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多能互補綜合能源系統設計及優化

作者:中國儲能網新聞中心 來源:汽機監督 發布時間:2019-03-09 瀏覽:
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葉琪超、樓可煒、張寶/文  浙江電科院

2017年10月,國家電網發布了《關于在各省公司開展綜合能源服務業務的意見》,指出開展綜合能源服務業務的重要意義,并提出了開展綜合能源服務業務的總體要求。其中,提供多元化分布式能源服務,構建終端一體化多能互補的能源供應體系是綜合能源服務業務的重點任務。

多能互補綜合能源系統(以下簡稱綜合能源系統)的核心是分布式能源及圍繞其開展的區域能源供應,是一種將公共冷、熱、電、燃氣乃至水務整合在一起的形式[1]。綜合能源系統一方面通過實現多能源協同優化和互補提高可再生能源的利用率;另一方面通過實現能源梯級利用,提高能源的綜合利用水平。然而,由于綜合能源系統是一種有較多變量,特性復雜、隨機性強,多時間尺度的非線性系統,其規劃問題較傳統能源規劃問題更為復雜。

國內外學者對綜合能源系統的規劃問題展開了研究,獲得了豐富的研究成果。本文針對綜合能源系統設計與優化問題的研究現狀進行了梳理,同時在對既有研究進行綜述的基礎上,對未來綜合能源系統規劃問題提出了展望。

1綜合能源系統結構

綜合能源系統集成多種能源輸入輸出以及多種能源轉換設備,能夠通過信息通信將電力系統、供氣系統、供熱系統和供冷系統建立對應耦合關系,其典型結構如圖1所示。

2 綜合能源系統初步設計

綜合能源系統的配置牽涉到確定系統部件的類型和大小問題,系統配置是影響聯供系統節能經濟性的核心因素[2]。設計過程需要充分考慮單個設備的效率,系統的運行策略,用戶的冷熱電需求等多個因素。此外,一個設計完善的綜合能源系統還須在經濟性及環境效益之間作出平衡。在綜合能源系統的設計初期,設計人員通常會先選擇系統的主要設備及容量,再選擇與之匹配系統的運行策略。

2.1負荷預測與分析

冷熱電負荷預測根據電力負荷、經濟、社會、氣象等歷史數據,尋求電力負荷與各種相關因素之間的內在聯系,從而對未來的負荷進行科學預測[3]。負荷預測是綜合能源系統規劃初期進行方案比較的基礎,其準確度直接影響系統的配置。討論初投資、年運行費用、回收年限等問題均建立在相對準確的全年負荷預測的基礎上。

幾種常見的負荷預測方法[3]包括基于建筑結構的經典計算方法、基于建筑結構的簡約計算方法、基于軟件模擬的逐時負荷因子法、基于歷史數據的逐時能源負荷分攤比例法。目前應用比較成熟的是基于軟件模擬的逐時負荷因子法和基于歷史數據的逐時能源負荷分攤比例法。吳金順[4]使用DeST軟件計算了窗墻比、玻璃類型、墻的傳熱系數等多個因素對冷負荷的影響規律,并使用最小二乘法得到了冷負荷關于不同因素變化的具體關系式。王國弟等[5]結合了上海某能源中心項目的情況,采用空調負荷計算軟件HDY-SMAD和DeST軟件對功能區域的設計日空調冷熱負荷及全年空調冷熱負荷進行了預測。鄭衛東[6]使用DeST軟件對北京地區某辦公樓和五星級賓館進行了冷、熱、電負荷動態模擬,并對其全年逐時、逐月和典型日的負荷及熱電比變化規律進行了分析和總結。楊木和[7]基于對建筑冷熱電負荷調查研究的基礎,采用日本三聯供設計手冊中的相關數據,使用逐時能源負荷分攤比例的方法,以賓館建筑為研究對象,模擬了該賓館的全年逐時冷熱電負荷。

