基于经济性分析的机场综合能源系统配置优化研究

张桓瑞，麦云峰，叶翠，李莹，魏华帅

(1.广东省机场管理集团有限公司，广州 510000；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；3.大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心，南京 210096)

长久以来，煤、石油和天然气在我国能源消耗量中超过90%，直到2013年之后，以太阳能和风能为代表的可再生能源利用技术的发展，我国煤、石油和天然气消耗量才降低至总的能源消耗量的90%以下[1]。“十四五”规划和2035年远景目标纲要又提出了碳中和、碳达峰和构建现代能源体系的要求，构建现代能源体系明确指出了要建设一批多能互补的清洁能源基地[2]。在这样的背景下如何克服光伏和风力的缺陷，综合使用光伏、风力和传统能源，稳定输出电、热和冷的综合能源系统(Integrated energy system，IES)成了新一代能源革命中必然的发展方向之一。

IES可因地制宜，在一次能源端选择不同的组合，例如：水能、风能、太阳能和天然气，建设与区域能源生产相适应的能源供应系统。在用户端又可以采用热电联产、冷热电三联供等技术为用户提供全面稳定的能源。

综合能源系统在工业园区和居民园区的应用已得到论证，对于工业化园，孙可[3]从储能的角度入手，研究发现冰蓄冷并联方式的储能的日运行费用比不采用储能系统方式低了79.7%。徐航[4]则是通过将不同品味的能源阶梯综合利用使系统的日运行费用降低了15.8%。对于居民园区，孙鸣[5]研究了不接入电网的风力发电和天然气综合能源系统，验证了风力资源与热负荷的同步性，可以用风力发电很好的满足居民热需求。

综合能源系统在机场的应用也十分值得期待。到2035年，我国将建成大约400个机场，需要在目前241个机场的基础上，平均每年新建超过十个机场[6]。在大搞建设的同时，民用航空发展规划中提出要建设民航绿色低碳工程，优化机场能源结构，提高清洁能源占比。因此，减少煤炭等非清洁能源的消耗，研究适用于机场的综合能源系统，实现天然气和太阳能等清洁能源对煤炭的替代，已成了迫在眉睫的任务。目前已有许多科研人员对综合能源系统在机场的应用做了研究。

机场地势平坦，航站楼受太阳直射的条件适合布置光伏电池[7]，而且机场选址对当地气象条件有较严格的要求以保证安全运行，因此在机场综合能源系统中多选用太阳能而非风能作为系统的可再生能源部分。

未来新建和扩建的机场需要在飞机辅助动力装置和机场内汽车上实现电能对燃油的替代，这使得机场的电负荷大量增加，如果全部使用电网供电，则电网输电压力大，会增加大量建设成本[8]，并且只是把碳排放转移到了火力发电厂，并不符合低碳发展目标。而基于光伏和氢燃料电池的机场综合能源系统却可以相较于常规能源系统年总成本和碳排放总量分别下降41.6%和67.29%[9]。

此外可以通过冷热电三联供设备满足机场的冷负荷和热负荷，但是传统的冷热电三联供设备会由于冷热电负荷的波动与不同步导致效率低下[10]，因此，通常引入储能设备来平抑负荷波动，提高机场综合能源系统的效率，降低其成本[11]。

机场作为高电耗的大工业用户，购电方式一般为两部制分时电价，即总的购电价格包括容量价格和电量价格两部分，且用电高峰期与低谷期电价不同[12]。但是对机场的综合能源系统配置的研究中很少考虑两部制分时电价。

基于以上IES研究的现状，本文针对某机场的负荷需求，以经济性为指标，利用Gurobi进行求解，配置采用燃气轮机(GT)、光伏电池(PV)、蓄电池(BAT)、燃气锅炉(GB)、储热罐(HST)、制冷机(RF)和两部制分时电价的综合能源系统并进行分析。

1 综合能源系统模型

1.1 综合能源系统结构

本文所采用的综合能源系统如图1所示，利用燃气轮机、光伏发电以及向外部电网购电，满足机场的电力负荷。使用燃气锅炉及燃气轮机余热满足机场用户热负荷，储热罐和蓄电池分别用来调节热电负荷与综合能源系统输出的波动。使用电制冷机满足机场的冷负荷。

