劉 堯 楊涌文 張麗婷 錢凡悅
上海電力學(xué)院
2016年國家發(fā)改委、國家能源局對外正式發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》?!兑?guī)劃》大力支持分布式能源的發(fā)展,將分布式能源列入百大工程之中[1-2]。分布式能源在電力行業(yè)具有良好的發(fā)展前景。以清潔的天然氣為燃料的分布式聯(lián)供系統(tǒng)在中國已有近20多年的歷史,其發(fā)展崎嶇不平,原因主要是其投資金額大,天然氣價格高導(dǎo)致回收年限較長,動態(tài)回收期一般在10年以上。近年來,隨著LNG、CNG價格的大幅回落,區(qū)域型的天然氣分布式聯(lián)供項目受到廣泛關(guān)注。但是,由于該系統(tǒng)供能方式復(fù)雜,針對不同負(fù)荷需要采取不同的運(yùn)行策略[3-4],因此除設(shè)計階段的選型問題外,運(yùn)行不善是大部分已建天然氣分布式聯(lián)供項目能效及經(jīng)濟(jì)性較差的主要原因。通過對天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)化研究,可以提高一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益,縮短回收年限[5]。
天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的梯級利用是其節(jié)能經(jīng)濟(jì)高效的主要原因[6]。在能源梯級利用中,除了一次能源的消耗外,余熱利用的比例也不容忽視。因此,合理運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)及溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī),是影響系統(tǒng)能源利用率的直接因素,也是經(jīng)濟(jì)性的決定性因素。天然氣聯(lián)供運(yùn)行的優(yōu)化工作,國內(nèi)外已有一些研究者進(jìn)行了相關(guān)研究。李赟等[7]采用混合整數(shù)(0-1)多層次目標(biāo)規(guī)劃方法建立聯(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(yùn)行策略。孟金英等[8]用單純形法對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)用于辦公樓宇時冬夏季典型日負(fù)荷下的運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化。李金霞等[9]通過分析三聯(lián)供系統(tǒng)中各設(shè)備的熱電特性以系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo),采用內(nèi)點(diǎn)法對模型進(jìn)行優(yōu)化分析。Andrew J.Yosten[10]提出了基于數(shù)學(xué)程序的分布式發(fā)電建模方法,并用數(shù)學(xué)規(guī)劃法優(yōu)化了四類任務(wù)。一次能源消耗和污染排放也可以作為優(yōu)化目標(biāo)引進(jìn)目標(biāo)方程[11]。以上的研究均基于算法模擬得到最優(yōu)化方案,而無法對某一實際運(yùn)行策略進(jìn)行合理性驗證或優(yōu)化改進(jìn)。
本文以中國上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站聯(lián)供系統(tǒng)為研究對象,總結(jié)出一套對運(yùn)行策略進(jìn)行合理性驗證及優(yōu)化改進(jìn)的方法,具體步驟如下:首先基于TRNSYS軟件,搭建天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模型,通過對比用戶側(cè)實際負(fù)荷曲線,驗證、調(diào)整系統(tǒng)設(shè)備的模塊參數(shù)使仿真結(jié)果與實際工況參數(shù)有較好的擬合性,為后續(xù)全系統(tǒng)運(yùn)行策略的驗證、優(yōu)化提供保障。同時,在全系統(tǒng)仿真模型中加入一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)性算法模塊,用于對比分析不同運(yùn)行策略下的一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)性,從而對運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。最后以在過渡季“大流量,小溫差”的運(yùn)行工況為例,通過該模型模擬比較“提高供回水溫差”運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整前后的一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)性。本文所用的驗證及優(yōu)化方法流程圖如圖1所示:
圖1 驗證及優(yōu)化方法流程圖
中國上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站聯(lián)供系統(tǒng)主機(jī)采用顏巴赫J(rèn)MS624型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī),額定功率4.4MW。對應(yīng)的余熱設(shè)備采用煙氣熱水型吸收式溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組。冷媒水額定供/回水溫度為15.6℃/6.0℃,額定制冷量為3 931kW,冷一次泵額定流量為380t/h;熱媒水額定供回水溫度為90℃/65.5℃,額定制熱量為3 931kW,熱一次泵額定流量為150t/h。離心式冷水機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t分別為冷負(fù)荷和熱負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備;蓄能罐為冷熱儲能調(diào)節(jié)設(shè)備。其工藝流程如圖2所示。
