基于液化空氣儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

韋古強(qiáng)，胡從川，劉乙學(xué)，崔雙雙，李 紅

（1魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020；2華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)由高速發(fā)展轉(zhuǎn)為高質(zhì)量發(fā)展，能源領(lǐng)域也確立了更高的發(fā)展目標(biāo)，能源改革勢(shì)在必行[1]。傳統(tǒng)的供能方式互相獨(dú)立，不能合理利用能源，需要優(yōu)化能源配置來(lái)節(jié)約能源成本，因此綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)成為最佳的選擇。IES整合整個(gè)區(qū)域內(nèi)一、二次能源并將供電、供熱、供冷、供氣等供能方式耦合，在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度來(lái)滿足用戶側(cè)的各種負(fù)荷需求，具有提高能源利用率、降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。大型園區(qū)具有能量需求平穩(wěn)，用能方式復(fù)雜的特點(diǎn)，更適合利用IES來(lái)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。例如上海迪士尼度假區(qū)通過(guò)能源站進(jìn)行綜合能源的調(diào)節(jié)與控制，有效提高了能源利用效率。天津生態(tài)城利用微網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)提高經(jīng)濟(jì)收益[4]。2019年初，國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《推進(jìn)綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展2019—2020 年行動(dòng)計(jì)劃》，IES 迎來(lái)發(fā)展的黃金時(shí)期[5]。

IES 與其他技術(shù)耦合能擴(kuò)大系統(tǒng)的適用范圍并有效提高經(jīng)濟(jì)性。王俊杰等[6]研究了冷熱雙蓄技術(shù)與熱泵耦合的綜合能源系統(tǒng)，確認(rèn)了該系統(tǒng)可以提升凈現(xiàn)值，縮短回收周期。陳健等[7]研究了信息通訊技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)的耦合，建立了韌性-經(jīng)濟(jì)性兩步優(yōu)化框架來(lái)證明其有效性。Gao 等[8]研究了耦合儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)在不同地區(qū)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)分析。Amir 等[9]研究了耦合壓縮空氣儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)的可靠性，證實(shí)了系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲(chǔ)能后有更好的經(jīng)濟(jì)效益。由此可知，儲(chǔ)能用于IES具有良好的發(fā)展空間。在各類儲(chǔ)能中，液化空氣儲(chǔ)能(liquid air energy storage, LAES)作為一種新興的儲(chǔ)能方式，擁有占地面積小、循環(huán)效率高等優(yōu)點(diǎn)[10]。英國(guó)Highview公司在英國(guó)利茲大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的基礎(chǔ)上研制出第一臺(tái)LAES 裝置。2011 年，Highview公司的LAES技術(shù)被蘇格蘭南方能源公司應(yīng)用于其80 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)廠的350 kW/2.5 MW·h LAES系統(tǒng)中。2014年2月，在英國(guó)能源與氣候變化部8000000 英鎊的資助下，Viridor 公司選擇Highview 公司設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)5 MW/15 MW·h的LAES 示范工廠，這是LAES 技術(shù)的首次商業(yè)示范[11]。

綜上所述，LAES 與IES 耦合具有研究?jī)r(jià)值。在實(shí)際生活中，經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。因此，本文以園區(qū)為研究背景，“以熱定電”和“以電定熱”兩種模式為對(duì)比，對(duì)園區(qū)內(nèi)冷、熱、電3種負(fù)荷的能源供應(yīng)方案展開(kāi)研究。通過(guò)夏季和冬季8 種方案的對(duì)比找到LAES 與IES 相結(jié)合時(shí)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案。

1 綜合能源系統(tǒng)

1.1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中綠線、紅線、藍(lán)線和黑線分別代表電能、熱量、冷量和天然氣的輸入及輸出。園區(qū)外電網(wǎng)、LAES 釋能階段和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電滿足園區(qū)電負(fù)荷需求，電熱鍋爐和余熱鍋爐滿足園區(qū)熱負(fù)荷需求，吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)滿足園區(qū)冷負(fù)荷需求，天然氣為燃?xì)廨啓C(jī)提供燃料。LAES 系統(tǒng)的儲(chǔ)能階段電能來(lái)源為園區(qū)外電網(wǎng)、園區(qū)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the integrated energy system in the park

1.2 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)

