运行策略分析在DES方案设计中的应用

高雄伟 潘军松

上海申能能源服务有限公司

1 问题的提出

天然气分布式供能系统（简称DES）作为当前有效的能源系统之一，在公用建筑、区域性能源项目中已成为一种基础性的配置。在建筑天然气DES系统中，天然气发电机组（以下称原动机）发电供应建筑电力需求的同时，还产生大量的余热，转换成冷冻水或热水，满足建筑的冷热需求。

DES系统的一般流程如图1所示。原动机生产电能并输出，同时将以烟气、蒸汽、热水等形式的余热回收，用于供热或制冷。除了余热锅炉（换热器）、吸收式制冷机等直接利用余热的设备外，为了增加系统供电、供热、供冷的稳定性和可靠性，一般还要配备电动制冷机、燃气锅炉、蓄能装置等。

图1 DES系统原理示意图

在DES方案设计中，原动机排放的余热“梯级利用”已作为一个基本原则，根据不同的排热形式和温度水平采用相应的余热利用方式，但仅此不足以保证系统运行的持续稳定和高效。

实践表明，原动机连续稳定运行是保障DES项目经济性和节能性的关键，这也是DES激励政策中提出机组年运行小时考核的主要因素。在一般方案的规划中，为了确保机组的运行时间，往往会采用基础负荷作为设计容量的依据，但同时也可能导致DES系统规模过小，带来设备单价高、节能效益少的问题。

因此，在方案设计阶段，为确立更合理的机组容量及配置方案，需要进行原动机运行特性与建筑负荷之间的匹配分析，从运行策略角度优化机组配置，实现经济性和能效的最大化。

2 DES运行策略

在建筑DES中，系统可归结为两部分：设备侧和建筑侧。设备侧在运行过程中不断调整其运行状态来满足建筑各种形式的能源需求，其能量及运行关系如图2所示。

图2 设备侧与建筑侧能量关系

原动机作为DES中的关键设备，其运行特性与建筑负荷之间的匹配直接影响到系统的经济性。原动机运行不可能做到0～100%的负荷调节，在每个工况点下都会有固定的运行参数，热电比是衡量其工作性能的重要参数。同样对于建筑来说，其能量需求也可分为热和电两部分，需要说明的是冷负荷也是热需求的一种形式。

研究DES的运行策略，主要是基于原动机热电比与建筑热电比的匹配来确定运行模式。在实际运行中可采取的策略包括：原动机运行模式（以热定电/以电定热）、部分负荷调整、运行台数控制、最小负荷率和最小购电量。

（1）原动机运行模式

基于原动机的热或电输出为基准，运行模式具有以下2种基本形式：①以输出电力的多少来决定原动机运行工况的模式称为”以电定热”；②以原动机输出热量为依据来控制原动机的运行工况称为”以热定电”。

（2）部分负荷调整

原动机自身都有部分负荷的调节能力，利用原动机的部分负荷特性能有效扩大天然气DES系统的工作时间。

（3）运行台数控制

各种原动机在部分负荷率工况下，发电效率均有所下降，在50%负荷时效率下降8%～10%，而燃气轮机在50%负荷率以下发电效率将下降15%～25%。DES系统方案设计时，出于系统安全性和设备维护等考虑，会配置2台以上的原动机。在实际运行过程中也常利用原动机台数控制和部分负荷策略来满足不同的负荷需求。

（4）最小负荷率

所有的原动机均不能在0～100%的全负荷范围进行调节，因此需要设置最小负荷率，当电力负荷需求使得原动机的部分负荷率低于该最低负荷率时，原动机停机，不会输出电力或者余热。最小负荷率参数可以从机组样本获得。

（5）最小购电量

最小购电量是在电力不能上网的情况下保障系统运行正常的一种策略。该策略即保障无论何时系统都必须从电网购电的最小极限。该值可根据运行经验进行设置。

3 运行模式分析

基于原动机的电或热输出为基准的运行模式输出有”以电定热”和”以热定电”，也有两种模式在不同阶段混用，即“混合模式”。

图3 某原动机的热电参数

图3给出了某原动机的热电参数。从图3可以看出，对于某时刻建筑的热电需求相对于原动机的热电曲线，如图3所示的A、B、C 三种情况，A、B、C三点的横坐标表示建筑的电力负荷，纵坐标表示建筑的热力负荷。A点建筑的热电需求刚好与此时的原动机热电比平衡，选择“以电定热”的运行策略与“以热定电”的效果完全一样；B点时原动机的工作点可能落在A点也可以是D点，选择“以电定热”则落在A点，选择“以热定电”则落在D点；对于C点，原动机的工作点可以落在A点也可以是E点，选择“以电定热”则落在A点，选择“以热定电”则落在E点。