圖2 能源站工藝流程圖
系統(tǒng)采取以冷/熱定電,梯級利用的原則,優(yōu)先滿足冷熱負(fù)荷,所發(fā)電力全部上網(wǎng)。夏季供冷:冷媒水由煙氣熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組、離心式冷水機(jī)組以及蓄能系統(tǒng)提供。冬季供熱:熱媒水由煙氣熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組、燃?xì)鉄崴仩t以及蓄能系統(tǒng)提供。
TRNSYS,Transient System Simulation Program,即瞬時系統(tǒng)模擬程序[12],是一個完整、可擴(kuò)充的、用于系統(tǒng)瞬態(tài)模擬的仿真軟件。通過在仿真界面將設(shè)備部件以模塊化形式形象地連接并構(gòu)成系統(tǒng)。每個設(shè)備部件都由一個可修改的數(shù)學(xué)模型描述。TRNSYS軟件基于模塊化分析適用于大型復(fù)雜的熱能與動力系統(tǒng)。
搭建天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的仿真模型需要用TRNSYS下的多種基本部件,控制信號選用Type14h模塊,該部件是設(shè)定隨時間變化的函數(shù)值,利用該部件為聯(lián)供系統(tǒng)輸入系統(tǒng)運(yùn)行的控制信號。該控制信號的值介于0和1之間。控制信號值為0時,系統(tǒng)停止運(yùn)行;控制信號為1時,系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行。介于0和1之間時,系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行??梢栽O(shè)定聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制信號。對于聯(lián)供系統(tǒng)制熱工況和制冷工況的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行均使用此控制信號。
其次是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電負(fù)荷計算器,選用系統(tǒng)計算器模塊,該部件對輸入控制信號和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的額定功率進(jìn)行處理,輸出燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電負(fù)荷(單位kJ/h),本系統(tǒng)輸入的公式為Lo ad=I np ut 1*15843600,其中I np ut是輸入控制信號,15843600k J=4401K k W*3600s,表示內(nèi)燃機(jī)每小時產(chǎn)生的電量。
熱交換器選用Type91,設(shè)置換熱器效率為0.8,它是實際換熱器交換的熱量占最大可能傳熱的比例,即ε=Q/Q m ax。設(shè)置熱側(cè)流體為缸套水,比熱為4.19 kJ/kg·K,冷側(cè)流體為中冷水,比熱為4.19kJ/kg·K。
燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)選用Type907、其額定負(fù)荷設(shè)置為4.4MW;為了能與能源站實際負(fù)荷相匹配,需調(diào)用外部文件設(shè)置。經(jīng)過多次反復(fù)模擬和擬合,內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 內(nèi)燃機(jī)部分參數(shù)(外部文件)
煙氣或蒸汽型溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組選用Type676、熱水型溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組選用Type677,離心式冷水機(jī)組選用Type666。由于溴化鋰及冷水機(jī)的COP會隨著煙氣流量、機(jī)組負(fù)荷的變化而變化[14],因此,需要調(diào)用外部文件設(shè)置COP與冷卻水溫度、冷凍水溫度等參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,使其與實際設(shè)備相匹配。
采用瞬態(tài)模擬仿真軟件TRNSYS對天然氣分布式冷聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能仿真具有以下意義:第一,要保證聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性,必須保證聯(lián)供系統(tǒng)長久處于高效區(qū)域運(yùn)行,而滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是聯(lián)供系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況點(diǎn);第二,通過滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果參數(shù)與系統(tǒng)配置運(yùn)行的設(shè)計工況參數(shù)的接近程度,能夠驗證系統(tǒng)配置是否合理;第三,系統(tǒng)配置運(yùn)行的設(shè)計工況參數(shù)與滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果參數(shù)的接近程度,可以反向驗證系統(tǒng)仿真結(jié)果的正確性。所以,對滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行仿真至關(guān)重要。