冷熱電三聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and power，CCHP)子系統(tǒng)能同時(shí)滿足冷、熱、電3 種負(fù)荷需求，廣泛用于IES，能源利用效率可達(dá)75%～90%。本文的CCHP系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)三部分。燃?xì)廨啓C(jī)利用天然氣發(fā)電，發(fā)電后的余熱進(jìn)入余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)。

1.3 液化空氣儲(chǔ)能子系統(tǒng)

LAES 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，由三部分組成，分別為進(jìn)氣、儲(chǔ)氣、排氣階段。在進(jìn)氣階段，利用壓縮機(jī)將空氣壓縮，壓縮后的空氣依次經(jīng)過(guò)換熱器、回?zé)崞骱凸?jié)流閥進(jìn)入氣液分離器。儲(chǔ)氣階段，液態(tài)空氣存儲(chǔ)在液態(tài)儲(chǔ)罐中，氣態(tài)空氣進(jìn)入回?zé)崞魑鼰帷Ｔ谂艢怆A段，液態(tài)空氣利用液態(tài)泵加壓，高壓空氣利用回?zé)崞魑鼰釟饣優(yōu)楦邷馗邏嚎諝獠⒃谂蛎洐C(jī)中做功[12]。因?yàn)長(zhǎng)AES 系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、占地面積小、工質(zhì)來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選擇LAES系統(tǒng)進(jìn)行研究。

圖2 LAES子系統(tǒng)原理圖Fig.2 Structure diagram of LAES subsystem

LAES系統(tǒng)的循環(huán)效率η為[13]

式中，Wc為系統(tǒng)壓縮過(guò)程的耗功，kJ；We為系統(tǒng)膨脹過(guò)程輸出功，kJ；Wp為低溫液態(tài)泵的耗功，kJ。

LAES系統(tǒng)的釋能功率為[13]

2 經(jīng)濟(jì)性分析模型

2.1 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

LAES 系統(tǒng)成本為設(shè)備購(gòu)入成本和損耗維護(hù)成本，儲(chǔ)能總成本Ca為[13]

式中，Ca1為設(shè)備購(gòu)入成本，元；Ca2為損耗維護(hù)成本，元。

設(shè)備購(gòu)入成本為[13]

式中，Ca3為單位容量投資成本，元/kW；Ca4為儲(chǔ)能容量，kW；Ta為系統(tǒng)使用期限，天。

損耗維護(hù)成本為[13]

式中，Ca5為單位維護(hù)費(fèi)，元/(kW·h)。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電成本為光伏發(fā)電設(shè)備購(gòu)入成本，光伏損耗維護(hù)成本和光伏補(bǔ)貼[13]

式中，Cb為光伏發(fā)電的總成本，元；Cb1為光伏發(fā)電設(shè)備購(gòu)入成本，元；Cb4為光伏發(fā)電設(shè)備損耗維護(hù)成本，元；Ch為商業(yè)園區(qū)光伏發(fā)電的單位補(bǔ)貼，元/(kW·h)；Pb為光伏發(fā)電實(shí)際輸出功率，kW；T為時(shí)間，h。

光伏發(fā)電設(shè)備購(gòu)入成本為[13]

式中，Cb2為單位容量投資成本，元/kW；Cb3為光伏發(fā)電設(shè)備容量，kW；Tb為光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用期限，天。

光伏發(fā)電損耗維護(hù)成本為[13]

式中，Cb5為單位維護(hù)費(fèi)，元/(kW·h)。

2.3 購(gòu)電成本和購(gòu)氣成本

園區(qū)從電網(wǎng)購(gòu)電時(shí)輸入功率和成本關(guān)系為[13]

式中，Ce為電網(wǎng)購(gòu)電的總成本，元；Pe為電網(wǎng)輸入功率，kW；S1為購(gòu)電電價(jià)，元/(kW·h)；S2為售電電價(jià)，元/(kW·h)；Pg為天然氣管道的輸入功率，kW。

通過(guò)管道輸入園區(qū)的天然氣成本為[13]

式中，Ct為天然氣成本，元；S3為天然氣價(jià)格，元/m3；QL為天然氣的低熱熱值，kW·h/m3。

2.4 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

CCHP 系統(tǒng)涉及冷、熱、電三種能量的轉(zhuǎn)換。CCHP系統(tǒng)模型為[13]

