陳錦彬,陳皓勇,陳思敏,劉 欣,趙振東,陳健潤

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州 510640)

1 引言

能源問題關(guān)乎國計民生,如何實現(xiàn)能源的高效、清潔利用是各個國家、機構(gòu)研究的熱點問題.相較于集中式供能系統(tǒng),分布式供能系統(tǒng)具有更高的靈活性,有利于可再生能源的充分消納,以及實現(xiàn)能量的梯級利用.

對分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的分析評價是后續(xù)開展系統(tǒng)運行優(yōu)化、規(guī)劃的重要基礎(chǔ),文獻(xiàn)[20]從“經(jīng)濟、能效、環(huán)境”3個維度出發(fā),提出了動態(tài)權(quán)重的系統(tǒng)評分標(biāo)準(zhǔn).文獻(xiàn)[21]提出利用熵權(quán)法結(jié)合專家評價法確定指標(biāo)權(quán)重的系統(tǒng)評價方法.文獻(xiàn)[22]根據(jù)基于層次分析的改進(jìn)熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,建立VIKOR多目標(biāo)決策模型進(jìn)行方案的選擇.

2.1 成本平衡方程

分布式供能系統(tǒng)由能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、能量存儲設(shè)備、能量傳遞線/管路以及許多不同的用能負(fù)荷組成.基于經(jīng)濟學(xué)對分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行分析,需先將分布式供能系統(tǒng)劃分成若干個子系統(tǒng),可以將單一設(shè)備(能量傳遞線/管路也看作是一類特殊的設(shè)備)或者多個設(shè)備視為一個子系統(tǒng),劃分精度的不同會影響分析的難度和分析結(jié)果的精度.將子系統(tǒng)i視為j個輸入端口,k個輸出端口的樞紐,如圖1所示.

圖1 基于經(jīng)濟學(xué)的子系統(tǒng)模型Fig.1 Subsystem model based on exergy economics

圖中:Exj代表子系統(tǒng)的第j種輸入流,cj代表該輸入流的單位經(jīng)濟成本,代表子系統(tǒng)的第k種輸出流,代表該輸出流的單位經(jīng)濟成本,Zi代表子系統(tǒng)i的非能量成本.

2.2 非能量成本計算模型

為了得到單位時間的非能量成本,將子系統(tǒng)的總非能量成本(子系統(tǒng)的設(shè)備成本和運行維護(hù)費用)按經(jīng)濟壽命周期進(jìn)行折算[23],如式(2)所示:

其中:Z0表示子系統(tǒng)的設(shè)備成本;H表示系統(tǒng)年運行小時數(shù);φ表示系統(tǒng)維護(hù)因子,f表示年度化因子[23–24].

2.3 輸出流成本分?jǐn)傆嬎隳Ｐ?/h3>

式中能質(zhì)系數(shù)λ代表某種能源中Ex占能量Q的比重.

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型描述

圖2 分布式供能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Model of distributed energy supply system

2) 從距離的角度考慮.同一能源站各設(shè)備間(設(shè)備層面)進(jìn)行傳遞所產(chǎn)生的損,遠(yuǎn)小于不同能源站間以及能源站向負(fù)荷進(jìn)行傳遞(網(wǎng)絡(luò)層面)產(chǎn)生的損,本文將其忽略;

綜上,本文將不同能源站間或能源站向負(fù)荷供能的冷、熱、氣遠(yuǎn)距離傳遞管道作為子系統(tǒng)進(jìn)行建模.

3.2 基于經(jīng)濟學(xué)的分布式供能系統(tǒng)統(tǒng)一建模

按問題分析需要,分布式供能系統(tǒng)可劃分為m個子系統(tǒng),子系統(tǒng)間由n種流相互關(guān)聯(lián),為統(tǒng)一描述以及后續(xù)計算方便,以矩陣方法對分布式供能系統(tǒng)加以描述.以事件矩陣A(m×n)表示子系統(tǒng)和流之間的聯(lián)系.矩陣元素A(i×j)表示第j種流與第i個子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián),+1表示第j種流流入第i個系統(tǒng),?1表示流出,0表示兩者之間無關(guān)聯(lián).此時可將成本平衡方程寫成式(5)所示:

式中:將n種流記為對角矩陣Ex(n×n),流的單位經(jīng)濟成本記作矩陣c(n×1),m個子系統(tǒng)的非能量成本記為矩陣Z(m×1).

當(dāng)忽略非能量成本,僅對能量成本進(jìn)行探究時,令Z=0,有

式中c′代表流的單位能量成本矩陣.

式中A1(s×n)是輸入流矩陣,代表有s種輸入供能系統(tǒng)的流成本已知,矩陣中僅輸入流對應(yīng)元素位置為+1.C代表已知輸入流成本矩陣.

2) 成本分?jǐn)偡匠痰木仃嚤硎拘问?