对于B点，若选择“以热定电”（原动机实际工作点D）则原动机的余热刚好满足建筑的热力需求，而此时的原动机发电量将超过建筑电力需求，需要向电网送电或者储存多余的电力；若选择“以电定热”（原动机实际工作点A）则原动机的发电量刚好满足建筑的电力需求，而原动机提供的余热将低于建筑的热力需求所需要补充的热量。当建筑的热电参数点在B点时，上网电价不合适的情况下，只能选择“以电定热”的运行模式，并且需要补充热源。

对于C点，若选择“以热定电”（原动机实际工作点E点）则原动机的余热刚好满足建筑的热力需求，而发电量将低于建筑的电力需求，需要向电网购电；若选择“以电定热”（原动机实际工作点A点）则原动机的发电量刚好满足建筑的电力需求，而原动机的余热量将超过建筑的热力需求。在此类情况下，系统选择“以电定热”会出现余热浪费，“以热定电”需要购电。

上述各点只有A点是最理想情况，B点需要补充热量，C点将有热量浪费，D点需要余电上网，E点电力不足，需要向电网购电。在上网电价过低的情况下，单纯采取“以热定电”的运行模式还不成熟。而采取“以电定热”模式，将经常性出现热量不足或者热量浪费的情况。若采用储热装置，虽可有效平衡热力产出和需求，改善系统的经济性，但运行管理更为复杂、初投资也会增加。

若DES的运行调节系统可以做到根据监测建筑能源需求、实时调整其运行策略，那么当建筑的实际负荷落在C点时采取“以热定电”模式，而落在B点时采取“以电定热”模式，就可以有效应对建筑负荷变化导致的系统余热浪费，且能避免多余电力上网的困境，本文称此种模式为“混合模式”。

4 运行模式的计算流程

（1）“以电定热”模式

该模式下全年采取“以电定热”运行策略。如图4所示，根据电力负荷Er确定原动机的部分负荷率，由此根据原动机样本插值得出其可用的余热量Qs以及燃气耗量V1；再根据此时的冷负荷（夏季）或热负荷（冬季）加上热水负荷得到热需求Qrc+Qw。

图4 “以电定热”计算流程图

如果Qs＜Qrc+Qw，那么锅炉需要补充热量为：Qrc+Qw-Qs，即可得到锅炉的燃气耗量V2；反之，若Qs＞Qrc+Qw，说明原动机的余热有富裕，即浪费余热量为Qs-（Qrc+Qw）。若此时的建筑电力负荷超过原动机的额定发电功率，那么差值即为购电量Er-E。

此对比所需的原动机和锅炉燃气耗量、购电量、余热浪费量等数据均可得到。

（2）“以热定电”模式

“以热定电”模式是指全年以热需求为基准来确定原动机发电量，这在允许电力上网且电价合适的情况下，可以将天然气DES系统的经济性最大化。

图5 “以热定电”计算流程图

如图5所示，首先根据冷负荷或者热负荷以及热水负荷得到热需求Qrc+Qw，如果该热需求大于原动机的最大余热量，那么锅炉需要开启,补充热量为Qrc+Qw-Qs,得到锅炉的燃气耗量V2，此时内燃机组满负荷运行，发电量为E，如果发电量大于电力负荷则向电网输电量为E-Er，否则购电量为Er-E；如果Qrc+Qw小于原动机的额定余热量，那么根据插值得到此时原动机的发电量E，以及燃气耗量V1，此种情况锅炉不需要开启，没有热量浪费，发电量E与电力负荷Er比较得出购电量或者售电量。

（3）混合模式

该模式下需要预判当前建筑负荷的热电比与原动机的热电比的关系，来决定是采取“以热定电”还是“以电定热”模式。

图6 混合策略判断流程

首先，建筑侧的电力负荷Er如果大于原动机额定发电量，则以原动机最大发电量进入后续计算，否则以实际电力负荷进行后续计算。根据电力负荷得出相应时刻原动机的余热量Qs，如果大于建筑热需求Qrc+Qrw＜Qs即建筑热电比小于原动机热电比，那么就采取“以热定电”模式，否则采取“以电定热”模式。