图1 综合能源系统结构图

1.2 系统目标函数

本文所述综合能源系统的目标是实现更高的经济性，并且综合考虑低碳指标，目标函数应使系统总成本最低，同时也需额外计算该系统使用天然气的碳排放量。

1.2.1 经济性指标

系统的总成本如式(1)所示：

minC=Cinf+Com+Cgas+Cbuy

(1)

式(1)中，C为综合能源系统运行一年的总成本，元；文中一年为364 d，每天分为24 h，其中标准夏季日占四分之一，为91 d；标准冬季日占四分之一，为91 d；过渡季占二分之一，为182 d；Cinf为设备的初始投资，元；Com为设备的运行维护费用，元；Cgas为购置天然气的成本，元；Cbuy为电成本，元。

(2)

式(2)中，k表示IES中的各设备；K表示总设备数量；B表示设备的资金回收系数，Cinf，k表示各设备单位容量的初始投资成本，元/kW；Pcap，k表示各设备的容量，kW。

(3)

式(3)中，i表示银行年利率，本文取为6.7%；n表示各设备的使用年限，本文中统一选定为15年。

(4)

式(4)中，Com，k表示各设备单位出力的运行维护成本，元/kW；Pk(t)表示各设备的t时刻的运行功率，kW。

(5)

式(5)中，Cbuy表示该机场所在地的分时电价，元/kW·h；Pbuy(t)表示综合能源系统在t时刻的购电量，kW·h；m表示月份；Cemax为使用每单位容量电能每月需要向电力公司支付的价格，元/kW；Pbuy，max(t)表示当月的最大购电功率，kW。

(6)

式(6)中，Cgas表示该机场所在地区每立方米天然气的成本，本文取Cgas为3元/m3；Vgt(t)和Vgb(t)分别表示在t时刻燃气轮机和燃气锅炉消耗的天然气体积，m3。

1.2.2 碳排放量计算

综合能源系统一部分碳排放来自天然气燃烧产生的二氧化碳，一部分来自电网购电，这些电能在生产过程中产生碳排放。综合能源系统的碳排放量可用式(7)表示。

(7)

式(7)中，Eco2表示IES一年内总的碳排放量，kg；egas表示每立方米天然气燃烧产生的碳排放量，kg/m3；Vgt(t)和Vgb(t)分别表示燃气轮机和燃气锅炉第t各小时消耗的天然气量，m3；eelec表示火力发电厂每生产1 kW·h电能所产生的碳排放，kg/kW·h；Pbuy(t)表示综合能源系统在第t个小时的购电量。

1.3 系统约束条件

1.3.1 负荷平衡约束条件

系统在运行时，受到电、热和冷三种能量平衡的约束，在标准夏季日，供热系统不运行。标准冬季日和过渡季，供冷系统不运行。

对于电平衡，燃气轮机的发电功率、光伏发电功率、蓄电池放电功率、购电量与机场用户用电、制冷机用电保持平衡。

Pgt(t)+Ppv(t)+Pbat(t)+Pbuy(t)=Peload(t)+Prf(t)

(8)

式(8)中，Pgt(t)表示燃气轮机在t时刻的发电功率，kW；Ppv(t)表示光伏电池在t时刻的发电功率，kW；Pbat(t)表示在t时刻蓄电池的充放电功率，规定放电为正值，充电为负值，kW；Pbuy(t)表示在t时刻系统向外部电网的购电量，kW；Peload(t)表示在t时刻机场用户的用电负荷，kW；Prf(t)表示在t时刻制冷机的运行功率，kW。

对于热平衡，燃气轮机发电的余热、燃气锅炉供热和储热罐放热共同平衡机场用户的热负荷。

Qgt(t)+Qgb(t)+Qhst(t)=Qhload(t)

(9)

