古云蛟

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 設(shè)計(jì)背景

由傳統(tǒng)化石能源消耗所產(chǎn)生的全球性和區(qū)域性環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。與集中式能源系統(tǒng)相比較,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)接近用戶(hù)負(fù)荷,不需要建設(shè)電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓或超高壓能源輸送,具有優(yōu)勢(shì)。由于兼具供電、供熱等多種類(lèi)能源服務(wù),冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可以高效實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用,在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能增效同時(shí),保障系統(tǒng)具有更高的能源綜合利用率[1-2]。

傳統(tǒng)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等為典型動(dòng)力,主要將天然氣作為燃料,利用余熱鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機(jī)組等余熱利用設(shè)備進(jìn)行供熱和制冷,形成集發(fā)電、供熱、供冷于一體的綜合能源服務(wù)體系。傳統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的主要配置形式有:① 微型燃?xì)廨啓C(jī)+溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,包括煙氣型、熱水型、蒸汽型;② 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,包括煙氣型、熱水型、蒸汽型;③ 微型燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合。系統(tǒng)中配置換熱設(shè)備、調(diào)峰設(shè)備、蓄能設(shè)備等。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是為滿(mǎn)足特定用戶(hù)冷、熱、電等多元能源需求而定制的多輸入、多輸出型供能體系,體現(xiàn)了按需供能的現(xiàn)代能源服務(wù)理念。作為一種耦合源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等諸多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性節(jié)能技術(shù),為達(dá)成預(yù)期的節(jié)能減排功效,在提升單元環(huán)節(jié)性能的同時(shí),冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的綜合集成與規(guī)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要,設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮用戶(hù)需求情況、成本、經(jīng)濟(jì)性、效率等多種因素[3]。與其它單一能源電能輸出系統(tǒng)不同的是,冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中熱能輸出存在不同的能源品位,逐級(jí)多次利用,即高能源品位的能量通常不會(huì)在一個(gè)設(shè)備或過(guò)程中全部用完,原因是在使用高能源品位能量的過(guò)程中,能源的溫度是逐漸降低的。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí),需考慮在每種設(shè)備的能源消耗過(guò)程中,尋找一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的使用溫度范圍,保障當(dāng)高能源品位能量在一個(gè)裝置中已經(jīng)降低至經(jīng)濟(jì)適用范圍以外時(shí),轉(zhuǎn)至另一個(gè)能夠經(jīng)濟(jì)使用這一能量的裝置,使總的能源利用率達(dá)到最高水平[4]?？梢?jiàn),上述多種因素對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化提出多方面挑戰(zhàn)。

通過(guò)對(duì)典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行梳理與分析,根據(jù)負(fù)荷需求和能源品位設(shè)計(jì)出典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)綜合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并針對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和配置,使系統(tǒng)各類(lèi)能源輸出能夠滿(mǎn)足用戶(hù)需求,并保障系統(tǒng)整體具有高的能源利用效率。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

對(duì)于分布式能源系統(tǒng)的規(guī)化設(shè)計(jì),有兩條技術(shù)路線:熱力學(xué)法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法[5]。熱力學(xué)法通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析,以盡可能減少系統(tǒng)有用能量損失為目標(biāo)。這種方法有助于理解系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換的特征,并且計(jì)算簡(jiǎn)單,但無(wú)法提供一個(gè)通用的計(jì)算框架,使用受到限制。由于問(wèn)題復(fù)雜,考慮能源品位的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化引擎變量多,因此線性規(guī)劃一直是冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)數(shù)學(xué)規(guī)劃的主流方法。隨著在設(shè)計(jì)階段就需要考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行特性要求,即設(shè)備起停、可行運(yùn)行區(qū)間、性能變化等因素引入數(shù)學(xué)模型,混合整數(shù)線性規(guī)劃方法逐漸被提出和使用[6]。相對(duì)于線性規(guī)劃方法,混合整數(shù)線性規(guī)劃方法求解難度更大。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題通常最終可轉(zhuǎn)換為:

(1)

式中:A為不等式約束的因數(shù)矩陣;b為不等式約束的常數(shù)向量;Aeq為等式約束的因數(shù)矩陣;beq為常數(shù)向量;lb、ub分別為x的上邊界和下邊界。

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)化設(shè)計(jì)指在設(shè)備特性和能量平衡約束下求解使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的系統(tǒng)運(yùn)行和配置方式,所采用的方法為混合整數(shù)線性規(guī)劃[7]。

3 優(yōu)化建模

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

針對(duì)不同用戶(hù)負(fù)荷及不同工況條件,采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法,以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的年度總成本最低為目標(biāo)函數(shù)。年度總成本Z為:

(2)

式中:i為設(shè)備類(lèi)型序號(hào),m為設(shè)備類(lèi)型種類(lèi);n為j類(lèi)型設(shè)備數(shù)量;Ctz、Cyx、Cwh依次為投資、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。

年度運(yùn)行費(fèi)用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)消耗的天然氣和從電網(wǎng)購(gòu)電所產(chǎn)生的費(fèi)用,年度投資費(fèi)用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備總投資根據(jù)年限折合的每年平均投資,年度維護(hù)費(fèi)用指冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用總和。

3.2 約束條件

不等式約束為:

Ax≤b

(3)

優(yōu)化所考慮的不等式約束如下:

(N-1)E0≤∑E≤NE0

(4)

式中:E0為額定容量;E為原動(dòng)機(jī)運(yùn)行容量;N為原動(dòng)機(jī)數(shù)量。

ηHRSG∑Qgas≥∑HHRSG

(5)

式中:Qgas為原動(dòng)機(jī)煙氣攜熱;ηHRSG為余熱鍋爐效率;HHRSG為余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量。

∑HHRSG+∑Hgas_boil≥∑QLibr/COP

(6)

式中:Hgas_boil為燃?xì)忮仩t蒸汽產(chǎn)量;QLibr為溴化鋰吸收式制冷機(jī)容量;COP為溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷性能因數(shù)。

式(4)表示原動(dòng)機(jī)運(yùn)行容量不大于額定容量,不小于N-1倍額定容量。式(5)表示余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽量小于原動(dòng)機(jī)煙氣攜熱最大產(chǎn)汽量。式(6)表示溴化鋰吸收式制冷機(jī)所需蒸汽量不大于余熱鍋爐與燃?xì)忮仩t所產(chǎn)蒸汽總量。

等式約束為:

Aeqx=beq

(7)

優(yōu)化所考慮的等式約束如下[8]:

(8)

式中:Egrid為電網(wǎng)購(gòu)電量;Qchill為電制冷機(jī)制冷量;COPchill為電制冷機(jī)性能因數(shù);Euser為用戶(hù)電量需求。

QLibr+Qchill=Quser

(9)

式中:Quser為用戶(hù)制冷量需求。

HHRSG+Hgas_boil=Huser+HLibr

(10)

式中:Huser為用戶(hù)蒸汽需求量;HLibr為溴化鋰吸收式制冷機(jī)蒸汽需求量。

式(8)、式(9)、式(10)依次表示冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)輸出與用戶(hù)冷、熱、電平衡及匹配。

3.3 優(yōu)化求解

根據(jù)提出的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,遵循能量梯級(jí)利用原則,設(shè)計(jì)了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。

系統(tǒng)主要設(shè)備如下:

(1) 燃?xì)廨啓C(jī),包括100 kW、200 kW、500 kW、1 000 kW;

(2) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī),包括100 kW、300 kW、500 kW、1 000 kW;

圖1 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(3) 余熱鍋爐,包括1 000 kW、2 000 kW、5 000 kW;

(4) 燃?xì)忮仩t,包括500 kW、1 000 kW;

