燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變負(fù)荷特性對(duì)分布式能源系統(tǒng)選型的影響

孫景陽(yáng)，胡英華，胡勇，胡玉平*

1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073

0 引言

分布式供能系統(tǒng)具有能源利用效率高、成本低、污染小的優(yōu)點(diǎn)[1]，隨著傳統(tǒng)化石能源的匱乏，資源與環(huán)境的矛盾日漸尖銳，分布式能源系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)注和認(rèn)可。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的分布式冷熱電三聯(lián)供(combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)基于能量階梯利用理念，將天然氣作為系統(tǒng)的一次能源，可同時(shí)提供冷、熱和電能[2]。分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行策略靈活，可根據(jù)實(shí)時(shí)需求向用戶供能。分布式供能系統(tǒng)既可獨(dú)立工作，也可并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)用戶端負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)將多余能量?jī)?chǔ)存?zhèn)溆?；?fù)荷較大時(shí)，系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電解決臨時(shí)供電需求[3]。分布式能源系統(tǒng)可應(yīng)用于酒店、醫(yī)院、小區(qū)等場(chǎng)所，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。不同用戶場(chǎng)景的分布式能源機(jī)組配置方案不同[7]，分布式能源系統(tǒng)選型時(shí)需要綜合考慮機(jī)組性能、變工況特性、燃料適用性和設(shè)備維護(hù)特性等[8]。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為分布式供能系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，熱效率和發(fā)電效率高、負(fù)荷適應(yīng)性好、功率范圍廣[9]，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)的能源綜合利用率可達(dá)80%，具有良好的節(jié)能效果[10-12]。發(fā)電效率和熱電比是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組重要的性能參數(shù)，也是分布式能源系統(tǒng)設(shè)備尋優(yōu)選型計(jì)算的主要依據(jù)。本文中對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下的發(fā)電效率和熱電比進(jìn)行曲線擬合，將擬合結(jié)果作為尋優(yōu)計(jì)算的輸入條件，通過(guò)設(shè)置計(jì)算對(duì)照組，研究燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況特性對(duì)分布式能源設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 分布式能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和配電站為用戶提供電能，優(yōu)先使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為用戶供電，用戶端電負(fù)荷較高時(shí)可從配電站購(gòu)電；溴化鋰吸收式余熱機(jī)組和電制冷機(jī)提供冷能，優(yōu)先使用溴化鋰機(jī)組為空調(diào)供水，由電制冷機(jī)提供差額冷量；溴化鋰機(jī)組、燃?xì)鉄崴仩t和換熱器提供采暖和生活熱水，優(yōu)先使用溴化鋰機(jī)組和換熱器對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組廢熱(高溫?zé)煔?、缸套冷卻水等)回收提供熱能，由熱水鍋爐提供差額熱量。

圖1 分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 冷熱電約束條件

1.2.1 電平衡約束

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組總發(fā)電量

式中：Nge為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組數(shù)量;Pge,i為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組i的發(fā)電量，kW·h。

電制冷機(jī)耗電量

式中：Nec為電制冷機(jī)數(shù)量；Pec,i為電制冷機(jī)i的耗電量，kW·h，Pec,i=Qec,i/Cec,i, 其中Qec,i為電制冷機(jī)i的制冷量，kW·h，Cec,i為電制冷機(jī)i的制冷性能系數(shù)。

電平衡約束為：

Pge+Pg≥Pe+Pec且Pec≤Pe,

式中：Pg為電網(wǎng)購(gòu)電量，kW·h；Pe為用戶電負(fù)荷，kW·h。

1.2.2 熱平衡約束

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱熱量

式中：Qge,i為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組i的余熱熱量，kW·h，Qge,i=Pge,i·αge,i，其中αge,i為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組i的余熱回收系數(shù)。

溴化鋰機(jī)組吸收熱量

式中：Nch為溴化鋰機(jī)組數(shù)量；Qch,ah,i為溴化鋰機(jī)組i的吸收熱量，kW·h，Qch,ah,i=Qch,h,i/Cch,h,i，其中Qch,h,i為溴化鋰機(jī)組i的產(chǎn)熱量，kW·h，Cch,h,i為溴化鋰機(jī)組i的制熱系數(shù)。

燃?xì)鉄崴仩t的供熱量

式中：Ngb為燃?xì)鉄崴仩t數(shù)量;Qgb,i為燃?xì)庥酂徨仩ti的產(chǎn)熱量，kW·h。

熱平衡約束為：

Qhx+bgbQgb+Qch,h≥Qh，

1.2.3 冷平衡約束

電制冷機(jī)總制冷量

式中：Qec,i為電制冷機(jī)i制冷量，kW·h。

溴化鋰機(jī)組制冷量

式中：Qch,c,i為溴化鋰機(jī)組i的制冷量，kW·h。

冷平衡約束為:

