天然气冷热电联产系统区间负荷调度策略优化

贺 庆，常大伟，张俊礼，郑文广，陈 琪，王仕彬，雷志恒，农居贵

(1.华电南宁新能源有限公司，南宁 530012；2.东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096；3.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

随着我国经济的发展，能源需求与日俱增；目前，我国的能源消费结构以煤炭等一次能源为主，且能源利用率较低，这使我国面临着重大的能源和环境挑战[1]。因此，优化能源结构、提高能源利用率是目前能源领域关键的战略需求。其中，天然气分布式冷热电联产系统通过冷、热、电等多种形式能源的优势互补和协调优化有效提高了能源利用率，在节能减排方面具有重要意义[2]。

目前，冷热电联产系统多采用以电定热[3]和以热定电[4]2种调度策略。任洪波等[5]分析了不同热电比下天然气分布式热电联产系统采用上述2种调度策略时的运行数据，得出该系统在最优热电均衡点处获得最佳节能收益；周任军等[4]以冷热电三联产系统为研究对象，分析了2种调度策略下的能量流特性，提出了能量流函数，并以此为约束对系统进行优化调度；Fang等[6]的研究表明，对于冷热电三联产系统，在2种调度策略之间切换的混合热电调度策略比单一调度策略的经济效益更高；Mago等[7]分析了以电定热、以热定电及二者组合的调度策略对楼宇型综合能源系统经济、能源和环境目标的影响。在工程应用中，这2种传统调度策略主要限定了系统内部各设备间的关系及设备供应负荷次序，使得系统对设备控制的灵活性受到限制，难以实现单一性能指标或多指标下的最优调度。因此，崔杨等[8-10]提出了基于指标最优的调度策略，主要包括经济性指标最优调度策略、能效性指标最优调度策略、环保性指标最优调度策略及多种指标组合得到的综合指标最优调度策略，从而实现能源系统在某一指标或综合指标下所得效益最高。

笔者针对某采用以热定电策略的天然气分布式冷热电联产系统中燃气-蒸汽联合循环机组的燃气轮机在50%～70%负荷运行时制冷机组运行成本较高的问题，根据不同种类设备的特性以及相同种类不同设备的特性，构建基于经济性、环保性和能效性指标的优化调度模型，以减少制冷机组顺序启停引起的成本增加量，提高系统在区间负荷下的运行效益。

1 系统设备建模

1.1 系统概况

某天然气分布式冷热电联产系统结构如图1所示。该系统地处广西南宁，主要面向周围用户供冷和供电，适当考虑周围居民区的生活热水负荷，不考虑集中供暖。

图1 某天然气分布式冷热电联产系统结构图Fig.1 Structure of a natural gas distributed CCHP system

1.2 燃气-蒸汽联合循环机组特性模型

燃气-蒸汽联合循环机组包括燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机3种主要设备。部分负荷运行和非标准环境温度对燃气轮机变工况特性具有重要影响，为此，根据机组最大输出功率-环境温度变化曲线，通过拟合获得了典型日环境温度变化范围所对应的燃气轮机最大输出功率模型；根据机组发电效率-环境温度变化曲线，确定了典型日环境温度变化范围内机组的平均发电效率[11]。燃气轮机的特性模型如下：

(1)

式中：qV,gas(t)为t时段燃气轮机气耗量，m3/h；PGT(t)为t时段燃气轮机输出功率，kW；PGT,rated为燃气轮机的额定功率，kW；PGT,max(t)为t时段燃气轮机最大输出功率，kW；T(t)为t时段的环境温度，℃；Trated为合同规定的环境温度，℃；a1、b1和c1为拟合系数，m3/h；b2和c2为拟合系数，kW。

燃气轮机余热排放量与发电效率的关系[12-13]为：

(2)

式中：QGT(t)为t时段燃气轮机余热排放量，kW；ηGT为燃气轮机发电效率；η1为燃气轮机散热损失系数，取0.15[13]。

余热锅炉高压主蒸汽和低压主蒸汽质量流量与燃气轮机余热排放量的数学模型为：

(3)

式中：qm,h(t)、qm,l(t)分别为t时段余热锅炉所产生的高压主蒸汽和低压主蒸汽质量流量,t/h；QGT,Rated为燃气轮机额定余热输出量，kW；a3、b3、a4和b4为拟合系数，t/h。

本系统中的蒸汽轮机为双压、单缸、补汽、抽汽凝汽式汽轮机，其因抽汽供热而损失的发电功率Ph(t)为：

(4)

式中：Qh,ST(t)为t时段蒸汽轮机的抽汽供热功率，kW；hex为蒸汽轮机额定抽汽焓，kJ/kg；hout为蒸汽轮机额定排汽焓，kJ/kg。

蒸汽轮机因抽汽供给蒸汽型溴化锂吸收式制冷机(以下简称蒸汽型溴化锂制冷机)制冷而损失的发电功率Pc,SC(t)为：

Pc,SC(t)=fSC(Qc,SC(t))·(hex-hout)

