計及冷熱電多聯供機組的配網經濟調度

陳 云，李紹金

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來，以燃氣輪機—吸收式供熱/制冷機組為代表的循環聯供機組的大規模應用，顯著提高供能企業一次能源利用率［1，2］。同時，因傳統供電公司、供暖公司等供能企業相互存在信息、管理、決策等不同步的現狀，制約了包含循環多聯供機組的大型配網供能系統的發展。對配網供能系統進行調度時，存在電、冷、熱負荷供應優先順序問題。基于電、冷、熱負荷分布情況，提出優先滿足用戶冷熱負荷需求，電負荷通過并網(單向購電)滿足的并網“以熱定電”調度模式，能充分利用燃料的化學能，顯著降低單位供能的一次能耗率［3］。優先進行配網電能優化調度，用戶冷、熱能需求則通過輔助供能機組或通過蓄能裝置移峰作用的“以電定熱”調度模式，因優先進行可靠性要求高的電能調度，其供能可靠性高［4］。未來信息化技術的發展，趨使配網、熱力管網等配網供能企業統一調度，充分考慮配網供能系統不同類型機組的運行特性，在滿足用戶對供熱量、發電量要求的前提下，供能企業的燃耗成本最小，提出“經濟最優”的模型。

文獻［5］以聯供機組中燃料在燃燒室中燃燒，帶動蒸汽機做功過程中產生的蒸汽量為媒介，近似得供熱量與發電量呈線性關系。多聯供機組因熱電比小，通過變工況運行，降低回收熱品位以達到提高發電效率的目的，故可近似認為供熱量與發電量為凸函數的關系。文獻［6］通過比較單個冷熱電多聯供機組在“以熱定電”和“以電定熱”策略下的優化運行結果，表明后者在經濟效益上具有明顯優勢。單個多聯供機組的在應對區域性負荷時，存在靈活性不足等缺點，加入輔助型供能設備可滿足需求。

本文在配網供能系統中供電上網條件下，分別按“以熱定電”、“以電定熱”策略對電能、冷、熱能分別進行優化調度，并將調度方案的燃料成本與“經濟最優”的聯合調度結果進行比較，證明聯合調度策略比分別調度方案具備更好的經濟性，同時具備更低的對熱、冷備用機組容量的需求。本文所提出的聯合調度模型為配網多種供能方式下的聯合調度提供參考依據。

1 配網供能系統概述

配網供能系統包含燃氣輪機—吸收式雙效溴化鋰多聯供機組 (Combined Cold，Heat and Power，CCHP)、燃氣輪機、燃氣鍋爐、電壓縮式冷水機組等多供與單供機組作為供能源［7］。考慮到配網新增供能負荷可能超過規劃預期，為滿足用戶需求，增加機組容量及增設線路等將導致額外建設成本，可引入蓄能裝置，進行夏季冷能與冬季熱能的“削峰填谷”作用［8］。按后文進行調度的需要，分別建立各機組的輸出—輸入關系的數學模型。

1.1 燃氣輪機多聯供機組

因機組在額定工況運行時效率最高，當負荷比低于80%時，效率將急劇降低［9］。為滿足用戶多樣時變的能量需求，機組需經常變工況運行，筆者從多聯供機組的電、冷、熱輸出對應的煙氣利用效率對機組變工況運行狀況進行數學簡化，以燃氣輪機多聯供機組為例。

燃氣輪機多聯供機組的能量傳遞示意圖如圖1 所示。氣體燃料在燃氣輪機的透平中充分燃燒，帶動轉子發電，排出的煙氣余熱先進入蒸汽鍋爐，產生的高中溫蒸汽進入雙效吸收式溴化鋰冷溫水機組，通過溴化鋰溶液的吸/放熱循環，進行空調制冷/供熱［5］。剩余低溫余熱進入余熱鍋爐集中產出生活熱水。剩余少量低溫廢熱排入環境，危害小，可忽略。

圖1 燃氣輪機多聯供機組能量梯級利用圖Fig.1 Step utilization diagram of the energy in gas turbine trigeneration system

氣體燃料主要成分為碳氫燃料，表示為CmHn，式(1)表示碳氫燃料的低位熱值(Inferior Calorific Value，LHV)與燃料中碳氫元素含量比ρC/H之間的關系［10］。其中btu/lb 為英熱單位，折合2.326 kJ/kg。