式(8)為式(4)對應(yīng)矩陣表達(dá)形式,其中A2(r×n)為輸出流能質(zhì)系數(shù)矩陣.

為便于求解,將式(5)(7)(8)整理成統(tǒng)一形式可得

4.1 分布式供能系統(tǒng)評價指標(biāo)

能量分析法跟蹤能量在系統(tǒng)各傳遞過程中“數(shù)量”上的變化,卻忽略了“品質(zhì)”的改變.分析法提出的概念來彌補這一不足.本文將損和效率作為系統(tǒng)能耗特性的評價指標(biāo),其中,以損表征傳遞過程中能量品質(zhì)的降低和做功能力的下降,效率表征系統(tǒng)中設(shè)備、環(huán)節(jié)對的利用程度.

經(jīng)濟特性是系統(tǒng)性能評價的重要方面,綜合考慮能耗特性和經(jīng)濟特性兩個維度,才能對分布式供能系統(tǒng)的性能進(jìn)行更全面的分析評價.的價格化是分析走向?qū)嵱没谋赜芍穂11],本文將損成本和經(jīng)濟系數(shù)作為系統(tǒng)經(jīng)濟特性的評價指標(biāo),其中,以損成本表征傳遞過程中能量品質(zhì)降低所帶來的經(jīng)濟損失,以經(jīng)濟系數(shù)表征系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟性潛力.

其中:Exloss代表子系統(tǒng)的損,Exin代表子系統(tǒng)的輸入流,Exout代表子系統(tǒng)的輸出流.效率表示子系統(tǒng)各種輸出流之和與各種輸入流之和的比值,如式(11)所示:

其中:Closs代表子系統(tǒng)的損成本,closs代表子系統(tǒng)損的單位經(jīng)濟成本.

其中fEx代表子系統(tǒng)的經(jīng)濟系數(shù).

4.2 分布式供能系統(tǒng)評價流程

設(shè)計分布式供能系統(tǒng)分析評價流程如圖3所示.首先,基于本文提出的流成本計算方法,建立分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟學(xué)模型;繼而,求解模型得到分布式供能系統(tǒng)的能耗特性指標(biāo)與經(jīng)濟特性指標(biāo);其次,根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行性能分析,對系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝流程性能進(jìn)行評價;最后根據(jù)分析評價結(jié)果提出改進(jìn)系統(tǒng)性能的建議.

圖3 基于經(jīng)濟學(xué)的分布式供能系統(tǒng)分析評價流程Fig.3 Analysis and evaluation process of distributed energy supply system based on exergic economic

其中,求出分布式供能系統(tǒng)的能耗特性指標(biāo)后,對各子系統(tǒng)進(jìn)行損的橫向比較,并將子系統(tǒng)的效率和同類型設(shè)備進(jìn)行比較,從而對各子系統(tǒng)的能耗特性進(jìn)行評價;求出分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟特性指標(biāo)后,將各子系統(tǒng)運行產(chǎn)生的損成本進(jìn)行橫向比較,對各子系統(tǒng)的經(jīng)濟特性進(jìn)行評價,而經(jīng)濟系數(shù)是將系統(tǒng)能耗特性與經(jīng)濟特性相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵指標(biāo),為系統(tǒng)性能優(yōu)化指明了方向.如圖4所示,增加非能量成本的投入可以使系統(tǒng)的效率提高,能耗特性提升,系統(tǒng)總成本先下降再上升,將總成本達(dá)到最低時對應(yīng)的稱為參考值.當(dāng)小于參考值時,通過更換設(shè)備等方法增加非能量成本的投入可以同時實現(xiàn)能耗特性和經(jīng)濟特性的優(yōu)化;當(dāng)大于參考值時,能耗特性已達(dá)到較高水平,若繼續(xù)追加非能量成本,以經(jīng)濟特性的大幅下降換取能耗特性的小幅提升,代價太大,此時,則應(yīng)從分布式供能系統(tǒng)整體出發(fā),優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程.

圖4 子系統(tǒng)性能–成本變化曲線Fig.4 Subsystem performance–cost curve

根據(jù)不同應(yīng)用場景對系統(tǒng)性能的要求,設(shè)置能耗特性和經(jīng)濟特性的權(quán)重,選擇不同的目標(biāo)fEx,從而采取不同的改進(jìn)措施,實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化.根據(jù)子系統(tǒng)類型將常見的改進(jìn)措施分類匯總?cè)绫?所示.下文繼續(xù)將此種分析評價方法在某供電局分布式供能系統(tǒng)的案例中進(jìn)行具體應(yīng)用.

表1 分布式供能系統(tǒng)性能改進(jìn)措施Table 1 Performance improvement measures of distributed energy supply system

5 算例分析

5.1 工程算例

為了驗證此種分析評價方法的正確性和實用性,對某供電局的分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行建模,并由計算結(jié)果對該分布式供能系統(tǒng)的能耗特性、經(jīng)濟特性進(jìn)行分析評價.

