分布式热电联产系统装机容量及运行策略分析

背景介绍

分布式热电联产（combined heating and power，CHP）系统作为一项新型节能减排技术，可同时满足用户热电负荷，系统具有小而灵活的特点，可变换不同构型，具有较大的发展潜力。用户的冷热电负荷需求属于三维波动，且三者之间无内在联系，而CHP系统的冷热电负荷按一定比例输出，属于一维变化；用户负荷的三维变化与系统一维输出间往往会造成负荷的供需不匹配，导致系统节能性下降，因而系统输出和用户需求之间的匹配关系是配置系统的重要参考。根据文献调研，影响匹配关系的主要因素有3个：气候和用户类型、系统构型（设备选型及装机容量）、运行策略。用户的冷热电负荷需求特征对于系统的节能性、经济性和碳排放有重要的影响。寒冷地域用户应用分布式系统的潜力还有待进一步研究。从系统构型的角度讲，微燃机和内燃机是分布式系统的两大核心设备，对系统性能起关键作用。储热系统的引入在缓解系统与用户间负荷不匹配的同时，也可以减小系统装机容量，保证系统始终以额定负荷高效运行，总的来说，对系统起到“减容增效，移峰填谷”的效果。而系统设备装机容量的选择则在一定程度上决定节能情况，容量过大则系统偏离额定工况运行，运行效率低，过小则需通过补燃措施补足。因此，合理的选择系统装机容量大小，对系统性能的提升起到至关重要作用。在系统构型一定前提下，系统运行策略决定了系统不同的运行方式，有学者提出了FEL（以电定热）和FTL（以热定电）两种运行策略，而在这两种运行策略对应不同的用户则系统表现出不同的节能性，因此，两种运行策略的选择间接影响着系统的节能性。本研究基于某办公楼实际的负荷数据为用户研究对象，建立了适用于办公楼用户的CHP系统的不同构型方案。同时，以年总成本节约率、一次能源节约率和二氧化碳减排量为评价指标，引入多目标评价来计算系统的综合收益，深入研究了系统装机容量的设计方法和系统的运行策略选择。最后，采用混沌粒子群多目标优化算法得到系统综合收益最高点下的系统构型、装机容量和运行策略

创新点及解决的问题

本文构建了以微燃机和内燃机为动力单元的两种不同CHP系统构型方案，同时建立了相应的变工况能量平衡模型；基于某办公楼实际的热电负荷数据，分析了两种构型方案下的装机容量和运行策略对节能性、环保性和经济性的影响规律；引入混沌粒子群多目标优化算法，得到该办公楼综合收益最佳时的装机容量和运行策略

重点内容导读

分布式热电联产系统是一种临近用户的先进能源系统，系统构型、装机容量和运行策略的选择对系统节能性、环保性和经济性有重要影响。本研究以某办公大楼为对象，根据其全年实时运行数据，分析了其热电负荷特征；同时，为该办公楼构建了分别以微燃机和内燃机为动力单元的两种不同CHP系统构型方案，建立了相应的变工况能量平衡模型。动力单元发电提供给办公楼，不足的电力由电网弥补；排气余热通过余热锅炉回收，并进行供热；当机组供热量大于热需求时，多余的热储存于储热罐，当机组供热量不足时，储热罐释热与机组一同供热；如果储热罐与机组供热仍不足，不足部分由补燃补足。

图1  基于（a）微燃机和（b）内燃机分布式供能系统流程图

进一步探讨了系统在以热定电与以电定热、变工况运行与额定运行、有储热与无储热、24 h连续运行与早起晚停等不同运行策略下动力机组装机容量对该办公楼经济性、节能性和环保性的影响规律。由此得出，系统配有储热装置后的综合收益要高于无储热设备，且连续运行优于早起晚停。同时运用多目标评价指标来对系统不同装机容量和运行策略下的收益综合评估，并引入了混沌粒子群优化算法来找到系统最大的综合收益。 

图2  不同装机容量下储热对系统性能的影响

结论

（1）本文构建了以微燃机和内燃机为动力单元的两种不同CHP系统构型方案，同时建立了相应的变工况能量平衡模型；

（2）基于某办公楼实际的热电负荷数据，分析了两种构型方案下的装机容量和运行策略对节能性、环保性和经济性的影响规律。研究结果表明，对于冷负荷需求较少的用户，系统动力单元选择微燃机要优于内燃机，以电定热运行策略要优于以热定电；因此，对于本文所分析的办公楼，系统建议采取以微燃机为主要的动力设备，且配备储热设备后以24 h连续运行变工况的调控方式其收益最高。

（3）引入混沌粒子群多目标优化算法，得到该办公楼的24 h连续运行状态下最佳装机容量为121 kW，最优运行策略为FEL。该办公楼应用CHP系统后全年的经济性、节能性和环保性较传统的单一供能模式了分别提高22.85%，17.45%，25.06%。

标签：构型,负荷,系统,热电,装机容量,联产,办公楼,运行,分布式
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