氣鍋爐的新型分布式能源系統(tǒng)效率影響

為了消除系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電和光伏利用小時(shí)數(shù)不同對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本文采用風(fēng)電、光伏年實(shí)際等效利用小時(shí)數(shù)與年等效利用小時(shí)數(shù)的比值，即相對(duì)利用小時(shí)數(shù)來(lái)分析風(fēng)電、光伏年利用小時(shí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

由圖4和5可知，風(fēng)、光利用小時(shí)數(shù)的增加會(huì)使系統(tǒng)的一次能源效率和效率增大，而天然氣利用小時(shí)數(shù)的增加會(huì)使系統(tǒng)的熱力性能降低。其原因?yàn)?，在一次能源效率和效率的?jì)算中，投入系統(tǒng)的燃料為天然氣，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的資源來(lái)自于可再生能源，其不算入系統(tǒng)的投入燃料，因此，風(fēng)、光利用小時(shí)數(shù)的增加會(huì)引起一次能源效率和效率的增加，天然氣利用小時(shí)數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。

圖4 風(fēng)、光相對(duì)利用小時(shí)數(shù)對(duì)基于然氣鍋爐的新型分布式能源系統(tǒng)效率影響

圖6為用戶熱負(fù)荷對(duì)基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響示意圖。由圖6可知，用戶熱負(fù)荷需求量的變化對(duì)系統(tǒng)性能有著較大的影響，當(dāng)用戶蒸汽量每增加1 t/h，系統(tǒng)的一次能源效率和效率分別增加0.17%和0.53%。

圖5 天然氣利用小時(shí)數(shù)對(duì)基于然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響

圖6 熱負(fù)荷對(duì)基于天然氣鍋爐的新型分布式系統(tǒng)效率影響

4 結(jié)論

本文提出了一種基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)非互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較。結(jié)論如下：

(1)通過(guò)熱力性能指標(biāo)分析可知：在相同用戶負(fù)荷和設(shè)備等效利用時(shí)間條件下，本文提出的基于然氣鍋爐的新型風(fēng)-光-天然氣互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)在額定工況下一次能源效率和效率可以達(dá)到80.86%和47.31%，與非互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)相比具有較好的熱力學(xué)性能，并且投資成本相對(duì)較低；

(2)通過(guò)環(huán)境指標(biāo)分析可知：在相同用戶負(fù)荷和相同設(shè)備等效利用時(shí)間條件下，本文提出的能源系統(tǒng)與非互補(bǔ)能源系統(tǒng)相比污染物排放水平相對(duì)較低，具有較好的環(huán)境效益；

(3)通過(guò)參數(shù)敏感性分析可知：風(fēng)電、光伏年等效利用小時(shí)數(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能有一定影響，但是影響最大的因素為用戶熱負(fù)荷，用戶蒸汽量每增加1 t/h，系統(tǒng)的一次能源效率和效率分別增加0.17%和0.53%。