該分布式供能系統(tǒng)使用燃?xì)廨啓C發(fā)電供給辦公樓中央電空調(diào)制冷使用,缺口電量經(jīng)由電網(wǎng)購電補足,天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫余煙,通過溴化鋰吸收制冷機組進(jìn)行制冷,經(jīng)由冷水管道向辦公樓供冷,辦公樓需要的冷量由溴化鋰制冷機組和中央電空調(diào)共同供給.根據(jù)前述原理和各子系統(tǒng)間能量傳遞、轉(zhuǎn)換關(guān)系,該分布式供能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示.

圖5 某供電局分布式供能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Distributed energy supply system model of a power supply bureau

對該分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,環(huán)境溫度為34.6℃,電價為0.9元/kWh,天然氣價格為2.0元/m3,天然氣低位發(fā)熱值9.77 kWh/m3,燃?xì)廨啓C排氣溫度為280℃,溴化鋰機組排煙溫度為160℃,系統(tǒng)各流值如表2所示[25].

表2 分布式供能系統(tǒng)流參數(shù)Table 2 Exergy flow parameters of distributed energy supply system

表2 分布式供能系統(tǒng)流參數(shù)Table 2 Exergy flow parameters of distributed energy supply system

該分布式供能系統(tǒng)涉及到的設(shè)備造價分別是:微燃機組造價為700元/kW;中央電空調(diào)造價為3450元/kW,溴化鋰制冷機組造價為1017元/kW[26],冷水管道造價為500元/m[27].為進(jìn)一步確定各流的單位經(jīng)濟成本,對各子系統(tǒng)的非能量成本進(jìn)行計算,得到各子系統(tǒng)的非能量成本匯總?cè)绫?所示.

表3 子系統(tǒng)非能量成本Table 3 Subsystem cost and non-energy cost

將本文所提按能質(zhì)系數(shù)分?jǐn)偡椒ㄅc傳統(tǒng)分?jǐn)偡椒▽Ρ?計算得到各股流成本匯總?cè)绫?所示.可以看出,傳統(tǒng)分?jǐn)偡椒ㄏ氯細(xì)廨啓C產(chǎn)生的兩種產(chǎn)品的單位經(jīng)濟成本都為0.4266元/kWh,不符合優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的規(guī)律.按能質(zhì)系數(shù)分?jǐn)偡椒?電成本為0.5409元/kWh,熱成本為0.2400元/kWh,體現(xiàn)了價值差異.

表4 分布式能源系統(tǒng)各流單位經(jīng)濟成本Table 4 Unit cost of exergy flow in distributed energy system

表4 分布式能源系統(tǒng)各流單位經(jīng)濟成本Table 4 Unit cost of exergy flow in distributed energy system

5.2 系統(tǒng)性能分析評價與改進(jìn)建議

圖6 流數(shù)量和單位經(jīng)濟成本變化Fig.6 Exergy quantity and unit exergy economic cost change

由圖6可以看出,溴化鋰制冷機組向負(fù)荷供冷時在傳遞管道內(nèi)產(chǎn)生了9.2280 kW的損,使得供應(yīng)到冷負(fù)荷的冷成本上升了39%,由此說明,在網(wǎng)絡(luò)中傳遞產(chǎn)生的損耗對流成本分析不可忽視,驗證了本文所提模型的優(yōu)越性.

表5 各子系統(tǒng)能耗特性和經(jīng)濟特性參數(shù)Table 5 The energy consumption characteristic and economic characteristic parameter of each subsystem

圖7 各子系統(tǒng)非能量成本、損成本比例Fig.7 Proportion of non-energy cost and total exergic loss cost of each subsystem

6 結(jié)論

為了更全面地對分布式供能系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析評價,本文建立了基于經(jīng)濟學(xué)的分布式供能系統(tǒng)統(tǒng)一分析模型,并設(shè)計了分布式供能系統(tǒng)分析評價方法和流程,最后以某供電局分布式供能系統(tǒng)為例進(jìn)行分析驗證,結(jié)果表明:1)與傳統(tǒng)分?jǐn)偡椒ㄏ啾?按能質(zhì)系數(shù)分?jǐn)偡椒梢苑从巢煌N類能源價值的差異;2)本文所提基于經(jīng)濟學(xué)的分布式供能系統(tǒng)統(tǒng)一分析模型,可以充分考慮到網(wǎng)絡(luò)傳遞中損的影響,準(zhǔn)確計算系統(tǒng)各流成本;3)綜合考慮能耗特性和經(jīng)濟特性,才能對系統(tǒng)性能提出更全面、準(zhǔn)確的評價,并據(jù)此改進(jìn)系統(tǒng)性能.本文工作可為分布式供能系統(tǒng)節(jié)能改造提供科學(xué)參考.