区域分布式能源系统的运行优化研究

胡慧忠

上海电力大学能源与机械工程学院

关键字：分布式能源；数学模型；运行优化策略

1 区域分布式能源系统介绍

上海某旅游度假区的联供系统占地面积9 068㎡，如图1所示。该联供系统由燃气内燃机、溴化锂吸收式制冷机、燃气锅炉、离心式冷水机、蓄水槽和发电机组成。联供系统的工作流程为：燃气在内燃机内燃烧发电，产生的烟气余热作为驱动热源进入溴化锂制冷机制热/制冷。溴化锂制冷机制热/制冷部分不满足用户热负荷和冷负荷的部分由燃气锅炉和离心式制冷机组提供。蓄水槽夏季蓄冷、冬季蓄热，满足系统的峰值负荷需求，并提升系统供能的稳定性。

图1 燃气内燃机联供系统简图

2 用户负荷需求

图（2-1、2-2、2-3）分别为该旅游度假区夏季、秋季及过渡季节各典型日的负荷特性。本文定义的季节：夏季为6-9月（四个月），共122天；冬季为11-12月和1-2月（四个月），共120天；其他月份都属于过渡季。

图2 -1夏季典型日冷负荷和电负荷需求图

图2 -2冬季典型日热负荷和电负荷需求图

图2 -3过渡季典型日冷、热、电负荷需求图

3 系统的设备参数及投资价格

天然气价格和峰谷电价对燃气三联供系统的运行收益起着重要的作用，表3-1为上海该旅游度假区能源站购入燃气价格和峰谷电价，表3-2为联供系统主要设备的投资，表3-3为联供系统主要设备的参数。其他经济性参数：残值率ϑ=0，年利率i=0．05，y=15，φ=0.03[1,2]。

表3-1 峰谷电价和天然气价格

表3-2 联供系统的主要设备投资

表3-3 联供系统设备参数

4 优化计算

目标函数：

约束条件：

根据案例的实际数据，通过运用遗传算法对模型进行计算，得出以下计算结果：

经济性：

年供电收益Cine=4059.09504()万元，

年制冷收益Cinc=3663.5288()万元，

年供暖收益Cine=1834.30656()万元；

消耗费用：

年初投资费用JCOST=1898.86372()万元，

年维修费用JWX=593.14344()万元，

年运行费用JOC=6925.477578()万元；

因此，经计算得出系统的年净收益C=133.48286()万元。

节能性（㶲效率）：

在夏季，根据用户的冷电负荷需求，在保证经济性的前提下，关于节能性的计算存在两种情况：（1）当系统的供电量满足用户电负荷需求时，系统的最佳㶲效率为0．345；（2）当系统的供电量不能满足用户端电负荷需求时，系统的最佳㶲效率为0．376。在冬季，根据用户的热电负荷需求，由于系统的供电量始终能满足用户端电负荷需求，因此，在经济性的基础上，系统的最佳㶲效率为0．207。

5 系统优化运行分析

5.1 夏季典型日优化运行方案设计与结果

如图5-1（a）所示，旅游度假区在上午9∶30开门入园，10∶00开始允许进入游乐区。随着温度的升高和游客的持续进入，度假区对冷量的需求从9∶00开始不断增加，负荷进入高峰期。

图5-1（a）

在此期间，度假区在上午10∶00之前，由于旅游度假区未到达高峰期，因此只有溴化锂主机提供冷量，溴化锂主机开始满负荷运行，同时离心式水冷机单独开启提供冷量，蓄水槽将前一天晚上积蓄的冷量释放出来。21∶00以后，冷负荷需求主要来自度假区的酒店，相比白天冷负荷高峰期，夜间只需由溴化锂制冷机供冷。由于在夜间的电价处于谷时，因此，此时可开启离心式制冷机，离心式冷水机组产生的冷量将会被储存在蓄水槽中，既可以为白天的调峰做准备，也可以当溴化锂制冷机出现故障时，保障酒店的用冷正常供应。此方案不仅增加了经济效益，也充分利用了冷能。

本文的案例夏季采用以冷制电的模式，如图5-1（b）所示，夏季度假区处于旅游旺季，游客较多，不仅冷负荷需求大，用电量需求也很大，在用电高峰期，内燃机发电量远远不满足用户用电需求，因此需要从外网购电。从外购买的电量不仅要提供给用户端，还要提供给离心式制冷机，确保用户端供冷稳定。通过优化系统的运行策略，系统的节能性和经济性均得到保障。

