综合能源系统低碳设计优化的策略研究.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/7综合能源系统低碳设计优化的策略研究杨爱贤（重庆能控动力技术有限公司，重庆 400000）【摘要】为解决在热电厂背景下袁当前城市存在的冷尧热尧电多样化能源不均衡等问题袁针对某一城市热电厂实际情况袁提出 4 种不同综合能源系统渊integrated energy systems,IES冤设计方案遥 借助回归算法表示热电负荷与机组运行能耗的非线性关系袁构建热电联产机组模型遥 利用 Gurobi 求解器进行求解袁并基于总成本尧二氧化碳排放量等参数袁对每个方案做出评估遥【关键词】综合能源系统曰低碳设计曰优化策略【中图分类号】TK01【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）07-0121-030 引言现阶段，清洁能源（太阳能、地热能等）对于改善能源消费结构起到了重要作用。大量研究证明，综合能源系统（integrated energy systems,IES）不仅能够提高经济效益，同时还能达到节能、减少二氧化碳排放的目的，其中冷热电联产系统是重要的代表。如何利用不同能源之间的互补性，合理协调二次能源生产工作，成为当下研究的重要问题之一1。为此，当前应加强对 IES 优势的利用，对热电联产系统进行良好的串联，并通过优选性能指标合理优化热电联产系统，以提高经济效益与环境保护效果。1 区域 IES 描述大型区域 IES 主要由发电机组（燃气轮机等）以及余热锅炉组成，同时还包括了地源热泵、热交换器以及电制冷机组等。能量外部供应来源主要有电网与天然气管网，可以为不同的用户提供冷、热与电能量2。首先，燃气轮机是 IES 能量生产侧的核心设备之一，有着较大的优化潜力。燃气轮机主要以天然气为能源，可以为不同的用户提供电能3。同时，产生的高温烟气在进入余热锅炉之后，还能对循环水进行加热，能够满足用户热能方面的需求。如果燃气轮机出现热量供应不足的问题，无法满足用户的热需求，那么可使用热泵机组进行热量补充。其次，借助吸收式制冷机组以及电制冷机组，IES 还能为不同的用户提供冷量。就电制冷机而言，其消耗的电量主要来源于电网、燃气轮机，如果燃气轮机出现供电不足的问题，可以通过电网来补充供应。最后，如果 IES 产生的电量比电制冷机组需求高，那么多余的电量可进行余电上网销售4。如果余热锅炉产生的热能过大，也可对其进行储存。之所以会产生上述情况，与系统的运行策略有着密切的关系。2 供需关系分析某城市热电厂所在地位于该城市的东北部，属于冬冷夏热区域。从实际情况出发，当地政府决议通过供热规划，要分 3 期对城市范围内 1 200 万 m2的建筑进行集中供能。随着城市的迅猛发展，一些建筑的冷负荷被纳入集中供能的范围。图 1 为该城市全年逐日平均温度变化情况。结合实际温度情况可以看出，该热电厂的集中供暖天数可以设计为100 d，集中供冷天数可以设计为 90 d。具体设计时，还应考虑室外温度、居民作息时间以及建筑类型等因素的影响。同时，还要对该热电厂的冷热负荷情况做出粗略的预测。假定集中供冷的建筑占总商业建筑与办公建筑的 30%，根据预测结果，全年热负荷峰值可以达到 669.85 MW，冷负荷峰值可以达到 151.40 MW。该热电厂现有 2 台 350 MW 的热电联产机组，图 1 全年逐日平均温度变化情况35302025151050-5供暖期供冷期供暖期132456789101112月份能源管理121LOW CARBON WORLD 2023/7机组的最大供暖负荷能够达到 286 MW，最大工业蒸汽负荷能够达到 430 MW。通过分析可以发现，现有的能源系统不能满足夏季供冷与冬季供暖方面的需求，因而要重新规划能源系统。结合厂区的实际条件，为能源系统配置设备，设备以燃气锅炉与吸收式热泵为主，此外还可选择地源热泵以及电制冷机组等。根据供需关系，分别拟定了以下 4 种不同的设备配置方案：淤方案 1 采用热电联产机组、电制冷机组以及燃气锅炉的组合方式。于方案 2 在方案 1 的基础上加装吸收式热泵。盂方案 3 在方案 2 的基础上加装地源热泵。榆方案 4 在方案 3 的基础上加装储能装置。