生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

高俊彥,王培紅,趙 剛,王玟藶

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210000)

0 引言

在全球碳減排背景下,許多國(guó)家和地區(qū)紛紛出臺(tái)相關(guān)政策,對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行低碳、智能化改造。提高光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)等可再生能源在能源供應(yīng)過(guò)程中的比例是減少能源系統(tǒng)碳排放的主要措施之一[1]。其中生物質(zhì)能源作為污染小、可再生、分布廣、可存貯的綠色能源,受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性[2-3]。

傳統(tǒng)的生物質(zhì)利用主要有秸稈直燃發(fā)電以及沼氣池厭氧發(fā)酵等手段,但生物質(zhì)直燃發(fā)電中灰渣的處理問(wèn)題以及沼氣池保溫?zé)崃康倪x取、沼渣沼液的高效利用等問(wèn)題仍有待解決。因此考慮將生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組與沼氣池耦合,構(gòu)建一種生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),從而解決兩種生物質(zhì)資源利用方式在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題。充分發(fā)揮生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵之一在于如何對(duì)其進(jìn)行調(diào)度,使其在保障農(nóng)村和農(nóng)民生產(chǎn)生活所需電、熱、氣服務(wù)的基礎(chǔ)上,取得較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

當(dāng)前對(duì)含生物質(zhì)的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究相對(duì)較少,并且主要集中在單一時(shí)間尺度,多為日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[4]針對(duì)生物質(zhì)沼氣利用問(wèn)題,構(gòu)建了包含燃?xì)廨啓C(jī)及沼氣發(fā)電機(jī)組在內(nèi)的電-氣-熱綜合能源系統(tǒng),并提出了綜合考慮成本與能源利用效率的日前優(yōu)化運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[5]研究以生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)為核心的鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng),并針對(duì)該系統(tǒng)提出一種考慮熱網(wǎng)損耗及系統(tǒng)運(yùn)行凈收益的日前兩階段優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[6]、[7]構(gòu)建了包含沼氣、風(fēng)能和太陽(yáng)能的可再生能源系統(tǒng)并對(duì)沼氣池加熱保溫,在沼氣池等設(shè)備建模的基礎(chǔ)上綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行日前調(diào)度優(yōu)化。但是日前調(diào)度并不能完全反應(yīng)可再生能源出力、負(fù)荷的預(yù)測(cè)誤差以及非計(jì)劃瞬時(shí)波動(dòng)功率對(duì)系統(tǒng)的影響,從而使其不能完美匹配系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況[8]。而不同時(shí)間尺度調(diào)度的組合不僅可以更好協(xié)調(diào)全局和局部能量管理,還可以增加調(diào)度靈活性[9]。

針對(duì)單時(shí)間尺度造成的研究局限,部分學(xué)者開展了基于多時(shí)間尺度的能量管理研究[10-12]。其中文獻(xiàn)[10]構(gòu)建包含生物質(zhì)氣化發(fā)電的綜合能源系統(tǒng),建立了日前-日內(nèi)多時(shí)間尺度的微網(wǎng)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[11]建立了基于可再生能源樞紐的微網(wǎng)多能流耦合模型,充分考慮溫度對(duì)厭氧發(fā)酵的影響建立了沼氣池發(fā)酵生產(chǎn)模型,并提出了以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的綜合能源微網(wǎng)集成多時(shí)間尺度能量管理策略。文獻(xiàn)[12]針對(duì)以沼氣-風(fēng)能-太陽(yáng)能為動(dòng)力的全可再生能源系統(tǒng),構(gòu)建了能量樞紐模型,并采用分布式魯棒算法處理日前-實(shí)時(shí)兩階段優(yōu)化調(diào)度中的不確定性問(wèn)題。上述各項(xiàng)研究雖然考慮到對(duì)生物質(zhì)資源加以利用,但利用方式都較為單一,沒(méi)有考慮生物質(zhì)直燃發(fā)電與沼氣池厭氧發(fā)酵的耦合關(guān)系,并且在調(diào)度時(shí)也沒(méi)有考慮沼肥收益帶來(lái)的影響,缺乏對(duì)以生物質(zhì)為核心的電熱氣耦合系統(tǒng)的實(shí)際研究。

