基于热电互动的分布式能源系统优化研究

数据，合理确定优化参数，计算了年发电量、年耗气量和一次能源利用效率，并对负荷增量的影响进行了研究。［结

果］结果表明：机组启动热负荷对分布式能源系统的年发电量影响较大，采用优化运行策略，年发电量提升约

18. 0 %，可以提高园区自供电比例，一次能源利用效率在85%以上。［结论］该优化运行策略是正确并有效的，可应

用于热电耦合分布式能源系统的优化，有效提升分布式能源系统的供能，同时维持较高的一次能源综合利用效率。

关键词：热电互动；分布式能源；优化运行中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：2091-8676(2016)03-0055-01Research on Optimization of Distributed Energy System Based on

Thermo-electric InteractionYIN Jiamin1, WANG Lu1, XIA Wenbo1 , LIANG Peiquan1, LIU Yuquan2(1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Instituta Co. , Ltd. , Guangzhou 510663, China；2 . Guangzhou Power Supply Co. , Ltd. , Guangzhou 510320, China)Abstract: (Introduction] To supple energy for industrial userr in an economical and efficient way, an energy supply unii model in distributed energy system (DES) is established based on coupling characteristics of electric and thermal loads, and optimal operation

strategy is proposed. (Method] Taking an industrial park in Guangzhou as the research object, combined with the actual load data, the optimum parameteri wei reasonable determined, annual power generation, gas consumption and energy efficiency wei calculat­

ed, and the impact of load increment was studied. (Result ] The results show that the stai-up thermal load of unit has a great inflo-encc on the annual power generation of DES . With the optimized operation strategy, the annual power generation can be increased by

18 . 7 % , and the self-power supply ratio of the park can be increased. The energy efficiency is more than 85% . ( Conclusion] The

optimal operation strategy is correct and effectiie. It can be applied to the optimization of thermo-electric coupled DES, effectively

enhanceGheeneagy supply ofDESwih high eneagy eficiencyKey worCs: thermo-electric interaction； distributed energy system； optimized operation综合能源系统是最具代表性的“能源互联”系 之间相对独立的问题［3］。以冷热电联产机组

(CCHP)作为核心能源中枢的电热耦合综合能源系

统，是能源互联网中实现能源转换、分配与有机协

调的重要物理载体，可发挥不同能源系统的优势,

协调运行［1-°，有效解决传统能源系统中各类能源统应用最为广泛，是能源互联网的重要组成

部分⑷。综合能源系统的典型应用场景之一是工业园

区，企业用户对电力和热能均有较大需求，且热、

收稿日期：2019-03-26

修回日期：2019-0401基金项目：国家重点研发计划项目\"工业园区多元用户互动的配用电需求之间存在耦合特性CCHP系统是工业园 区综合能源系统中的重要供能单元，可实现能量的

梯级利用。基于园区负荷优化CCHP系统，有助于电系统关键技术研究与示范”(2016YFB0901300)

60南方能源建设第6卷提高 供电比例、提 的 能源综合利 用效率。 ，综 能源系统多能协同优化模型(6,和经济运行调度模型\"⑵的相关研究已较 为完善， 未充分考虑基于负荷条件下CCHP机

的水平，在 能源综合利用效率较低的同时，分布式能源站发电能力也不能 全面释放*2供能单元的性能模型2. 1 CCHP 机组组的电热 互动。本文以广 为研 象，1区中的CCHP系统为天然气分布式能源站*基

分布式能源站机组性能 试验报告，在

能保证工况下，CCHP； 部分负 能数据如

2、图3所示*区热负荷条件和热电互动，通过建立供能单元的性 能模型，研

化策略对能源站发电量和能源利用效率的影响*1研究对象运行现状分布式能源 !

