分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化對比分析

周 華 姚 群

周 華 姚 群

中冶華天工程技術(shù)有限公司 南京 210019

【摘 要】針對目前分布式能源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，介紹分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的不同方向，重點(diǎn)對系統(tǒng)設(shè)計方案改進(jìn)、系統(tǒng)評價準(zhǔn)則優(yōu)化、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等方面對比分析，進(jìn)一步深化研究發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】分布式能源；系統(tǒng)優(yōu)化；評價準(zhǔn)則；運(yùn)行優(yōu)化

0引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)和節(jié)能要求越來越嚴(yán)格，分布式能源系統(tǒng)作為新型能源系統(tǒng)，迎來了其快速發(fā)展的階段。但分布式能源也面臨初始投資大，評價指標(biāo)混亂，冷熱電聯(lián)產(chǎn)輸出平衡等問題，現(xiàn)如今分布式能源系統(tǒng)的研究除了主要設(shè)備（如燃料電池、斯特林發(fā)動機(jī)等）的研發(fā)外，主要集中在系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)、系統(tǒng)的評價準(zhǔn)則優(yōu)化、系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化等方面。

1分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)種類很多，主要可分為燃用化石能源、利用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等幾種。燃用化石能源的動力裝置有：燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池；利用可再生能源有太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)等可再生能源綜合利用系統(tǒng)；燃用二次能源的如氫能。

根據(jù)用戶側(cè)需求不同，則可分為電力單供、熱電聯(lián)產(chǎn)方式（CHP）和熱電冷三聯(lián)產(chǎn)（CCHP）等方式[1]。DER組成：發(fā)電設(shè)備（汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)、燃料電池）、供熱或制冷設(shè)備（吸收式冷/熱水機(jī)組、電制冷機(jī)組）、鍋爐或蓄熱系統(tǒng)、汽水換熱器、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等。本文主要對傳統(tǒng)動力系統(tǒng)進(jìn)行對比分析研究。

2系統(tǒng)設(shè)計方案改進(jìn)

在系統(tǒng)配置和設(shè)計方案改進(jìn)方面，國內(nèi)外對分布式能源的動力配置、回?zé)嵫h(huán)、HAT循環(huán)（濕空氣透平循環(huán)）、燃?xì)廨啓C(jī)注入蒸汽（STIG）、制冷系統(tǒng)、蓄能裝置等方面做了詳細(xì)的研究。

2.1 動力裝置性能對比

內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)：投咨成本低，啟動快，運(yùn)行可靠性好，變工況運(yùn)行效率高，適用不同能源（天然氣、輕油、重油），是IMW以下使用較多的發(fā)電設(shè)備。缺點(diǎn)：噪音大、運(yùn)動部件多需要經(jīng)常維修，維修費(fèi)用增加，排放物特別是氮氧化物較高，在城市范圍內(nèi)應(yīng)用較少。

燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，發(fā)電量大，多用于較大型的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，易于安裝，占地面積少，NOx排放物低于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，Nox排放物控制成本效益在商業(yè)上具有可行性。缺點(diǎn)：需要優(yōu)質(zhì)燃料如天然氣，發(fā)電量低于IMW時不夠經(jīng)濟(jì)，較于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率較低，每千瓦投資較大。由于高溫燃燒，需要增加材料成本，燃?xì)廨啓C(jī)性能受環(huán)境影響比較大[2]。

斯特林發(fā)動機(jī)：外燃機(jī)，循環(huán)介質(zhì)為氦或氫。優(yōu)點(diǎn)：易于控制燃燒過程，空氣污染物排放低、噪音低，運(yùn)動部件少從而減少震動。缺點(diǎn)：投資成本較高等。各種動力裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇動力裝置時，需要根據(jù)具體情況和環(huán)境而定。

2.2 余熱利用方式優(yōu)化分析

2.2.1HAT循環(huán)（濕空氣透平循環(huán)）

HAT循環(huán)（濕空氣透平循環(huán)）系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)高溫加熱優(yōu)勢基礎(chǔ)上，充分利用系統(tǒng)的各種余熱和廢熱，達(dá)到很低的循環(huán)放熱溫度（70-100℃），比較好地體現(xiàn)梯級利用原理，有效提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率和比功，并降低NOx排放。HAT循環(huán)中要消耗大量水，用戶附近要有可用的普通冷卻用水[3]。

2.2.1回?zé)嵫h(huán)

馮志兵等[4]對采用回?zé)嵫h(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析溫比、壓比、回?zé)崞鱾鳠釡夭钜约爸评湎到y(tǒng)性能等變量對系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響?；?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，具有較高節(jié)能率，回?zé)崞鱾鳠釡夭钤龃螅?jié)能率的降低，增大系統(tǒng)的冷電比。

可調(diào)回?zé)嵫h(huán)的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與常規(guī)回?zé)嵫h(huán)有所不同，它將透平出口的高溫燃?xì)夥譃閮晒?，一股燃?xì)膺M(jìn)入回?zé)崞?，被用于預(yù)熱壓氣機(jī)出口的空氣；另一股被直接引到回?zé)崞鞯娜細(xì)獬隹趥?cè)，與回?zé)崞鞒隹诘娜細(xì)庵匦禄旌线M(jìn)入余熱鍋爐。通過調(diào)節(jié)回?zé)崞鞯臒煔饬?，增?qiáng)系統(tǒng)的負(fù)荷應(yīng)變能力，改善系統(tǒng)工況性能[5]。

