區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

向艷蕾，楊 允

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013;2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450)

0 引 言

區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，是1種互補(bǔ)利用可再生能源、傳統(tǒng)化石能源、余熱資源等多種能源且臨近用戶設(shè)置的發(fā)電并結(jié)合冷熱電聯(lián)供的能源技術(shù)[1-5]。該種耦合系統(tǒng)利用建筑群的集約效益并對(duì)可再生能源規(guī)?；茫瑢⑵渑c其它能源耦合以達(dá)互補(bǔ)互保，對(duì)節(jié)能減排、緩解用電緊張、減小電網(wǎng)峰谷差等均具有重要的意義[5-7]。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國能源消費(fèi)巨大、環(huán)境形勢嚴(yán)峻，能源與環(huán)境問題已成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要瓶頸。發(fā)展區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合供能技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，緩解能源需求矛盾的重要途徑。

區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)沒有普遍適用的技術(shù)方案，其結(jié)構(gòu)形式、設(shè)備種類及容量與用戶負(fù)荷需求及所在地區(qū)的氣候特征、資源條件等密切相關(guān)[5]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其配置進(jìn)行優(yōu)化，以合理確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與形式，優(yōu)化選擇設(shè)備的種類、臺(tái)數(shù)、容量，此為系統(tǒng)優(yōu)勢充分發(fā)揮的基礎(chǔ)[3,5]。

與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)層次多、維數(shù)及時(shí)間尺度多，且物流、能流高度耦合，大幅增加了配置確定工作的難度。目前，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化配置，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是1種有效且被廣泛應(yīng)用的手段[5]。此外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展也為大規(guī)模優(yōu)化配置問題的快速求解提供了有利保障。

綜合考慮供能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，分別以燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)，提出了2種區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法構(gòu)建了系統(tǒng)優(yōu)化配置和評(píng)價(jià)指標(biāo)模型。以廣州市典型醫(yī)院為案例，開展了系統(tǒng)優(yōu)化配置與綜合評(píng)價(jià)研究，同時(shí)研究了淺表水熱、地?zé)?、空氣熱等可再生能源的適用性。

1 區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)

1.1 基于燃?xì)廨啓C(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)

基于燃?xì)廨啓C(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)流程如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)所發(fā)電力一部分用于驅(qū)動(dòng)熱泵，一部分用于滿足用戶電負(fù)荷需求。燃?xì)廨啓C(jī)只有排煙1種余熱形式，通過余熱鍋爐回收利用。按并網(wǎng)不上網(wǎng)考慮，即不允許向電網(wǎng)售電，但不足的電力可從電網(wǎng)購買。

圖1 基于燃?xì)廨啓C(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)流程Fig.1 Flowchart of gas turbine multi-energy complem-entary system

系統(tǒng)采用熱泵技術(shù)并利用地?zé)帷⒖諝鉄帷\表水熱等可再生能源，熱泵既可制熱也可制冷，具有能效比高、占地面積少、自動(dòng)化程度高、無污染物排放等諸多優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

1.2 基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)

基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)流程如圖2所示。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排煙余熱利用余熱鍋爐回收，缸套冷卻水余熱利用板式換熱器回收。

圖2 基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)流程Fig.2 Flowchart of gas engine multi-energy complem-entary system

2 計(jì)算模型

2.1 優(yōu)化配置模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化配置以包括年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和初投資年等值費(fèi)用在內(nèi)的系統(tǒng)年總費(fèi)用最小為目標(biāo)，即:

式中，Z為系統(tǒng)年總費(fèi)用，萬元/a；i為設(shè)備種類，共有I種設(shè)備可供選擇；k為時(shí)段，全年劃分為K個(gè)時(shí)段；φ為電價(jià)或天然氣價(jià)，元/kWh；Δt為時(shí)段每天持續(xù)的小時(shí)數(shù)，h/d；D為典型日每年持續(xù)的天數(shù)，d/a；x為設(shè)備輸入能量，kW；φ為設(shè)備單位維護(hù)成本，元/kWh；y為設(shè)備輸出能量，kW；R為資本投資回收系數(shù)，R=r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，r為貸款年利率，τ為設(shè)備使用年限，r、τ的取值分別為5%、15a；j為設(shè)備容量，kW，假定第i種設(shè)備有Ji種容量可供選擇；c為設(shè)備單位成本，元/臺(tái)；n為設(shè)備裝機(jī)臺(tái)數(shù),臺(tái)。