气轮机热电联产机， 热定电方式

，燃气轮机、余热锅炉、燃气锅 同 能源站的供电、供热系统*流程•意图如图1所示， 门的天然气进入分布式能源 过滤、调压分为三路，其中两路分别进入两台燃气轮机，在 室内 ：后动燃气轮

， 发电机转换为电力，对外出电能。同天然气

产生的烟气温度在550］

，进入余热锅炉用 热给水，产生2.5MPa. * /250 ］左右的过热 ； 路天然气直进入燃气锅炉，将水加热为2. 5 MPa. g/250 ］左

右的 * 路 ， 给用热企业*部分企业在用户端设有热-冷转换装，利用 冷*图1分布式能源站流程图Fig. 1 Flow diagram of distributed energy system负荷变化时，通过调

台燃气轮机的负荷率

气锅炉，可

用户的用热*热负荷未达到设计值，两台

负荷率较低* 2011年 数据，分布式能源站年供电量9 276. 86万kWh，年天然气耗量3 535. 9万Nm3， 年供蒸汽量26. 95万t*分布式能源站两台

利用小时数 低燃机负荷率/%图2不同负荷率下的机组出力和供热量曲线Fig. 2 Curves of output and heat VS. GT load部分负荷率对CCHP机组影

大*随着负荷率 ， 出力、耗气量和供热量几乎比*能数据进行二次曲线拟合，拟合结果

如下：:$ 0. 275 9 ・ K2 + 11. 043 ・ K+ 7. 604 3 (1)P $ 4. 551 9 ・ K2 + 11. 532 ・ K—4. 095 1 (2)< $ 479. 55 ・ K +2 297. 5 ・ K + 1 275. 5 (3)

式中：K为燃机负荷率，取值4% -114% ；:为机

供热量(t/h)； P为 出力(MW)； <为气量(Nm3/h)°2.2燃气锅炉气锅炉，额定产汽量为25 /h，额定效

第3期印佳敏，等：基于热电互动的分布式能源系统优化研究61率& =92%，实际运行时，效率可近似看作不变。 燃气锅炉耗气量可用如下公式计算：71 = I ( • %＞1 +：；・％＞2)1 )

J 0%＞1 = ＞g@1 - ＞g. %＞2 = ＞g@2 - ＞gs2

(1 2)( 13)△＞3 = ＞*@3 - ＞(5) ? = f (!1 +!)・(14)0式中：＜3为燃气锅炉耗气量(Nm3/h)； ：3为燃气

锅炉蒸汽流量(t/h)； -＞3为燃气锅炉有效吸热量

(6 = f (＜； + ＜；)・ dr

0(1)kJ/kg) ； 7l为燃料低位发热量(MJ/Nm3)； ＞邮

和＞*.分别为燃气锅炉过热蒸汽和给水箱值(kJ/

4优化运行策略kg)*由于锅炉排污率一般低于2%,式中为了计 算的简便，忽略燃气锅炉排污水的热量。3优化目标模型考虑到仪表读数的精度问题，机组蒸汽流量和

天然气耗量均以最高精度的仪表进行修正*#余热锅炉蒸汽流量设1领组蒸汽流量为：，2#机组蒸汽流量为 ：2,燃气锅炉蒸汽流量为：3，配汽站蒸汽流量为

:，则修正后的1#组蒸汽流量：'和2#组蒸汽

流量分别用以下公式表示*=------------加+ ：2 + ： (6)1 3：1 + ：2 & ：32)天然气耗量设1#组天然气流量为＜1，2#组天然气流

量为＜2,燃气锅炉天然气流量为＜3,门站天然气流 量为 ＜，则修正后的1#机组天然气流量＜1'和2#机组流量侈分别用以下公式表示*<，=<1 X<01 <1 + <2 + <3⑻<2 =