Qec+Qch,c≥Qc，

式中:Qc為用戶端冷負(fù)荷，kW·h。

2 分布式能源尋優(yōu)策略

2.1 尋優(yōu)原則

分布式能源尋優(yōu)需考慮安全性、高效性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性，即需綜合用戶端負(fù)荷、設(shè)備變工況性能、社區(qū)土建安裝難易情況、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)性能、能源價(jià)格和投資回收期等[13-16]。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

分布式能源尋優(yōu)選型一般以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)[17-18]，即以最小投資花費(fèi)為目標(biāo)，以年最小成本為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，選取4個(gè)典型日d1、d2、d3、d4代表春、夏、秋、冬四季進(jìn)行優(yōu)化求解：

minCt=Ceq+Cem+Cf+Cg，

式中：Ct為年成本，元；Ceq為設(shè)備年投資成本，元；Cem為設(shè)備年維護(hù)成本，元；Cf為年燃料成本，元；Cg為年購(gòu)電成本，元。

設(shè)備年總成本包括設(shè)備年投資成本和設(shè)備年維護(hù)成本，設(shè)備年投資成本

式中：Neq指某種設(shè)備的臺(tái)數(shù)；Ceq,i為設(shè)備i的成本，元/kW；Pi為設(shè)備標(biāo)定功率，kW；R為設(shè)備等額回收系數(shù)，R=r(1+r)l/[(1+r)l-1]，其中，r為折現(xiàn)系數(shù)，r=0.1，l為設(shè)備壽命，a。

設(shè)備年維護(hù)成本

式中：Cem,i,d,t為設(shè)備i在d天t時(shí)段的維護(hù)成本，元/(kW·h)；Nd為典型日(4天)；Nt為每天設(shè)備工作時(shí)間，h；Md為每個(gè)典型日在一年中所包含實(shí)際天數(shù)，Md=90d。

燃?xì)獬杀景ㄈ細(xì)獍l(fā)電機(jī)組消耗燃?xì)獬杀竞腿細(xì)鉄崴仩t消耗燃?xì)獬杀荆?/p>

式中：Pge,i,d,t為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組i在d天t時(shí)段輸入的燃?xì)夤β?，kW；ηe,ge,i為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組i發(fā)電效率；Pgb,i,d,t為燃?xì)鉄崴仩ti在d天t時(shí)段輸入的燃?xì)夤β?，kW；ηb,gb,i為燃?xì)鉄崴仩ti制熱效率；qf為燃?xì)鈨r(jià)格，元/(kW·h)。

從配電站購(gòu)電成本

式中：Pg,d,t為d天t時(shí)段向電網(wǎng)的購(gòu)電功率，kW；qg,d,t為d天t時(shí)段的電價(jià)，元/(kW·h)。

3 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)變工況特性對(duì)設(shè)備選型影響計(jì)算

分布式能源自動(dòng)尋優(yōu)選型時(shí)一般以設(shè)備額定參數(shù)作為計(jì)算輸入?yún)?shù)，但額定參數(shù)與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況有所不同，考慮到燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，其主要尋優(yōu)計(jì)算參數(shù)發(fā)電效率和熱電比都會(huì)隨之改變，本文中將備選燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和熱電比進(jìn)行曲線擬合，以某小區(qū)作為能源站計(jì)算實(shí)例，設(shè)置計(jì)算對(duì)照組，用上文介紹模型和目標(biāo)函數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算求解，以探究燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況特性對(duì)設(shè)備選型影響。

3.1 實(shí)例介紹

本文以某小區(qū)4個(gè)典型日的冷、熱電負(fù)荷需求為已知條件，電和冷、熱負(fù)荷分別如圖2～4所示。

圖2 4個(gè)典型日電負(fù)荷情況 圖3 4個(gè)典型日冷負(fù)荷情況

圖4 4個(gè)典型日熱負(fù)荷情況

d1、d3、d4配電站全天24 h實(shí)時(shí)電價(jià)相同，6:00 — 20:00為1.025元/(kW·h)，其他時(shí)段為0.655元/(kW·h)；d2配電站6:00 — 20:00為1.225元/(kW·h)，其他時(shí)段為0.775元/(kW·h)。

3.2 備選設(shè)備

選型優(yōu)化計(jì)算備選設(shè)備包括燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組、電制冷機(jī)、燃?xì)鉄崴仩t和換熱器(功率可定制)，設(shè)備參數(shù)如表1所示(表中g(shù)e1、ge2、ge3、ge4、ge5為備選的5種燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，ch1、ch2、ch3、ch4、ch5為備選的5種溴化鋰機(jī)組，ec1、ec2、ec3為備選的3種電制冷機(jī)，gb1、gb2、gb3為備選的3種燃?xì)忮仩t，hx為換熱器)。

表1 備選設(shè)備參數(shù)

3.3 對(duì)照組設(shè)置

在分布式能源選型優(yōu)化計(jì)算中，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電效率和熱電比是重要計(jì)算參數(shù)，本文中根據(jù)廠家提供的主要技術(shù)參數(shù)，將發(fā)電機(jī)組熱電比和電效率與負(fù)荷率的關(guān)系擬合成方程，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況參數(shù)擬合方程如表2所示(表中α為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組負(fù)荷率，即實(shí)際功率與標(biāo)定功率之比)。

