天然氣價格對熱電聯產微網系統運行影響的研究

朱承治，徐立中

（浙江省電力公司，杭州 310007）

輸配電技術

天然氣價格對熱電聯產微網系統運行影響的研究

朱承治，徐立中

（浙江省電力公司，杭州 310007）

分布式熱電聯產技術可以極大地提高能源利用效率，優化能源供應結構，服務節能減排，是高效利用天然氣的有效手段。在分析熱電聯產的優點、總結在浙江發展分布式熱電聯產項目的有利條件后，對含分布式熱電聯產的微網系統進行了建模，并通過仿真算例分析了天然氣價格對含熱電聯產微網系統運行的影響。

天燃氣；熱電聯產；價格；微網；運行；影響

0 引言

對傳統的集中供電方式而言，熱電聯產可以同時為某一負荷區域提供電能和熱能，通過余熱回收技術， 其能源的綜合利用效率可以達到 80%以上[1]。 分布式熱電聯產機組可以安裝在機場、 大型商業場所、居民區、醫療機構等區域。因為靠近負荷，因此可有效減少輸熱、輸電系統的投資，同時降低能量輸送過程產生的損耗，尤其是熱能的傳輸損耗。另外，通過配置吸收式制冷設備，熱電聯產系統還可以向負荷供冷。熱電聯產還能夠參與大電網的削峰填谷，降低和延緩電力系統的建設投資。在當前電力短缺的情況下，分布式熱電聯產具有廣闊的發展前景。

熱電聯產系統運行的經濟性直接影響用戶投資熱電聯產的積極性。針對熱電聯產項目的政策制定和研究， 是目前急需開展的課題[2-4]。 本文通過對天然氣價格對熱電聯產系統運行影響的研究，探討燃氣價格對熱電聯產系統的重要性，為熱電聯產系統供氣價格的制定提供參考。

1 熱電聯產的優勢

熱電聯產能源利用效率高，具有良好的經濟和環境效益。同時，作為分布式電源，將對電力系統起到很好的補充作用。

1.1 能源利用率高， 污染少

傳統集中式發電廠的發電效率一般為 35%～55%， 考慮廠用電和遠距離輸電損耗， 對一次能源的利用效率只有 30%～47%。 而熱電聯產機組的發電效率可以達到 40%左右，同時通過余熱回收等技術， 一次能源的綜合利用效率可達到 80%以上，與傳統遠距離輸電相比，還能減少因遠距離輸電造成的線損約 6%～7%。

大部分熱電聯產機組采用天然氣作為燃料，污染排放較少，因此可以在寫字樓、商場、醫院、酒店等區域安裝使用。 根據美國的調查數據[5]，采用聯供系統作為能源可有效減少溫室氣體排放，寫字樓、商場、醫院、體育場館、酒店可分別減少 22.7%， 34.4%， 61.4%， 22.7%和 34.3%。

1.2 具有雙重削峰填谷作用

以浙江為例，浙江地處東南沿海，屬亞熱帶季風氣候，冬季低溫少雨，夏季高溫多雨。因此冬季需要采暖，夏季需要制冷。大量的空調負荷使夏季用電遠超冬季，造成夏季電力供應緊張，電力供需極難平衡。且浙江的能源結構以火電為主，調峰機組少，調峰能力差。特別是夏季高溫天氣，峰谷差很大，空調負荷激增，造成電力供應緊張[6]。 而燃氣負荷的特性正好與電力負荷相反，如杭州市夏季的燃氣需求量僅為冬季的60%。 因此發展分布式天然氣熱電聯產是解決電力和燃氣峰谷不平衡的有效手段。

1.3 具有良好的經濟性

以 CAPSTONE C200 型燃氣輪機 組[7-8]為例，其最高發電效率約為 35%， 余熱回收效率約為45%。 1m3的天然氣含熱量約為 10.35 kWh， 蒸汽價格為 0.231 元/kWh，居民電價為 0.568 元/kWh，則 1 m3的天然氣產生的效益為 3.13 元。 目前杭州 民 用 天 然 氣 價格 為 2.4 元 /m3，可 見 熱 電 聯 產在當前電價和氣價的情況下存在贏利空間。

根據美國的調查數據[5]， 采用熱電聯產系統可有效減少供能成本，寫字樓、商場、醫院、體育場館、 酒店可分別減少 12%， 11%， 21%， 32%和23%。

2 含熱電聯產系統的微網

分布式熱電聯產在成本、技術和環境方面具有綜合優勢，因而在國外得到了大量的應用，在國內也陸續有示范項目投入運行。天然氣價格和電價對熱電聯產運行的影響，是一個迫切需要研究的課題。分布式熱電聯產機組一般用于商場、醫院、寫字樓等場合，滿足特定區域的熱能需求，同時通過與外部電網的電能交換滿足用電需求。因此，本文考慮含熱電聯產的微網系統，通過分析不同天然氣價格下微網的優化運行，探討天然氣價格對含熱電聯產的微網系統的影響。

含熱電聯產的微網系統結構見圖1。

圖1 含熱電聯產的微網系統結構圖

微網中的設備包括熱電聯產機組（CHP）、 儲熱設備、鍋爐等。CHP在生產電能的同時，通過余熱回收向用戶提供熱能，提高其整體效率和燃料利用率，從而降低成本和污染物排放。