在上述 4 种方案中，首先，方案 1 作为参考系统，可通过分析传统冷热分供技术，改进现有的热电联产机组，并通过增加燃气锅炉设备，以达到补足热负荷缺口的目的。同时，借助大型的电制冷机组，满足夏季冷负荷方面的需求。其次，方案 2 通过加装吸收式热泵，对热电厂产生的余热进行充分利用。再次，方案 3 在方案 2 的基础上，通过加装地源热泵等，加强对可再生能源的利用，尽可能降低对化石燃料的消耗。最后，方案 4 在方案 3 的基础上，通过加装储能装置，可以在 IES 运行期间，起到削峰填谷、平移负荷等重要作用。3 热电联产机组模型对于热电联产机组而言，在进行热电负荷、运行能耗等多项参数的处理时，考虑到参数的非线性关系，主要的处理方法有两种：淤利用多项式拟合方法，采用幂次函数的形式，表示热电负荷和运行能耗之间的关系。于通过对大量工况数据的分析，并借助当前广泛应用的机器学习方法，利用回归算法预测机组运行能耗5。该热电厂使用的热电联产机组属于双抽凝汽式机组，在热电负荷与运行能耗关系方面具有一定的复杂性，且能耗模型有着典型的非线性特点，多项式拟合期间产生有较大的误差。为此，可以采用机器学习的方法，借助回归算法表示非线性映射关系。该算法的准确性高、性能好，在机组能耗模型的构建方面有着明显的优势。在构建热电联产机组模型时，要对该热电厂全年的运行数据进行统计，并从中筛选出有用的数据，如纯凝发电工况、采暖工况等数据。需要注意的是，要重点做好热电负荷与机组运行能耗数据的筛选与分析。为提高模型的预测效果，应当对数据选取的范围进行界定。其中，电负荷变化区间要控制为99.02 MW367.24 MW。同时，采暖抽汽热负荷的变化区间要控制为 0183.06 MW。通过开展数据的预处理，对坏值点进行剔除处理，得到了 4 136 组有价值的数据。模型输入值主要包括 3 项参数：淤电负荷参数；于采暖抽汽热负荷参数；盂工业抽汽热负荷参数。输出值为机组的运行能耗。使用的回归算法有 4 种，即线性回归算法、支持向量回归算法、高斯过程回归算法、神经网络算法。通过对数据开展训练，最终利用平均绝对误差（mean absolute error,MAE）指标、均方根误差（root mean square error,RMSE）指标以及决定系数 R2评估 4 种算法，表 1 为具体的训练结果。MAE 与 RMSE 均可反映预测值和真实值之间的差值，二者的差值越小，则表明训练模型有着良好的性能。R2表征的是自变量不变的情况下，因变量的变化情况，R2为 01。R2越接近 1，表明拟合的效果越好。从表 1 的数据可以看出，4 种回归算法都可以说明热电负荷和运行能耗之间存在明显的强相关关系，并且预测结果的可解释水平都大于 90%。除此之外，通过对 MAE、RMSE 指标的分析可以看出，高斯过程回归算法得到的误差最小。综上所述，通过 4 种算法的训练，高斯过程回归算法的效果最佳，可以较为精确地反映出热电负荷和运行能耗之间的密切关系。4 优化结果分析4.1 基本参数假设 IES 新增设备的生命周期都是 20 a，在折现率取值方面都为 0.08。同时，将燃煤折合标煤的价格假设为 850 元/t，将天然气价格假设为 3.0 元/Nm3，将碳税价格假设为 0.3 元/kg。4.2 优化结果利用上文中的优化模型，使用 Matlab 软件的Gurobi 求解器功能，开展全年冷热负荷的逐时优化工作。在此基础上，对计算得到的数据进行处理，就能够得到特定场景下的设备最优容量配置方案。通过对不同设备数学模型的分析可以发现，储能装置和其他类型的设备存在着很大的差异，额定算法模型MAERMSER2线性回归2.367 93.098 40.961 2支持向量回归4.271 05.030 50.930 6高斯过程回归0.454 50.746 10.986 4神经网络2.068 43.451 80.953 8表 1 各个回归算法模型的训练结果统计能源管理122LOW CARBON WORLD 2023/7容量对最大储放功率有着明显的约束与影响。因此，优化期间首先要明确储能装置容量，之后才能对储能装置的工作状态进行精确的表示，并对设备容量进行优化求解。当储能装置容量增大时，目标函数值表现出先减小、后增大的特点，目标函数取得最小值时，就是最优容量。