基于负荷特性的分布式能源系统经济效益评估

基于负荷特性的分布式能源系统经济效益评估

为了提高能源效率，促进能源结构的调整和节能减排，促进能源分布能源的发展，受到世界各国的广泛关注。我国分布式能源系统尚处于起步阶段,2011年10月,国家发展和改革委员会等四部委联合发布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》提到,在“十二五”期间建设约1000个分布式能源项目,并拟建立约10个各类典型特征的分布式能源示范区域,到2020年,装机规模将达到500GWh。分布式能源在我国将迎来大规模的发展,对特定用户进行合理的系统集成及优化运行是分布式供能系统成功的关键因素之一。本文针对某大型公共建筑的冷热电负荷特点,采用基于燃气内燃机系统的集成与优化运行进行研究,并与传统供能系统进行经济性和节能性对比,为类似工程空调系统方案的选择及优化配置提供参考。1大型公共建筑的能源分布系统1.1建设“十五”学科建工工程“公共建某大型公共建筑的扩建工程(以下简称扩建工程)按满足“十二五”规划的要求设计,其中地面建筑面积为11.04×104m3,地下面积为4.39×104m3。1.2燃气直燃型一体化机组方案为创建节约、环保、科技、人性化的大型公共绿色建筑,在空调冷热源的选择上,原设计考虑采用燃气直燃型一体化机组方案。虽然其空调系统节能环保,简单可靠,但综合考虑该地区冷、热、电、气等实际情况,并对冷、热源多个方案进行对比,重点考虑空调系统的安全可靠性、经济性和节能性,提出“燃气冷热电三联供系统加电制冷机组加燃气锅炉加蓄能系统”的整体设计方案。1.3全年逐时负荷扩建工程空调系统设计的冷负荷、热负荷分别为28MW、18MW。在对现有建筑的冷热电负荷调研和分析的基础上,对扩建工程进行模拟预测,其全年逐时负荷如图1所示。由图1可见,扩建工程全年供冷、供热时间约5300h,电负荷持续时间较长,大于3MW电负荷的持续时间在4000h以上;冷、热负荷随季节变化波动较大,其变化曲线较为陡峭,而电负荷仅随日常作息有一定的波动,其全年变化曲线较为平缓。1.4燃气发电系统模型发电机组作为冷热电三联供系统的核心装置,其冷、热、电输出特性直接影响整个系统的性能。燃气轮机和燃气内燃机是目前分布式能源应用最为广泛的类型,以净现值(netpresentvalue,NPV)ω最优为优化目标函数,分析基于燃气轮机和燃气内燃机系统的经济效益评估,以系统年限内的收益最高为目标函数,可表达为ω=∑i=1NXnet/(1+d)i−Ct.(1)ω=∑i=1ΝXnet/(1+d)i-Ct.(1)式中:Ct为系统的初始投资成本;Xnet为系统的年均运行收益;d为年利率;N为系统使用年限。Xnet计算方案为Xnet=Xh+Xc+Xele-Xfuel-Cm.(2)式中:Xh、Xc、Xele分别为系统售热、售冷、售电所得的毛收益;Xfuel为消耗燃气费用;Cm为系统运行维护成本。燃气轮机的运行特性和工作区间分别为:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪PGT=aGTEGT+bGT;QGT=pGTEGT+qGT.PGT,max=pGT0,max{1−cGT[(t−t0)+|t−t0|]/2};PGT,min≤pGT≤pGT,max.(3){ΡGΤ=aGΤEGΤ+bGΤ;QGΤ=pGΤEGΤ+qGΤ.ΡGΤ,max=pGΤ0,max{1-cGΤ[(t-t0)+|t-t0|]/2};ΡGΤ,min≤pGΤ≤pGΤ,max.(3)式中:t为燃气轮机的工作环境温度,℃;t0为设计工况温度(15℃);(t-t0)为环境温度发生变化时对燃气轮机的工作特性进行修正;PGT为燃气轮机发电出力,kW;EGT为输入燃气轮机的燃料热值,kW;QGT为燃气轮机排出烟气的可利用热值,kW;PGT,max为燃气轮机满负荷的发电量,kW;PGT,min为燃气轮机最小发电出力,kW;PGT0,max为设计工况温度下燃气轮机满负荷的发电量,kW;aGT、bGT、qGT、cGT均为系数常数。燃气内燃机的运行特性和工作区间分别为:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪PGE=aGEEGE+bGE;Qflue=pGEEGE+qGE;Qwater=rGEEGE+sGE;PGE,min≤pGE≤pGE,max.(4){ΡGE=aGEEGE+bGE;Qflue=pGEEGE+qGE;Qwater=rGEEGE+sGE;ΡGE,min≤pGE≤pGE,max.(4)式中:PGE为燃气内燃机发电出力,kW;EGE为输入燃气内燃机的燃料热值,kW;Qflue为燃气内燃机排出烟气的可利用热值,kW;Qwater为缸套冷却水可利用热值,kW;PGE,min、PGE,max为燃气内燃机最小、最大发电出力,kW;aGE、bGE、qGE、rGE、sGE均为系数常数。通过余热吸收式冷温水机组进行能量与热量的转换(转换比率为K),其制冷和制热性能为⎧⎩⎨⎪⎪Qc=Kc⋅Qrc;Qc,min≤Qc≤Qc,max;Kc=Krc⋅β/(0.75β2+0.0195β+0.213).