(5) 溴化鋰吸收式制冷機(jī),包括1 000 kW、2 000 kW、4 000 kW;

(6) 電制冷,包括500 kW、1 000 kW;

(7) 煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī),包括200 kW用于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、300 kW用于燃?xì)廨啓C(jī)。

優(yōu)化求解流程如圖2所示[9-10]。

4 案例分析

4.1 典型負(fù)荷

選取典型負(fù)荷,見(jiàn)表1,測(cè)試上述方法的計(jì)算結(jié)果。

圖2 優(yōu)化求解流程

4.2 配置結(jié)果

以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 典型負(fù)荷 kW

表2 基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)配置結(jié)果

以燃?xì)廨啓C(jī)為發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果見(jiàn)表3。

4.3 案例A分析

案例A冷負(fù)荷需求相對(duì)電負(fù)荷、熱負(fù)荷更大,規(guī)劃設(shè)計(jì)方法更傾向考慮制冷需求,進(jìn)而制訂總體的裝機(jī)容量。由于相較于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配置方案以電制冷為主要供冷源,燃?xì)廨啓C(jī)配置方案選擇溴化鋰吸收式制冷機(jī)為主要供冷源,因此配置了500 kW、1 000 kW燃?xì)忮仩t各一臺(tái)。當(dāng)然,這會(huì)導(dǎo)致鍋爐型號(hào)類(lèi)型增加,進(jìn)而增加相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用?？梢钥闯?案例A中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配置方案更傾向于電制冷補(bǔ)給,燃?xì)廨啓C(jī)配置方案更傾向于溴化鋰吸收式制冷機(jī)供冷,初步分析原因是吸收式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率普遍低于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率。

表3 基于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)配置結(jié)果

4.4 案例B分析

案例B電負(fù)荷相較于冷、熱負(fù)荷所占比例更大,系統(tǒng)首先考慮滿(mǎn)足電力供應(yīng)。兩種方案均選擇相對(duì)接近電負(fù)荷的機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行,同時(shí)從電網(wǎng)購(gòu)置少量電量,滿(mǎn)足整體的電負(fù)荷需求。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配置方案和燃?xì)廨啓C(jī)配置方案在動(dòng)力機(jī)系統(tǒng)選擇上均選擇型號(hào)一致的機(jī)組,目的是減少因機(jī)組不同而導(dǎo)致的附加運(yùn)維成本增加。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率一般低于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī),因此在相同功率下,燃?xì)廨啓C(jī)配置方案中可選擇容量較大的余熱鍋爐。與案例A類(lèi)似,不同于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配置方案選擇電制冷,燃?xì)廨啓C(jī)配置方案選擇溴化鋰吸收式制冷機(jī)作為主要供冷源。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),如需要多臺(tái)動(dòng)力機(jī)組聯(lián)合輸出,應(yīng)盡量選擇型號(hào)一致的機(jī)組,目的是減少因機(jī)組不同而導(dǎo)致的附加運(yùn)維成本增加。在電力負(fù)荷與機(jī)組輸出不能全部匹配的情況下,相較于引入新機(jī)組,利用市電進(jìn)行能量平衡補(bǔ)給更為經(jīng)濟(jì)。筆者所介紹的混合整數(shù)線性規(guī)劃方法基本可以解決固定負(fù)荷需求的典型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置問(wèn)題,但是并沒(méi)有考慮負(fù)荷爬坡率,還需要進(jìn)一步研究。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配置方案傾向于電制冷補(bǔ)給,燃?xì)廨啓C(jī)配置方案傾向于溴化鋰吸收式制冷機(jī)供冷,兩種機(jī)組效率不同,產(chǎn)熱量不同。動(dòng)力設(shè)備的余熱輸出應(yīng)與熱利用設(shè)備盡量匹配,進(jìn)而減少系統(tǒng)投資冗余和能源浪費(fèi)。