PDF《考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化》

h t t p : / / ww w.

a e p s - i n f o . c o m 考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化 徐航,董树锋,何仲潇,施云辉 ( 浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市

3 1

0 0

2 7 ) 摘要:工业园区是典型的复杂能源系统, 通过利用多能源之间的耦合机制, 实现多能互补, 可显著 提升其经济效益与能源利用率.为此, 文中针对工业园区提出了一种考虑能量梯级利用的工厂综 合能源系统多能协同优化模型.首先, 介绍工厂综合能源系统架构, 再对综合能源系统中的能量生 产设备、 能量转换设备以及能量存储设备进行独立建模.基于此, 以日运行费用最低为优化目标, 在冷热电功率平衡约束以及设备物理约束下, 采用混合整数线性规划法对模型进行求解.所提模 型遵循 品位对口, 梯级利用 的科学用能思想, 按热品位高低进行能量梯级利用, 实现工业生产流 程与设备运行参数的综合优化.算例分析表明, 所提的优化调度策略更契合工程的实际需求, 可降 低工业用户的运行费用. 关键词:综合能源系统;

工业园区;

能量梯级利用;

多能协同;

经济调度 收稿日期:

2 0

1 7 -

0 8 -

2 5;

修回日期:

2 0

1 7 -

1 1 -

1 5. 上网日期:

2 0

1 8 -

0 3 -

0 6. 国家重点研发计划资助项目(

2 0

1 6 Y F B

0 9

0 1

3 0

0 ) .

0 引言 综合能源系统( i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m, I E S ) 是能源互联网的重要物理载体[

1 ] , 利用各个能源系 统在时空上的耦合机制, 实现多能互补、 能源梯级利 用, 是破解中国能源困局的重要战略之一[

2 -

4 ] .中国 能源科技发展中, 第一优先主题为 工业节能 , 能源 梯级综合利用技术更是其重点研究方向.工业园区 是以工业负荷为主的复杂能源系统, 包含多种产能/ 用能设备, 供电可靠性要求高, 但普遍存在能源利用 率低、 能源结构不合理、 峰谷电力差额大、 环境污染 等问题[

5 -

6 ] , 有必要对工厂进行用能优化管理, 提升 经济效益和能源利用率. 文献[

7 - 8] 提出了针对包含冷、 热、 电的区域综 合能源系统的协同规划方法与系统集成方案.文献[

9 -

1 1 ] 建立了以运行成本最低为目标的含多种供 能系统的经济调度模型.文献[

1 2 -

1 5] 考虑可再生 资源和负荷的不确定性,建立了热电联供(combinedh e a t a n dp o w e r , CH P) 的随机优化模型. 文献[

1 6 ] 考虑了光伏出力与负荷预测的随机性, 建 立了调峰调蓄优化模型, 目标为实现最小化经济成 本和最大程度的削峰填谷.文献[

1 7 ] 根据设备特性 对能源枢纽中的各类设备进行分类建模, 搭建了能 源枢纽架构.文献[

1 8] 选取传递媒介作 为基本母 线, 采用集中母线式的方式搭建了冷热电联供(combinedc o o l i n g , h e a t i n ga n dp o w e r , C CH P) 微 网系统的架构, 在此基础上对调度优化模型进行建 模.文献[

1 9 ] 提出了包含冷、 热、 电、 气的微型能源 网的供能架构, 并将冷热电负荷进一步细分, 提高了 优化控制的准确度. 综上, 综合能源系统多能协同优化模型的相关 研究已较为完善, 但均未充分考虑热能的梯级利用. 工业园区负荷需求量大、 负荷类型多样, 能量转换过 程大多涉及热的梯级利用, 只有综合考虑能量的 质 与量 , 才能实现系统内动力、 中温、 低温余热等不同 品位能量的耦合与转换利用.而目前的研究成果对 工厂典型供能结构适应性不强.为此, 本文针对工 厂典型供能结构, 对工厂中的能量生产设备、 能量转 换设备以及能量存储设备进行独立建模, 充分考虑 热能对口的温度利用区间以及相应的利用技术, 实 现热能的综合梯级利用, 进一步完善工厂综合能源 系统多能协同优化模型.最后, 采用混合整数线性 规划法进行求解, 实现工厂生产流程和设备运行参 数的综合优化.算例结果分析表明, 本文所提的优 化调度策略更契合工程的实际需求.通过考虑热能 的梯级利用, 调节工业中各设备的运行方式与工作 状态, 可降低工业用户的运行费用.

1 热能的梯级利用 能量的科学利用思想可表述为: 品位对口, 梯 级利用 .在系统的集成过程中, 应尽可能按照各个

3 2

1 第4 2卷第1 4期2018年7月2 5日Vol.42N o .

1 4J u l y2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

0 8

2 5

0 0

6 系统的特殊要求向其提供合适品位的输入能流.热 能的综合利用主要涉及以下两个方面.

1 ) 热能的品位 热能的品位是指单位能量所具有可用能的比 例, 是标识热能质量的重要指标.热能品位 At 常 常被认为是释放或接受热源温度所对应的卡诺循环 效率, 即At=1-T0 / T, 其中 T0 表示低温热源温 度, T 表示高温热源温度[

2 0 ] .更直观的表达, 热源 温度的高低即代表热的品位高度.热能可分为高品 位热(

5 5

0 ℃ 至燃料的理论燃烧温度) 、 中品位热(170~5

5 0 ℃) 和低品位热( 环境温度-1

7 0 ℃) [

2 1] .