在負荷分析方面,梁哲誠等[8]通過對商場、寫字樓和酒店三種不同用途商業建筑的冷、熱、電負荷進行調研和測試,繪制得到典型日負荷曲線和全年延時負荷曲線,并對其負荷大小、變化范圍、變化規律以及變化同步性進行了分析。分析結果表明,在建筑負荷特性的基礎上設計的綜合能源系統與常規系統相比更具節能效益和經濟效益。

2.2系統配置

由于綜合能源系統向用戶直接供能,當用戶負荷需求變化時,存在用戶負荷的熱(冷)電比與系統熱(冷)電比保持不一致的問題。從滿足負荷需求的角度考慮,有四種常用的系統配置方法[9]即采用補電子系統集成方法、采用補熱子系統集成方法、電-熱轉換集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。當熱電比相對較小或用戶電負荷大于原動機功率時,可以采用并網補充電能或使用可再生能源補充電能。當綜合能源系統的供熱容量不能滿足需求時,則采用補熱子系統供熱。此外,當用戶熱(冷)電比大于系統輸出比時,可以采用電-熱轉換,將熱需求轉換為電需求。當用戶需求存在峰谷差時,將蓄能手段引入綜合能源系統,可有效緩解非同步引起的供需矛盾,提高系統變工況調節能力。

根據公共電網接入方式的不同可分為三種配置模式:孤島運行模式、并網不上網模式、并網上網模式。孤島運行模式下,綜合能源系統處于獨立運行模式,與公共電網之間不架設連接線路,適用于具有豐富風能或太陽能等可再生能源地區,可為公共電力網絡尚未覆蓋完全的偏遠地區提供多種能量保證。第二種為并網不上網模式,即發電全部自用,不足時從公共電網購買,已被廣泛應用于大型工業園區、新型住宅區以及醫院等人流量較高的場所,是最為典型的冷熱電多聯供系統應用模式。第三種為并網上網模式,不僅可從電網購電,也可將富余電力出售給電網以獲取收益。此種模式對電能質量、穩定性及安全性要求高,且控制系統設計也較為復雜,實際電網建設中尚未得到應用[10]。

2.3綜合能源系統設備

綜合能源系統較傳統供能系統利用的能源種類、供能形式多樣,可滿足冷熱電等多種用能需求,因此設備種類也更為多樣化。

2.3.1原動機

原動機或發電單元是綜合能源系統的核心部件之一。為了實現多能系統所設計的性能指標,須謹慎選擇原動機的類型及容量。Al‐Sulaiman[11]詳細討論了分布式冷熱電聯供系統中各種類型的原動機的使用特點,并給出了典型的使用案例。在設計的前期階段為原動機選型提供前期參考。

常見的原動機類型有燃氣內燃機,燃氣輪機,微型燃氣輪機,燃料電池,光伏電池、風力發電機等。

內燃機將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮,點火引其爆炸,產生的高溫高壓燃氣膨脹推動活塞做功,通過氣缸連桿和曲軸等驅動發電機發電。內燃機發電效率較高,功率范圍廣,適應性能好,結構緊湊、體積小、重量輕,啟動速度快,操作方便、維護簡單、大修周期間隔長[12]。

燃氣輪機及微型燃氣輪機由壓氣機、透平,加熱工質的設備(燃燒室)控制系統和其他輔助設備等組成,壓氣機為燃燒室提供高壓空氣,燃料在燃燒室內燃燒釋放出熱量加熱空氣,產生高溫高壓氣體在透平中膨脹做功,將熱能轉化為機械能。目前燃氣輪機技術成熟,商業化應用廣,效率高,體積小,質量輕,摩擦部件小、振動小、噪聲低、污染少。

燃料電池將燃料中的化學能通過化學反應直接轉化為電能,不經過燃燒過程,不受卡諾循環效應的限制,效率高;沒有機械傳動部件,沒有噪聲。目前國內燃料電池主要用于傳統發電,在冷熱電聯供系統中尚未大規模使用[10]。

