耦合液化天然氣壓力能的CCHP系統(tǒng)構(gòu)建及優(yōu)化

馮明杰, 王登亮, 趙梅玉, 周 樂(lè)

(1. 東北大學(xué) 冶金學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2. 北京精儀天和智能裝備有限公司 技術(shù)中心, 北京 100079)

隨著工業(yè)的進(jìn)步,化石燃料的消耗迅速增加,節(jié)能降耗是目前世界上極為關(guān)注的問(wèn)題.冷-熱-電聯(lián)供(combined cooling,heating and power, CCHP)系統(tǒng)在能量分級(jí)利用的基礎(chǔ)上,能同時(shí)滿足用戶對(duì)冷、熱、電的需求,一次能源利用率達(dá)80%以上,是一種高效的能源利用系統(tǒng)[1].天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源,具有污染小、運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì),是冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)常用的燃料,以天然氣為主能源的冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行優(yōu)化是未來(lái)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和目前的研究熱點(diǎn)[2].眾多學(xué)者從不同的角度、采用不同的策略對(duì)此開展了研究[3-8].液化天然氣(LNG)具有很高的壓力,其壓力能極為可觀[9-10].目前已有學(xué)者對(duì)液化天然氣壓力能的綜合利用開展了一些研究[11-13],但總的來(lái)看研究還不夠充分,尚有較大的可利用空間.本文構(gòu)建了一種耦合液化天然氣壓力能的新型CCHP系統(tǒng),充分利用液化天然氣的壓力能來(lái)發(fā)電和制冷,以進(jìn)一步提高能源的綜合利用率.同時(shí)采用單純形算法,以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,以能效、火用效和單位產(chǎn)能CO2排放量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并分析了電上網(wǎng)政策對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及性能的影響.

1 系統(tǒng)流程

構(gòu)建的新型CCHP系統(tǒng)如圖1所示,主要由天然氣壓力能利用子系統(tǒng)[14]、燃?xì)廨啓C(jī)(包括燃燒室)、電制冷機(jī)組、LiBr吸收式制冷機(jī)組以及燃?xì)忮仩t等組成.高壓液化天然氣采用氣化裝置氣化,用氣化過(guò)程中產(chǎn)生的冷能來(lái)制取冷水,氣化完成后的天然氣經(jīng)預(yù)熱裝置預(yù)熱后[15]進(jìn)入壓力發(fā)電子系統(tǒng)做功后進(jìn)入冷回收裝置(氣化裝置和冷回收裝置合稱為壓能制冷子系統(tǒng)),隨后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電.產(chǎn)出的電能,一部分為用戶提供電負(fù)荷,另一部分當(dāng)冷回收裝置和LiBr吸收式制冷機(jī)組無(wú)法滿足用戶冷能需求時(shí),驅(qū)動(dòng)電制冷機(jī)組制冷.燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔獗环殖?部分：供給LiBr吸收式制冷機(jī)組、通過(guò)熱水換熱裝置制取熱水、通過(guò)采暖換熱裝置為用戶提供采暖熱負(fù)荷.提供的采暖熱負(fù)荷或熱水量無(wú)法滿足用戶需求時(shí),則通過(guò)燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)償.系統(tǒng)的自發(fā)電無(wú)法滿足用戶的需求時(shí),從市政電網(wǎng)購(gòu)電以作補(bǔ)充.此外,當(dāng)系統(tǒng)的自發(fā)電多于用戶需求時(shí),可以出售給市政電網(wǎng).與傳統(tǒng)的CCHP聯(lián)供系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)增加了天然氣壓力能利用子系統(tǒng)[16-18](如圖2所示),其中各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)如表1所示.

圖1 耦合液化天然氣壓力能的新型CCHP系統(tǒng)Fig.1 Novel CCHP system coupled with LNG pressure energy

圖2 天然氣壓力能利用子系統(tǒng)Fig.2 Natural gas pressure energy utilization system

表1 設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)Table 1 The operating parameters of each equipment

2 優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

以經(jīng)濟(jì)性最佳為優(yōu)化目標(biāo)(即系統(tǒng)的年費(fèi)用最小),其中年費(fèi)用主要包括系統(tǒng)的投資費(fèi)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)以及系統(tǒng)的購(gòu)電費(fèi)并除去售電收益.計(jì)算式如式(1)所示:

Ctotal=Cinvest+Crun+Cmat+Cpurchase-Csale.

