光－气互补冷热电联供系统容量配置与运行研究
发布时间：2022-02-22
摘 要：以某商业综合体为研究对象，依据园区供冷、供暖和过渡季的负荷需求，构建了光-气互补冷热电联供系统(HybridCCHP)。从能源、经济和环境方面建立综合指标，采用遗传算法对系统的驱动设备容量配置进行优化，比较了在以热定电和以电定热、有无太阳能互补以及有无储能情况下系统一次能源节约率、年运行总成本节约率以及 CO2 减排率情况。结果表明：通过遗传算法优化后的 HybridCCHP各评价指标显著优于燃气冷热电联供系统(CCHP);采用阶梯释能模式能够进一步提高系统的经济性。
关键词：光-气互补冷热电联供系统;储能;容量优化;遗传算法
我国地缘辽阔，具有丰富的太阳能资源，且太阳能利用方式较为成熟，既可采用光伏发电产生电能，又可通过平板集热器和真空管集热器制备热水或供冷，但太阳能能量密度低，波动性大，不能单独为建筑供能[1-2]。将太阳能与天然气互补，结合二者的优势，使分布式供能系统在安全可靠的同时，也更加环保高效。因此，“分布式能源逐步替代集中式能源，多种能源网络融合与交互转变”是能源系统发展的大方向[3]。
蒋润花等[4]构建了一种含有太阳能集热器的燃气轮机冷热电联供系统。Das等[5]将光伏组件分别耦合至以内燃机和燃气轮机为动力装置的冷热电联供系统中，并进行了多目标优化研究，从而分析光伏对系统性能的影响。游盛水等[6]通过遗传算法对太阳能辅助式冷热电联供系统的电制冷比和光伏板面积进行优化，使得冷热电联供系统性能达到最 优。Wang等[7]对含有太阳能的冷热电联供系统进行了研究，同时还分析了电负荷系数和太阳辐射强度对系统能量利用 效 率 和 效 率 的 影 响[8]。目 前，鲜 有比较不同太阳能互补方式以及储能对冷热电联供系统影响的研究。
笔者以北京市某商业综合体园区为研究对象，依据园区供冷、供暖和过渡季典型日的负荷需求，将光伏发电板和真空管集热器与燃气冷热电联供系统结合，设计 了 一 种 光-气 互 补 冷 热 电 联 供 系 统(Hy-bridCombinedCoolingHeatingandPowersystem，HybridCCHP)。以 传 统 分 供 系 统(Separatedpro-ductionsystem，SP)为参照对象，建立能源、经济和环境指标，比较了不同容量配置方法、以热定电和以电定热运行方式、有无太阳能互补以及有无储能运行情况对系统各评价指标的影响。
1 系统构成
SP即为大电网的集中供电模式：用户的电负荷全部从城市公共电网获取;用户的冷负荷全部从电制冷机制取;用户的热负荷则由在用户侧布置的燃气锅炉和板式换热器中换热提供。燃气冷热电联供系 统 (CombinedCooling HeatingandPowersys-tem，CCHP)通过烟气热水型溴化锂制冷机组回收利用内燃机排放的400～550 ℃高温烟气、80～110 ℃缸套水和40～65℃润滑油冷却水中的热能，在夏季制冷，在冬季供暖。同时，通过板式换热器利用高温烟气、缸套水和润滑油冷却水中的热能为用户提供生活热水，电制冷机和燃气锅炉用于冷热负荷调峰。在 CCHP的基础上，增设光伏发电板和真空管集热器，得到 HybridCCHP，见图1。
为充分利用太阳能，HybridCCHP优先利用光伏发电，太阳能集热量优先满足热水负荷需求，其次用于制冷 和 供 热。太阳能发电量和集热量不满足电、热负荷时，则由内燃机和吸收式空调机组提供。如果二者不能满足全部负荷，则由城市电网、电制冷机和燃气锅炉分别补充剩余的电、冷和热能。
2 数学模型
2.1 设备模型
2.1.1 内燃机
2.2 运行方式
对 以 热 定 电 (Followingthe ThermalLoad，FTL)模 式 和 以 电 定 热 (Followingthe ElectricLoad，FEL)模式下的设备 出力和系统性能进行比较。
图2给出了 FTL模式的计算流程，任意时刻系统产生的热优先满足热负荷需求，产生的电满足部分电负荷需求，不足部分从电网购电。系统优先消耗太阳能集热量，用于生活热水、制冷和制热，并由内燃机尽可能满足剩余的总热负荷。因此，系统的总热负荷与内燃机最大产热量的比将决定内燃机的负载情况和发电效率。
