典型冷热电三联供系统的规划设计

古云蛟

上海电气分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 设计背景

由传统化石能源消耗所产生的全球性和区域性环境问题日益凸显。与集中式能源系统相比较,冷热电三联供系统接近用户负荷,不需要建设电网进行远距离高压或超高压能源输送,具有优势。由于兼具供电、供热等多种类能源服务,冷热电三联供系统可以高效实现能源的梯级利用,在实现系统节能增效同时,保障系统具有更高的能源综合利用率[1-2]。

传统的冷热电三联供系统以微型燃气轮机、燃气轮机、燃气内燃机等为典型动力,主要将天然气作为燃料,利用余热锅炉、溴化锂吸收式制冷机组等余热利用设备进行供热和制冷,形成集发电、供热、供冷于一体的综合能源服务体系。传统冷热电三联供系统的主要配置形式有:① 微型燃气轮机+溴化锂吸收式制冷机组,包括烟气型、热水型、蒸汽型;② 燃气内燃机+溴化锂吸收式制冷机组,包括烟气型、热水型、蒸汽型;③ 微型燃气轮机或燃气轮机与蒸汽轮机联合。系统中配置换热设备、调峰设备、蓄能设备等。

冷热电三联供系统是为满足特定用户冷、热、电等多元能源需求而定制的多输入、多输出型供能体系,体现了按需供能的现代能源服务理念。作为一种耦合源、网、荷、储等诸多环节的系统性节能技术,为达成预期的节能减排功效,在提升单元环节性能的同时,冷热电三联供系统的综合集成与规划设计至关重要,设计时需要综合考虑用户需求情况、成本、经济性、效率等多种因素[3]。与其它单一能源电能输出系统不同的是,冷热电三联供系统中热能输出存在不同的能源品位,逐级多次利用,即高能源品位的能量通常不会在一个设备或过程中全部用完,原因是在使用高能源品位能量的过程中,能源的温度是逐渐降低的。冷热电三联供系统整体设计时,需考虑在每种设备的能源消耗过程中,寻找一个经济、合理的使用温度范围,保障当高能源品位能量在一个装置中已经降低至经济适用范围以外时,转至另一个能够经济使用这一能量的装置,使总的能源利用率达到最高水平[4]。可见,上述多种因素对冷热电三联供系统的规划设计与优化提出多方面挑战。

通过对典型冷热电三联供系统进行梳理与分析,根据负荷需求和能源品位设计出典型冷热电三联供系统综合拓扑结构,并针对该拓扑结构进行优化和配置,使系统各类能源输出能够满足用户需求,并保障系统整体具有高的能源利用效率。

2 规划设计方法

对于分布式能源系统的规化设计,有两条技术路线:热力学法和数学规划法[5]。热力学法通过对系统进行热力学分析,以尽可能减少系统有用能量损失为目标。这种方法有助于理解系统内部能量流动和转换的特征,并且计算简单,但无法提供一个通用的计算框架,使用受到限制。由于问题复杂,考虑能源品位的冷热电三联供系统优化引擎变量多,因此线性规划一直是冷热电三联供系统数学规划的主流方法。随着在设计阶段就需要考虑设备实际运行特性要求,即设备起停、可行运行区间、性能变化等因素引入数学模型,混合整数线性规划方法逐渐被提出和使用[6]。相对于线性规划方法,混合整数线性规划方法求解难度更大。

冷热电三联供系统的规划设计问题通常最终可转换为:

(1)

式中:A为不等式约束的因数矩阵;b为不等式约束的常数向量;Aeq为等式约束的因数矩阵;beq为常数向量;lb、ub分别为x的上边界和下边界。

冷热电三联供系统的规化设计指在设备特性和能量平衡约束下求解使目标函数最优的系统运行和配置方式,所采用的方法为混合整数线性规划[7]。

3 优化建模

3.1 优化目标

针对不同用户负荷及不同工况条件,采用混合整数线性规划方法,以冷热电三联供系统的年度总成本最低为目标函数。年度总成本Z为:

(2)

式中:i为设备类型序号,m为设备类型种类;n为j类型设备数量;Ctz、Cyx、Cwh依次为投资、运行、维护费用。

年度运行费用指冷热电三联供系统消耗的天然气和从电网购电所产生的费用,年度投资费用指冷热电三联供系统设备总投资根据年限折合的每年平均投资,年度维护费用指冷热电三联供系统设备的维护费用总和。

3.2 约束条件

不等式约束为:

Ax≤b

(3)

优化所考虑的不等式约束如下:

(N-1)E0≤∑E≤NE0

(4)

式中:E0为额定容量;E为原动机运行容量;N为原动机数量。

ηHRSG∑Qgas≥∑HHRSG

(5)

