李 兵，牛洪海，陳 俊，耿 欣，婁清輝

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

傳統(tǒng)的冷、熱、電等能源系統(tǒng)隸屬于不同部門進行管理與運行，無法發(fā)揮協(xié)同潛力，抑制了能源利用率的提高和可再生能源的消納。具有多能協(xié)同特征的多能互補綜合能源系統(tǒng)通過冷、熱、電等多能流的綜合規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制、智能調(diào)度與多元互動可顯著提高能源供需協(xié)調(diào)能力，促進可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要抓手；對于建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義，目前這一技術(shù)成為研究的熱點[1]。

多能互補系統(tǒng)組成形式多樣，存在多種不同品質(zhì)能源介質(zhì)的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換，單一的指標(biāo)如發(fā)電煤耗、制冷性能系數(shù)等無法全面評價系統(tǒng)的性能，同時不同能源介質(zhì)相互耦合，設(shè)備運行參數(shù)與系統(tǒng)運行方式的改變均會對系統(tǒng)能耗產(chǎn)生影響[2-5]。

目前國內(nèi)外對多能互補綜合能源系統(tǒng)的研究多集中于宏觀層面，如系統(tǒng)規(guī)劃、技術(shù)形態(tài)等；部分學(xué)者借鑒微電網(wǎng)的控制理論及大電網(wǎng)的調(diào)度理論，開展綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行研究，但通常只研究其中2種能量耦合并使用了一致的優(yōu)化周期，優(yōu)化方法和傳統(tǒng)方法較為一致，多能流、多時間尺度的特性沒有充分體現(xiàn)；同時，鮮見關(guān)于多能流實時協(xié)調(diào)控制及系統(tǒng)整體性能評價的研究。因此，本文針對不同類型的多能互補系統(tǒng)，建立相應(yīng)的能耗評價準(zhǔn)則，對系統(tǒng)運行能耗進行精確表征，進而實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計與運行的優(yōu)化。

1 以燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)為基礎(chǔ)的多能互補系統(tǒng)運行優(yōu)化準(zhǔn)則

1.1 系統(tǒng)能耗分析模型

(1)

式中：Copc為電制冷機組性能系數(shù)；Copa為吸收式機組性能系數(shù)；ηb為調(diào)峰鍋爐效率，%；ηp為凝汽式機組的熱效率，%；ηtg為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的燃料利用系數(shù)，%。

如采用冷熱電分供的形式，系統(tǒng)的熱耗量為

(2)

多能互補系統(tǒng)與分供系統(tǒng)相比，熱耗量的差值為

(3)

從式(3)可看出:在用戶側(cè)冷熱電負荷不斷增大時，多能互補系統(tǒng)產(chǎn)生的節(jié)能量逐漸減少；在多能互補系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)備負荷為0時，系統(tǒng)節(jié)能潛力最大。進而可得到多能互補系統(tǒng)的臨界節(jié)能條件如下：

(4)

1.2 系統(tǒng)節(jié)能評價條件

為研究方便，式(4)中Copc、Copa、ηb、ηp可取為常數(shù)，取值分別為5、1、0.8、0.4，得到不同運行條件下系統(tǒng)的節(jié)能約束條件，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)節(jié)能約束邊界Fig.1 Boundary condition of energy saving

由于吸收式制冷機組利用汽輪機抽汽進行制冷后會影響機組的發(fā)電量，同時吸收式制冷機組的性能系數(shù)小于電制冷機組的性能系數(shù)，會對系統(tǒng)的節(jié)能效果產(chǎn)生影響;因此，當(dāng)系統(tǒng)冷、熱配比不合理時，會影響系統(tǒng)的整體能效[6-7]。由圖1可看出，在相同的燃料利用系數(shù)下，隨著吸收式制冷機組蒸汽份額的提高，系統(tǒng)節(jié)能區(qū)域變小，節(jié)能條件變得苛刻。

審計組長在完成審計項目過程中處于中心地位，發(fā)揮著主導(dǎo)作用，不僅要身體立行做好戰(zhàn)斗員，還要運籌帷幄當(dāng)好指揮員。為了保障審計項目順利、高效和高質(zhì)量地完成，要充分做好審前調(diào)查，精心編制審計方案，扎實做好現(xiàn)場查證，認真復(fù)核審計文書，技巧性地與被審計單位“見面”。只有全過程綜合運用 ，才能得心應(yīng)手地當(dāng)好審計組長。

2 以天然氣冷熱電三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補系統(tǒng)運行優(yōu)化準(zhǔn)則

2.1 系統(tǒng)能耗分析模型

以天然氣冷熱電聯(lián)三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補系統(tǒng)不像熱電聯(lián)產(chǎn)機組可通過汽輪機抽汽的調(diào)整實現(xiàn)冷熱電負荷調(diào)整，其運行方式主要采取以熱定電與以電定熱2種類型。其中以熱定電方式又稱為熱跟隨模式，即在系統(tǒng)運行期間燃氣輪機及配套余熱鍋爐優(yōu)先滿足系統(tǒng)熱量需求，同時產(chǎn)生電能，如果該電能不能滿足需求，則從電網(wǎng)購電；以電定熱方式又稱電跟隨模式，其運行思想與以熱定電方式相反，燃氣輪機優(yōu)先滿足系統(tǒng)電負荷需求，當(dāng)系統(tǒng)熱負荷較大時，不足的熱量由調(diào)峰鍋爐燃燒天然氣提供。針對該類型系統(tǒng)的優(yōu)化主要對比以熱定電與以電定熱2種運行方式的差異[8-11]。