2.2.3燃?xì)廨啓C(jī)注入蒸汽（STIG）

燃?xì)廨啓C(jī)注蒸汽技術(shù)（STIG）聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，是指燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，再將蒸汽回注到燃燒室（及其他部位），形成燃?xì)庖徽羝旌瞎べ|(zhì)，到透平中膨脹做功，較低溫度下從余熱鍋爐排向大氣。利用水有效回收排氣中的能量，把排氣溫度降低 [6]。

STIG系統(tǒng)可以使熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在完全不輸出電到輸出5/3倍額定電功率，以及完全不供熱到輸出3倍額定熱功率的熱電比下實(shí)現(xiàn)高效安全運(yùn)行，STIG系統(tǒng)除具有高效率，熱電匹配靈活外，易在現(xiàn)有燃機(jī)上改裝而成等優(yōu)點(diǎn)[7]。

2.2.4 蓄能裝置

分布式能源系統(tǒng)種冷熱電負(fù)荷的匹配是困擾冷熱電聯(lián)供一個重要問題。而采用蓄能裝置存儲多余的能量，將會緩解這個問題。設(shè)置蓄能裝置，需要同時考慮供熱和制冷問題，一般選擇自然水分層蓄能裝置。

白海尚[8]分析帶蓄能裝置系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)帶蓄能裝置的電動壓縮機(jī)容量變小，增加蓄能裝置的投資反而較小，所以帶蓄能裝置聯(lián)供系統(tǒng)的初始投資較小。帶蓄能裝置系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用較低，投資回收期也較短。黃純浩[9]通過與比較發(fā)現(xiàn)，增加蓄能裝置后，各系統(tǒng)在節(jié)能性上都具有明顯的優(yōu)勢。

2.3 制冷系統(tǒng)優(yōu)化

Yunho Hwang[10]提出了一種將吸收式制冷機(jī)組、壓縮式制冷機(jī)組與微型燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，氨吸收式制冷系統(tǒng)輸出被用于冷卻壓縮式制冷系統(tǒng)出口液體，或者用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣，從而改善聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總體性能。

3系統(tǒng)的評價準(zhǔn)則優(yōu)化

分布式能源項(xiàng)目可行性分析，需要對系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能分析及評價，確立合適的評價和分析準(zhǔn)則，影響投資者的投資決策。因此合理的評價準(zhǔn)則對評價分布式能源系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)涉及到冷、熱、電三種不同能量形式的輸出，因此確立聯(lián)供系統(tǒng)的評價準(zhǔn)則比較困難。

stefano等對一小型商業(yè)建筑采用不同方案進(jìn)行分析，在研究中發(fā)現(xiàn)一次能源消耗最節(jié)省的方案與經(jīng)濟(jì)性最好的方案并不相同，燃?xì)廨啓C(jī)偏離設(shè)計工況時將會使系統(tǒng)的熱力學(xué)性能有所下降，甚至?xí)?dǎo)致聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不節(jié)能[11]。

賈明生等[12]分析對比一次能源消耗率、燃料節(jié)約量、當(dāng)量熱力系數(shù)、?效率等主要評價指標(biāo)，應(yīng)同時釆用一次能源消耗率、發(fā)電煤耗和?效率三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價比較全面。林汝謀等[13]概述了目前常用的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價準(zhǔn)則，指出了各個評價指標(biāo)的局限性，提出能量梯級利用率新的評價準(zhǔn)則。

馮志兵對燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行熱力學(xué)分析，認(rèn)為能量利用系數(shù)將冷、熱、電等價看待，?效率過分看重能量的作功能力，節(jié)能率反映的是輸入能量的使用情況，經(jīng)濟(jì)?效率在某種程度上是經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)，比較適于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的評價[14]。

系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化

分布式能源系統(tǒng)在運(yùn)行時，工作效率會受到環(huán)境因素、冷熱電需求等影響，系統(tǒng)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性受上網(wǎng)電價、能源價格、設(shè)備投資和負(fù)荷匹配等影響。

李政義[15]以中小型燃?xì)廨啓C(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)為研究對象，建立了以年總費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)的非線性規(guī)劃模型，同時選擇了粒子群算法作為模型的優(yōu)化算法。通過對模型的求解得到了系統(tǒng)的最佳配置與運(yùn)行策略，同時對節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性的評價：

針對分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行操作的問題，Jarmo等[16]綜合考慮生產(chǎn)單元、熱量傳送和存儲，廠址和輸送管道等影響因素，建立了一個尋求運(yùn)作成本和年度固定投資綜合成本最優(yōu)化的混合整數(shù)規(guī)劃（MILP）模型，并通過實(shí)例驗(yàn)證了模型的有效性。

4結(jié)束語

分布式能源是實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，能量梯級利用，達(dá)到整體平衡的解決方案，從電力供應(yīng)、節(jié)能、采暖、制冷、環(huán)境治理等多方面實(shí)現(xiàn)總體優(yōu)化和補(bǔ)充平衡，所以在滿足用戶需求的同時，還需要兼顧考慮節(jié)能高效、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)等多方面因素。

分布式能源系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性最好的方案往往并不相同，因此在選擇系統(tǒng)方案時，首先需要根據(jù)用戶的需求和環(huán)境，選擇合適的系統(tǒng)評價準(zhǔn)則，同時要考慮系統(tǒng)運(yùn)行成本和運(yùn)行環(huán)境，統(tǒng)籌兼顧選擇合適的系統(tǒng)方案和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性平衡，縮短投資回收周期。