式中:Qgas为原动机烟气携热;ηHRSG为余热锅炉效率;HHRSG为余热锅炉蒸汽产量。

∑HHRSG+∑Hgas_boil≥∑QLibr/COP

(6)

式中:Hgas_boil为燃气锅炉蒸汽产量;QLibr为溴化锂吸收式制冷机容量;COP为溴化锂吸收式制冷机制冷性能因数。

式(4)表示原动机运行容量不大于额定容量,不小于N-1倍额定容量。式(5)表示余热锅炉所产蒸汽量小于原动机烟气携热最大产汽量。式(6)表示溴化锂吸收式制冷机所需蒸汽量不大于余热锅炉与燃气锅炉所产蒸汽总量。

等式约束为:

Aeqx=beq

(7)

优化所考虑的等式约束如下[8]:

(8)

式中:Egrid为电网购电量;Qchill为电制冷机制冷量;COPchill为电制冷机性能因数;Euser为用户电量需求。

QLibr+Qchill=Quser

(9)

式中:Quser为用户制冷量需求。

HHRSG+Hgas_boil=Huser+HLibr

(10)

式中:Huser为用户蒸汽需求量;HLibr为溴化锂吸收式制冷机蒸汽需求量。

式(8)、式(9)、式(10)依次表示冷热电三联供系统输出与用户冷、热、电平衡及匹配。

3.3 优化求解

根据提出的冷热电三联供系统规划设计方案,遵循能量梯级利用原则,设计了冷热电三联供系统拓扑结构,如图1所示。

系统主要设备如下:

(1) 燃气轮机,包括100 kW、200 kW、500 kW、1 000 kW;

(2) 燃气内燃机,包括100 kW、300 kW、500 kW、1 000 kW;

图1 冷热电三联供系统拓扑结构

(3) 余热锅炉,包括1 000 kW、2 000 kW、5 000 kW;

(4) 燃气锅炉,包括500 kW、1 000 kW;

(5) 溴化锂吸收式制冷机,包括1 000 kW、2 000 kW、4 000 kW;

(6) 电制冷,包括500 kW、1 000 kW;

(7) 烟气型溴化锂吸收式制冷机,包括200 kW用于燃气内燃机、300 kW用于燃气轮机。

优化求解流程如图2所示[9-10]。

4 案例分析

4.1 典型负荷

选取典型负荷,见表1,测试上述方法的计算结果。

图2 优化求解流程

4.2 配置结果

以燃气内燃机为发电机组的系统优化配置结果见表2。

表1 典型负荷 kW

表2 基于燃气内燃机系统配置结果

以燃气轮机为发电机组的系统优化配置结果见表3。

4.3 案例A分析

案例A冷负荷需求相对电负荷、热负荷更大,规划设计方法更倾向考虑制冷需求,进而制订总体的装机容量。由于相较于燃气内燃机配置方案以电制冷为主要供冷源,燃气轮机配置方案选择溴化锂吸收式制冷机为主要供冷源,因此配置了500 kW、1 000 kW燃气锅炉各一台。当然,这会导致锅炉型号类型增加,进而增加相应的运行费用。可以看出,案例A中燃气内燃机配置方案更倾向于电制冷补给,燃气轮机配置方案更倾向于溴化锂吸收式制冷机供冷,初步分析原因是吸收式燃气轮机发电效率普遍低于燃气内燃机发电效率。

表3 基于燃气轮机系统配置结果

4.4 案例B分析

案例B电负荷相较于冷、热负荷所占比例更大,系统首先考虑满足电力供应。两种方案均选择相对接近电负荷的机组满负荷运行,同时从电网购置少量电量,满足整体的电负荷需求。燃气内燃机配置方案和燃气轮机配置方案在动力机系统选择上均选择型号一致的机组,目的是减少因机组不同而导致的附加运维成本增加。

燃气轮机发电效率一般低于燃气内燃机,因此在相同功率下,燃气轮机配置方案中可选择容量较大的余热锅炉。与案例A类似,不同于燃气内燃机配置方案选择电制冷,燃气轮机配置方案选择溴化锂吸收式制冷机作为主要供冷源。

5 结束语

对于典型冷热电三联供系统,如需要多台动力机组联合输出,应尽量选择型号一致的机组,目的是减少因机组不同而导致的附加运维成本增加。在电力负荷与机组输出不能全部匹配的情况下,相较于引入新机组,利用市电进行能量平衡补给更为经济。笔者所介绍的混合整数线性规划方法基本可以解决固定负荷需求的典型冷热电三联供系统优化配置问题,但是并没有考虑负荷爬坡率,还需要进一步研究。燃气内燃机配置方案倾向于电制冷补给,燃气轮机配置方案倾向于溴化锂吸收式制冷机供冷,两种机组效率不同,产热量不同。动力设备的余热输出应与热利用设备尽量匹配,进而减少系统投资冗余和能源浪费。