綜上所述,本文首先構(gòu)建了生物質(zhì)直燃發(fā)電與沼氣池耦合的生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),闡述了其結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行原理,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)主要設(shè)備的特性分析建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型,并基于此構(gòu)建生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多時(shí)間尺度運(yùn)行優(yōu)化模型:日前調(diào)度階段以運(yùn)行凈利潤(rùn)和二氧化碳減排量最大為目標(biāo),日內(nèi)調(diào)度階段同時(shí)考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最大及調(diào)度的調(diào)整量最小,以能量平衡及各設(shè)備出力的上下限為約束,集成人工智能優(yōu)化算法,研究生物質(zhì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及調(diào)控機(jī)制。最后借助算例驗(yàn)證了本文提出系統(tǒng)及方法的可行性。

1 生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)建模

本文研究的生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示,能源供應(yīng)側(cè)包括光伏(PV)、電網(wǎng)(PG)、生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組(BG)、沼氣池(BP)、燃?xì)忮仩t(GB)、天然氣站(NG)等,儲(chǔ)能側(cè)包括儲(chǔ)氣罐(GS),能源需求側(cè)包括電、熱、氣負(fù)荷。其中生物質(zhì)直燃發(fā)電采用朗肯循環(huán),發(fā)電機(jī)組包括生物質(zhì)直燃鍋爐和蒸汽輪機(jī),汽輪機(jī)抽汽對(duì)沼氣池進(jìn)行保溫,從而提升沼氣供能系統(tǒng)的運(yùn)行性能。此外秸稈燃燒產(chǎn)生的飛灰中含有豐富的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素,可以耦合沼渣沼液生產(chǎn)化肥。因此通過(guò)生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)與沼氣系統(tǒng)之間的能量、物質(zhì)交互,能夠解決兩種生物質(zhì)能利用技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題,使系統(tǒng)運(yùn)行獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

1.1 生物質(zhì)鍋爐及蒸汽輪機(jī)模型

生物質(zhì)直燃鍋爐的工作模式可表示為

(1)

式中QBB——生物質(zhì)鍋爐輸出熱功率;

FBB——秸稈熱值;

MBPG——生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組消耗秸稈量;

參考文獻(xiàn)[13]的方法建立蒸汽輪機(jī)供熱量及發(fā)電量的數(shù)學(xué)模型。供熱量Qh的計(jì)算公式為

(2)

式中h1——抽汽焓;

D1、P1、T1——抽汽流量、壓力及溫度。

汽輪機(jī)的功率方程為

(3)

式中h0——主蒸汽焓;

hc——排汽焓;

D0、P0、T0——主汽流量、壓力及溫度;

ηm、ηg——機(jī)械傳動(dòng)效率和發(fā)電機(jī)效率,本文取ηmηg=0.94[13]。

1.2 沼氣池模型

(1)產(chǎn)氣量及沼肥產(chǎn)量的計(jì)算

沼氣發(fā)酵的原料主要由水分和總固體(主要是糞便和秸稈)組成。沼氣產(chǎn)量與發(fā)酵溫度的關(guān)系可由以下模型得出[14]

VMG=m(Tz-Tb)2+VMG,o

(4)

式中VMG——沼氣產(chǎn)量;

Tz、Tb——實(shí)際發(fā)酵溫度和最佳發(fā)酵溫度;

VMG,o——最佳發(fā)酵溫度下的沼氣產(chǎn)量;

m——從數(shù)據(jù)擬合獲得的系數(shù),m=-0.125[14]。

本系統(tǒng)中沼氣池采用中溫發(fā)酵,從升溫保溫的代價(jià)考慮,大型秸稈沼氣工程經(jīng)濟(jì)可行的發(fā)酵溫度首選40 ℃[15],因此本文最佳發(fā)酵溫度取40 ℃。40 ℃時(shí)幾種常見(jiàn)原料的總固體含量及生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)氣率如表1所示。

