基于经济学的分布式供能系统分析评价方法

陈锦彬,陈皓勇,陈思敏,刘 欣,赵振东,陈健润

(华南理工大学电力学院,广东广州 510640)

1 引言

能源问题关乎国计民生,如何实现能源的高效、清洁利用是各个国家、机构研究的热点问题.相较于集中式供能系统,分布式供能系统具有更高的灵活性,有利于可再生能源的充分消纳,以及实现能量的梯级利用.

对分布式供能系统进行全面、准确的分析评价是后续开展系统运行优化、规划的重要基础,文献[20]从“经济、能效、环境”3个维度出发,提出了动态权重的系统评分标准.文献[21]提出利用熵权法结合专家评价法确定指标权重的系统评价方法.文献[22]根据基于层次分析的改进熵权法确定指标权重,建立VIKOR多目标决策模型进行方案的选择.

2.1 成本平衡方程

分布式供能系统由能源转换设备、能量存储设备、能量传递线/管路以及许多不同的用能负荷组成.基于经济学对分布式供能系统进行分析,需先将分布式供能系统划分成若干个子系统,可以将单一设备(能量传递线/管路也看作是一类特殊的设备)或者多个设备视为一个子系统,划分精度的不同会影响分析的难度和分析结果的精度.将子系统i视为j个输入端口,k个输出端口的枢纽,如图1所示.

图1 基于经济学的子系统模型Fig.1 Subsystem model based on exergy economics

图中:Exj代表子系统的第j种输入流,cj代表该输入流的单位经济成本,代表子系统的第k种输出流,代表该输出流的单位经济成本,Zi代表子系统i的非能量成本.

2.2 非能量成本计算模型

为了得到单位时间的非能量成本,将子系统的总非能量成本(子系统的设备成本和运行维护费用)按经济寿命周期进行折算[23],如式(2)所示:

其中:Z0表示子系统的设备成本;H表示系统年运行小时数;φ表示系统维护因子,f表示年度化因子[23–24].

2.3 输出流成本分摊计算模型

式中能质系数λ代表某种能源中Ex占能量Q的比重.

3.1 网络模型描述

图2 分布式供能系统网络模型Fig.2 Model of distributed energy supply system

2) 从距离的角度考虑.同一能源站各设备间(设备层面)进行传递所产生的损,远小于不同能源站间以及能源站向负荷进行传递(网络层面)产生的损,本文将其忽略;

综上,本文将不同能源站间或能源站向负荷供能的冷、热、气远距离传递管道作为子系统进行建模.

3.2 基于经济学的分布式供能系统统一建模

按问题分析需要,分布式供能系统可划分为m个子系统,子系统间由n种流相互关联,为统一描述以及后续计算方便,以矩阵方法对分布式供能系统加以描述.以事件矩阵A(m×n)表示子系统和流之间的联系.矩阵元素A(i×j)表示第j种流与第i个子系统的关联,+1表示第j种流流入第i个系统,−1表示流出,0表示两者之间无关联.此时可将成本平衡方程写成式(5)所示:

式中:将n种流记为对角矩阵Ex(n×n),流的单位经济成本记作矩阵c(n×1),m个子系统的非能量成本记为矩阵Z(m×1).

当忽略非能量成本,仅对能量成本进行探究时,令Z=0,有

式中c′代表流的单位能量成本矩阵.

式中A1(s×n)是输入流矩阵,代表有s种输入供能系统的流成本已知,矩阵中仅输入流对应元素位置为+1.C代表已知输入流成本矩阵.

2) 成本分摊方程的矩阵表示形式.

式(8)为式(4)对应矩阵表达形式,其中A2(r×n)为输出流能质系数矩阵.

为便于求解,将式(5)(7)(8)整理成统一形式可得

4.1 分布式供能系统评价指标

能量分析法跟踪能量在系统各传递过程中“数量”上的变化,却忽略了“品质”的改变.分析法提出的概念来弥补这一不足.本文将损和效率作为系统能耗特性的评价指标,其中,以损表征传递过程中能量品质的降低和做功能力的下降,效率表征系统中设备、环节对的利用程度.

经济特性是系统性能评价的重要方面,综合考虑能耗特性和经济特性两个维度,才能对分布式供能系统的性能进行更全面的分析评价.的价格化是分析走向实用化的必由之路[11],本文将损成本和经济系数作为系统经济特性的评价指标,其中,以损成本表征传递过程中能量品质降低所带来的经济损失,以经济系数表征系统节能经济性潜力.

其中:Exloss代表子系统的损,Exin代表子系统的输入流,Exout代表子系统的输出流.效率表示子系统各种输出流之和与各种输入流之和的比值,如式(11)所示:

其中:Closs代表子系统的损成本,closs代表子系统损的单位经济成本.

其中fEx代表子系统的经济系数.

4.2 分布式供能系统评价流程

设计分布式供能系统分析评价流程如图3所示.首先,基于本文提出的流成本计算方法,建立分布式供能系统的经济学模型;继而,求解模型得到分布式供能系统的能耗特性指标与经济特性指标;其次,根据指标进行性能分析,对系统和生产工艺流程性能进行评价;最后根据分析评价结果提出改进系统性能的建议.

