盧海勇虞正發(fā)劉波

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 概述

天然氣分布式能源項(xiàng)目的成敗主要取決于負(fù)荷預(yù)測(cè)和裝機(jī)方案配置。負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性是項(xiàng)目成功的前提。裝機(jī)方案配置的合理性是項(xiàng)目成功的保障。對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)，目前已有指標(biāo)法、動(dòng)態(tài)計(jì)算法等多種方法[1]。但裝機(jī)方案優(yōu)化配置研究不多，已成為迫切需要解決的問(wèn)題。本文以典型的民用天然氣分布式能源項(xiàng)目為例，闡述系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法。典型的系統(tǒng)配置流程如圖1[2]所示。

圖1 民用天然氣分布式能源項(xiàng)目典型系統(tǒng)配置流程圖

1 優(yōu)化配置流程

天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)配置的優(yōu)化是基于負(fù)荷需求和能源價(jià)格優(yōu)化所確定的以下幾個(gè)方面內(nèi)容：（1）原動(dòng)機(jī)的機(jī)組形式、臺(tái)數(shù)和容量選擇；（2）溴化鋰、冷水機(jī)組和蓄冷裝置的優(yōu)化組合；（3）結(jié)合能源價(jià)格和負(fù)荷需求的運(yùn)行策略。由于天然氣分布式能源是冷熱電多種能源輸出的耦合，并且設(shè)備種類繁多。因此，天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)優(yōu)化配置需要根據(jù)冷熱電負(fù)荷需求和冷熱電能源價(jià)格體系，針對(duì)可能的天然氣分布式能源系統(tǒng)配置方式和運(yùn)行模式進(jìn)行模擬分析計(jì)算，然后基于優(yōu)化目標(biāo)，分析比較得出最佳的系統(tǒng)配置與運(yùn)行模式。天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程如圖2所示。

圖2 天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程圖

2 優(yōu)化配置模型

根據(jù)圖1民用天然氣分布式能源項(xiàng)目典型系統(tǒng)配置，對(duì)冷、熱、電和天然氣進(jìn)行能量平衡分析，建立能量平衡模型、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)。

（1）電平衡：內(nèi)燃機(jī)總發(fā)電功率與從電網(wǎng)購(gòu)電功率之和等于電制冷機(jī)及輔助設(shè)備耗電功率、分布式能源系統(tǒng)及輔助設(shè)備耗電功率、蓄冷設(shè)備及輔助設(shè)備耗電功率、鍋爐及輔助設(shè)備耗電功率和用戶電負(fù)荷需求功率之和。

（2）冷平衡：內(nèi)燃機(jī)余熱帶溴化鋰供冷功率、電制冷機(jī)直接供冷功率和蓄冷裝置放冷功率之和等于用戶冷負(fù)荷需求功率。

（3）熱平衡：內(nèi)燃機(jī)余熱帶溴化鋰供熱功率和天然氣鍋爐直接供熱功率之和等于用戶熱負(fù)荷需求功率。

（4）天然氣平衡：天然氣的總耗量等于內(nèi)燃機(jī)天然氣耗量和天然氣鍋爐耗量之和。

（5）蓄放冷平衡：夜間蓄冷量和白天放冷量基本保持平衡，考慮到蓄冷裝置效率，白天放冷量約為夜間蓄冷量的85%～90%。

（6）約束條件：

①天然氣分布式能源年利用小時(shí)數(shù)不低于2 000h。

②天然氣分布式能源綜合效率不低于70%，即

（7）優(yōu)化目標(biāo)：以天然氣分布式能源項(xiàng)目年綜合成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)如下：

A——天然氣分布式能源項(xiàng)目總投資，元

T——天然氣分布式能源項(xiàng)目折舊年限，年

天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置時(shí)，首先基于分析的冷熱電負(fù)荷，根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有原動(dòng)機(jī)的功率類型，初步確定幾種可能的配置方案，其次建立能量平衡模型，然后結(jié)合運(yùn)行方式，進(jìn)行約束條件判斷，最后以年綜合成本最低對(duì)不同配置方案進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)配置方案。

3 工程案例

3.1 工程概況

本文以上海某綜合商務(wù)園區(qū)為例進(jìn)行分析，針對(duì)園區(qū)內(nèi)企業(yè)的冷熱電能源需求，為其量身打造以天然氣分布式能源為基礎(chǔ)的區(qū)域性綜合能源供應(yīng)項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、空調(diào)冷水機(jī)組、天然氣鍋爐和蓄冷系統(tǒng)。