光伏電池將太陽光照轉化為直流電能,無污染,不受資源分布地域的限制,可在用戶側就近發電;缺點是受到氣象條件限制,能量輸出不穩定。光伏電池適用于光照資源充足、傳統電網接入困難的偏遠地區。

風力發電機將風能轉化為電能,優點是能源清潔、環境效益好,缺點是噪聲大,對風場選址要求高,發電不穩定。適用于風能資源豐富、人口稀疏的地區。

2.3.2制冷設備及供暖設備

吸收式制冷機通過煙氣或熱水驅動,采用溴化鋰或氨水等制冷工質制冷,是余熱利用常用的制冷設備。表1根據工質、驅動熱源、利用方式和用途對吸收式制冷機進行分類[13]。

余熱鍋爐利用工業過程產生的余熱及可燃物質燃燒后產生的熱量將水加熱,用于工業利用或采暖。分為一般型和補燃型,一般型余熱鍋爐與熱交換器類似,不存在燃燒過程。

熱泵是一種利用低品位熱資源,既可供熱又可制冷的高效節能的空調技術。冬季時可通過熱泵機組將室外熱量輸送進室內供熱,夏季時可將室內熱量輸送到室外降溫。根據熱源不同可將熱泵分為空氣源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵、雙源熱泵等。熱泵適用于具備常年恒溫冷熱源的地區。

2.4設備容量選擇

當原動機及供熱、供冷設備的類型確定后,需要合理選擇設備的容量,以最大化設備容量的利用率,這需要考慮到多個影響因素,包括:用戶的冷熱電負荷需求、選用的原動機特性、一年中電價與能源價格的波動等等,處理該問題可使用最大矩形面積法。這種方法源于數學中計算積分的方法,即將所研究的函數值作為矩形的高度來計算一系列矩形的面積。在綜合能源系統的初步規劃階段,在已知時間-負載曲線為前提的條件下,可以使用最大矩形面積法來估計設備的容量以及運行的時間。Sanaye等[14]使用最大矩形法(MRM)估算了不同場景下綜合能源系統的燃機容量。鄭衛東[6]在已知日常運行負荷的前提下,使用最大矩形法得到了不同運行策略下原動機的容量配置。鄒丹等[15]以蘇州某CBD區域建筑為例,根據相同類型的建筑實測數據獲得了建筑冷熱電8760 h逐時負荷曲線,使用最大面積法確定三聯供系統的最佳容量。分析結果表明使用最大面積法確定的設備容量具有較好的一次能源利用效率和經濟性。

2.5運行策略

綜合能源系統的運行策略將直接影響系統的性能。Kavvadias等[16]總結了幾種最常用的運行策略:

1)以熱定電:系統首先滿足用戶的熱需求,發出的電提供給用戶,如果電量不足或剩余,則從電網補充或上網售電

2)以電定熱:系統首先保證滿足用戶的電需求,所發出的熱量提供給用戶以滿足熱需求,如果熱量不足,則采用鍋爐補燃,如果熱量過剩則廢棄或采用一個蓄熱罐儲存。

3)持續運行:系統在預定時間內持續運行,不考慮能源需求的變化,這種運行策略適用于原動機不能夠靈活調節功率的情況,如果系統所生產的能源能滿足覆蓋用戶的需求,則余電長期上網,反之,則長期從電網購電。

4)調峰運行:系統僅在負荷高峰期間運行,以降低用能高峰期間從電網購得的電能。

康書碩等[17]從熱電輸出和燃料消耗量方面比較了以燃氣輪機作為原動機的聯供系統“以熱定電”和“以電定熱”兩種常用運行模式下的性能差異。該研究通過Aspen Plus軟件實現系統性能的計算,研究結果表明當實際熱電輸出等于終端的熱電需求時,其最佳熱電比HPR為1.75;當1HPR1.75,“以熱定電”為最佳的運行方式;1.75HPR2.5時,“以電定熱”為最佳的系統運行方式。