以供冷工況為例。供冷工況下,聯(lián)供系統(tǒng)模型由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和煙氣熱水型溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組組成,另外配置離心式冷水機(jī)組進(jìn)行供冷調(diào)峰。其仿真結(jié)果如表2所示。
比較供冷工況下的穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與設(shè)計穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù),如表2所示,聯(lián)供系統(tǒng)和調(diào)峰設(shè)備滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,其各主要參數(shù)的相對誤差在5%以內(nèi)且出力一致,能夠滿足用戶要求的冷量,說明聯(lián)供系統(tǒng)配置較為合理,同時也說明聯(lián)供系統(tǒng)和調(diào)峰設(shè)備模型的精度和正確性基本上達(dá)到要求。
在完成各個模塊的調(diào)試后,搭建整個系統(tǒng)的仿真模型,根據(jù)能源站實際運(yùn)行工況調(diào)整各個設(shè)備模塊出力,匹配其實際負(fù)荷情況,目的是驗證全系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性。由于2016年冬季國際旅游度假區(qū)尚未開園,負(fù)荷較低參考意義不大,故選擇開園后的夏季某日冷負(fù)荷進(jìn)行模擬。采取5臺內(nèi)燃機(jī)加溴化鋰機(jī)組與6臺冷水機(jī)組系統(tǒng)的配合運(yùn)行方式,模擬匹配負(fù)荷需求的機(jī)組啟停與部分負(fù)荷運(yùn)行,系統(tǒng)如圖3所示:
表2 供冷工況穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與設(shè)計穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)比較
圖3 供冷工況系統(tǒng)圖
根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)和實際負(fù)荷需求,合理選擇機(jī)組運(yùn)行方案,做出如表3所示的設(shè)備啟停及負(fù)荷安排:
表3 設(shè)備啟停情況
根據(jù)表3,設(shè)置TRNSYS仿真模型中設(shè)備參數(shù),運(yùn)行系統(tǒng)得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行冷媒水供應(yīng)量曲線,并與實際負(fù)荷需求做對比,如圖4所示,模擬結(jié)果與負(fù)荷基本匹配。
圖4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行冷媒水供應(yīng)量與負(fù)荷對比圖
通過模擬匹配實際工況的系統(tǒng)負(fù)荷曲線,驗證了仿真模型的合理性及準(zhǔn)確性,至此,天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)的驗證平臺搭建完成。通過這一模型,對運(yùn)行策略進(jìn)行驗證,并通過模塊參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)整,得出系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化方案。在分布式能源中,運(yùn)行優(yōu)化方案的評判標(biāo)準(zhǔn)之一是一次能源利用率。一次能源利用率越高,則證明系統(tǒng)越高效節(jié)能。此外,經(jīng)濟(jì)性的測算,同時可以預(yù)測出該運(yùn)行優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益。
3.2.1 一次能源利用率計算
(1)一次能源利用率公式
一次能源利用率(PER)是對聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行評定的常用指標(biāo)之一,其計算公式如下:
式中:
P E R:一次能源利用率,%;
Qe:系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供電量,kW;
QC:系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供冷量,制冷工況有效供熱量取值為0,kW;
QH:系統(tǒng)單位時間內(nèi)有效供熱量,制熱工況有效供冷量取值為0,kW;
Vf:天然氣體積流量,m3/h;
ρf:天然氣密度,kg/m3;
Qar,net:天然氣低位發(fā)熱量,kJ/kg。
式(1)是從熱力學(xué)第一定律的角度對能源的利用總量進(jìn)行分析,并未考慮電能和冷、熱能在品位上的差別。
