姚均天,鄭莆燕,柴國旭

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海 200090)

中國的能源目前主要依靠常規(guī)一次化石能源如煤、石油和天然氣等獲得,但利用這些化石能源引起的酸雨、溫室效應和臭氧層破壞等環(huán)境污染問題已成為制約全球經濟發(fā)展的重要因素,因此開發(fā)和利用新型高效、環(huán)保、清潔的能源利用技術已經成為各國政府、科技界和民眾的普遍共識.

分布式聯(lián)產是解決這一系列問題的有效措施之一.它是在能源梯級利用的基礎上,將供熱、發(fā)電及制冷過程一體化的多聯(lián)產總能系統(tǒng),具有靠近用戶、能源利用率高、能源供應安全可靠等優(yōu)點[1].目前,世界范圍內有關分布式聯(lián)產系統(tǒng)的研究與應用,美國、日本和歐洲等都起步較早且發(fā)展非常迅速,隨著聯(lián)產各子系統(tǒng)單元技術的日益完善,系統(tǒng)能量利用水平也不斷得到提高.

1 聯(lián)產系統(tǒng)的發(fā)展

“分布式能源系統(tǒng)”概念的提出已有 20多年了,但其快速發(fā)展還是近幾年的事情.其早期的目的主要是為了增加用戶電力供給的可靠性及降低能量傳輸成本和損失.但隨著社會的發(fā)展,新型的分布式能源系統(tǒng)更加強調系統(tǒng)的綜合性能,包括系統(tǒng)適應用戶需求的能力、系統(tǒng)的熱力學性能、環(huán)保特性等,主要立足于將用戶的實際需求、現(xiàn)有的資源利用與成熟的技術相結合,追求能源、資源利用效率的最大化和最優(yōu)化,以減少中間環(huán)節(jié)的損耗,降低對環(huán)境的污染和破壞[2].

到目前為止,基于不同的系統(tǒng)集成水平,聯(lián)產系統(tǒng)可分為 3代,如表 1所示[2,3].

表1 分布式系統(tǒng)發(fā)展過程

由分布式聯(lián)產系統(tǒng)的發(fā)展可知,分布式聯(lián)產系統(tǒng)具有 3個多樣化的特點:即采用的一次能源多樣化;提供給用戶的能源多樣化;設備選擇多樣化.因此,除了設備方面的關鍵技術研究之外,針對不同要求,采用合理的評價方法,進行設計和運行方面的優(yōu)化也是分布式聯(lián)產系統(tǒng)應用的關鍵.

2 聯(lián)產系統(tǒng)的性能研究及新能源技術的引入

2.1 設備選型

在對聯(lián)產系統(tǒng)進行配置時,如何根據用戶的不同負荷需求選擇合適的發(fā)電與制冷設備,對于滿足聯(lián)產系統(tǒng)的經濟性和環(huán)境保護的要求非常重要,也是決定聯(lián)供系統(tǒng)成功與否的關鍵.設備選型不佳將直接導致聯(lián)供系統(tǒng)經濟性的下降,甚至出現(xiàn)經濟性為負的情況.如上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[4],由于對實際應用場合的負荷情況沒有作出準確的評估,致使設備選型容量過大,系統(tǒng)長期處于 40%負荷的運行狀態(tài),最高用電負荷也僅為額定發(fā)電量的 53%,系統(tǒng)運行費用巨大,目前已處于停用整改狀態(tài).

應用于聯(lián)產系統(tǒng)的原動機主要有蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機、斯特林機和燃料電池等.不少學者[3,5]都對這幾種原動機的應用情況進行了研究.表 2在文獻[3]和文獻[5]的基礎上對以上幾種原動機在聯(lián)供系統(tǒng)中的適用范圍、優(yōu)缺點,以及技術的發(fā)展趨勢等方面進行了歸納總結,從中可以看出需要根據用戶的需求從多個方面考慮實際選型.

表2 各種原動機的特點

表3給出了目前市場上小型或微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中原動機及試驗階段燃料電池的技術性能參數[6].需要指出的是,聯(lián)產系統(tǒng)的熱電總效率主要取決于系統(tǒng)的聯(lián)產方案,原動機的影響較小.