3 实例分析
3.1 用户对象
选取北京某商业综合体分布式能源站为研究对象，总建筑面积为12万 m2，太阳能有效利用面积为5000m2，拥有包 括 商 业 办 公 楼、酒 店、机 房 以 及 充电桩等冷热负荷需求较好的用户，适宜建设分布式能源站。
根据 GB/T51074—2015《城市供热规划规范》中给出的北京市建筑采暖指标，北京市全年的供冷、供热以及过渡季节时间基本接近[12]。此外，由于典型日的冷、热负荷数据能够代表全年或季节的大多数负荷需求，并能较好地反映各种用能设备典型的运行和使用情况，因此可在供冷季、过渡季和供暖季各取1天典型日作为全年负荷代表进行研究[13-14]。取8月7日、10月14日和12月17日作为各季节典型日的代表，其冷、热、电负荷数据见图3。
由图3可知，该商业综合体全年各季电负荷差别不大;相比于冬季热负荷，夏季的空调冷负荷昼夜变化较大;由于过渡季节冷、热负荷需求很小，此时内燃机不运行;此外，用户全年具有一定的热水负荷需求。典型日环境温度和太阳辐射情况见图4。
3.3 系统运行结果
在 FTL 模 式 下，HybridCCHP 各 设 备 逐 时 热(冷)出力和电出力见图6。由图6可知，系统绝 大部分的电负荷需求和冷热负荷需求由内燃机和吸收式空调机组提供。由于在 FTL 模式下光伏耦合 率为0.12，太阳能的利用方式主要为太阳能热互补，因此太阳能供热水和冷量较多，光伏发电量较少。
在 FTL 模 式 下，内燃机按照冷热负荷需求 出力，产生的余热用于供冷或供暖。由于夏季夜间冷负荷需求很少，受内燃机容量和最小负载的限制，即使夏季夜间内燃机按照最低负载情况出力，系统冷量仍略大于 用 户 冷 负 荷 需 求，需要电网补充电能。在冬季时，内燃机依据热负荷需求工作，通过吸收式空调机组供热，由于冬季热水负荷需求较大，太阳能优先提供生活热水，因而用于供热的太阳能很少，由燃气锅炉补充供热。在过渡季节，内燃机不工作，热水负荷白天可由太阳能提供，夜间由燃气锅炉提供，全天的电负荷基本由电网提供。
同理，在 FEL 模式下 HybridCCHP的各设备出力情况见 图7。在 FEL 模式下优先按照系统的电负荷需求工作，因而系统冷、热、电的出力结果与FTL模式不同。
各系统评价指标见表6。整 体 来 看，通 过 增 设光伏发电板和真空集热器，在相同运行模式下，Hy-bridCCHP的能源指标、经济指标和环境指标均高于 CCHP1%～2%，而SP的各评价指标最差。
在 FTL 模 式 下 HybridCCHP 的 评 价 指 标 见图8。经分析，在 FTL模式下冬季系统的各评价指标均优于夏季，不同季节白天的各项评价指标均好于夜间。从评价指标上看，夏季和冬季夜间的能源和环境指标均为正值，故此时仍具有较少的能源和环境效益;夏季和冬季夜间的经济指标最低分别为-140%和-20%，说 明 此 时 CCHP 的 经 济 效 益 较SP更差。
如图9所 示，造 成 HybridCCHP 夜 间 评 价 指标较低的原因可通过内燃机负载率和发电效率进行解 释。夜间用户冷热负荷需求较低，内燃机的负载率τpgu和发电效率ηpgu较低，夜间城市电网电价处于低谷，而 HybridCCHP 消耗的燃气所付出的成本较高，加之 HybridCCHP 本身所具有的设备固定投资成本，故 HybridCCHP的经济效益较差。
3.4 太阳能互补的影响分析
针对 HybridCCHP，为比较在 FTL和 FEL模式下太阳能的不同互补方式对系统性能的影响，在仅采用太阳能热互补时，改变太阳能集热器的有效辐射面积Sstc，探究太阳能热互补对系统评价指标的影响;在仅采用太阳能电互补时，改变光伏发电的有效辐射面积Spv，探究太阳能电互补对系统评价指标的影响。由图10可知，仅采用太阳能热互补时，在FTL模式下随着有效辐射面积的增大，系统各评价指标均存在极值点，即存在最佳有效辐射面积;在FEL模式下随着有效辐射面积的增大，能源和环境指标增速减缓而趋于稳定。如果仅采用太阳能电互补方式，不论是 FEL模式还是 FTL模式，随着有效辐射面积的增大，系统的能源指标、经济指标和环境指标均增大。