图5-1（b）

5.2 冬季典型日优化运行方案设计与结果

如图5-2（a）所示，冬季6∶00-9∶00，度假区酒店用热需求增加，9∶00-11：00，随着游客陆续进入度假区游乐园，度假区游乐园的热需求处于高位。为了保证热能的充分利用和度假区的用热稳定，6∶00-11∶00，溴化锂机组满负荷运行，燃气锅炉也处于高负荷运行状态，同时蓄水槽中的热量开始被释放，以缓解供热压力。11∶00-18∶00，热负荷供应趋于稳定，燃气锅炉提供的多余热量将储存在蓄水槽。19∶00以后，度假区酒店的热负荷需求开始增加，蓄水槽中的热量将释放出来，以满足峰值负荷的需求。夜间的热负荷处于低谷期，燃气锅炉产生的多余热量会储存在蓄水槽中，为白天的调峰做准备。如图5-2（b）所示，根据用户冬季负荷特征，不需要从外部购电，由于热负荷需求比较大，内燃机和溴化锂机组满负荷运行。

图5-2(a)

图5-2(b)

5.3 过渡季典型日优化运行方案设计与效果

过渡季度假区冷热负荷需求相对较少，同时存在冷热负荷的需求。根据冷负荷特征，如图5-3(a)所示，在过渡季典型日00∶00-6∶00期间，度假区对冷量的需求比较低，此时，开启离心式冷水机供给用户冷负荷，离心式冷水机产生的多余冷量可储存在蓄冷槽。6∶00-9∶00期间，用户冷量需求低，可由蓄水槽供冷满足。10∶00-19∶00，冷负荷需求进入高峰期，开启溴化锂冷水机和蓄冷槽共同为用户供冷。夜间，用户冷负荷需求低，只开启离心式冷水机组提供冷量，直到第二天上午6∶00。由上述冷水机组的运行状可知：22∶00-6∶00，仅开启离心式冷水机，满足用户冷需求之外的多余冷量储存在蓄水槽，6∶00-9∶00由蓄水槽供冷，10∶00-19∶00溴化锂冷水机和蓄水槽供冷。

图5-3(a)

根据热负荷特征，如图5-3(b)所示，过渡季的热负荷需求主要是在 00∶00-11∶00 和 18∶00-24∶00。在此期间，主要由溴化锂冷水机和蓄水槽共同为系统供热，8∶00-10∶00，热负荷较高，由溴化锂冷水机和燃气锅炉共同为系统供热。11∶00-17∶00，用户热负荷需求较低，由燃气锅炉向用户供热，多余的热量将会储存在蓄水槽，蓄水槽中的热量将在热负荷需求处于高负荷时释放出来。

图5-3(b)

如图5-3(c)所示，由于冷热负荷需求较小，为了使设备处于高负荷运行状态，并考虑用户的用电需求，早上，只需一台内燃机进行供电，其余的电负荷由电网提供。该运行策略能使系统的设备都处于高运行状态中，使系统产生的能量得到充分利用。

图5-3(c)过渡季典型日优化结果

由以上各季节的分析得出：

（1）夏季典型日，夜间负荷较白天工作时段小，溴化锂负责向用户供冷。由于夜间谷时电价低，开启离心式冷水机制冷并将其产生的冷量储存蓄水槽中。

（2）冬季典型日，上午和傍晚处于热负荷高需求阶段，此时开启溴化锂冷水机、燃气锅炉和蓄水槽同时供热，满足度假区的高负荷需求。下午客流稳定，热负荷小，夜间热负荷也有所下降，机组产生的多余热量也会储存蓄水槽中，为高峰期热需求储备能量。

（3）过渡季典型日，冷热负荷需求均较小，只需开启2台内燃机组和溴化锂机组。冷负荷：早晨和夜晚单独开启离心式制冷机即可基本满足用户侧需求，蓄水槽的冷量在白天释放。热负荷：傍晚和夜间只开溴化锂冷水机，上午由溴化锂冷水机和燃气锅炉共同为系统供热。下午由燃气锅炉向用户供热，产生的多余热量将会储存在蓄水槽中。所储热量基本在夜间释放。蓄能装置大大降低了联供系统在过渡季的运行成本。

以上运行策略不仅能使系统设备处于较高负荷运行区间，而且同时实现了能量的高效利用，使系统获得可观的经济收益。

8 小结

与集中式能源系统相比，分布式能源系统具有独立、高效、节能、环保、经济等优势。将有助于对燃气三联供系统的节能性与经济性相结合的研究和分布式能源系统的发展。

本文以上海某旅游度假区的燃气分布式冷热电三联供系统作为研究案例，确立了以年净收益为目标函数，以能量平衡作为约束条件，结合㶲效率分析的优化数学模型，基于用户端实际负荷需求和系统设备的参数、供能价格、购能价格等各类参数，在保证经济性和节能性的前提下，采用MATLAB遗传算法对研究案例进行分析计算，最终获得年净收益、相应的㶲效率和夏季、冬季、过渡季各典型日的运行优化策略。

在统筹考虑燃气三联供系统的经济性与节能性后得出的运行优化策略对提高全国各地区三联供系统的运行策略的节能性和经济性有借鉴指导意义，对分布式能源系统在各地区的推进发展有促进作用。