表1 幾種常見(jiàn)發(fā)酵原料的總固體含量及生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)氣率[16]

因此最佳發(fā)酵溫度下沼氣產(chǎn)量計(jì)算公式為

(5)

式中n——原料種類數(shù)量;

αi——第i種原料鮮料重量占進(jìn)沼氣池發(fā)酵的原料鮮料總重量;

MB——進(jìn)沼氣池發(fā)酵的原料鮮料總重量;

Di——第i種原料總固體含量;

νi——第i種原料產(chǎn)氣率。

假設(shè)沼渣中可作有機(jī)肥的部分占75%,則根據(jù)質(zhì)量守恒可計(jì)算原料完全反應(yīng)時(shí)的有機(jī)肥產(chǎn)量為[17]

(6)

式中MMF——沼肥產(chǎn)量;

ρb——沼氣密度,常溫下取0.7 kg/m3。

(2)傳熱模型建立

本文參考文獻(xiàn)[18]的方法建立傳熱計(jì)算模型,進(jìn)行傳熱計(jì)算。熱平衡關(guān)系式為

Qsr=Qzq+Qsx+Qly-Qsw

(7)

式中Qsr——沼氣池總熱損失;

Qzq——沼氣池池體散熱量;

Qsx——水箱散熱量;

Qly——進(jìn)出料液熱損失;

Qsw——生物發(fā)酵熱。

沼氣池池體散熱量計(jì)算公式為

(8)

式中i=1,2,3——沼氣池的頂部、側(cè)壁和底部;

KiAi——沼氣池對(duì)應(yīng)面的負(fù)荷系數(shù);

tz——沼氣池內(nèi)沼液計(jì)算溫度;

t0——環(huán)境溫度。

水作為系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)儲(chǔ)存在水箱中,水箱散熱量計(jì)算公式為

(9)

式中l(wèi)——水箱內(nèi)料液高度;

A——蓄水箱上下底面面積之和;

r1——圓周面導(dǎo)熱熱阻;

r2——上下底面導(dǎo)熱熱阻;

Tst——水箱儲(chǔ)水溫度。

發(fā)酵料液從進(jìn)料時(shí)較低的溫度加熱到發(fā)酵溫度需要消耗大量熱量,其值遠(yuǎn)高于水蒸氣和沼氣帶走的熱量,因此進(jìn)出料熱損失主計(jì)算公式為

Qly=cmly(tz-tly)

(10)

式中c——料液比熱;

mly——平均質(zhì)量流量;

tly——進(jìn)料時(shí)料液的溫度。

沼氣池發(fā)酵原料為動(dòng)物糞便及農(nóng)作物秸稈,相關(guān)文獻(xiàn)[18]提出發(fā)酵料液的有效能量中少部分會(huì)以熱量的形式釋放出來(lái),因此厭氧發(fā)酵產(chǎn)熱計(jì)算公式為

Qfj=mly×16.91×3%

(11)

1.3 燃?xì)忮仩t模型

燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型為

QGB=Qgas,in·ηGB

(12)

式中QGB——鍋爐的輸出功率;

Qgas,in——每小時(shí)消耗沼氣的熱量;

ηGB——鍋爐的性能系數(shù)。

1.4 燃?xì)忮仩t模型

儲(chǔ)能在t+1時(shí)刻的容量與上一時(shí)刻t的容量有關(guān),其能量充放模型為

(13)

式中C(t+1)、C(t)——儲(chǔ)能設(shè)備當(dāng)前能量和上一刻能量;

Δt——單位調(diào)度時(shí)間;

ηch、ηdis——儲(chǔ)能設(shè)備充放能效率,本文均取值為0.95。

2 生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型

由于光伏出力的預(yù)測(cè)精度與時(shí)間跨度成反比,且考慮到負(fù)荷波動(dòng)特性,本章提出生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化框架,該框架包括日前和日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃。日前調(diào)度與日內(nèi)調(diào)度階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度和目標(biāo)函數(shù)不盡相同,并且長(zhǎng)時(shí)間尺度下的調(diào)度方案是短時(shí)間尺度調(diào)度過(guò)程的基礎(chǔ)。日前調(diào)度計(jì)劃在每天24:00制定一次,調(diào)度時(shí)間間隔為1 h,而日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃時(shí)間跨度為4 h,時(shí)間間隔為15 min。