3綜合能源系統評價

對綜合能源系統進行準確有效的評價是進行系統改進優化的重要依據,對綜合能源系統的評價研究主要從熱力學、經濟性、環保性以及綜合評價這4個方面進行[18]。

3.1熱力學性能評價(略)

3.2經濟性評價(略)

3.3環境效益評價(略)

3.4多指標綜合評價(略)

4綜合能源系統優化

在進行初步設計以后,須對系統進行優化。對系統優化能夠顯著提升設備利用效率、系統經濟性及環境效益。優化變量通常包括原動機的類型、容量,系統的運行策略等。

通常從運行現場采集得到的數據一般更準確、真實,基于這些數據進行優化也更為可靠,但獲得實際運行數據需要花費大量的時間并需要高昂的運行費用作為支撐,并且只能對具體的某個系統進行研究。使用瞬態仿真方法對系統進行優化,效率高,費用低,系統運行條件(包括原動機類型、容量、當地氣候等)更改簡便,因此目前大部分現有研究均采用計算機仿真對多能系統進行優化。常用的優化算法有混合整數線性規劃法、混合整數非線性規劃法、隨機優化法、遺傳算法等。

4.1設備容量優化

MRM方法在確定綜合能源系統時簡單便捷,但只考慮了用戶的負荷需求,并沒有考慮到設備成本、運行費用等因素,因此需要對多能聯供系統作進一步優化。

鄭衛東[6]使用基于MRM的遺傳算法優化方法對綜合能源系統進行優化,優化變量為原動機容量、電制冷比系數、太陽能發電面積占比。流程如圖2所示。

優化結果表明,多能互補系統的全年綜合指標相比傳統分供系統有了顯著提高。高峻[32]以聯供系統凈年值最大作為優化目標,建立聯供系統設備優化模型,對分別配置兩種額定發電功率的燃氣內燃機發電機組的聯供系統進行經濟性比選,確定設備的最優容量。何桂雄等[33]應用解析法,結合各負荷區間出現的頻數統計,得到不同容量匹配方案下設備年等效滿負荷運行時數及相應收益,通過比較凈現值確定燃氣三聯供和熱泵設備的最優容量匹配方案,并結合案例進行了驗證。黃子碩等[34]提出了計算系統綜合能效的量綱表達式以辨析各影響因素與綜合能效間的關系,并展示了如何通過綜合能效分析確定系統配置方案。衛志農等[35]以投資及運行成本最小化為優化目標,引入了條件風險價值作為風險亮度的指標,建立了基于投資理論中考慮到風險量度的虛擬電廠容量優化配置模型,研究了風險偏好、環境成本自然資源及負荷對虛擬電廠容量配置的影響。該文獻還以美國德州某地區的風、光、電價及負荷數據為實例進行了模擬,模擬結果驗證了模型的正確性,為投資商在規劃建設時解決多能源容量配置問題提供了依據。

4.2運行策略優化

王成山[36]按電、煙氣、蒸汽、水和空氣5種能量傳遞形式進行分類,采用集中母線的方式搭建基本框架,對各個設備進行建模,建立了冷熱電聯供系微網系統日前動態經濟調度的0-1混合整數線性規劃模型,通過調節系統中各設備運行方式和工作狀態,實現系統經濟運行。任洪波等[37]對基于光伏電池、燃料電池和蓄電池的住宅能源系統為研究對象,使用混合整數線性規劃理論構建運行優化數學模型。模型以年運行費用最小化作為目標函數,以能源供需平衡和設備容量為約束條件,使用LINGO進行建模求解得到年運行費用最小的運行策略。孫可[38]對針對工廠綜合能源系統提出一種考慮冰蓄冷空調多種工作模式的多能協同優化模型,以綜合日運行費用最低為優化目標建立優化模型,根據工廠設備工作模式的不同,提供更加準確的優化策略。錢虹[39]建立了一個在調度周期內完成功能設備出力組合的優化運行策略的數學模型,優化目標為調度周期內供能機組總出力與各時段負荷需求差值,通過matlab編程對混合整數規劃進行求解,算法為遺傳算法,從而獲得調度周期內最經濟的運行方式。