3.2 負(fù)荷分析

本項(xiàng)目園區(qū)內(nèi)企業(yè)用能主要為民用負(fù)荷，包括：辦公、酒店、會(huì)議中心、展館、商業(yè)和公寓。用能需求為建筑物的冬季采暖供熱和夏季空調(diào)制冷。合理選取負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)建筑特點(diǎn)考慮逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)，繪制典型日負(fù)荷曲線如圖3～圖5所示。

圖3 典型日逐時(shí)冷負(fù)荷曲線

圖4 典型日逐時(shí)空調(diào)熱負(fù)荷曲線

圖5 典型日逐時(shí)電負(fù)荷曲線

根據(jù)典型日負(fù)荷分析，最大冷負(fù)荷約44.5MW，最大熱負(fù)荷約30MW，最大電負(fù)荷約29MW。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化配置

根據(jù)園區(qū)負(fù)荷的性質(zhì)以及冷熱負(fù)荷需求量，采用以熱（冷）電聯(lián)供、熱（電）電平衡原則進(jìn)行機(jī)組配置，同時(shí)為提高原動(dòng)機(jī)的利用時(shí)數(shù)，保證在較低負(fù)荷時(shí)原動(dòng)機(jī)仍然可以連續(xù)運(yùn)行，擬選方案如下：

方案一：配置2臺(tái)2 000kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)5 276kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)8.4MW天然氣鍋爐+1套150MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案二：配置2臺(tái)3 333kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)4 924kW離心式冷水機(jī)組+4臺(tái)5.6MW天然氣鍋爐+1套140MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案三：配置2臺(tái)4 300kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)4 572kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)7MW天然氣鍋爐+1套130MWh蓄冷系統(tǒng)。

方案四：配置3臺(tái)4 300kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+3臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組+4臺(tái)3 869kW離心式冷水機(jī)組+3臺(tái)5.6MW天然氣鍋爐+1套105MWh蓄冷系統(tǒng)。

分別針對(duì)上述4個(gè)方案，根據(jù)能量平衡模型，進(jìn)行冷、熱、電能量平衡分析，詳見(jiàn)圖6～圖9所示。

圖6 方案一冷、熱、電平衡圖

圖7 方案二冷、熱、電平衡圖

圖8 方案三冷、熱、電平衡圖

圖9 方案四冷、熱、電平衡圖

本項(xiàng)目天然氣分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式是晚間用電低谷期間停機(jī)、早晨工作時(shí)間開(kāi)機(jī)。這是由于晚間谷電期間，用能負(fù)荷較低，且此時(shí)市電價(jià)格低，系統(tǒng)停機(jī)可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。為保證機(jī)組充分利用時(shí)間和良好的經(jīng)濟(jì)效益，冬季優(yōu)先利用天然氣分布式能源系統(tǒng)供熱，不足部分由天然氣鍋爐補(bǔ)充；夏季優(yōu)先利用天然氣分布式能源系統(tǒng)供冷，其次水蓄冷，不足部分由冷水機(jī)組補(bǔ)充。從上述各圖可以看出，隨著裝機(jī)規(guī)模的增加，天然氣分布式能源系統(tǒng)提供的冷、熱、電份額逐漸增加，但機(jī)組滿負(fù)荷利用小時(shí)逐漸降低。

隨著裝機(jī)規(guī)模的增加，減少了高電價(jià)和高價(jià)天然氣的使用，年成本逐漸降低，方案三的年成本最低，約10 260萬(wàn)元；裝機(jī)規(guī)模繼續(xù)增加，年成本又有所上升，主要是裝機(jī)規(guī)模的增加減少機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)，高投資帶來(lái)的效益減小，詳見(jiàn)圖10。因此推薦方案三作為裝機(jī)方案。

圖10 天然氣分布式能源項(xiàng)目年成本比較圖

4 結(jié)論

（1）天然氣分布式能源項(xiàng)目的成敗主要取決于負(fù)荷預(yù)測(cè)和裝機(jī)方案配置。負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性是項(xiàng)目成功的前提，裝機(jī)方案配置的合理性是項(xiàng)目成功的保障。

（2）本文提出了天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置流程，建立了基于冷、熱、電和天然氣能量平衡的優(yōu)化配置模型。

（3）本文提出的天然氣分布式能源項(xiàng)目?jī)?yōu)化配置研究方法，對(duì)后續(xù)工程實(shí)踐中天然氣分布式能源的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。