式(9)中，Qgt(t)表示在t时刻燃气轮机余热供应到热网中的部分，kW；Qgb(t)表示燃气锅炉在t时刻的供热功率，kW；Qhst(t)表示在t时刻储热罐的吸热与放热功率，规定放热为正，吸热为负，kW；Qhload(t)表示在t时刻机场用户的热负荷，kW。

由电制冷机来满足机场用户的冷负荷。

Qrf(t)=Qcload(t)

(10)

式(10)中，Qrf(t)表示在t时刻制冷机的制冷功率，kW；Qcload(t)表示在t时刻机场用户的冷负荷，kW。

1.3.2 设备运行特性约束

进行配置优化计算时，系统内各设备的状况必须符合实际的运行特性，因此需要对IES内的各个设备设置运行特性约束。

对于燃气轮机，当其运行功率小于20%额定容量时，发电效率将大幅降低，所以需要将其运行功率保持在20%额定容量以上，不能小于启动功率，不能大于装机容量，且燃气轮机的发电功率与余热产量与其所消耗的天然气体积有关。此外，燃气轮机在功率爬坡时，爬坡速度有限，设置燃气轮机每小时功率变动不得超过最大功率的20%。

0.2Pgt，max≤Pgt(t)≤Pgt，max

(11)

(12)

Pgt(t)=ηgtQgasVgt(t)

(13)

-0.2Pgt，max≤Pgt(t)-Pgt(t-1)≤0.2Pgt，max

(14)

式(11)～(14)中，Pgt，max表示燃气轮机的额定功率，kW；Pgt(t)表示在t时刻燃气轮机的运行功率，kW；Qgt(T)表示燃气轮机余热中供应到热网的部分，kW；ηgt和ηl，gt分别表示燃气轮机的发电效率和散热损失系数；Qgas表示天然气的热值，取为9.7 kW·h/m3；Vgt(t)表示在t时刻燃气轮机消耗的天然气体积，m3。

对燃气锅炉而言，低负荷运行会导致燃烧不稳或是熄火，所以其运行功率同样需要保持在一定范围内，不能小于额定容量的30%，且其产热功率受到天然气消耗量限制。

0≤Qgb(t)≤Qgb，max

(15)

0.3Zgb1Qgb，max≤Zgb1Qgb(t)≤Zgb1Qgb，max

(16)

Qgb(t)=ηgbQgasVgb(t)

(17)

Zgb1(t)+Zgb0(t)=1

(18)

式(15)～(18)中，Pgb(t)表示在t时刻燃气锅炉的产热功率，kW；Qgb，max表示燃气锅炉的配置容量，kW；Zgb1(t)和Zgb0(t)分别表示燃气锅炉的运行和静置表示，只能取值1或0；ηgb表示燃气锅炉的效率。

对于蓄电池来说，为了增强安全性和延长蓄电池寿命，其剩余电量应不能高于额定容量的90%且不能低于额定容量的30%，充放电速度也应满足约束，且要考虑蓄电池在充放电过程中的能量的耗散和一天结束后剩余电量应恢复原来的状态。

0≤Pbat(t)≤Pbat,max

(19)

0.3Ebat,max≤Ebat(t)≤0.9Ebat，max

(20)

Ebat(t+1)=Ebat(t)+ηbatPbat，cha(t)Δt-

(21)

Pbat(t)=-Zbat，cha(t)Pbat，cha(t)+Zbat，dis(t)Pbat，dis(t)

(22)

Zbat，cha(t)+Zbat，dis(t)=1

(23)

式(19)～(23)中，Pbat,max表示蓄电池的最充放电功率，kW；Ebat，max表示蓄电池的最大容量，kW·h；Ebat(t)表示蓄电池在t时刻的电量，kW·h；Pbat，cha(t)和Pbat，dis(t)分别表示蓄电池充放电功率；ηbat表示蓄电池的充放电效率；ZVbat，cha(t)和Zbat，dis(t)分别为蓄电池的充放电标识，取值0或1。

储热罐与蓄电池相似，需要满足吸热放热速度约束,储热罐容量约束，一天结束后状态还原约束。

0≤Qhst(t)≤Qhst，max

(24)

0.3Ehst，max≤Ehst(t)≤0.9Ehst，max

(25)