2.1 日前調(diào)度模型

(1)目標(biāo)函數(shù)

本文評(píng)價(jià)綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)則主要基于經(jīng)濟(jì)性(系統(tǒng)運(yùn)行凈利潤(rùn))以及溫室氣體減排特性(二氧化碳減排量)。

由于沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣沼液經(jīng)處理后產(chǎn)生的沼肥也可以帶來(lái)不錯(cuò)的收益,因此本文以系統(tǒng)運(yùn)行凈利潤(rùn)(Net Profit,NP)最大為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)優(yōu)化各個(gè)設(shè)備的出力,數(shù)學(xué)模型可以表示為

NP=RMG+RMF+RPG+RHS-CSC-CPG-CNG

(14)

式中RMG、RMF、RPG、RHS——沼氣收益、沼肥收益、發(fā)電收益和供熱收益;

CSC、CPG、CNG——機(jī)組原料成本、電網(wǎng)交互成本和氣網(wǎng)交互成本。

各項(xiàng)收益的計(jì)算公式如下

(15)

(16)

(17)

(18)

式中T——總調(diào)度時(shí)段;

GL(t)——t時(shí)段的氣負(fù)荷;

cs,g(t)——逐時(shí)售氣價(jià)格;

MMF(t)——t時(shí)段的沼肥產(chǎn)量;

cMF——沼肥價(jià)格;

PL(t)——t時(shí)段的電負(fù)荷;

cs,e(t)——逐時(shí)售電價(jià)格;

QL(t)——t時(shí)段的熱負(fù)荷;

ch——熱價(jià)。

各項(xiàng)成本的計(jì)算公式如下

Csc=Ms×c1+Mf×c2

(19)

(20)

(21)

式中Ms、Mf——系統(tǒng)一年內(nèi)秸稈及糞便的使用量;

c1、c2——秸稈及糞便的價(jià)格;

PEX(t)——t時(shí)段的下網(wǎng)電量;

cb,e(t)——逐時(shí)購(gòu)電價(jià)格;

GEX(t)——t時(shí)段的購(gòu)氣量;

cb,g(t)——逐時(shí)購(gòu)氣價(jià)格。

以電網(wǎng)供電標(biāo)煤耗以及熱網(wǎng)供熱標(biāo)煤耗作為基準(zhǔn),計(jì)算在相同發(fā)電量及供熱量下以生物質(zhì)為核心的綜合能源系統(tǒng)可減少的二氧化碳排放量,即二氧化碳減排量(Carbon Dioxide Emissions Reduction,CR),其公式為

CR=CRp+CRh

(22)

(23)

(24)

式中CDERp、CDREh——供電及供熱的二氧化碳減排量;

Psum(t)——t時(shí)段生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組及光伏發(fā)電總功率;

Be,s——電網(wǎng)供電標(biāo)煤耗;

EFc——標(biāo)煤碳排放因子;

Qsum(t)——t時(shí)段生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組與燃?xì)忮仩t的總供熱量;

QBP(t)——t時(shí)段沼氣池保溫消耗的熱量;

Bh,s——熱網(wǎng)供熱標(biāo)煤耗;

EFg——天然氣碳排放因子。

為了從經(jīng)濟(jì)性、溫室氣體減排特性兩個(gè)方面衡量該綜合能源系統(tǒng)的性能,本文以綜合指標(biāo)最大為目標(biāo),并假設(shè)經(jīng)濟(jì)性與溫室氣體減排特性兩個(gè)指標(biāo)按同等地位處理[19],從而確定合適的購(gòu)電、購(gòu)氣和設(shè)備出力計(jì)劃。目標(biāo)函數(shù)為

(25)

式中ω1、ω2——經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體減排特性指標(biāo)所占的權(quán)重系數(shù);