式中，Mc為CCHP系統(tǒng)天然氣的使用量，m3；Pc為系統(tǒng)輸出電功率，kW；ηc為發(fā)電效率。CCHP系統(tǒng)的輸出熱量Hz為[13]

CCHP系統(tǒng)的冷負(fù)荷Uc為[13]

CCHP系統(tǒng)的熱負(fù)荷Hc為[13]

CCHP 成本包括設(shè)備購(gòu)入成本和損耗維護(hù)成本[13]

式中，Cc為總成本，元；Cc1為設(shè)備購(gòu)入成本，元；Cc4為損耗維護(hù)成本，元。設(shè)備購(gòu)入成本為[13]

式中，Cc2為單位容量投資成本，元/kW；Cc3為容量，kW；Tc為CCHP系統(tǒng)的使用期限，天。

損耗維護(hù)成本為[13]

式中，Cc5為單位維護(hù)費(fèi)，元/(kW·h)。

2.5 電制冷系統(tǒng)和電制熱系統(tǒng)

電制熱轉(zhuǎn)換的功率為[13]

式中，Hn表示電制熱輸出熱功率，kW；ηn為電熱轉(zhuǎn)換效率。

電制冷轉(zhuǎn)換的功率為[13]

式中，Um表示電制冷輸出熱功率，kW；COP為電制冷制冷系數(shù)。

電制冷機(jī)和電鍋爐的成本同樣分為設(shè)備購(gòu)入成本和損耗維護(hù)成本，計(jì)算式見(jiàn)式(15)～(17)。

2.6 系統(tǒng)約束條件

電力系統(tǒng)輸出功率包括光伏輸出功率，CCHP輸出功率，電網(wǎng)輸入功率和LAES釋能功率。電力系統(tǒng)消耗功率包括電制冷，電鍋爐消耗功率，LAES功率和園區(qū)電負(fù)荷。電力系統(tǒng)約束條件為[13]

熱力系統(tǒng)約束條件包括熱負(fù)荷約束和冷負(fù)荷約束。熱負(fù)荷中CCHP系統(tǒng)中余熱鍋爐輸出熱量加上電鍋爐實(shí)際輸出熱量大于等于園區(qū)所需熱量。冷負(fù)荷中CCHP中吸收式制冷機(jī)輸出冷量加上電制冷實(shí)際輸出冷量大于等于園區(qū)所需冷量。熱力系統(tǒng)約束條件為[13]

天然氣管道輸入的天然氣量等于CCHP系統(tǒng)需要的天然氣量[13]

2.7 系統(tǒng)總成本

IES 的成本包括購(gòu)電成本，天然氣成本，光伏發(fā)電設(shè)備成本，CCHP 成本，LAES 裝置成本，電制冷電制熱裝置成本?？偝杀镜臄?shù)學(xué)模型為[13]

式中，C表示整個(gè)系統(tǒng)的總成本，元；Cm表示電制冷系統(tǒng)成本，元；Cn表示電制熱系統(tǒng)成本，元。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 算例分析

為了研究園區(qū)能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文選擇2019 年大暑日和2019 年大寒日這2 個(gè)典型日來(lái)進(jìn)行計(jì)算。各時(shí)段能源調(diào)度負(fù)荷在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)度負(fù)荷如圖3所示。

圖3 2019年大寒日和大暑日的園區(qū)調(diào)度負(fù)荷Fig.3 Park dispatch load on Great Cold Day and Great Heat Day in 2019

園區(qū)電價(jià)參考天津市一般工商業(yè)電價(jià)，分為高峰電價(jià)，低谷電價(jià)和平段電價(jià)。各時(shí)段電價(jià)和天然氣價(jià)格的具體數(shù)據(jù)如表1所示[13]。

表1 各時(shí)段電價(jià)和天然氣價(jià)格Table 1 Electricity price and natural gas price in each period

IES 設(shè)備參數(shù)如表2 和表3 所示。表中列舉了IES各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。表中部分設(shè)備數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[13]。

表2 IES設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operating parameters of IES equipment

表3 IES設(shè)備經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Table 3 Economy index of IES equipment