Ehst(t+1)=Ehst(t)+ηhstPhst，cha(t)Δt

(26)

Phst(t)=-Zhst，cha(t)Phst，cha(t)+Zhst，dis(t)Phst，dis(t)

(27)

Zhst，cha(t)+Zhst，dis(t)=1

(28)

式(24)～(28)中，Qhst,max表示储热罐最大热交换功率，kW；Ehst,max表示储热罐最大储热量，kJ；Ehst(t)表示储热罐在t时刻的储热量，kJ；Phst,cha(t)和Phst,dis(t)分别表示储热罐吸热放热功率；ηhst表示储热罐的热交换效率Zhst,cha(t)和Zhst,dis(t)分别为储热罐的吸热放热标识，取值0或1。

电制冷机在运行过程中需要满足机场用户的冷负荷。

0≤Prf(t)≤prf，max

(29)

Qrf(t)=COPrfPrf(t)

(30)

式(29)和式(30)中，Prf(t)表示在t时刻制冷机的运行功率，kW；prf,max表示制冷机的额定功率，kW；Qrf(t)表示t时刻制冷机的制冷量，kW；COPrf表示制冷机的制冷效率。

2 算例分析

2.1 机场负荷情况

使用上述IES模型对国内某机场进行优化配置分析，对其一个标准夏季日、一个过渡季日与一个标准冬季日内的负荷进行配置。机场机场逐时负荷图如图2所示。

图2 机场逐时负荷图

2.2 设备配置及购电成本

两部制电价的容量价格部分由每个月的峰值购电功率决定，价格Cemax为42元/kW，大工业用户两部制分时电价[13]如图3所示。

图3 大工业用户两部制分时电价

IES的设备初始投资与运维成本见表1，设备性能参数与场景参数见表2[14]。

表1 IES的设备初始投资与运维成本

表2 设备性能参数与场景参数

2.3 场景设置

本文分别设置了两种场景，场景1采用上文所述的IES模型，场景2仅采用燃气锅炉满足机场用户热负荷，使用电制冷机满足机场用户冷负荷，其余电负荷直接向电网购电。计算两种场景的总成本与碳排放，通过对比两种场景的成本和碳排放量来验证IES的经济性和低碳性。

2.4 优化配置结果

对于上述场景1和场景2，本文采用Ylmip建模工具，调用Grobi求解器进行求解，获得了该机场IES基于经济性分析的最优化容量配置及两场景具体的成本。容量配置结果见表3，各项成本见表4。

表3 容量配置结果

表4 各项成本

由表3和表4可知，与不使用IES的场景2相比，场景1在一年内的综合成本下降了16.2%；虽然IES的初始投资和运行维护成本较高，但后续的购电成本仅为场景2常规能源系统的34.3%。并且因为IES可以使用燃气轮机的余热来向用户供热，其需要配置的燃气锅炉容量也仅有8 704 kW，约为场景2常规能源系统的57.3%，年总碳排放量也降低至场景2的57.7%。综合来看该用于机场的IES相对于常规能源系统经济性和环保性都有了大幅提升。

2.5 优化运行策略

IES在一个标准夏季日一个过渡季日与一个标准冬季日内的运行策略如图4、图5和图6所示。

图4 电负荷平衡图

图5 IES购电量图

图6 热负荷平衡图

由图4和图5可知，该IES可以在吸纳光伏发电量的同时很好的满足电功率平衡约束。

由于电制冷机和燃气锅炉的投入使用，标准夏季日的用电量远高于标准冬季日和过渡季日，如果使用容量较大的燃气轮机，在夏季日燃气轮机可以高负载运行，但到了过渡季日和冬季日，由于电制冷机停用大致电负荷大幅降低则会导致燃气轮机长时间低功率运行，造成浪费，所以IES在标准夏季日运行时大量购电来满足电制冷机的需求，而燃气轮机的容量主要由冬季的电负荷确定。