在以熱定電運行方式下，當(dāng)系統(tǒng)所需熱量大于系統(tǒng)余熱鍋爐提供的蒸汽量時，需要啟動調(diào)峰鍋爐補充熱量，系統(tǒng)天然氣消耗量FS及外購電量Pbuy為

(5)

式中：ω為電制冷機組供冷份額；Fmax為燃氣輪機最大工況下的天然氣消耗量；ηGT為燃氣輪機的發(fā)電效率;ηrec為余熱鍋爐的熱效率。

當(dāng)系統(tǒng)所需熱量小于余熱鍋爐提供的蒸汽量時，無需啟動燃氣鍋爐，系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購電量分別為

(6)

以電定熱運行方式下，當(dāng)系統(tǒng)所需電量大于三聯(lián)供機組提供的最大電量時，需要從電網(wǎng)買電，系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購電量分別為

(7)

當(dāng)系統(tǒng)所需電量小于三聯(lián)供機組提供的電量時，系統(tǒng)消耗的天然氣消耗量與外購電量分別為

(8)

2.2 系統(tǒng)運行優(yōu)化準(zhǔn)則

(9)

以電定熱方式下系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購電量為

(10)

2種方式下系統(tǒng)的能耗量差值為

(11)

此時系統(tǒng)采用以熱定電的運行方式優(yōu)于以電定熱的方式。

(12)

以電定熱方式下系統(tǒng)的天然氣消耗量及外購電量為

(13)

2種方式下系統(tǒng)的能耗差值為

(14)

一般情況下，由于(1-ηGT)ηrec-ηb<0，因此ΔE<0，此時采取以電定熱的方式運行優(yōu)于以熱定電的方式。

通過上述分析可以得出以天然氣冷熱電三聯(lián)供為基礎(chǔ)的多能互補系統(tǒng)運行優(yōu)化的基本準(zhǔn)則：當(dāng)系統(tǒng)等效熱負荷(含冷、熱)與電負荷比值小于燃氣輪機輸出煙氣熱量與發(fā)電功率的比值時，系統(tǒng)宜采用以熱定電的方式運行；反之，應(yīng)采用以電定熱的方式運行。

3 多能互補綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型

為實現(xiàn)多能互補綜合能源系統(tǒng)運行的優(yōu)化控制，本文根據(jù)綜合能源系統(tǒng)多能流多時間尺度的特點，設(shè)計一種分層協(xié)調(diào)控制機制，實現(xiàn)冷熱電多能流日前與實時2個時間尺度的協(xié)調(diào)調(diào)度與控制，消除能源需求不確定性和負荷預(yù)測誤差給系統(tǒng)優(yōu)化帶來的不利影響，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多能互補系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Topology of multi-energy collaboration control system

該系統(tǒng)分為3層架構(gòu)，其中上層為優(yōu)化調(diào)度層，中間層為協(xié)調(diào)控制層，底層為實時控制層。優(yōu)化調(diào)度層根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，以綜合能源系統(tǒng)運行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)運行約束條件，結(jié)合預(yù)測的可再生能源發(fā)電功率、用戶冷熱電負荷需求進行優(yōu)化調(diào)度，確定綜合能源系統(tǒng)中冷熱電計劃指令；協(xié)調(diào)控制層根據(jù)優(yōu)化調(diào)度層得到的冷熱電計劃指令，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備運行情況，得到綜合能源系統(tǒng)中冷熱電實時負荷指令[12-15]。

優(yōu)化調(diào)度層的優(yōu)化調(diào)度為日前調(diào)度，一般可取調(diào)度周期為15 min，1 d有96個調(diào)度周期，系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為

約束條件包括系統(tǒng)的供能、儲能和輔助供能設(shè)備運行條件約束、負荷平衡約束等。根據(jù)未來24 h冷熱電負荷預(yù)測結(jié)果，對上述模型進行求解，形成冷熱電負荷優(yōu)化調(diào)度計劃。以夏季制冷負荷為例，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

實際運行時，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)超短期負荷預(yù)測結(jié)果，對優(yōu)化調(diào)度層下發(fā)的計劃指令進行滾動修正，形成實時負荷指令，進而實現(xiàn)綜合能源的優(yōu)化運行。

圖3 制冷優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Optimization result of cooling system

4 結(jié)語

本文歸納了多能互補系統(tǒng)的主要組成形式，并分別建立了相應(yīng)的系統(tǒng)能耗模型，其可精確表征多能互補綜合能源系統(tǒng)的性能；在此基礎(chǔ)上得到上述2類系統(tǒng)運行優(yōu)化的一般性準(zhǔn)則；并提出了一種分層分布式多能互補綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制架構(gòu)及方法，可實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

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