表3 小型或微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)不同發(fā)動機技術性能參數

2.2 新能源技術的引入

目前,節(jié)能與環(huán)保問題在世界范圍內受到了前所未有的重視.因此,在傳統(tǒng)能源供應的聯(lián)產系統(tǒng)基礎上,將以可再生能源如太陽能、生物質能、氫能為基礎的能源利用新技術引入聯(lián)產系統(tǒng)有著良好的應用前景.

蔣潤花等人[7]將太陽能與冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)集成,增加槽式太陽能集熱器,利用中低溫太陽能,提出了全年相對節(jié)能率的概念,并采用全年相對節(jié)能率評價新系統(tǒng),確定了最佳太陽能集熱器面積.

蘇亞欣等人[8]以太陽能應用為背景,介紹了獨立建筑冷熱電聯(lián)供的兩種分布式能源系統(tǒng):以太陽能作為唯一熱源,用于加熱氣體工質,進行閉式 Brayton循環(huán)發(fā)電;其透平釋放的余熱通過余熱制冷方式供冷或通過換熱器直接供熱,從而實現(xiàn)獨立建筑的冷熱電聯(lián)供;若把燃料電池系統(tǒng)和該熱動力系統(tǒng)組合起來,則可實現(xiàn)晝夜連續(xù)的獨立建筑冷熱電聯(lián)供,如圖 1和圖 2所示.

圖1 太陽能熱動力電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)

圖2 太陽能燃料電池可再生電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)

SONTAG等人[9]將聯(lián)產系統(tǒng)與太陽能光伏發(fā)電、風能發(fā)電和太陽能供熱系統(tǒng)相結合進行了研究,認為與可再生能源的結合將導致在所有情況下化石燃料的消耗量都有所減少,但是由于增加了大量的附加設備,而且這些設備的使用時間會受到限制,在目前的能源體系價格條件下,在沒有特殊政策支持時,該聯(lián)產系統(tǒng)的市場競爭力較弱.

MARBE等人[10]對幾種生物質與聯(lián)產系統(tǒng)結合方案的經濟性進行了比較,認為生物質氣化和燃氣輪機聯(lián)產系統(tǒng)的結合方案與生物質汽輪機系統(tǒng)的聯(lián)產系統(tǒng)相比,前者的電力輸出為后者的3.5～4.5倍,后者的電能成本較低,但前者可以獲得更高的凈回報.

解東來等人[11]針對小型天然氣制氫技術及其與質子交換膜燃料電池集成進行熱電聯(lián)產的方法開展了研究,介紹了幾種燃料電池熱電聯(lián)產裝置的運行模式,突出其節(jié)能、環(huán)保及可隨時啟停的特點.日本和歐美國家在天然氣制氫與 PEMFC集成熱電聯(lián)產方面居于世界領先地位.日本對燃料電池熱電聯(lián)產已經制定了商業(yè)化計劃,在 2010年前 PEMFC熱電聯(lián)產電站達到 2.1×106kW,實現(xiàn)大規(guī)模產業(yè)化.1 kW級家庭 PEMFC熱電聯(lián)產電站每臺的售價為 3.5×105日元[12].美國的InnovaTek公司和 H2Gen等公司有 PEMFC熱電聯(lián)產樣機生產.我國在這方面的研究還處于起步階段,研發(fā)單位主要集中在為數很少的幾所高校和科研院所.

對于新能源技術的引入研究,大多僅處于實驗性階段,還存在技術不成熟、成本高、商業(yè)化程度低、工程風險高等缺點,將其應用于分布式聯(lián)產系統(tǒng)中還有待于技術的突破和成本的降低.

3 聯(lián)產系統(tǒng)的評價方法

分析能源系統(tǒng)時,需要通過一些指標對不同系統(tǒng)的性能進行評價,以此說明不同系統(tǒng)的優(yōu)劣,而且這些指標還可為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考.