2 ) 热能的数量和利用效果 一般来说, 温度越高则热能的品位越高, 有更多 可利用方式.不同的热利用技术可利用的余热数量 和品位不同, 热利用效果差异大, 会对整体的热利用 策略造成较大影响. 工厂根据热能的品位对输入的能量及内部能源 进行综合利用, 来达到更高的能源利用率.工厂中 热能的温度利用区间与相应的利用技术如附录 A 图A1所示.高品位热优先对口于高温热力循环系 统, 如燃气轮机、 内燃机等设备, 将热能转化为电能. 中品位热有较多可利用方式, 可用于工业用汽、 直接 供热或作双效/单效吸收式制冷机的热源.低品位 热温度较低, 通常仅作为单效吸收式制冷机热源或 直接供热.

2 工厂综合能源系统供能架构 综合能源系统包含冷、 热、 电、 气4种能源形式, 系统中负荷种类多样、 功能设备丰富.本文研究的 工厂综合能源系统的主要设备有燃气轮机、 光伏机 组、 余热锅炉、 吸收式制冷机、 户用空调、 燃气锅炉、 电池储能、 冰蓄冷装置和各类蒸汽驱动设备.该系 统通过集中式电力母线和公共电网交换电力, 采用 自发自用、 余量上网 的运行机制.同时, 园区内存 在大型热电联供系统, 园区内的工业用户可向热电 联供系统购买蒸汽, 以满足蒸汽负荷需求.工厂典 型综合能源供能架构如图1所示. 由燃气轮机、 余热锅炉和吸收式制冷机共同构 成了冷热电联供系统, 其工艺流程如附录 A 图A2所示.天然气在燃烧室中产生11

0 0 ℃以上的高温 烟气( 高品位热) , 进入燃气轮机膨胀做工带动发电 机发电.排出的5

3 0℃高温烟气( 中品位热) 通过余 热锅炉加以利用, 向外提供蒸汽.所产生的蒸汽进 入分气缸, 分配到各路管道中去, 可以用 作工业用 汽、 吸收式制冷机制冷/热、 制备热水等, 不足的热量 可由燃气锅炉进行补充.对余热锅炉最 后排出的

1 2

0 ℃低温烟气( 低品位热) 进行回收, 用于制备热 水或吸收式制冷机制冷/热[

2 1 -

2 3 ] .蒸汽驱动设备以 中品位热蒸汽作为驱动热源, 并可对剩余蒸汽进行 回收利用, 回收的低品位蒸汽同样可用于吸收式制 冷机制冷/制热及供应热水.在供冷/热系统中, 户 用空调可提供空间冷热负荷, 作为空间冷热负荷的 调峰设备.冰蓄冷装置在制冷量满足当前所需且电 价较低时储存冷量, 待需要时释放冷量. 图1 工厂综合能源系统能流示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f e n e r g y f l o wi nt h e i n t e g r a t e de n e r g y s y s t e mo fap l a n t 由于工厂中的高、 中、 低品位热在品位和数量上 都存在区别, 且工厂热力管网的温度保持恒定, 主要 是通过阀门控制管道中的蒸汽流量.本文以热能可 供的等效热负荷表示其所具备的可用能, 即Ht g r a d= Ft g r a d λg r a d

36 0

0 (

1 ) 式中: Ft g r a d, λg r a d, Ht g r a d分别为该品位蒸汽的消耗速 率、 热值和等效热负荷, 1kW・h=36

0 0k J . 所述系统架构优先向各个能量循环子系统提供 合适品位的输入能流, 从系统层面合理安排各种能 量之间的配合与转换利用, 充分利用循环余热, 实现 品位对口 的能量综合梯级利用.基于此, 本文建 立了工厂综合能源系统多能协同优化模型.下文将 具体介绍综合能源系统内的主要设备模型. 2.

1 能量生产设备

1 ) 燃气轮机 燃气轮机是冷热电联供系统中的核心设备, 其 电功率和回收的热功率可由式(

2 ) ―式(

4 ) 表示. Pt G T, i= η e G T λg a s Ft G T, i (

2 ) Ht WH, m i d , i= η h WH, m i d ( 1- η e G T ) λg a s Ft G T, i (

3 ) Ht WH, l o w, i= η h WH, l o w ( 1- η e G T ) λg a s Ft G T, i (

4 ) 式中: Pt G T, i 和Ft G T, i 分别为第i 个燃气轮机在时段t 输出的电功率和燃气消耗速率;

λg a s为天然气热值;

Ht WH, m i d , i和Ht WH, l o w, i分别为余热锅炉输出的中品位 和低品位热功率;

η e G T , η h WH, m i d , η h WH, l o w 分别为燃气轮 机发电效 率、 余热锅炉中品位热和低品位热回收4212018,

4 2 (

1 4 ) ・研制与开发・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 效率.

2 ) 燃气锅炉 燃气锅炉是常用的热源设备, 作为冷热电联供 系统的调峰设备, 可产生中品位热蒸汽, 满足蒸汽负 荷、 热负荷需求, 有Ht G B, i= η h G B λg a s Ft G B, i (

5 ) 式中: Ht G B, i和Ft G B, i分别为第i 个燃气锅炉在时段t 输出的热功率和燃气消耗速率;

η h G B 为燃气锅炉的供 热效率.

3 ) 光伏机组 光伏机组预测出力与其光伏电池板面积和辐照 强度有关, 即Pt P V, i= η e P V S φ t P V, i (

6 ) 式中: Pt P V, i为第i 个光伏机组的预测出力;

η e P V 为太 阳能电池板效率;

S 为电池板面积;

φ t P V 为第i 个光 伏机组单位面积光照强度. 2.

2 能量转换设备 能量转换设备包括吸收式制冷机、 户用空调和 冰蓄冷装置等, 该类设备用于不同能量形式之间的 转换, 是冷热电耦合的关键.

1 )吸收式制冷机 吸收式制冷机利用能源生产设备产生的余热作 为热源, 进行制冷或制热作........