以上结论可以根据设备出力情况进行解释。以FTL模式为例，内燃机依据用户热负荷需求进行发电，仅采用太阳能电互补时，光伏产电量的增加不影响内燃机出力，因而不影响系统评价指标;但仅采用太阳能热互补时，随着太阳能互补量增加，内燃机负载率降低，因而系统评价指标下降。因此，太阳能互补量较大时，如果运行方式和互补方式选取不当，会导致内燃机负载率降低，进而使系统评价指标下降。
3.5 储能对系统的影响
在夏季 夜 间，FTL 和 FEL 模式均存在冷量过剩问题，但其产生原因有所不同。在 FTL 模 式 下，受到内燃机自身容量和最低负载率的限制，内燃机按冷负荷需求出力时，夏季夜间有少量冷量剩余;在FEL模式下，内燃机依据电负荷需求出力，由 于 夏季夜间具有一定的电负荷需求，此时内燃机的负载率处于中等水平，在完全满足电负荷需求的同时，生成的大量余热被用于制冷，故过剩的冷量较多。笔者通过增设储冷水罐以解决冷量过剩问题，并探究了储能对 HybridCCHP评价指标的影响。
由图11可知，在冷出力方面，储冷水罐将夜间过剩的冷量储存起来，一定程度上代替白天电制冷机补冷;在电出力方面，由于电制冷机冷量的减少，系统总电负荷降低，电网的购电减少，起到节能减排的作用。由于各时间储冷水罐均以最大功率储-释冷，联供系统在7时冷量不足，储冷水罐立即释冷，因而在13时储存的冷量消耗殆尽。
根据北京市分时后的阶梯电价，7时为电价低谷期，8时～10时为电价平段期，而11时～15时为电价高峰期。如果调整不同时间的释冷功率，在电价高时释冷量多，则可以大大降低电价高峰期的电冷量，从而获得更佳的经济效益。故采用释冷功率由所储存的冷量和电价决定的“阶梯释冷”模式，如图12所示。
在采取阶梯释冷模式时，系统的冷出力和电出力情况见图13。与 图11比 较 可 知，从 冷 出 力 方 面看，相比于各时间储冷水罐均以最大功率释冷，采取阶梯释冷模式时在8时开始释冷，此时释冷功率较小(500kW)，在11时电价高峰期开始以2000kW的 功率释冷，整个释冷过程一直持续到15时结束;从电 出 力 方 面 看，采 用 阶 梯 释 冷 模 式 时 HybridCCHP在电价高峰期的购电量很少，因而该方式可以更好地发挥“削峰填谷”的作用。
由表7可知，增加储冷水罐后能源指标提升至34.06%，环境指标提升至43.73%。采用阶梯释冷模式后最优经济指标可达16.49%，高 出 无 储 能 模式0.30%。
阶梯释冷模式虽然可以提升系统的经济指标，但需要合理设置不同时间的释冷功率，避免释冷功率过慢、释冷 周 期 长、冷 量 向 环 境 中 散 失 增 大 等 情况，同时也应避免储冷水罐的容量过大导致的设备成本增加问题。
4 结 论
(1)按照典 型 负 荷 容 量 配 置 方 法 时，采 用 峰 负荷平均值作为典型负荷可以获得较好的性能。按照最大矩形法设计容量，实际性能受总负荷计算方法的影响较大。采用遗传算法可以得到综合效益最优的内燃机容 量，CCHP 最佳内燃机容量为 3600～3700kW。
(2)在 FTL 和 FEL 模 式 下 HybridCCHP 和CCHP的各项评价 指 标 均 优 于 SP，与 FTL 模 式 相比，在FEL模式下 HybridCCHP性能最佳，此时内燃机容量为3490kW，光伏耦合率为0.73，最 佳 综合指标为30.63%。通过光-气互补，HybridCCHP的各项评价指标较 CCHP提高1%～2%。
(3)仅采用太阳能热互补时，在 FTL模式下系统各评价指标存在极值点，即存在最佳有效辐射面积。在 FEL模式下，随 着 有 效 辐 射 面 积 的 增 大，能源和环境效益增速减缓并趋于稳定。仅采用太阳能电互补时，随着光伏面积的增大，在 FTL和 FEL模式下各项评价指标均增大。
(4)通过增 加 储 冷 水 罐，将 夏 季 夜 间 储 存 的 过剩冷量代替电制冷机在白天为系统补充供冷。根据阶梯电 价，通 过 阶 梯 释 冷 模 式 可 获 得 更 高 的 经 济效益。——论文作者：杜传铭1， 陈孟石1， 杜尚斌1， 胡永锋2， 赵义军1
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