(1)

式中，Ctotal是系統(tǒng)的年總費(fèi)用,元;Cinvest,Crun,Cmat,Cpurchase和Csale分別是系統(tǒng)的年投資費(fèi)、年運(yùn)行費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)、年購(gòu)電費(fèi)和年售電收益,元.

系統(tǒng)的年投資費(fèi):

(2)

令frec為資本回收系數(shù):

(3)

式中:r是年利率,取為0.042;N是系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備的使用年限,取為20 a.

則有:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi):

(9)

(10)

(11)

(12)

系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi):

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

系統(tǒng)的年購(gòu)電費(fèi):

(19)

系統(tǒng)的年售電收益:

(20)

2.2 決策變量

2.3 約束條件

1) 能量約束.系統(tǒng)需要同時(shí)滿足用戶的冷、采暖、熱水和電需求,即

(21)

(22)

(23)

(24)

式中:Edemand,Hdemand,HWdemand,Rdemand分別是用戶需求的電負(fù)荷、采暖熱負(fù)荷、熱水負(fù)荷和冷負(fù)荷,kW·h.

其中:

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

2) 設(shè)備能力約束.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須保證各設(shè)備(單元)的實(shí)際運(yùn)行功率不超過(guò)額定功率.

天然氣壓力能利用子系統(tǒng)的約束條件為

(31)

燃?xì)廨啓C(jī)的約束條件為

(32)

(33)

LiBr吸收式制冷機(jī)組的約束條件為

(34)

電制冷機(jī)組的約束條件為

(35)

燃?xì)忮仩t的約束條件為

(36)

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、能效指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo).其中以單位產(chǎn)能的總費(fèi)用作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行性能的經(jīng)濟(jì)指標(biāo);以一次能源利用率和火用效率作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)的能效指標(biāo);以單位產(chǎn)能CO2排放量作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)的環(huán)境指標(biāo).這些指標(biāo)在相關(guān)文獻(xiàn)中都有介紹[6,8-11,16],本文不再贅述.

3 應(yīng)用案例

以西安市某工業(yè)園為研究對(duì)象,園區(qū)內(nèi)有100 000 m2的建筑需提供冷、熱、生活熱水和電負(fù)荷.4個(gè)季節(jié)典型日的負(fù)荷需求如圖3所示,其中,夏季供冷,冬季供熱,春秋季是過(guò)渡季節(jié),既不供冷也不供熱,全年的電負(fù)荷需求基本穩(wěn)定,春冬季節(jié)的生活熱水需求高于夏秋季節(jié),但在每日的0:00～6:00和21:00～24:00時(shí)間段里只有電需求.利用建立的優(yōu)化模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該案例進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)估,計(jì)算基于Matlab9.0平臺(tái)開展,采用單純形算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解.

圖3 典型日負(fù)荷需求Fig.3 Load demand of typical days in four seasons(a)—春季; (b)—夏季; (c)—秋季; (d)—冬季.

4 結(jié)果及分析

優(yōu)化后的設(shè)備最優(yōu)容量如圖4所示.由圖可知,允許自發(fā)電上網(wǎng)銷售時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)組和壓力能利用子系統(tǒng)的設(shè)備容量比不允許上網(wǎng)銷售時(shí)分別增加44.65%,48.66%和10.6%,燃?xì)忮仩t和電制冷則分別減小60.34%和62.99%.

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化后的設(shè)備容量Fig.4 Equipment capacity after optimization

自發(fā)電能上網(wǎng)銷售時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖5所示.從圖中可以看出,不同季節(jié)系統(tǒng)典型日中自發(fā)電的變化規(guī)律相似,每日7:00～20:00,燃?xì)廨啓C(jī)承擔(dān)了園區(qū)用電需求的絕大部分,而壓力能利用子系統(tǒng)承擔(dān)了剩余部分;每日20:00至次日7:00,用電需求則全部由市政電網(wǎng)來(lái)承擔(dān).從圖中還可以看出,系統(tǒng)的自發(fā)售電量,夏冬季要比春秋季多.

圖5 允許發(fā)電上網(wǎng)銷售時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimization results of the operation parameters when electricity is allowed to be sold(a)—春季; (b)—夏季; (c)—秋季; (d)—冬季.