<2 X<\"2 <1 + <2 + <(2)3一次能源综合利用效率&采用下式［1］计算:& =3.------- 6? + 71 + °2

、B丁号 X Qa— X100%

(10)/ 式中：？为年净输出电量(kWh)； 71为年有效余

热供热总量(MJ)； 72为年有效余热供冷总量

(MJ)； 6为年燃气总耗量(Nm3 )*本项目由于没

有余热供冷，故72=0* 71采用以下公式计算，其

中＞*@和＞*.分别为过热蒸汽和给水箱值(kJ/kg)， 下标1和2分别代表两台机组*结合燃气轮机最小经济出力参数，制定更加优

化的能源站运行方式，充分发挥CCHP、燃气锅炉 的优势，将有利于提高园区自供电比例*考虑到能源站“以热定电”模式，如表1所示,

分布式能源站的机组运行采用以下模式，其中7s1

(r为第1套cchp机组的启动热负荷，7s2( f)为

第2套CCHP机组的启动热负荷(t/h) *表1机组运行模式Tab. 1 Unit operation mode of distributed energy system运行模式类别蒸汽负荷范围式10&7h( f) v <2si(f)燃气锅炉27S1 ( f) & 7H ( f) & 7CCHP0( f)1套CCHP机组371套CCHPCCHP机0 ( f) VQh( f) VQs2( f)+ 气锅47S2 ( f) & 7H ( f) &2 ・ 7CCHP ( f)2 CCHP52 ・ 7CCHP0 ( f) V(2h( f) & 2 ・2 CCHP +7CCHP0( f) +7GB0( f)气锅分布式能源站运行时满足热平衡约束：

r7cCHP (r + 7g$(f) & 7h(f)7cchp( f & 7cchpo ( f

( 16)

0 & 7GB ( tf & 7GB0 ( tf式中：7h( t为逐时热负荷需求(t/h )； 7CCHP0 ( t、

7gb0( t分别为CCHP机组和燃气锅炉机组额定供

热量(t/h) *5优化结果基于分布式能源站全年热负荷，机组采用优化

后的运行策略，优化结果如下：1第1套机组启动热负荷7s1( t的影响降低第1套CCHP机组的启动热负荷可以在一 定程度上提升发电量水平，具体如表2所示*可以

看出，当CCHP启动热负荷低于1.3 t/h以下时,62南方能源建设第6卷动热负荷的降低对年发电量 负荷率在50%

不明显。考虑到，因动热负荷,35 t/h作为2套CCHP； 动热负,效率 , 化模拟计算，分布式能源年发电量可达,#.3t/h作为第#套CCHP 动热负 到约117.3 GWh,全年出力曲线如图5所示。20,这也有利 效率。CCHP机组寿命和提高 〕—优化后—优化前表2不同启动热负荷Qk（\"的计算结果

Tab. 2 Results of annual energy output and QS1 （\"优化方案Qs(# /(t - h-1 )年发电量/GWh117.3117.37217.3117.37317.3772324417.3117.24517.3117.242743&117.24

2）第2套机组启动热负荷0S2 （的影响考虑到 在50%负 能 ，且维持50%负

同

的可能性很小，因基 热负荷，对不同Qs2（ #下的年发

电量和 能源利用效率进行计算。如 4所示,结果显示

Qs2（ #的

,年发电量 减,值出现在Qs2（ #） =35 t/h左右， 能源利用效率逐 ， ， 逐 缓。因将33 t/h作为2套CCHP> 动热负荷,可最大程度提高年发电量水平，同 保持较高的一

次能源利用效率。第2套机组启动热负荷Q/ （t •屮）图4不同启动热负荷s2（\"下的年发电量和一次能源利用效率曲线Fig. 4 Curves of annual energy outpup and efficiencyVS. Qs2(\"3）发电量在 热负荷不变的情况下， 用 化后的

策略，以17- 3 t/h作为 #套CCHP机组启16邮o................

060

120 180 240 300 360时间/d图5分布式能源站全年出力曲线Fig. 5 Curves of annual output of Distributed Energy System4）天然气耗量用优化 策略，在提高发电量的同时，天然气耗气量 *年天然气 量为3 903Nm3,年天然气耗量 如图2所示。(1

二*

w

r

擬m

Fig. 6 Curves of fuel consumption of Distributed Energy System5） —次能源综合利用效率计算， 能源综合利用效率为82. 27% ,满足 能源综合利用效率（83%的要求*2）热负荷增量的影响用优化 策略，考虑到园区新增企业热需

的不确定性，对热负 量的影响进行分析，如

7所示。热负荷的 ，分布式能源站的年发电量

几 比例 *若热负 小 至13-23 G

h,年发电量将达到（177 GWh〜2#GWh）°负 ，

能源综合利用效率出现的 ，分主要是因为在 热负荷的条件下，不考虑热负 量时，基本由单套CCHP第3期印佳敏，等：基于热电互动的分布式能源系统优化研究88

M

0 8763JIA H J，WANG D， XU X D， et al. Research on some key

problems related to integrated energy system [ J]. Automation of Electric Power Systems，2015, 33(2) : 198-202.0

86頼旺宾

[2]