2.1.2 約束條件

(1)設(shè)備選型。設(shè)備選型有如下約束[11]，詳見式(2):

式(2)中，γij為是否選擇第i種j容量設(shè)備，不選擇為0，選擇為1；Nij為第i種j容量設(shè)備最多可選擇的臺(tái)數(shù)。

(2)設(shè)備運(yùn)行特性。設(shè)備輸入與輸出呈線性關(guān)系[12]，即:

(i=1,2,…,I;k=1,2,…,K) (3)

燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)與環(huán)境溫度有關(guān)[4]:

式中，a、b、c和d為常數(shù)；t為環(huán)境溫度，℃。

此外，燃?xì)廨啓C(jī)輸入能量的上、下限也與環(huán)境溫度有關(guān)，引入修正系數(shù)φ[4]:

φ(k)=1-k1[t(k)-t0]3-k2[t(k)-t0]2-

k3[t(k)-t0]-k4(5)

式中，t0為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況溫度，℃，一般為15 ℃；k1、k2、k3和k4為常數(shù)。

(3)系統(tǒng)能量平衡。系統(tǒng)能量平衡有如下約束:

其中，I′為輸出某種能量的設(shè)備種類數(shù)，種；Y為某種能量的總輸出量，kW。系統(tǒng)涉及的能量種類包括電量、冷量、供熱量、冷卻水(煙氣)熱量。

此外為防止土壤熱失衡，地源熱泵在供能周期內(nèi)從土壤取出的總熱量應(yīng)等于向土壤散出的總熱量。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)模型

選擇增量投資回收期、一次能源利用率、年NOx減排率/年CO2減排率分別為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、能耗和排放性能指標(biāo)，具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[13]。

選擇夏季最大調(diào)峰能力和夏季調(diào)峰負(fù)荷為系統(tǒng)電力調(diào)峰性能指標(biāo)。夏季最大調(diào)峰能力為當(dāng)前供能模式與多能互補(bǔ)耦合供能模式夏季尖峰購電負(fù)荷之差(kW)，取值為正表示減小了電網(wǎng)峰谷差，取值為負(fù)表示拉大了電網(wǎng)峰谷差。夏季調(diào)峰負(fù)荷為當(dāng)前供能模式與多能互補(bǔ)耦合供能模式夏季總購電量之差(MWh)，取值為正表示緩解了用電緊張，取值為負(fù)表示加劇了用電緊張。

2.3 求解方法

上述式(3)中存在乘積gx和gd為非線性式，采用文獻(xiàn)[11]提出的方法將其線性化處理，如下:

首先，引入連續(xù)變量x取代式中的gx，引入連續(xù)變量z取代式中g(shù)d，即:

然后，增加如下約束:

至此，非線性式被等價(jià)轉(zhuǎn)化為線性式，轉(zhuǎn)化后的模型采用分枝定界法并結(jié)合單純形算法進(jìn)行求解即可。

3 案例研究

3.1 外部應(yīng)用條件

選取廣州市某醫(yī)院為案例研究對(duì)象，醫(yī)院對(duì)電力供應(yīng)的安全可靠性要求高，除了夏季制冷負(fù)荷、冬季采暖熱負(fù)荷外，整年都有醫(yī)用熱負(fù)荷，熱電比全年都較高[7]。該醫(yī)院建筑面積15.3萬m2，周邊有可利用的中水、天然氣以及地?zé)豳Y源。

根據(jù)廣州市的氣候特點(diǎn)，將全年依次劃分為冬季、過渡季和夏季3種典型日，每個(gè)典型日劃分為24個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段持續(xù)1 h，全年持續(xù)天數(shù)分別為121 d、122 d和122 d。3種典型日的逐時(shí)氣溫值如圖3所示。