实际运行期间，可通过平移负荷的方式，达到降低能源生产转换设备容量的目的。此外，增加储能装置还能起到降低运行成本的重要作用。需要注意的是，在储能装置容量达到某一数值之后，装置的初始投资成本将会增加，并且碳排放费用也将增加。当二者的增加量之和超过运行成本的减少量时，目标函数值将会增加。为此，设备配置期间，应当结合实际情况选择设备配置方案并设计优先级。采用不同的方案进行设备容量优化时，不仅要考虑到各类设备的初始投资成本，同时还要对设备后期的运维、碳排放等费用进行研究。例如，就单位投资成本而言，燃气锅炉最低。但是，因为燃料的价格较高，并且燃气锅炉的能效较低，因而后期的运维成本将会急剧增加。因此，随着其他能源设备的增加，燃气锅炉的容量配置将会逐步降低。通过计算可以发现，假设碳税价格为 0.3 元/kg，在单位供热方面，燃气锅炉的成本为 105.07 元/GJ，吸收式热泵的成本为 37.91 元/GJ，地源热泵的成本为 41.73 元/GJ。在含碳税的单位供冷成本方面，吸收式热泵的成本为 53.71 元/GJ，而地源热泵的成本仅为 34.47 元/GJ，电制冷机组的成本为 40.81 元/GJ。通过上述分析可以发现，采用吸收式热泵的成本较低，有着良好的经济性，在设备容量配置方面有着显著的优势。因此，要设计吸收式热泵为最高优先级。另外，通过增设储能装置的方式，适当降低能源生产转换设备的容量。在不同类型的供冷设备中，电制冷机组的初始投资成本最低。但是，从方案 2、方案 3 以及方案 4 的分析来看，这一设备的容量优化结果为 0。之所以会出现此类情况，是由于该场景中，冬季供暖热负荷明显比夏季供冷负荷高。同时，夏季冷负荷大多集中于白天。吸收式热泵、地源热泵的利用效率高，在经济性方面有着明显的优势。此外，通过储能装置的配置，能够起到降低调峰燃气锅炉容量的重要作用。同时，还可以改善 IES 的整体性能。IES 在实际运行期间，还将面临需求侧突增或者快速切出等情况，对系统运行的扰动较大。为此，应当结合需求侧的扰动情况，分析 4 种方案的动态响应效果。在 IES 的所有设备中，热电联产机组在输出功率方面占比较低，燃气锅炉也有类似的情况，因而系统的动态响应能力较强。首先，在方案 1 中，热电联产机组提供了主要的热负荷，燃气锅炉也将提供热负荷，因而相比于其他方案，方案 1 的动态响应能力最低。其次，方案 3 在方案 2 的基础上增设了地源热泵，燃气锅炉的动态响应能力有所下降。与燃气锅炉相比，地源热泵有着更强的动态响应能力。因此，方案 3 在动态响应能力方面比方案 2 强。最后，由于方案 4 中加装了储能装置，并且储能装置在动态响应能力方面受到最大输出功率的影响，因而方案 3优于方案 4。5 结语从方案 1 至方案 4，分别在前者的基础上增设了吸收式热泵、地源热泵以及储能装置。在初始投资成本方面逐步提高，但从运维成本来看逐步降低。同时，方案 1 至方案 4 在年二氧化碳排放量方面逐步降低。其中，方案 2 年总成本最低，预计为15 489 万元。方案 3 与方案 2 相比，在年总成本方面提高了 386 万元，但是年二氧化碳排放量降低了2.33 万 t，该方案的碳减排能力明显提升。方案 4 与方案 3 相比，通过加装储能装置，在年总成本与年二氧化碳排放量方面都有了一定程度的下降，可改善 IES 的整体性能。方案 4 与方案 1 相比，年总成本降低了 3 038.46 万元，年二氧化碳排放量降低了10.74 万 t。参考文献1 吕凯文.多源互补城市供热系统负荷调度实时优化研究D.杭州：浙江大学，2018.2 吕泉，陈天佑，王海霞，等.含储热的电力系统电热综合调度模型J.电力自动化设备，2014，34（5）：79-85.3 郝俊红，陈群，葛维春，等.热特性对含储热电-热联供系统的综合调度影响J.中国电机工程学报，2019，39（9）：2681-2689.4 许宁，王虎，耿鲁明.浅谈城市电厂集中供冷的发展模式J.企业管理，2019（增刊 1）：142-143.5 曾鸣，王永利，张硕.综合能源系统M.北京：中国电力出版社，2020：36-38.作者简介院杨爱贤（1982），男，汉族，湖南永州人，硕士研究生，高级工程师，主要从事能源动力设计咨询工作。能源管理123