ω1、ω2——均取值0.5。

(2)約束條件

系統(tǒng)能量平衡約束可表示為

PPV(t)+PBG(t)+PEX(t)=PL(t)

(26)

QBG(t)+QGB(t)=QL(t)+QBP(t)

(27)

(28)

式中PBG(t)——t時(shí)段生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量;

PPV(t)——t時(shí)段光伏預(yù)測(cè)輸出功率;

QBG(t)——t時(shí)段生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組的抽汽供熱量;

QGB(t)——t時(shí)段燃?xì)忮仩t的供熱量;

NBP——工作的沼氣池個(gè)數(shù);

GGB(t)——t時(shí)段燃?xì)忮仩t消耗的氣量。

設(shè)備出力相關(guān)約束分別為

(29)

D1min、D1max——抽汽流量的最小值和最大值;

β——常數(shù);

rBG——生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的爬坡速率

(30)

λminCES≤C(t)≤λmaxCES

(31)

式中CES——儲(chǔ)能設(shè)備最大容量;

λmax、λmin——儲(chǔ)能設(shè)備的最大和最小荷能狀態(tài)。

2.2 日內(nèi)調(diào)度模型

(1)目標(biāo)函數(shù)

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,受到用戶負(fù)荷及光伏發(fā)電波動(dòng)性的影響,其功率難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè),因此需要增加日內(nèi)調(diào)度環(huán)節(jié),在日前優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)組出力進(jìn)行調(diào)整修正。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,日內(nèi)調(diào)度需要在兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)減小系統(tǒng)調(diào)度的調(diào)整量,以最大限度地保持與日前相應(yīng)調(diào)度計(jì)劃的一致性。其經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)與日前運(yùn)行優(yōu)化相同,系統(tǒng)調(diào)度調(diào)整量為日內(nèi)優(yōu)化結(jié)果與日前優(yōu)化結(jié)果的偏差,公式為

(32)

(33)

(34)

(35)

式中Tin——日內(nèi)調(diào)度時(shí)域;

ΔPrt、ΔQrt、ΔGrt——各設(shè)備在日內(nèi)階段相對(duì)于日前階段的功率偏差、熱量偏差和氣量偏差;

ΔPL、ΔQL、ΔGL——日內(nèi)電、熱、氣負(fù)荷與日前的差值。

在日內(nèi)調(diào)度過(guò)程中假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)調(diào)度調(diào)整量按同等地位處理,其優(yōu)化目標(biāo)為

(36)

式中ω3、ω4——兩種指標(biāo)所占的權(quán)重系數(shù);

ω3、ω4——均取值0.5。

(2)目標(biāo)函數(shù)

在日內(nèi)階段由于時(shí)間尺度的縮短,生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的爬坡速率約束發(fā)生相應(yīng)改變

(37)

日內(nèi)其余約束條件與日前階段相同。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

針對(duì)如圖1所示的生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,其原型為蒙東地區(qū)某生物質(zhì)電廠。在該系統(tǒng)中,汽輪機(jī)額定功率12 MW,沼氣池共有15個(gè),單個(gè)沼氣池直徑31.32 m,容積為6 468 m3。進(jìn)入沼氣池的原料為玉米稈和豬糞,糞稈配比為1∶1,采用中溫發(fā)酵,發(fā)酵溫度為40 ℃。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的相關(guān)參數(shù)如表2所示。分時(shí)電價(jià)與氣價(jià)如圖2所示,熱價(jià)及沼肥價(jià)格分別取0.23元/kW[20]和500元/t[21]。

表2 綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備的相關(guān)參數(shù)[24-28]

圖2 分時(shí)電價(jià)及氣價(jià)[22-23]