图3 基于经济学的分布式供能系统分析评价流程Fig.3 Analysis and evaluation process of distributed energy supply system based on exergic economic

其中,求出分布式供能系统的能耗特性指标后,对各子系统进行损的横向比较,并将子系统的效率和同类型设备进行比较,从而对各子系统的能耗特性进行评价;求出分布式供能系统的经济特性指标后,将各子系统运行产生的损成本进行横向比较,对各子系统的经济特性进行评价,而经济系数是将系统能耗特性与经济特性相关联的关键指标,为系统性能优化指明了方向.如图4所示,增加非能量成本的投入可以使系统的效率提高,能耗特性提升,系统总成本先下降再上升,将总成本达到最低时对应的称为参考值.当小于参考值时,通过更换设备等方法增加非能量成本的投入可以同时实现能耗特性和经济特性的优化;当大于参考值时,能耗特性已达到较高水平,若继续追加非能量成本,以经济特性的大幅下降换取能耗特性的小幅提升,代价太大,此时,则应从分布式供能系统整体出发,优化生产工艺流程.

图4 子系统性能–成本变化曲线Fig.4 Subsystem performance–cost curve

根据不同应用场景对系统性能的要求,设置能耗特性和经济特性的权重,选择不同的目标fEx,从而采取不同的改进措施,实现系统性能的优化.根据子系统类型将常见的改进措施分类汇总如表1所示.下文继续将此种分析评价方法在某供电局分布式供能系统的案例中进行具体应用.

表1 分布式供能系统性能改进措施Table 1 Performance improvement measures of distributed energy supply system

5 算例分析

5.1 工程算例

为了验证此种分析评价方法的正确性和实用性,对某供电局的分布式供能系统进行建模,并由计算结果对该分布式供能系统的能耗特性、经济特性进行分析评价.

该分布式供能系统使用燃气轮机发电供给办公楼中央电空调制冷使用,缺口电量经由电网购电补足,天然气燃烧产生的高温余烟,通过溴化锂吸收制冷机组进行制冷,经由冷水管道向办公楼供冷,办公楼需要的冷量由溴化锂制冷机组和中央电空调共同供给.根据前述原理和各子系统间能量传递、转换关系,该分布式供能系统网络模型如图5所示.

图5 某供电局分布式供能系统网络模型Fig.5 Distributed energy supply system model of a power supply bureau

对该分布式供能系统进行数据采集时,环境温度为34.6℃,电价为0.9元/kWh,天然气价格为2.0元/m3,天然气低位发热值9.77 kWh/m3,燃气轮机排气温度为280℃,溴化锂机组排烟温度为160℃,系统各流值如表2所示[25].

表2 分布式供能系统流参数Table 2 Exergy flow parameters of distributed energy supply system

表2 分布式供能系统流参数Table 2 Exergy flow parameters of distributed energy supply system

该分布式供能系统涉及到的设备造价分别是:微燃机组造价为700元/kW;中央电空调造价为3450元/kW,溴化锂制冷机组造价为1017元/kW[26],冷水管道造价为500元/m[27].为进一步确定各流的单位经济成本,对各子系统的非能量成本进行计算,得到各子系统的非能量成本汇总如表3所示.

表3 子系统非能量成本Table 3 Subsystem cost and non-energy cost

将本文所提按能质系数分摊方法与传统分摊方法对比,计算得到各股流成本汇总如表4所示.可以看出,传统分摊方法下燃气轮机产生的两种产品的单位经济成本都为0.4266元/kWh,不符合优质优价的规律.按能质系数分摊方法,电成本为0.5409元/kWh,热成本为0.2400元/kWh,体现了价值差异.

表4 分布式能源系统各流单位经济成本Table 4 Unit cost of exergy flow in distributed energy system

表4 分布式能源系统各流单位经济成本Table 4 Unit cost of exergy flow in distributed energy system

5.2 系统性能分析评价与改进建议

图6 流数量和单位经济成本变化Fig.6 Exergy quantity and unit exergy economic cost change

由图6可以看出,溴化锂制冷机组向负荷供冷时在传递管道内产生了9.2280 kW的损,使得供应到冷负荷的冷成本上升了39%,由此说明,在网络中传递产生的损耗对流成本分析不可忽视,验证了本文所提模型的优越性.

表5 各子系统能耗特性和经济特性参数Table 5 The energy consumption characteristic and economic characteristic parameter of each subsystem

图7 各子系统非能量成本、损成本比例Fig.7 Proportion of non-energy cost and total exergic loss cost of each subsystem

6 结论

为了更全面地对分布式供能系统的性能进行分析评价,本文建立了基于经济学的分布式供能系统统一分析模型,并设计了分布式供能系统分析评价方法和流程,最后以某供电局分布式供能系统为例进行分析验证,结果表明:1)与传统分摊方法相比,按能质系数分摊方法可以反映不同种类能源价值的差异;2)本文所提基于经济学的分布式供能系统统一分析模型,可以充分考虑到网络传递中损的影响,准确计算系统各流成本;3)综合考虑能耗特性和经济特性,才能对系统性能提出更全面、准确的评价,并据此改进系统性能.本文工作可为分布式供能系统节能改造提供科学参考.