在0～24时(标准夏季日)，机场用户没有热负荷，所以只需要分析电负荷平衡优化情况，0～4时电负荷较低、光伏发电量较少且电价处于低谷期时，系统靠购电和燃气轮机发电满足电负荷，并且向蓄电池蓄电；5～12时，电负荷上升，购电价格进入平时期和高峰期，光伏电池也已经开始投入运行，此时系统购电量先是由于光伏电池开始发电而降低，又随着电负荷的增量超过光伏电池出力的增量开始增大。与此同时，燃气轮机出力也随着电负荷增大而提高，直到9时以后燃气轮机出力达到最大，购电量也因燃气轮机出力的增大而短暂降低；12～14时，电负荷继续上升，购电价格进入平时期，因此燃气轮机出力也暂时降低；14～16时，电负荷逐渐达到峰值，购电价格再次进入高峰期，燃气轮机再次满负荷运行；16～19时，电负荷维持在高位，购电价格降低，购电量达到峰值，燃气轮机出力开始降低蓄电池放电；19～22时，购电价格上升，燃气轮机再次满功率发电，蓄电池在此时放电，购电量开始大幅下降；22～24时，电负荷大幅降低，购电价格也降至低谷期，光伏发电已经停止运行，因此燃气轮机降低运行功率，购电量也减少。

对于过渡季日和标准冬季日，系统的运行状况需要同时考虑电负荷和热负荷。此外，由于过渡季日和标准冬季日的电负荷远低于标准夏季日，燃气锅炉和光伏电池的组合基本可以满足大部分时间的电负荷，购电时段与购电量均少于标准夏季日。

由于标准冬季日的热负荷高，燃气轮机的余热可以得到充分利用，燃气轮机运行的性价很高，所以燃气轮机除了在购电价格低谷期(49～56时和71～72时)和电负荷低于燃气轮机容量的时段，其余时间基本保持满负荷运行，电量不足的部分由光伏电池和购电补足。热负荷则是优先吸收燃气轮机余热，剩余部分由燃气锅炉产热满足，在热负荷较低的49～54时，储热罐储热，并且在热负荷最高的55～57时放热，以此降低燃气锅炉的容量，降低初始投资成本。

过渡季日的热负荷相比标准冬季日低，如果燃气轮机满负荷运行，则余热不能得到完全利用，这会导致严重的浪费，因此，系统选择在热负荷低的时段(34～42时)降低燃气轮机的运行功率，电量不足的部分由购电和光伏电池满足。热负荷则主要由燃气轮机余热和储热罐来满足，只有在31～32时的热负荷高峰期需要短暂启动燃气锅炉供热。

此外，根据图6可以看出，购电量并不会出现在某短暂尖峰，而是持续维持在峰值水平一段时间，这是因为采用两部制电价进行优化配置每月的最大购电量过大会增加大量容量电价成本，所以系统的优化结果压平了购电量峰值。

实际上两部制电价的容量成本正是反应发电过程中的固定成本，如设备折旧费、管理费和维修费，无论电厂每天满负荷运行24 h，还是仅在高峰运行几小时，这些费用都不会变[14]。采用两部制分时电价对综合能源系统进行优化，既符合机场作为大工业用户的实际，又可以降低购电量峰值，降低电厂的运行成本，无形中也节约了资源，降低了碳排放。

3 结语

IES在将来是否能广泛的运用于各种场景，关键在于其是否具有比常规能源系统更强的经济性，本文通过设立经济性指标和碳排放指标，建立机场IES模型进行模拟，将结果与常规能源系统进行对比发现：

(1)在本文的机场应用场景中，IES相对于常规能源系统的年综合成本降低了21.8%，经济性提升明显。

(2)该机场IES的年综合碳排放仅为常规能源系统的57.7%，碳排放量显著降低。

(3)该机场IES在运行过程中可以很好的满足机场用户的负荷的同时，选择经济性最优的运行方式。

(4)在过渡季日的运行优化中，出现了燃气锅炉于31～32时短暂启动的情况，与现实相悖，这主要是因为没有考虑燃气锅炉每次停机再启动都需要成本，未来还需要更加详细的模型进行进一步计算。

以上结果表明，通过构建IES并进行恰当的容量配置，可以实现机场能源系统性能的较大提升，值得推广。