判断式Qrc+Qrw＜Qs实际上体现了建筑热电比与原动机热电比的关系，两边同除以电力负荷Er即为热电比的比较。判断出基本模式后转入相应的计算模块即可进行计算。计算流程见图6。

5 案例分析

以某个面积为20 000m2的办公楼为目标建筑，经计算负荷后初步设计DES系统方案，系统配置见表1。

表1 某建筑的DES系统配置

分别利用“以电定热”、“以热定电”、“混合模式”进行计算。计算时的假设如下：

（1）建筑的使用时间为8：00AM到22：00PM，不考虑其余时段；

（2）原动机的参数根据样本数据采取直线插值求取；

（3）原动机最小部分负荷率为30%，即电力负荷低于原动机额定发电量30%时不发电。

（4）两台原动机运行工况根据电力负荷进行分配，将发电量为400kW的记为P400，发电量为600kW的记为P600。台数运行状况如下：当电力负荷＜120kW时，两台均不启动；在120～400kW时P400运行；在400～600kW之间时P600运行；在600～720kW之间时P400满负荷运行，P600部分负荷运行；在720～1000kW时，P600满负荷运行，P400部分负荷运行；大于1 000kW时2台均满负荷运行；

（5）热水吸收式溴化锂机组的能效系数（COP）为常数，锅炉热效率为常数，两者均为额定值。

（6）以平均电价0.71元/kWh，天然气3.04元/Nm3计算年运行费用。

计算结果见表2。可以看出，“以热定电”模式购电量最少而混合模式购电量最多，但混合模式的燃气耗量最少，与“以电定热”模式相比少了近130 000Nm3；“以电定热”模式浪费热量达1 940 000MJ，相当于56 000Nm3天然气（热值按35MJ/Nm3计），而其余两种模式均无热量浪费。

“以电定热”的全年运行费用最高（未计入多余的热量收益），“以热定电”最少，“混合模式”介于二者之间。“以热定电”比“以电定热”少180 000元左右，“混合模式”比“以电定热”模式的年运行费用少41 000元左右。 尽管“以热定电”模式运行费用最低，但是需要有一部分时间电力上网。

表2 三种模式下的运行数据

对计算结果进行统计发现：该系统全年运行时间为5 484h的“混合模式”中有2 784h是按“以热定电”模式运行的，约占总运行时间的50.1%，其运行比例非常大。从负荷数据也能看出。图7显示了全年每月一天的建筑热电比和原动机热电比。根据前面的分析，建筑热电比大于原动机热电比时采取“以电定热”模式，否则“以热定电”。

图7 建筑和原动机每月热电比图

由负荷数据统计显示：原动机热电比超过建筑热电比的时间比例高达52%。在天然气DES系统设计阶段可以根据负荷数据作图7，以对项目是否适合采用混合模式进行初步判断。

以上的分析仅基于案例的一种设计配置，可以调整设计方案重新进行计算，直到获得最佳的控制目标值。

6 结论

在现有多数建筑的DES中不具备电力上网条件的情况下，经上述分析可发现，若能实现天然气DES系统不同运行模式之间的简单切换，采取“混合模式”有可能获得最大的经济性和节能效果。

需要特别指出，本文所述的“以电定热”和“以热定电”的原则，是指原动机的运行模式，与通常从建筑负荷分析的“以热定电”机组容量的设计原则有所不同。

上述运行策略中“以电定热”、“以热定电”作为基本原则，需要在系统设计的初步阶段考虑，这将对原动机的选型产生影响。但是在建筑DES中采用电力并网不上网的情况下，不需要考虑“以热定电”模式，因此设计阶段原动机选型分析中，运行原则依然是“以电定热”为主。“混合模式”只是系统的一种运行原则，对系统设计没有影响。

本文所提及的其他运行策略，均从属于原动机的运行模式，通过这些策略来保证系统的安全性（最小购电量原则、最小负荷率）、系统运行高效率（台数控制、部分负荷率控制），这些策略的综合运用可以更好的调节系统的热电比输出以匹配建筑不断变化的热电比，提高DES的适应性和稳定性。