目前國內外對聯(lián)產系統(tǒng)所用的熱力學分析方法主要有兩種:一是基于能量平衡的熱力學第一定律分析方法(簡稱熱平衡法);二是基于熱力學概念的熱力學第二定律分析方法(簡稱火用方法).熱平衡法的主要指標有系統(tǒng)熱效率、一次能源利用率和一次能源節(jié)約率等;火用方法的主要指標有火用效率和系統(tǒng)火用效率.熱平衡法簡單易行,長期以來應用廣泛,但它存在一定的弊端,即忽視了功與熱在價值上的不等價,將聯(lián)產系統(tǒng)中冷、熱、電等能量等價看待,僅僅考慮能的數量而忽略了能量的品質利用.火用方法考慮了過程的不可逆性和品質的不等價性,將“質”和“量”相結合,較熱平衡法更進了一步.

分布式聯(lián)產系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的集成程度不同,由于分布式聯(lián)產系統(tǒng)存在多種能量輸出,不能簡單的只是利用熱平衡指標或是火用指標.王志偉等結合某建筑負荷對聯(lián)供系統(tǒng)的幾種評價指標進行比較,如一次能源利用率、一次能源節(jié)約率、火用效率和火用經濟成本等指標,認為各評價指標存在一定的局限性[13].呂靜等人[14]對燃料消耗量、發(fā)電效率、總能利用效率、系統(tǒng)火用效率、經濟火用效率等常用的聯(lián)供系統(tǒng)經濟性評價指標進行了評述,認為以燃料消耗量、系統(tǒng)火用效率和火用經濟效率3個標準來綜合評價比較適宜,3者的結合可以比較全面地反映冷熱電聯(lián)供的能量利用和經濟性問題.馮志兵等人[15]對能量利用系數、火用效率、折合發(fā)電效率、節(jié)能率、經濟火用效率等幾種常用的評價準則進行比較,認為能量利用系數、火用效率、折合發(fā)電效率等均不適于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價,而節(jié)能率反映輸入能量的使用情況,經濟火用效率在某種程度上是經濟性的表現(xiàn),比較適用于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價.楊承等人[16]對小功率燃氣輪機為核心的 CCHP系統(tǒng)基本元件的變工況進行了特性分析,對比分析了 CCHP系統(tǒng)當量火用效率、經濟火用效率、總能利用率、節(jié)能系數等“效率”形式及其影響因素.分析表明,以上效率形式都不能給出完全合理的評價結果.

由于聯(lián)產系統(tǒng)使用的是清潔能源,排放污染氣體量少.目前,聯(lián)產環(huán)境評價方法主要是通過與滿足相同負荷要求的常規(guī)供能系統(tǒng)消耗能源及污染氣體排放量相比較,來顯示聯(lián)產系統(tǒng)的環(huán)保優(yōu)勢,即聯(lián)供系統(tǒng)的 CO2等其他污染氣體的減排量.

從目前的研究成果來看,聯(lián)產系統(tǒng)的評價準則和分析方法有很多,但僅反映聯(lián)產系統(tǒng)運行過程中輸入能量的利用情況(主要是熱回收利用),而且大多針對設計工況進行分析,很少考慮實際運行狀況.在環(huán)境評價方面,也只是簡單地反映系統(tǒng)設計工況對環(huán)境的污染排放,很少考慮主要設備制造和一次能源生產等上游生產過程對環(huán)境的影響.這樣就很難全面反映聯(lián)產系統(tǒng)的實際能耗和環(huán)境影響,而且能量轉換和利用的問題并不僅僅是單純的熱力學問題,還受制于經濟性等眾多因素.因此,必須尋找一種可以將熱力學、經濟與環(huán)保等多目標統(tǒng)一量化的評價指標.

4 聯(lián)產系統(tǒng)的優(yōu)化方法

與傳統(tǒng)的簡單熱力循環(huán)系統(tǒng)相比,分布式聯(lián)產系統(tǒng)主要應用于建筑能源領域,而建筑中的冷、熱負荷通常與環(huán)境溫度有很大關系.在不同的季節(jié),甚至在一天的不同時段,由于外界季節(jié)、氣溫的變化,用戶的需求可能會呈現(xiàn)出很大的不同,系統(tǒng)通常不會在設計負荷下運行,而是經常處于變工況條件下.變工況條件將使聯(lián)產系統(tǒng)的性能降低,而偏離設計工況越遠,聯(lián)產系統(tǒng)性能下降越明顯.為了緩解變工況運行對聯(lián)產系統(tǒng)性能的負面影響,需要研究聯(lián)產系統(tǒng)在各種運行工況下的最優(yōu)化運行方案.國內外關于冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的優(yōu)化控制方法很多,主要分為數學模型優(yōu)化分析法和熱力學分析法兩種.