3.2 系統(tǒng)配置方案

算例以系統(tǒng)配置LAES 和未配置LAES 作為一種對(duì)比，以使用“以電定熱”模式運(yùn)行或使用“以熱定電”的模式運(yùn)行作為另一種對(duì)比為大暑日和大寒日的能源負(fù)荷設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比得出最佳方案。方案中“以熱定電”是指系統(tǒng)優(yōu)先考慮熱量的供應(yīng)，滿足熱量供應(yīng)后再確定電量的供應(yīng)?！耙噪姸帷眲t是以電量需求為優(yōu)先考慮，來(lái)確定系統(tǒng)的熱量需求[15]。配置方案如表4所示。

表4 系統(tǒng)配置方案Table 4 System configuration scheme

3.3 電能輸出結(jié)果

IES的電能輸出結(jié)果如圖4所示。方案1～4為大寒日的設(shè)計(jì)方案，電能輸出總量相同。方案1和方案2在“以電定熱”的模式下運(yùn)行，優(yōu)先考慮電負(fù)荷需求。為了節(jié)約成本，在光伏發(fā)電量相同的情況下，方案1的系統(tǒng)中CCHP機(jī)組的電能輸出高于方案2。方案2的系統(tǒng)中加入了LAES，相比于方案1電網(wǎng)購(gòu)電量減少。方案3和方案4在“以熱定電”的模式下運(yùn)行，優(yōu)先考慮熱負(fù)荷需求，所以CCHP系統(tǒng)的熱能和電能輸出相同。因?yàn)榉桨? 加入了LAES 系統(tǒng)，所以方案3 的電網(wǎng)購(gòu)電量比方案4 大大降低。

圖4 8種方案的電能出力情況Fig.4 Electricity output of eight schemes

方案5～8 為大暑日的設(shè)計(jì)方案，由圖可知大暑日的用電需求高于大寒日。大暑日的光伏發(fā)電量要高于大寒日。類比于方案1～4，方案5 系統(tǒng)中CCHP 機(jī)組的電能輸出高于方案6，方案6 的系統(tǒng)中加入了LAES，相比于方案5 電網(wǎng)購(gòu)電量減少。方案7 和方案8 的系統(tǒng)中CCHP 系統(tǒng)的熱能和電能輸出也相同。因?yàn)榉桨? 加入了LAES 系統(tǒng)，所以方案7的電網(wǎng)購(gòu)電量比方案8大大降低。

3.4 熱能輸出結(jié)果

熱能輸出結(jié)果如圖5 所示，圖中的負(fù)值表示CCHP機(jī)組輸出的熱量高于園區(qū)的熱能需求。因?yàn)榉桨? 配置了LAES 系統(tǒng)，所以CCHP 機(jī)組輸出的電能降低。同時(shí)機(jī)組中的熱量輸出也降低。所以方案2 的熱量輸出低于方案1，節(jié)省部分熱量損失。方案3 和方案4 都是“以熱定電”的模式運(yùn)行，熱量輸出結(jié)果相同。同理，方案6 的發(fā)熱量低于方案5，方案7和方案8的熱量輸出結(jié)果相同。

圖5 8種方案的熱能出力情況Fig.5 Heat output of eight schemes

3.5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

各個(gè)方案的總成本構(gòu)成如表5 所示。由表5 可知在大寒日，方案1 和方案2 都在“以電定熱”的模式下運(yùn)行，但方案2 的購(gòu)電成本比方案1 減少元7661，占比36.1%。方案2 的購(gòu)氣成本比方案1 減少16299元，占比26.7%。購(gòu)電成本減少的原因是方案2 的系統(tǒng)配置了LAES 系統(tǒng)，在電價(jià)低谷時(shí)段方案2 的LAES 系統(tǒng)儲(chǔ)電成本取代了部分在電網(wǎng)購(gòu)電的成本。購(gòu)氣成本的減少是因?yàn)樵凇耙噪姸帷蹦Ｊ较?，為了保證電負(fù)荷的需求造成了部分熱量的浪費(fèi)，方案2 的LAES 系統(tǒng)在用電高峰時(shí)釋電，即滿足電負(fù)荷需求，又能減少部分熱量的浪費(fèi)。方案3和方案4 的系統(tǒng)都在“以熱定電”的模式下運(yùn)行，所以兩種方案的購(gòu)氣成本相同。方案3的購(gòu)電成本比方案4 減少29506 元，占比53.2%。購(gòu)電成本的減少是因?yàn)榉桨? 配置了LAES 系統(tǒng)，在電價(jià)低谷時(shí)段方案3 的LAES 系統(tǒng)儲(chǔ)電取代部分電網(wǎng)購(gòu)電成本。在本算例中，雖然電制冷購(gòu)電成本和電熱鍋爐購(gòu)電成本較低，但園區(qū)利用電制冷機(jī)和電熱鍋爐快速響應(yīng)冷、熱負(fù)荷的變化，所以不能忽略不計(jì)。