自發(fā)電不能上網(wǎng)銷售時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出,自發(fā)電不能上網(wǎng)銷售時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果與自發(fā)電能上網(wǎng)銷售的優(yōu)化結(jié)果存在較大差異.春冬季節(jié),園區(qū)的熱負(fù)荷需求較多,僅靠燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電后的余熱,難以完全滿足園區(qū)的熱負(fù)荷需求,因此需要啟動(dòng)燃?xì)忮仩t燃燒天然氣直接供熱作為補(bǔ)充;在夏秋季節(jié),園區(qū)所需冷負(fù)荷較多,為滿足冷負(fù)荷需求,只能通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒更多的天然氣以產(chǎn)生更多煙氣余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)LiBr吸收式制冷機(jī)組.

圖6 發(fā)電不允許上網(wǎng)銷售時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results of the operation parameters when electricity is not allowed to be sold(a)—春季; (b)—夏季; (c)—秋季; (d)—冬季.

自發(fā)電能否上網(wǎng)銷售對(duì)系統(tǒng)性能的影響如表3所示.可以看出,二者的差異主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面;與自發(fā)電不能上網(wǎng)銷售相比,當(dāng)允許自發(fā)電上網(wǎng)銷售時(shí),系統(tǒng)年費(fèi)用可以減少1.1×106元,單位產(chǎn)能的費(fèi)用可以降低0.04元/(kW·h),單位產(chǎn)能的CO2排放量也可以減少15.58 g/(kW·h).從表中還可以看出,當(dāng)自發(fā)電不能上網(wǎng)銷售時(shí),系統(tǒng)的一次能源利用率較高,但分析可知,為滿足園區(qū)的總用能需求,此時(shí)需要消耗更多的天然氣,這將對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)不利的影響.

表3 自發(fā)電能否上網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響Table 3 Influence of whether power generation can be sold online on performance

當(dāng)其他條件都不變時(shí),新型CCHP系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)的設(shè)備額定容量與運(yùn)行性能對(duì)比結(jié)果如表4所示.從表中可以看出,與傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)相比, 由于新型CCHP系統(tǒng)利用了液化天然氣的壓力能來(lái)發(fā)電,并且在液化天然氣氣化和膨脹發(fā)電過(guò)程中帶來(lái)的冷能也被利用,因此可以減少系統(tǒng)年總費(fèi)用和單位產(chǎn)能的費(fèi)用,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性.新型CCHP系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)和LiBr吸收式制冷機(jī)組的額定容量高于傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng),燃?xì)廨啓C(jī)額定容量的增加,不僅可以減少系統(tǒng)的外購(gòu)電量,而且減小了燃?xì)忮仩t和電制冷機(jī)組的產(chǎn)能,從而使更多的能量實(shí)現(xiàn)了分級(jí)利用,不僅提高了系統(tǒng)的一次能源利用率和火用效率,也提高了系統(tǒng)的環(huán)保性,降低了單位產(chǎn)能的CO2排放量.比較運(yùn)行結(jié)果可知,一次能源利用率和火用效率可分別提高4.05%和0.44%,系統(tǒng)年費(fèi)用和單位產(chǎn)能CO2排放量可分別減少2.9×106元和29.82 g/(kW·h).

表4 設(shè)備額定容量與性能對(duì)比Table 4 Comparison of equipment rated capacity and performance

5 結(jié) 論

1) 自發(fā)電上網(wǎng)政策對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備出力都有較大的影響,當(dāng)自發(fā)電允許上網(wǎng)銷售時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)和LiBr吸收式制冷機(jī)組的出力較大,電制冷機(jī)組和燃?xì)忮仩t的出力較小,從而使更多的能量得以分級(jí)利用.

2) 與自發(fā)電不能上網(wǎng)銷售相比,當(dāng)允許自發(fā)電上網(wǎng)銷售時(shí),系統(tǒng)年費(fèi)用可減少1.1×106元,單位產(chǎn)能費(fèi)用可降低0.04元/(kW·h),單位產(chǎn)能CO2排放量也可減少 15.58 g/(kW·h).

3) 與常規(guī)CCHP系統(tǒng)相比,新型CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、能效性和環(huán)保性都得到提升,一次能源利用率和火用效率分別提高4.05%和0.44%,年運(yùn)行總費(fèi)用和單位產(chǎn)能CO2排放量可分別減少2.9×106元和29.82 g/(kW·h).