4.3設備容量與運行策略協同優化

張杰[40]以年費用最小為目標函數,對典型三聯供系統建立了混合整數非線性規劃計算模型,并使用LINGO軟件用分支界定法結合順序線性規劃得到不同地區不同建筑最優的系統配置和運行策略。林怡[41]對微型燃機和地下水源熱泵組成的復合供能系統,以年總費用和天然氣年節能率為優化目標,對系統在經濟最優、以熱定電和節能最優3種運行策略下的優化配置和運行規律進行了研究。趙峰[42]設計了一種三級協同整體優化方法,第一級以年一次能源利用率最高為目標求解最優設備選型問題,第二級以二氧化碳排放最少為目標求解最優設備容量問題;第三級以年運行成本最低為目標,求解最優運行參數問題。荊有印等[43]基于生命周期法,以傳統系統為參照對象,建立了能源、環境和經濟效益的多目標優化模型,對聯供系統的設備容量和運行策略進行了優化。研究還以北京市某綜合辦公樓為例,分析了不同目標函數下的最優配置方案和運行策略。劉星月等[44]設計了一種能夠綜合利用太陽能光伏光熱且同時能滿足冷熱電需要的聯供系統,使用判斷矩陣法將能源、環境、經濟評價三個指標綜合成一個綜合評估指標,就以熱定電和以電定熱兩種運行方式下各制定了三種運行控制策略,分別對系統進行容量配置和控制策略的優化。

曾飛[45]建立了以燃氣輪機容量為優化變量,多目標評價指標為目標函數的系統最優運行策略模型,利用南方地區某賓館日逐時負荷進行算例分析,采用模式搜索算法求解得到基于負荷特征的系統最優容量配置及其對應的運行策略。

微網優化方面,巴林[10]給出了燃氣輪機、風機光伏、燃料電池以及蓄能裝置的數學模型,以系統經濟性為優化目標,對冷熱電多聯供系統進行優化配置與優化運行研究。研究運用粒子群算法求解,得到三種運行方案下系統的配置結果。王銳[46]對含多種可再生能源的熱電聯供型微網應用機會約束規劃理論建立經濟運行優化模型,提出一種基于隨機模擬技術的粒子群優化算法求解模型。根據不同的原動機配置對運行方案進行優化。

以上研究基本涵蓋了各種結構的綜合能源系統的規劃及優化問題,多數研究還結合案例驗證了優化方法的有效性。

5 結論與展望

多能互補綜合能源系統由于具備經濟、環保、高效等優點,在發達國家已經得到成熟的應用,然而由于技術障礙、政策限制等原因,在我國尚處于萌芽階段。隨著技術進步及國家鼓勵性政策的密集落地,多能互補綜合能源系統將迎來巨大的發展空間。

本文從負荷預測、系統配置、設備種類及容量、運行策略、系統評價、系統優化的角度梳理了已有的綜合能源系統設計及優化研究。總體而言,國內外學者就綜合能源系統進行了大量研究并獲得了豐富的成果。但國內已經建成的綜合能源項目數量較少,且落地的項目由于各種原因沒有實現預計的供能目標,缺乏試驗數據為已有研究提供補充與支撐,也缺乏一致的評價標準來比較系統的優劣,這對綜合能源系統的推廣構成了阻礙。隨著綜合能源服務業務的開展,亟待一套完整、客觀的評價體系為綜合能源項目的規劃與評價提供參考。

參考文獻:(略)

關鍵字:多能互補 綜合能源系統

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