表5 8種方案的總成本及其成本構(gòu)成Table 5 The total cost of eight schemes and their cost structure

方案2 的總成本比方案1 減少3325 元，占比3.2%。雖然方案2配置LAES系統(tǒng)導(dǎo)致其初始建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本比方案1 多花費(fèi)1762 元。但是，方案2的購(gòu)能成本比方案1減少5075元。同理，方案3 的總成本比方案4 減少4540 元，占比4.5%。由上述可知，LAES 系統(tǒng)能提高園區(qū)的經(jīng)濟(jì)性。為了對(duì)比在配置LAES系統(tǒng)的前提下采用以“以電定熱”模式和“以熱定電”模式的經(jīng)濟(jì)性，將方案2和方案3的成本進(jìn)行對(duì)比。方案3的總成本比方案2減少4490 元，占比4.5%。方案3 的方案為大寒日的最優(yōu)方案。

同理，在大暑日的4 種設(shè)計(jì)方案中，方案7 的購(gòu)電成本比方案6 減少11150 元，占比63.6%。方案7 的購(gòu)氣成本比方案6 減少18378 元，占比37.1%。方案7的購(gòu)電成本比方案8減少35879元，占比67.2%。方案6的總成本比方案5減少2363元，占比2.2%。因?yàn)榉桨?配置了LAES系統(tǒng)，所以方案6 的初始建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本比方案5 多花費(fèi)1181元。而方案6的購(gòu)能成本方案5減少3545元。同理，方案7的總成本比方案8減少6137元，占比6.1%。將方案6 和方案7 的成本進(jìn)行對(duì)比，方案7的總成本比方案6 減少9814 元，占比9.5%。方案7的方案為大暑日的最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)采用“以電定熱”模式運(yùn)行時(shí)，配置LAES的方案2比未配置LAES的方案1總成本減少3325 元，下降3.2%；方案6 總成本比方案5 減少2363 元，下降2.2%。在算例中，綜合能源系統(tǒng)使用“以電定熱”的模式運(yùn)行，會(huì)造成一部分熱量的浪費(fèi)。LAES 在“以電定熱”模式中的作用是平衡用電負(fù)荷。將電價(jià)低谷時(shí)段的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰釋放用以降低CCHP 在高峰時(shí)段的輸出電量，降低部分熱量的浪費(fèi)。系統(tǒng)采用“以熱定電”模式運(yùn)行時(shí)，配置LAES 的方案3 比未配置LAES的方案4 總成本減少4540 元，下降4.5%；方案7比方案8 總成本減少6137 元，下降6.1%。LAES在“以熱定電”模式中的作用是當(dāng)CCHP機(jī)組為了滿足熱負(fù)荷的需求而降低輸出功率時(shí)，將電價(jià)低谷時(shí)段的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰釋放用以替代直接從外部電網(wǎng)購(gòu)電從而節(jié)約成本，LAES 同樣起到平衡用電負(fù)荷的作用。

（2）在配置LAES系統(tǒng)的前提下采用“以熱定電”模式的方案7的總成本比采用“以電定熱”模式的方案6 減少9814 元，下降9.5%；方案3 的總成本比方案2 減少4490 元，下降4.5%。系統(tǒng)配置了LAES時(shí)，采用“以熱定電”的模式運(yùn)行的系統(tǒng)比采用“以電定熱”模式運(yùn)行的系統(tǒng)總成本大大降低。因此，方案3為最優(yōu)方案。

（3）園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)配置LAES 并采用“以熱定電”模式運(yùn)行總成本最低。根據(jù)本文的研究，證實(shí)了在大型工商業(yè)園區(qū)使用帶有LAES的綜合能源系統(tǒng)能達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化方案能提高園區(qū)的經(jīng)濟(jì)性，具有現(xiàn)實(shí)意義。