(2)單位時間有效供冷量
其中:
hcw,,hcw,:冷媒水進(jìn)、回水口焓值,kJ/kg。根據(jù)tcw,,tcw,,查表得到;
qcw,:冷媒水回水流量,m3/h;
ρcw,:冷媒水回水密度,kg/m3。
(3)單位時間有效供電量
發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能除了滿足用戶的需求之外,還有一部分用于系統(tǒng)自身水泵、風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)等耗能。因此系統(tǒng)的有效供電量應(yīng)將這一部分予以扣除。
其中:
we:發(fā)電機(jī)輸出供率,kW。
wi:系統(tǒng)內(nèi)各個輔機(jī)設(shè)備的電能消耗,kW。
3.2.2 經(jīng)濟(jì)性計算
根據(jù)市場調(diào)研,上海市分布式能源天然氣氣價為2.7元/Nm3,上網(wǎng)電價為0.82元/kWh,供熱價為0.468元/kJ。因此經(jīng)濟(jì)性計算公式如下:
(1)三聯(lián)供經(jīng)濟(jì)性計算公式:
式中:
Ei:內(nèi)燃機(jī)的有效供電量,kW;
QC、QH:溴化鋰有效供冷量、供熱量,kJ;
N:天然氣消耗量,Nm3。
(2)電制冷經(jīng)濟(jì)性計算公式:
其中,I為系統(tǒng)成本電價,其計算公式為:
式(5)和(6)中:
C O Pi:冷水機(jī)能效比;
ηe:內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率,%。
經(jīng)濟(jì)性的好壞是判斷運(yùn)行策略的優(yōu)劣依據(jù)之一。同時,還可以通過改變天然氣價格、上網(wǎng)電價和冷熱價格,模擬出不同的運(yùn)行成本及售價時能源站的收益,使能源站在正式運(yùn)營前能設(shè)定更為合理的成本及售冷熱價,提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
下面以內(nèi)燃機(jī)變負(fù)荷為例,進(jìn)行模型的運(yùn)用。
根據(jù)上海某國際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站DCS系統(tǒng)調(diào)取的數(shù)據(jù),從2016年6月12日12:00至6月14日12:00的48小時的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),1#內(nèi)燃機(jī)在該時間段內(nèi)處于制熱工況,由于此時用戶熱負(fù)荷需求量低,導(dǎo)致回水溫度較高,機(jī)組處于非標(biāo)工況下運(yùn)行。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),1#內(nèi)燃機(jī)在99%負(fù)荷運(yùn)行時內(nèi)燃機(jī)溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組的一次能源利用率為69.8%,在87%負(fù)荷運(yùn)行時一次能源利用率為75.5%,出現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷降低,系統(tǒng)一次能源利用率提高的現(xiàn)象。
在過渡季,冷負(fù)荷和熱負(fù)荷需求量銳減,使進(jìn)入系統(tǒng)的回水溫度改變,與溴化鋰和冷水機(jī)組額定進(jìn)出口溫度相差較大,導(dǎo)致溴化鋰制冷制熱量下降,一次能源利用率減小。以冷媒水為例,余熱制冷設(shè)備采用煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組的冷媒水額定供回水溫度為6.0℃/15.6℃,冷一次泵額定流量為380t/h,額定制冷量為3 931kW。經(jīng)過采集實際數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),在過渡季,溴化鋰機(jī)組實際冷媒水供回水溫度為6.7℃/12℃,實際流量為340t/h。內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣量無法被溴化鋰機(jī)組全部用來進(jìn)行余熱利用,大量余熱被浪費(fèi),因此造成余熱一次能源利用率極低的情況。
顏巴赫J(rèn)MS624型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載特性描述了恒定轉(zhuǎn)速下輸出功率變化時機(jī)組效率、排煙溫度、排煙流量等參數(shù)隨之變化的關(guān)系。根據(jù)制造廠提供的技術(shù)數(shù)據(jù),通過擬合,這種關(guān)系可以用無量綱方程[15]表示:
式中:η—折合效率,內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率與其標(biāo)定值之比;tg—折合排煙溫度,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排煙溫度與其標(biāo)定值之比,mg—折合煙氣流量,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排煙流量與其標(biāo)定值之比,Ne—折合功率,燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電功率與其標(biāo)定值之比。