(5){Qc=Κc⋅Qrc;Qc,min≤Qc≤Qc,max;Κc=Κrc⋅β/(0.75β2+0.0195β+0.213).(5)⎧⎩⎨⎪⎪Qh=Kh⋅Qrh;Qh,min≤Qh≤Qh,max;Kh=Krh⋅β/(0.22β2+0.6698β+0.112).(6){Qh=Κh⋅Qrh;Qh,min≤Qh≤Qh,max;Κh=Κrh⋅β/(0.22β2+0.6698β+0.112).(6)式中:Kc、Kh为制冷、制热性能系数;Qc、Qh分别为制冷量和制热量,kW;Qc,min、Qc,max为最小、最大制冷量,kW;Qh,min、Qh,max为最小、最大制热量,kW;Qrc、Qrh为制冷和制热的可回收余热,kW;Krc、Krh为额定制冷和制热系数;β为系数常数。燃气锅炉的运行特性可表示为ηb=ηbr(0.0951+1.525βb-0.6249β2b).(7)式中:ηb为锅炉实际运行效率;ηbr为锅炉的额定效率;βb为系数常数。上述数学模型是基于燃气轮机和燃气内燃机系统优化运行的非线性规划问题,可利用序列二次规划算法(sequentialquadraticprogramming,SQP)进行求解,结果表明在不同的容量范围和用户负荷热电比下,燃气轮机和燃气内燃机的适应范围有所不同。燃气轮机较适用于主机容量大、用户负荷热电比高的场所;而燃气内燃机则在主机容量小、用户负荷热电比低的应用场合更具优势。通过对冷热电负荷特性及基于燃气内燃机系统集成进行分析,扩建工程的冷热电三联供系统配置见表1。1.5系统的工艺流程冷热电三联供系统采用基于燃气内燃机系统工艺集成,在夏季利用燃气内燃发电机组排出的烟气和缸套水直接进入烟气热水型吸收式冷温水机组进行制冷;在冬季利用发电机组排出的烟气进入余热机组的高温发生器,缸套水进入板式换热器与空调水换热,其系统工艺流程如图2所示。另外,该系统也可以结合热泵技术在冬季按热泵工况运行,利用排烟气为热源(150～170℃),提取烟气中的显热和潜热,实现烟气废热再利用,使能源利用效率提高约7%。2供能技术优化扩建工程的供能采用“燃气冷热电三联供系统加电制冷机组加燃气锅炉加蓄能系统”综合供应系统(以下简称综合系统),能源站有多种运行模式,借鉴国家863计划“高效节能与分布式供能技术专题”中的目标导向类课题“兆瓦级燃气轮机分布式冷热电联供技术集成与示范研究”的研究成果,其运行的基本控制策略有经济性最优模式、能源综合利用效率最优模式、以冷定电模式、电负荷跟踪模式、建立优化运行的数学模型等。综合系统的冷热电三联供系统按基本的冷、热、电负荷设计,冷量、热量不足时由电制冷机组和燃气锅炉调峰满足。由于其夏季制冷运行模式复杂,建立了经济性最优模式的控制过程;冬季供热相对简单,优先利用发电机组排出的烟气和高温缸套水供热,其次开启余热机组(带补燃)供热,若热负荷较大,则启动燃气锅炉。3经济分析与节能效果评价3.1燃气热泵电串联供系统供冷、供热燃料成本根据该地区天然气价格(3元/m3;标准状态下,低位热值35.48MJ/m3)、平均电价(0.896元/kWh)、发电机组每度电的维护费(0.1元/kWh)对燃气直燃型一体化机组与燃气冷热电三联供系统的供冷、供热燃料成本M进行对比,其中辅机的能耗和运维费用均不计入。M=λ-φ×(0.89-0.1).(7)式中:λ为天然气能源费用;φ为系统输出电量。燃气直燃型一体化机组和燃气冷热电三联供系统的供冷、供热燃料成本见表2。由表2可看出,燃气冷热电三联供系统方案比原燃气直燃型一体化机组的项目投资增加了3456万元。经模拟测算公共建筑每年的耗冷量和耗热量分别为28.28GWh和7.04GWh,而冷热电三联供系统余热供冷、供热量分别为9.14GWh和5.08GWh,占全年供冷、供热量的32.3%、72.2%,年利用时间为4800h,其供热经济性较好;虽然2种冷热源的燃料成本显示,采用燃气冷热电三联供系统方案比原燃气直燃型一体化机组每年可节约费用345万元,但其项目增量投资的回收期仍需10年,投资回收效果不理想。另外,冷热电三联供系统的燃气发电机组采用进口设备,单位造价高,如能采用地上厂房式建筑,其项目增量投资回收期可控制在6年左右,但由于扩建工程的整体美观要求,该分布式能源系统为地下工程,其土建投资费用也非常大。3.2能源系统综合利用效率该工程的冷热电三联供系统输出电能在夏季主要供给电制冷设备,冬季主要供给公共建筑使用。将其冬季输出电能按大型燃气联合循环系统发电效率的55%折算为天然气能,与原设计采用的方案进行能源利用效率比较,结果见表3。由于分布式能源系统实现了能源梯级利用,首先经过燃气内燃发电机组发电,然后再利用排出的尾气制冷、制热,极大地提高了能源的利用效率,其冷热电三联供系统只满足基本负荷,系统全年运行效率较高,余热得到充分利用。其年平均能源综合利用效率ν=3.6W+Q1+Q2B×QL.(8)ν=3.6W+Q1+Q2B×QL.(8)式中:W为年净输出电量,kWh;Q1、Q2为年有效余热供热、供冷总量,MJ;B为年燃料总耗量,m3;QL为燃气低位发热量,MJ/m3。根据式(8)的计算,扩建工程的冷热电三联供系统年平均能源综合利用效率为82.5%,