圖3 典型日逐時(shí)氣溫曲線Fig.3 Hourly atmospheric temperature of typical days

醫(yī)院在3種典型日內(nèi)的冷、熱、電逐時(shí)負(fù)荷，冷、熱、電年總需求量分別為323.5 GWh、351.9 GWh、419.9 GWh，如圖4所示。

圖4 典型日負(fù)荷曲線Fig.4 Load demand of typical days

天然氣為進(jìn)口液化天然氣，低位熱值為41.9 MJ/Nm3，價(jià)格為3.45元/Nm3。電價(jià)執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策，高峰段(14:00～17:00、19:00～22:00)、平段(08:00～14:00、17:00～19:00、22:00～24:00)、低谷段(00:00～08:00)電價(jià)分別為1.259 8元/kWh、0.775 2元/kWh和0.402 4元/kWh。

3.2 設(shè)備計(jì)算參數(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)選用常用的6 MW以下機(jī)組，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行特性根據(jù)專業(yè)模擬軟件的計(jì)算結(jié)果擬合曲線近似逼近[14]，性能參數(shù)見文獻(xiàn)[15]。

熱泵機(jī)組選用開利公司10 MW以下機(jī)組，其中水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵的制冷COP/制熱COP分別為3.5/2.8、3.5/2.2、3.5/4。鍋爐考慮部分負(fù)荷率的影響，余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的額定熱效率分別取0.78和0.90[4]。板式換熱器的額定效率取為90%。設(shè)備的單位初投資成本、單位維護(hù)成本以及設(shè)備NOx排放因子分別見表1～表3。

表1 設(shè)備的單位初投資成本[13,15]Table 1 Unit capital cost for equipment[13,15]

表3 設(shè)備NOx排放因子[15]Table 3 NOx emission factor for equipment[15]

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 優(yōu)化配置結(jié)果

3種方案的優(yōu)化配置結(jié)果見表4,其中常規(guī)供能系統(tǒng)為市政電網(wǎng)提供電力，燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)分別提供熱量、冷量;因燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)未選擇燃?xì)廨啓C(jī)，將其定義為熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)。

表2 設(shè)備的單位維護(hù)成本[15]Table 2 Unit operational and maintenance cost for equipment[15]

表4 不同方案優(yōu)化配置結(jié)果Table 4 Optimal configuration results of different schemes

由表4看出，熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)選擇5臺(tái)1 500 kW水源熱泵和4臺(tái)700 kW燃?xì)忮仩t，未選擇燃?xì)廨啓C(jī)，說明燃?xì)廨啓C(jī)在經(jīng)濟(jì)上不可行。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)選擇1臺(tái)3 000 kW內(nèi)燃機(jī)，還選擇1臺(tái)700 kW燃?xì)忮仩t和1臺(tái)1 400 kW水水換熱器用于回收內(nèi)燃機(jī)余熱。此外，2種多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)均選擇4臺(tái)1 500 kW水源熱泵，未選擇冷凝式熱泵和地源熱泵。2種多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)最優(yōu)配置和常規(guī)供能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能結(jié)果見表5。

表5 不同方案的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能結(jié)果Table 5 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of different schemes

分析表5中不同方案的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能結(jié)果，由此可知:

(1)在經(jīng)濟(jì)方面:與常規(guī)供能系統(tǒng)相比，熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)的初投資雖高出1 199萬元，但年運(yùn)行費(fèi)用低425萬元，增加的初投資在2.8a內(nèi)即可收回，由此看出內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好。

(2)在能耗方面:熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)的一次能源利用率與常規(guī)供能系統(tǒng)相當(dāng)，而內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的一次能源利用率比常規(guī)供能系統(tǒng)高出9.5個(gè)百分點(diǎn)，由此看出內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)更節(jié)能。

(3)在污染物排放方面:與常規(guī)供能方式相比，熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)CO2排放量更高，但具有一定的減氮效果，NOx減排率為14.7%；內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)NOx排放量更高，但具有明顯的減碳效果，年CO2減排率為26.7%。