由式(8)、(9)、(10)可見,發(fā)電功率與效率、排煙溫度以及煙氣流量并不是呈線性關(guān)系。排煙溫度和煙氣流量不會隨功率的增加而線性增加。由此可以得出,降低內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷這一運(yùn)行策略存在可行性,可通過搭建的仿真模型判斷其合理性,并做出優(yōu)化調(diào)整。
以過渡季制冷工況為例,首先將全系統(tǒng)測試平臺設(shè)置成為過渡季實際工況,擬合過渡季實際負(fù)荷曲線,并得到該工況下內(nèi)燃機(jī)溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組的一次能源利用率,模擬得到過渡季一次能源利用率僅為65%。改變內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷輸入,經(jīng)過模型仿真可以得到一次能源利用率隨內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷的變化,如圖5所示。
圖5 內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷的一次能源利用率變化圖
由圖5可知,若過渡季無法完全消納煙氣量,則系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行并不是最優(yōu)運(yùn)行策略。降低負(fù)荷可減少天然氣的消耗量,從而提高一次能源率。但降低負(fù)荷會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性的下降。經(jīng)過模擬得到的部分負(fù)荷下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性如表4所示:
表4 內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性測算表
由表4可見,內(nèi)燃機(jī)大幅降低負(fù)荷會減少內(nèi)燃機(jī)溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組的收益。根據(jù)式(4)可知,內(nèi)燃機(jī)溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組經(jīng)濟(jì)性與天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價有關(guān)。因此,在過渡季實際工況下分別改變天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價,得到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,如表5所示,敏感性分析結(jié)果見表6。
由表5和表6可見,上網(wǎng)電價對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響最大。內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的降低,會造成發(fā)電量的減少,并且這部分的收益大于天然氣消耗量的成本減少,故系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性會下降。因此,當(dāng)上網(wǎng)電價較低時,適當(dāng)采取內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行提高系統(tǒng)一次能源利用率是可行的。
表5 不同天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價下的系統(tǒng)收益
表6 天然氣價格、上網(wǎng)電價、冷熱價的敏感性分析
本文提出了對天然氣分布式聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略驗證及優(yōu)化的方法。結(jié)合實際運(yùn)行工況,基于TRNSYS軟件,研究搭建了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)仿真模型,并通過對比用戶側(cè)實際負(fù)荷曲線,驗證和調(diào)整系統(tǒng)設(shè)備的模塊參數(shù)使仿真結(jié)果與實際工況參數(shù)有了較好的擬合性,為全系統(tǒng)運(yùn)行策略的驗證、優(yōu)化提供保障。加入一次能源利用率和經(jīng)濟(jì)性算法模塊,用于對比分析不同運(yùn)行策略下的一次能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,從而對運(yùn)行工況進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整。通過對內(nèi)燃機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行策略的案例分析,由于過渡季煙氣無法完全消納,造成余熱浪費(fèi),降低內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷可提高一次能源利用率。由經(jīng)濟(jì)性分析得出上網(wǎng)電價對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響最大,因此,當(dāng)上網(wǎng)電價較低時,適當(dāng)采取內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行提高系統(tǒng)一次能源利用率是可行的。
本文提出的通過搭建仿真模型對運(yùn)行策略驗證及優(yōu)化的方法具有直觀性、開放性的特點(diǎn),可適用于各類運(yùn)行策略的驗證及優(yōu)化,具有一定的推廣價值。