(5)

式中：Qc,SC(t)为t时段蒸汽型溴化锂制冷机制冷量，kW；fSC为蒸汽型溴化锂制冷机蒸汽耗率，kg/(kW·h)。

蒸汽轮机发电功率PST(t)为：

PST(t)=qm,h(t)·(hin-hout)+qm,l(t)·

(hadd-hout)-Ph(t)-Pc,SC(t)

(6)

式中：hin为蒸汽轮机额定进汽焓，kJ/kg；hadd为蒸汽轮机额定补汽焓，kJ/kg。

1.3 热水型溴化锂制冷机特性模型

热水型溴化锂吸收式制冷机(以下简称热水型溴化锂制冷机)以热水为热源进行制冷，其热水耗量与制冷量的关系为：

(7)

式中：qm,c,WC(t)为t时段热水型溴化锂制冷机热水耗量，kg/h；Qc,WC(t)为t时段热水型溴化锂制冷机制冷量，kW；Qc,WC,Rated为热水型溴化锂制冷机的额定制冷量，kW；a5、b5和c5为拟合系数，kg/h。

1.4 蒸汽型溴化锂制冷机特性模型

蒸汽型溴化锂制冷机以蒸汽为热源进行制冷，其蒸汽耗量与制冷量的关系为：

(8)

式中：qm,c,SC(t)为t时段蒸汽型溴化锂制冷机蒸汽耗量，kg/h；Qc,SC,rated为蒸汽型溴化锂制冷机额定制冷量，kW；a6、b6和c6为拟合系数，kg/h。

1.5 离心式电压缩制冷机特性模型

离心式电压缩制冷机依靠压缩机提高制冷剂的压力以实现制冷，其制冷量与消耗电功率的关系为：

Qc,EC(t)=ηECPc,EC(t)

(9)

式中：Qc,EC(t)为t时段离心式电压缩制冷机制冷量，kW；Pc,EC(t)为t时段离心式电压缩制冷机消耗电功率，kW；ηEC为离心式电压缩制冷机能效比。

2 系统优化调度模型

2.1 目标函数

2.1.1 经济性目标函数

以单位日总运行成本最小化作为经济性目标函数f1，如式(10)所示。

f1=Cgrid+Cgas+COM

(10)

式中：Cgrid、Cgas和COM分别为系统与主电网交互成本、天然气成本和运行维护成本，元。

2.1.2 环保性目标函数

以二氧化碳单位日排放量最小化作为环保性目标函数f2，如式(11)所示。

f2=mgrid+mgas

(11)

式中：mgrid和mgas分别为系统向主电网购电的二氧化碳排放量和天然气的二氧化碳排放量，kg。

2.1.3 能效性目标函数

以一次能源单位日利用率最大化作为能效性目标函数f3，如式(12)所示。

(12)

式中：Qc、Qh和Qp分别为系统制冷量、制热量和供电量，kW·h；Qgrid为系统购电量需消耗的能量，kW·h；Qgas为系统消耗天然气能量，kW·h。

2.1.4 多目标处理

优化调度模型的目标函数为：

minf=(f1,f2,-f3)

(13)

在综合能源系统的多目标优化调度中，经济性指标往往占较大的比重，而环保性和能效性指标作为附加指标，故本文采用ε-约束方法[14]将经济性目标作为优化的目标，将环保性和能效性目标通过加入上下限的方式转换为约束条件，式(13)可转换为如下形式：

minf=f1

(14)

式中：ε2和ε3分别为环保性和能效性目标函数约束上界。

ε-约束模型中界限值εj设定是否合适对最优解有一定的影响，笔者为了方便确定εj，按照式(15)遍历权重，以得到目标函数的上下界：

minf=λ1f1+λ2f2-λ3f3

(15)

0≤λ1≤1

0≤λ2≤1-λ1

0≤λ3≤1-λ1-λ2

之后将目标函数进行标幺化处理，并根据对系统综合性能的需求选定标幺化后目标函数的上界，将式(14)转换为如下形式：

minf=f1

(16)

式中：f2,max、f2,min分别为环保性目标函数的上、下界；f3,max、f3,min分别为能效性目标函数的上、下界；ε2,s、ε3,s分别为标幺化后环保性目标函数的约束上界和能效性目标函数的约束下界。

2.2 约束条件

2.2.1 能量平衡约束

能量平衡约束主要包括冷、热、电功率供需平衡[15]：

∑Pi,supply(t)=∑Pj,demand(t)

(17)

式中：Pi,supply(t)为t时段第i类供能设备输出功率，kW；Pj,demand(t)为第j类负荷需求量，kW。

2.2.2 与主电网交互功率约束

为保证系统不在同一时刻进行购电和售电，故加入与主电网交互功率约束：

(18)

式中：Sgrid,buy(t)、Sgrid,sell(t)分别为t时段系统向主电网购、售电状态值；Pgrid,buy,max、Pgrid,sell,max分别为系统向主电网购、售电最大功率限值，kW；Pgrid,buy(t)、Pgrid,sell(t)分别为系统向主电网购、售电功率，kW。