表2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況參數(shù)擬合方程

設(shè)置4組計(jì)算方案，通過(guò)軟件尋優(yōu)選型，比較燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況對(duì)其選型結(jié)果和年總成本影響。方案1：發(fā)電效率和熱電比采用額定值；方案2：發(fā)電效率采用擬合曲線，熱電比采用額定值；方案3：熱電比采用擬合曲線，發(fā)電效率采用額定值；方案4：發(fā)電效率和熱電比都采用擬合曲線。

3.4 選型結(jié)果

根據(jù)4種方案設(shè)定不同的計(jì)算輸入條件，以年最小成本為目標(biāo)函數(shù)，采用分布式能源模型和目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)軟件自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算得出4種方案的選型結(jié)果如表3所示，年成本和定制功率如表4所示。

表3 4種方案尋優(yōu)選型結(jié)果

表4 4種方案年成本對(duì)比和定制功率

3.5 效益分析

3.5.1 經(jīng)濟(jì)性分析

由表4可知，方案1在4種方案里年總成本最高，將其作為原始對(duì)照組。方案2比方案1年總成本減少208.30萬(wàn)元，成本減少比例約為4.02%，方案3比方案1年總成本減少319.59萬(wàn)元，成本減少比例約為6.17%，方案4比方案1年總成本減少290.82萬(wàn)元，成本減少比例約為5.62%。方案4為綜合考慮發(fā)電效率和熱電比得出的計(jì)算結(jié)果，其成本比方案3略高，原因與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在低工況下發(fā)電效率快速下降有關(guān)，這使得選型平衡向額定工況，即燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行方向靠攏。綜上可知，考慮燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況特性不僅影響設(shè)備自動(dòng)尋優(yōu)選型結(jié)果，對(duì)分布式供能系統(tǒng)總成本也有很大影響。

3.5.2 節(jié)能性和環(huán)保性分析

基于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的分布式能源系統(tǒng)的輸入能量來(lái)源包括天然氣和配電站購(gòu)電兩種途徑，本文中將二者之和和一次能源利用率作為評(píng)估聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能性的指標(biāo)。分布式能源系統(tǒng)的系統(tǒng)總輸入

Qin=Qgas+Qg，

分布式能源系統(tǒng)一次能源利用率

η=(Q1+Q2+Q3)/Qg，

式中：Q1為系統(tǒng)制熱量，kW·h；Q2為系統(tǒng)制冷量，kW·h；Q3為系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h。

分別計(jì)算4種方案4個(gè)典型日系統(tǒng)總輸入電量(即購(gòu)電量)和系統(tǒng)總輸入折合燃?xì)饬?，如圖5所示。

圖5 4種方案系統(tǒng)總輸入對(duì)比

以方案1作為原始對(duì)照組，4種方案計(jì)算結(jié)果顯示，方案2比方案1系統(tǒng)總輸入減少3.19%，一次能源利用率增加3.48%;方案3比方案1系統(tǒng)總輸入減少8.09%，一次能源利用率增加10.19%;方案4比方案1總輸入減少7.35%，一次能源利用率增加9.21%。若每生產(chǎn)1 kW·h電需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.404 kg，排放碳粉塵0.272 kg，排放二氧化碳0.997 kg，排放二氧化硫0.03 kg，排放氮氧化物0.015 kg，那么方案2比方案1年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1 161.31 t，碳粉塵排放減少781.88 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少2 865.91、86.24和43.12 t，方案3比方案1年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2 942.90 t，碳粉塵排放減少1 981.36 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少7 262.56、218.53和109.27 t，方案4比方案1年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2 671.17 t，碳粉塵排放減少1 798.41 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分別減少6 591.96、198.35和99.18 t。

4 結(jié)論

將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和熱電比隨負(fù)荷率變化情況擬合曲線作為計(jì)算輸入條件，設(shè)置計(jì)算對(duì)照組，分析燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況特性對(duì)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)自動(dòng)尋優(yōu)選型結(jié)果的影響。

1)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電效率和熱電比的負(fù)荷變化規(guī)律對(duì)選型結(jié)果、年成本和系統(tǒng)一次能源利用率均有明顯影響。

2)在本文的計(jì)算模型和備選設(shè)備條件下，相對(duì)于采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組額定發(fā)電效率和熱電比作為輸入條件，考慮發(fā)電效率變負(fù)荷特性可以使年總成本減少4.02%，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 161.31 t；考慮熱電比變負(fù)荷特性可以使年總成本減少6.17%，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 865.91 t；綜合考慮燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變工況特性可以使年總成本減少5.62%，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 671.17 t。

3)變工況特性的計(jì)算結(jié)果更接近設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，分布式能源設(shè)備選型時(shí)應(yīng)考慮備選設(shè)備的變工況特性，有利于節(jié)約成本，減少污染物排放，更好地滿足用戶端實(shí)際需求。