3 考慮機組開停機的微網調度模型

微網優化調度模型以系統運行成本最低為目標，滿足熱、電負荷的平衡，同時考慮各種運行約束，如設備容量約束、爬坡率約束、機組最小開/停機時間等[10]。

3.1 目標函數

微網調度的目標是微網系統總運行費用最低，包括微網與外部電網的電能交換成本、發電機和鍋爐的燃料成本。目標函數可表示為：

3.2 約束條件

模型的約束條件主要包括熱/電系統的平衡、設備容量約束、機組爬坡率約束、機組最小開/停機時間約束等。

3.2.1 有功平衡

t時刻電力供需平衡可表示為：

PCC 處的交換功率必須滿足連接變壓器的容量約束，或者事先約定的容量約束：

3.2.2 熱平衡

熱能產生應大于或等于熱需求，可表述為：

B網 的熱負荷 需 求和分 別 是 t時 刻 儲 熱 裝置的充放功率；是儲熱裝置的熱輸出效率。

鍋爐的熱輸出滿足容量約束：

儲熱裝置的運行約束如下：

3.2.3 機組容量和爬坡約束

CHP 輸出上下限約束和爬坡率約束表示為：

CHP 的輸出功率在兩個連續時間間隔內的爬坡率約束滿足：

3.2.4 最小開 /停機時間

根據參考文獻[8]， 開停機滿足如下約束。

最小開機時間約束可表示為：

最小關機時間約束可表示為：

4 燃氣價格對系統運行的影響

仿真算例參考文獻[8]， 電網電價采用峰谷電價形式： 8∶00-22∶00 為峰電價 0.568 元 /kWh， 其余時刻為谷電價 0.288 元 /kWh。 居民用天然氣價格為 2.4 元 /m3。

圖2給出了對應不同天然氣價格，微網系統在峰、谷時段從電網購電的情況。

仿真結果表明： 在天然氣價格低于 2.0 元 /m3時，高峰時段微網系統不從電網購電，微網內的用電負荷通過熱電聯產機組來滿足；在低峰時刻，微網從電網購電滿足負荷用電需求。所以，小型燃氣熱電聯產機組在當前的電價和天然氣價格條件下，具有很好的經濟性，熱電聯產機組可以實現贏利。

圖2 不同天然氣價格下微網從電網購電量

5 結語

熱電聯產能有效提高能源利用效率，減少污染物排放，達到節能減排的目的。天然氣價格對于分布式熱電聯產項目的運營非常重要，仿真算例研究表明：在浙江當前的電價和天然氣價格條件下，分布式熱電聯產項目具有很好的贏利空間。除了對分布式熱電聯產的運行給予一定的優惠政策外，如果政府再對分布式發電設備給予一定的補貼，小型燃氣分布式熱電聯產項目在浙江將具有很好的發展前景。

[1]JH HORLOCK.Cogeneration∶combined heat and power thermodynamics and economics[M].Pergamon Press，Oxford，England，1987.

[2]馮 志 兵 ， 金 紅 光.冷 熱 電 聯 產 系 統 的 評 價 準 則[J].工 程熱物理學報，2005，26（5）∶725-728.

[3]徐 建 中.分 布 式 供 電 和 冷 熱 電 聯 產 的 前 景[J].節 能 與 環保，2002（3）∶10-14.

[4]劉 莉 ，黃 錦 濤 ， 豐 鎮 平.100 kW 微 型 燃 機 冷 熱 電 聯 產 的經 濟 性 分 析[J].工 程 物 理 學 報 ，2004，25（6）∶909-912.

[5]LNBL-56359.The Potential for Distributed Generation in Japanese Prototype Buildings∶A DER-CAM Analysis of Policy,Tariff Design,Building Energy Use,and Technology Development[R].2004.

[6]CAPSTONE C200 MICROTURBINE TECHNICAL REFERENCE[EB/OL].http∶//www.interstatepower.us/Capstone% 20Document%20Library/Technical%20Reference/410066C _C200_Tech_Ref.pdf.

[7]肖小清，鐘清，闞為民，等.以微型燃氣輪機組為基礎的微 網 動 態 特 性[J].中 國 電 力 ，2011，44（1）∶11-14.

[8]徐立中，楊光亞，許昭，等.考慮風電隨機性的微電網熱電 聯 合調 度[J].電 力 系 統 自 動 化 ，2011，35（9）∶53-60.

（本文編輯：龔 皓）

Research on Im pact of Natural Gas Price on Operation of M icrogrid System w ith Combined Heat and Power

ZHU Cheng-zhi， XU Li-zhong
（Zhejiang Electric Power Corporation， Hangzhou 310007， China）

Distributed combined heat and power （CHP）， which can improve the energy utilization efficiency，optimize energy supply structure and serve energy saving and emission reduction， is an effective way to achieve high efficiency utilization of natural gas.The advantages of distributed CHP are analyzed and the favorable conditions of its development in Zhejiang are summarized.With the microgrid system of distributed CHPmodeled， the impact of natural gas price on its operation is analyzed through simulation and calculation.

natural gas； combined heatand power； price； microgrid； operation； impact

TM732

： A

： 1007-1881（2011）12-0001-03

2011-11-02

朱承治（1977-）， 男， 江西豐城人， 工程師， 從事新能源并網相關的研究及管理工作。