根據(jù)系統(tǒng)所在地區(qū)氣候條件以及一年中氣溫有明顯季節(jié)變化的特點(diǎn),引入冬季、夏季和過(guò)渡季三種典型日類型。本文選取過(guò)渡季典型日作為算例,典型日電、熱、氣負(fù)荷參考文獻(xiàn)[19]中的數(shù)據(jù)(在其基礎(chǔ)上乘以一定的倍數(shù),確保其變化趨勢(shì)不變),并采用LSTM方法[29]對(duì)日內(nèi)的電、熱、氣負(fù)荷及光伏出力進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果如圖3所示,其預(yù)測(cè)誤差見(jiàn)表3。

表3 日內(nèi)電、熱、氣負(fù)荷及光伏出力預(yù)測(cè)誤差

圖3 日內(nèi)電、熱、氣負(fù)荷及光伏出力預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 日前調(diào)度計(jì)劃分析

為了驗(yàn)證該生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)越性,設(shè)計(jì)兩種案例做橫向?qū)Ρ?。案例?生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組中汽輪機(jī)部分抽汽用以加熱沼氣池,使發(fā)酵溫度維持在40 ℃;案例二:不對(duì)沼氣池采取額外的加熱保溫措施,厭氧發(fā)酵處于環(huán)境溫度下進(jìn)行。

分別對(duì)兩種案例在經(jīng)濟(jì)性環(huán)保性兼顧情況下進(jìn)行日前調(diào)度優(yōu)化,各設(shè)備出力如圖4至圖6所示,兩種案例下系統(tǒng)運(yùn)行的凈利潤(rùn)和二氧化碳減排量如表4所示。

表4 兩種案例下日前調(diào)度結(jié)果對(duì)比

圖4 電負(fù)荷平衡日前優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力圖

圖5 氣負(fù)荷平衡日前優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力圖

圖6 熱負(fù)荷平衡日前優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力圖

由圖4(a)可知,0點(diǎn)至7點(diǎn)時(shí)電價(jià)處于低谷時(shí)段,生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性低于外購(gòu)電,同時(shí)購(gòu)電對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響大于對(duì)碳排放量的影響,因此汽輪機(jī)在保證抽汽量的前提下維持較低出力,系統(tǒng)向電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足電負(fù)荷的需求;18點(diǎn)到21點(diǎn)處于電負(fù)荷和電價(jià)高峰時(shí)段,汽輪機(jī)發(fā)電功率已達(dá)到最大,無(wú)法滿足電負(fù)荷的部分只能由外購(gòu)電彌補(bǔ);在13時(shí)光伏出力達(dá)到最大,為3 041 kWh。

由圖5(a)可以看到,沼氣池產(chǎn)氣量全天基本上維持在較高水平,這是由于生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼肥具有較好的經(jīng)濟(jì)性,因此大部分時(shí)刻15個(gè)沼氣池全部工作,產(chǎn)生的沼氣除滿足氣負(fù)荷外還可用于燃?xì)忮仩t供熱,以減少部分汽輪機(jī)的抽汽量; 5點(diǎn)至8點(diǎn)氣負(fù)荷、熱負(fù)荷均處于較高水平,系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)氣罐放氣和購(gòu)氣滿足部分氣負(fù)荷;17點(diǎn)時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣量已接近上限,可于接下來(lái)的氣負(fù)荷高峰時(shí)段大量對(duì)外放氣;24點(diǎn)時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)剩余沼氣由燃?xì)忮仩t消耗,儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣量重新回到最低水平。

對(duì)于案例二,設(shè)備出力情況如圖4(b)～6(b)所示,可以看到當(dāng)沼氣池不利用汽輪機(jī)抽汽進(jìn)行保溫時(shí),主要會(huì)對(duì)氣和熱負(fù)荷平衡的調(diào)度結(jié)果產(chǎn)生影響。由于沼液的溫度較低,沼氣池內(nèi)厭氧發(fā)酵反應(yīng)的活性受到影響,產(chǎn)氣量及產(chǎn)肥量都有一定程度的降低,從而導(dǎo)致需要更多的購(gòu)氣量來(lái)滿足氣負(fù)荷。同時(shí)由于產(chǎn)氣量下降,系統(tǒng)內(nèi)多余沼氣量較少,因此燃?xì)忮仩t基本只在7點(diǎn)至8點(diǎn)、21點(diǎn)至22點(diǎn)等汽輪機(jī)抽汽無(wú)法滿足熱負(fù)荷的時(shí)間段工作。結(jié)合表4的對(duì)比結(jié)果也可以看到,相較于案例二,案例一提出的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組與沼氣池耦合的系統(tǒng)利用多能互補(bǔ)特性,有效保障沼氣池發(fā)酵維持在一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又高效的狀態(tài),提升沼氣產(chǎn)量,確保系統(tǒng)內(nèi)較為充足的能量供應(yīng),不僅在運(yùn)行凈利潤(rùn)方面更具優(yōu)勢(shì),同時(shí)也促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)生物質(zhì)能的消納與利用,提高了二氧化碳減排量。