8483耀赵—

孙宏斌，郭庆来，潘昭光•能源互联网：理念、架构与前沿 展望[J].电力系统自动化，2215, 39(19)： 1-6.SUN H B， GUO Q L， PAN Z G( Energy intemet: concepe， tcthieeteucetnd fconeiecoueeook [ J ] TAu eom teion ofEeetecit Power Systems，2215, 33( 19)： 1-6.李媛，杨秀，凌梓等•区域综合能源系统中考虑季节负荷

[3]

，特性的多能流耦合运行研究[J].电测与仪表2215, 55

，图7不同热负荷增量下的年发电量和一次能源利用效率曲Fig. 7 Curves of annual energy output and efficiencyVS. heat load increme nt+燃气锅炉满足用热

，燃气轮机负荷率较高；而热负 少时，多数情况CCHP机组满足用热

,单

的负荷率

'反 低，因 能源综合利用效率不升反降;热负 量继续 ， 负率提高，一次

能源综合利用效率 之 *若热负 小至#〜20t/h，其

能源综合利用效率将达到0. 863 1 〜0. 872 3*6结论本文建立了基于热电互动的分布式能源系统供

能模型和优化

型，提出 化 策略*结合广

的实际运行数据进 算例分析，结果表明：1) 机组启动热负荷对分布式能源站的年发电量影 大。建议第1套CCHP 动热负荷为12. 3 t/h， ! CCHP机组启动热负荷为35 t/h*2) 基于现有的热负荷，分布式能源站采用优化运行策略后年发电量提升约12. 7%，在一定程度上 可以提高 供电比例，同 能源综合利用效率在研 65% 果可 *用 热 电

分布式能源系统的优化，通过基

热、电负荷的优化

，能到兼顾年发电量与综合能效的 化策略,充分挖掘分布式能源系统的供能潜力，提 系统的 利用率和能效水平*参考文献：[1] 贾宏杰，王丹，徐宪东，等•区域综合能源系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2215, 39( 2)： 129-222.( 22 ) ： 2.6.6 TLI Y, YANG X, LING Z, et al. Study on coupling operation

ofmu ei6enecgy fow focineegcteed communiey enecgy syseem

consideing seasonal load characteristics [ J]. Electrical Measurc- ment &Instrumentaion, 2216, 55 (22) : 76-66.[+ ]

张义志，王小君，和敬涵，等•考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法[J].电工技术学报，2219, 34

(3) : 562-672.[5]

姜子卿，刘育权，艾G,等•面向多主体的工业园区综合能 源系统互动机制[J] •南方电网技术,216, 12( 3)： 15-26.[6] 徐航，董树锋，何仲潇，等•考虑能量梯级利用的工厂综合 能源系统多能协同优化[J].电力系统自动化，2116, 42

(14)： 123!31.[2] 朱旭，杨军，刘源，等•新型园区综合能源系统规划方法[J].可再生能源，2215, 36(1)： 1479-1465.[6] 王进，李欣然，杨洪明，等•与电力系统协同区域型分布式

冷热电联供能源系统集成方案[J].电力系统自动化，214, 36( 16) : 16-21.[9] 王™,顾伟，陆帅，等•结合热网模型的多区域综合能源系

统协同规划[J].电力系统自动化，2116, 4。(15)： 17-24.[1]靳小龙，穆云飞，贾宏杰，等•融合需求侧虚拟储能系统的

冷热电联供楼宇微网优化调度方法[J].中国电机工程学报, 2212, 32(2) : 561-591.[1]卫志农，张思德，孙国强，等•基于碳交易机制的电-气互

综合能源系统低

[J].电力系统自动化，2216,44(H) : 9-16.[12]华煌圣，刘育权，熊文，等•考虑综合能效水平的能源系统

多目标优化运行[J].南方电网技术，2212, 12(3)： 61-64.[1]中华人民共和国住房和城乡建设部•燃气冷热电联供工程技

术规范：GB 51121—2216 [ S].北京：中国建筑工业出版 ， 21#6作者简介:()1992-,女，江苏 ，中国能源建设

集团广东省电力设计研 公司高级工程师，清大学动力工程

程热物理 ，主要从事综合能源、热力系 统技术研

设计(e-maii) yin-

jiamin@gedi. com. cn*YIN J M(责任编辑郑文棠)