2.2.3 燃气轮机爬坡速率约束

为保证燃气轮机爬坡速率符合实际情况，加入燃气轮机爬坡速率约束：

(19)

式中：PGT,up,max、PGT,down,max分别为燃气轮机发电机组一个时间段升负荷和降负荷的最大限值，kW。

3 算例分析

3.1 算例介绍

天然气分布式冷热电联产系统的主要设备运行参数如表1所示，天然气的净热值为3.8 MJ/m3，价格为2.92元/m3。

表1 主要设备运行参数Tab.1 Operation parameters of main equipments

该系统调度策略为以热/冷定电，燃气轮机发电机组在50%～70%负荷下运行，调度过程由冷系统和热系统到电系统。其中，制冷机组依照经验顺序启停，即先启动热水型溴化锂制冷机，再启动蒸汽型溴化锂制冷机和调峰的离心式电压缩制冷机，直至满足最大冷负荷要求为止；当冷负荷由高值降低时，以相反的顺序启停。这种制冷机组根据经验进行启停的方法在一定程度上节省了能耗，但由于没有考虑不同负荷下各设备的效率，调度过程并非最优，该系统调度策略还有进一步优化的空间。

某典型日的冷、热、电负荷曲线如图2所示，所在地区分时购、售电价格如图3所示。该典型日环境温度变化如图4所示，其中大气压力变化极小，为96.1 kPa。为验证本优化调度方法的有效性，构建2种场景进行对比：场景一，采用以热/冷定电策略，制冷机组依照经验顺序启停的原优化调度策略；场景二，采用ε-约束方法处理经济性、环保性和能效性多目标问题，以运行维护成本最小为优化目标，将二氧化碳排放量最小化和一次能源利用率最大化纳入约束的优化调度策略。2个场景中的模型均考虑了设备的变工况特性，可描述设备效率随负荷变化的过程，对实际工程中系统的优化调度起指导作用。

图2 某典型日冷、热、电负荷曲线Fig.2 Cooling,heating and power load in a typical day

图3 所在地区分时购、售电价格Fig.3 Electricity purchased and sold price in the location

图4 某典型日环境温度变化Fig.4 Change of environmental temperature in a typical day

3.2 优化调度结果分析

优化调度周期为1 h，对场景一和场景二进行计算，其冷、热、电功率优化调度方案见图5～图7。

(a)场景一

(a)场景一

(a)场景一

由图5可知，在冷功率优化调度方案中，与场景一的以冷定电策略相比，场景二由于采用ε-约束方法处理经济性、环保性和能效性多目标问题，在满足冷负荷需求的同时考虑了各制冷机的变工况特性，因此在调度中优先选用效率更高的制冷机组，使制冷机组在其较优的工况下运行，减少了日总运行成本，其经济性和能效性均有所提高。

由图6可知，在热功率优化调度方案中，与场景一的以热定电策略相比，场景二优先利用余热锅炉所产生的热水满足热负荷需求，该供热来源成本更低，从而有效地提高了经济效益。

由图7可知，在电功率优化调度方案中，与场景一的以热/冷定电策略相比，场景二由于制冷机组输出功率和供热输出功率的优化，用于供冷和供热的蒸汽轮机抽汽量减少，燃气-蒸汽联合循环发电功率增加，购电量相应下降，减少了购电成本和二氧化碳排放量。

场景二的经济性、环保性和能效性均有所提高。如表2所示，在经济性方面，场景二的总运行成本较场景一减少1.54%(1.3万元)。如表3所示，在环保性方面，场景二的二氧化碳排放量较场景一减少2.22%,即减排二氧化碳15.7 t；在能效性方面，场景二的一次能源利用率比场景一高0.89个百分点。

表2 场景一和场景二典型日运行成本对比Tab.2 Comparison of operation costs in a typical day between scenario Ⅰ and scenario Ⅱ 元

表3 场景一和场景二典型二氧化碳日排放量和一次能源利用率对比

4 结 论

(1)在冷功率调度方面，原优化调度方法采用制冷机组顺序启停方法，未考虑各设备变工况特性，所提出的优化方法考虑了不同种类制冷设备的变工况特性以及相同种类不同制冷设备的变工况特性，使各制冷设备在满足冷负荷需求的同时在较优工况下运行，系统经济性和能效性得到提高。

(2)在热功率调度方面，所提出的优化方法考虑了在余热锅炉可利用余热量不足时，热水型溴化锂制冷机消耗热水与用户消耗热水的竞争关系，通过协调二者输出功率满足了冷、热负荷，同时提高了一次能源利用率。

(3)所提出的优化方法通过对供冷/热设备输出功率的优化调度，典型日节省总运行成本1.3万元，减排二氧化碳15.7 t，一次能源利用率提高0.89个百分点，有效提高了系统在区间负荷下运行的经济效益、环保效益和一次能源利用率。