(4)在調(diào)峰方面:熱泵與鍋爐耦合系統(tǒng)不具備調(diào)峰能力，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)具有一定的調(diào)峰能力，夏季調(diào)峰負(fù)荷達(dá)到4 425 MWh。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略Fig.5 Optimal operation strategies of gas engine multi-energy complementary system

由圖5可知:①燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)只在電價(jià)高峰段和平段開機(jī)運(yùn)行，在低谷段所需電力全部從電網(wǎng)購買，其全年發(fā)電量為13.08 GWh，占總需求量的57%；②所需冷量全部由水源熱泵制?。虎鬯锜崃吭谌?xì)鈨?nèi)燃機(jī)停機(jī)時(shí)段全部由水源熱泵制取，在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)段優(yōu)先通過余熱鍋爐、水水換熱器回收余熱制取，不足部分通過水源熱泵補(bǔ)充。

3.3.2 可再生能源應(yīng)用分析

在3種熱泵均可選(情況1)、水源熱泵不可選(情況2)、水源熱泵與冷凝式熱泵均不可選(情況3，不考慮土壤熱量得失平衡)3種情況下，對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化配置研究，優(yōu)化配置結(jié)果見表6，其經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能結(jié)果見表7。

表6 內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)在不同情況下的優(yōu)化配置結(jié)果Table 6 Optimal configuration results of gas engine system under different conditions

表7 內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)在不同情況下的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能結(jié)果Table 7 Economy,energy consumption,environmental protection and peak shaving results of gas engine system under different conditions

從表6、表7可看出:除熱泵選擇種類不同外，3種情況優(yōu)化配置結(jié)果相同；除經(jīng)濟(jì)性不同外，3種情況能耗、環(huán)保、調(diào)峰性能基本一致。情況1選擇水源熱泵，經(jīng)濟(jì)性最好；情況2選擇冷凝式熱泵，經(jīng)濟(jì)性也較好；情況3選擇地源熱泵，經(jīng)濟(jì)性最差；主要因?yàn)樵?種熱泵中，地源熱泵因需打井因而其造價(jià)最高，冷凝式熱泵因需建設(shè)冷凝塔造價(jià)也較高，且其冬季制熱能效較低。由此得出，在選擇可再生能源時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮淺表水熱，再依次考慮空氣熱、地?zé)帷?/p>

此外，水源熱泵、地源熱泵、冷凝式熱泵均有一定的適用條件，水源熱泵需有充足的淺表水源，地源熱泵需有充足的空地用于打井，冷凝式熱泵需有開闊的空地用于布置冷凝塔。不同醫(yī)院周邊的資源條件不同，具體選擇哪種熱泵技術(shù)，除了考慮經(jīng)濟(jì)性外，還應(yīng)考慮周邊可利用的資源條件。

4 結(jié) 論

為充分利用可再生能源，并提高供能系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，提出了燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的2種區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法建立了系統(tǒng)優(yōu)化配置和評(píng)價(jià)指標(biāo)模型。為提高模型求解速度，利用線性化處理方法將非線性約束條件線性化處理后再求解。

選取廣州市典型醫(yī)院進(jìn)行案例研究，開展了系統(tǒng)優(yōu)化配置研究，并從經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)保、調(diào)峰等角度，對(duì)2種區(qū)域能源多能互補(bǔ)耦合供能方案與常規(guī)供能方案進(jìn)行了綜合比較與分析，同時(shí)開展了淺表水熱、地?zé)?、空氣熱等可再生能源的適用性研究。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)表明:廣州市醫(yī)院類建筑適合推廣應(yīng)用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多能互補(bǔ)耦合供能技術(shù)，該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減碳、電力調(diào)峰方面具有明顯的優(yōu)勢；對(duì)于建筑面積15萬m2的醫(yī)院，內(nèi)燃機(jī)合適的功率為3 MW；在可再生能源利用方面，在資源條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇河水、湖水、污水處理廠中水等淺表水熱，再依次選擇空氣熱、地?zé)帷?/p>