3.3 日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃分析

系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備日內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。為了平衡負(fù)荷的波動(dòng)并保證與日前調(diào)度計(jì)劃偏差較小,基本上所有供能設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同分擔(dān)功率波動(dòng)。由圖7(a)可知,某些時(shí)刻購(gòu)電量的調(diào)整空間有限,主要通過(guò)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組平抑電能波動(dòng),在22點(diǎn)45分時(shí)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組發(fā)電量與日前偏差最大,其絕對(duì)值為2 210 kWh。由圖7(b)可知,沼氣池耗熱量變化較小,而燃?xì)忮仩t供熱量除與熱負(fù)荷有關(guān)外還受系統(tǒng)內(nèi)剩余沼氣量的限制,燃?xì)忮仩t出力頻繁調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致供氣設(shè)備出力變化較大,因此系統(tǒng)主要調(diào)整生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的抽汽供熱量,在17點(diǎn)45分時(shí)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組抽汽供熱量與日前偏差最大,其絕對(duì)值為13 038 kWh。由圖7(c)、(d)可知,總體來(lái)說(shuō)儲(chǔ)氣罐出力和儲(chǔ)氣量的調(diào)整值較大,充分發(fā)揮其在綜合能源系統(tǒng)中的緩沖作用,儲(chǔ)氣量最大偏差的絕對(duì)值為1 349 m3。

圖7 日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)出力結(jié)果

從圖7所示的優(yōu)化結(jié)果可以看到,由于日內(nèi)調(diào)度階段需要考慮與日前調(diào)度的偏差,因此日內(nèi)調(diào)度方案可以較好地追蹤日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度的時(shí)間尺度較日前更小,因此可以更加準(zhǔn)確、細(xì)致地規(guī)劃?rùn)C(jī)組出力,以應(yīng)對(duì)生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中供需側(cè)功率的隨機(jī)波動(dòng),提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了生物質(zhì)電熱氣肥多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型,日前階段綜合考慮二氧化碳減排量、運(yùn)行凈利潤(rùn)等多目標(biāo),日內(nèi)除經(jīng)濟(jì)性外同時(shí)考慮與日前調(diào)度偏差最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行調(diào)度,合理安排供能儲(chǔ)能機(jī)組的出力計(jì)劃和出力調(diào)整。研究結(jié)果表明:

(1)由于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼肥具有較好的收益,因此耦合系統(tǒng)大部分時(shí)間沼氣池產(chǎn)氣量都維持在相對(duì)較高的水平上,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

(2)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組與沼氣池耦合的系統(tǒng)中利用汽輪機(jī)抽汽對(duì)沼氣池進(jìn)行保溫,可以提升沼氣、沼肥產(chǎn)量,該系統(tǒng)相比于不耦合的系統(tǒng)運(yùn)行凈利潤(rùn)提高了16.4%,二氧化碳減排量增大了7.8%,提高了生物質(zhì)能資源轉(zhuǎn)化利用效率,促進(jìn)了生物質(zhì)資源的消納;

(3)日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃與日前調(diào)度計(jì)劃基本趨勢(shì)一致,各供能設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同分擔(dān)功率波動(dòng),可以通過(guò)更加細(xì)致地規(guī)劃?rùn)C(jī)組出力,修正因日前光伏出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)不精確導(dǎo)致的偏差,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。