LAHDELMA和 HAKONEN[17]認為,采用最優(yōu)化模型對聯(lián)產系統(tǒng)進行優(yōu)化指導是可行的,并提出了一種線性模型.該模型是在給定負荷的情況下優(yōu)化熱電聯(lián)產機組的熱電負荷,且可以計算出一定時間內每個機組(電站、水電、火電)所產生的熱量和電量.RONG和 LAHDELMA[18]對該模型進行了發(fā)展,將其擴展到了三聯(lián)產系統(tǒng).文獻[19]提出了一種基于整數線性程序和拉格朗日松弛的混合模型,并在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中進行了測試.CHOHeejin等人[20]提出了一種基于能量網絡流動模型的線性模型.該模型以系統(tǒng)能量流動為基礎,保證模型在每個時間步長下使能源保持平衡,并可以計算出該步長時間內系統(tǒng)的能量損失.該模型算法已在密歇根州立大學的微型聯(lián)供系統(tǒng)上進行了仿真試驗.實驗結果證明,在整個仿真過程中該算法提供了最佳的成本法案,表明通過冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化運行可以得到更大的潛在經濟收益.

在國內,李贇等人[21]運用混合整型(0-1)多級目標規(guī)劃方法,建立了聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化模型,得到了系統(tǒng)的最優(yōu)配置和運行策略.岳永魁等人[22]采用熱力學量火用作為能源—經濟—環(huán)境間定量聯(lián)系的紐帶,并綜合考慮了熱力學、經濟學,以及環(huán)境目標優(yōu)化,開發(fā)建立了 DES的環(huán)境火用經濟優(yōu)化模型,將環(huán)境效應融入 DES的優(yōu)化設計和運行中.結果表明,所提出的環(huán)境火用經濟建模方法和優(yōu)化策略能有效解決 DES系統(tǒng)的評價與設計運行的優(yōu)化問題.周濟波等人[23]采用熱經濟學代數模式分析方法確定三聯(lián)產的分布式能源站 3種產品的成本,以火用流為計價對象,引入按能級分攤的原則建立成本方程和熱經濟學會計法通用的分析計算模式進行分析和計算.與傳統(tǒng)的產品等價法進行比較,發(fā)現(xiàn)能級分攤方法可以作為冷熱電三聯(lián)產定價的基本依據.畢慶生等人[24]在 “單耗分析”的理論基礎上,提出了以天然氣為燃料的分布式冷、熱、電三聯(lián)產系統(tǒng)常見運行模式下的多熱源、多冷源的燃料單耗模型和成本單耗模型,給出了系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)燃料附加單耗的分布,為優(yōu)化運行提供指導意見.

由此可知,現(xiàn)有的熱力學分析能夠快速地對系統(tǒng)進行初步熱經濟性分析,但大多只對設計工況進行計算,而對于非設計工況情況則需要利用動態(tài)模型軟件包進行準確詳細的運行計算,但目前的動態(tài)軟件包價格比較昂貴.在聯(lián)產系統(tǒng)優(yōu)化上主要是采用線性規(guī)劃或混合整數對聯(lián)產系統(tǒng)進行建模.為了能更好地優(yōu)化控制能源供需之間品位的匹配,學者們還進行了許多嘗試,如引入模糊控制、神經網絡等智能控制方法來實現(xiàn)熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)中能量的最優(yōu)分配[25].

5 結 語

分布式能源系統(tǒng)是直接面對用戶、按用戶需求提供各種形式能量的中小型多功能轉換利用系統(tǒng),以能源綜合梯級利用模式來達到能源的更高利用率、更低成本、更高聯(lián)產安全性,以及更好的環(huán)保性能等多聯(lián)產目標.因此,研究分布式聯(lián)產系統(tǒng)對我國的能源利用及環(huán)境保護意義重大.

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