燃料燃燒產生的所有能量Qall隨機組運行時單位時間燃料輸入量(此處簡稱燃料流量)Mgas增加而顯著增大，并受與燃燒時燃燒室中氧氣含量、壓強等條件相關的燃燒效率ηf的影響，呈式(2)所示關系。

燃氣輪機發電效率與可回收熱生成效率，隨機組發電負荷率變化而變化，不同負載率βP下燃氣發電機組的發電效率ηP計算式(3)和可回收熱生成效率ηR計算式(4)［11］。此處假定燃氣輪機產生的可回收熱均被雙效吸收式機組利用，且忽略傳輸過程中的熱量消耗，即可回收熱生成效率等于燃氣輪機多聯供機組的供冷 (ηC)、熱(ηH)、生活熱水(ηW)及廢熱排放效率之和。故CCHP 電、冷(熱)量功率由式(5)可求，其中λ 表示CCHP 千瓦燃耗，單位為(kJ/kW);Q 可表示熱、冷負荷，COPQ為吸收式機組制冷/供熱性能系數。

1.2 燃氣鍋爐與電壓縮冷水機組

燃氣鍋爐與電壓縮冷水機組被廣泛應用于需要輔助供熱制冷的場合，由于用戶冷熱電負荷比與作為配網供能系統主體部分的CCHP 機組供能熱電比不同，故需要燃氣輪機與電壓縮冷水機組作為補充。前者以氣體燃料燃燒發熱供暖，后者以電力帶動壓縮機組壓縮空氣供冷。

燃氣鍋爐運行效率也與負荷率有關，低于85%或高于100%對運行效率造成極大影響，具體關系如式(6)，燃氣鍋爐供熱量與氣體燃料流量(單位:Nm3/h)滿足下式(7)，其中ηGB表示燃氣鍋爐的供熱效率。

電壓縮冷水機組運行效率受負荷率影響不大，即ηF為定值。電壓縮機組耗電量與供冷量存在如式(8)所示的線性關系，其中COPF表征電壓縮冷水機組制冷系數［15］。

1.3 蓄能裝置模擬

增設蓄能裝置是提高配網供能系統靈活性、合理安排供能計劃、達到削峰填谷、顯著提高能源利用率的主要方式，通過查閱相關文獻［12］可得蓄能裝置蓄能、放能的動態模型，如式(9)所示:

式中:X (t)t 時刻蓄能裝置所存儲的冷 (熱)量;Δt 做蓄放能決策的時間間隔，本文取1 h;α表示單位時間內蓄能裝置中冷(熱)量因擴散運動損失的能量;E (t)表示t 時刻的蓄放能功率，取流入蓄能裝置為正，反之為負，單位為MJ/h;σ 表示冷(熱)量傳遞的有效系數。

本文忽略熱量的擴散運動和蓄放能過程中冷(熱)量傳遞損失，即假定α=0，σ=1。蓄能裝置滿足容量約束(10)，單位時間蓄放能量上下限約束(11)，與各蓄能裝置蓄放周期初始值始終不變的約束(12)，以保證蓄能裝置中始終留有最低額定的能量。其中XVolume表示蓄能裝置所能蓄入的冷(熱)量最大值，單位為MJ，s 表示蓄能裝置中初始含能量值，單位為MJ。

2 配網供能系統的調度策略

2.1 概述

配網供能系統與當地配電網絡存在三種能量交換關系，無聯接、單向弱聯、雙向強聯。于是配網供能系統存在三種運行策略，能量“自給自足”的孤島運行模式、配網供能系統僅能從電網買電的單向并網模式、允許配網供能系統與電網實時買賣電的雙向上網模式［13］。配網供能系統存在電量與熱(冷)量供需的平衡，即反應在電網與熱力管網供能上。依據電網與熱力管網優先程度，將調度策略分為熱力優先的以熱(冷)定電策略、電網優先的以電定熱策略、及綜合二者以經濟性最優原則進行調度的第三種調度策略［14］。為最大限度的提高系統能源利用效率，假定大電網能在一定限度內與配網度哦聯供系統自由的進行能量交換，采用電量上網的運行模式。

2.2 策略

以熱(冷)定電策略，指在使余熱得到最大程度利用的原則下控制燃料流量，使聯供機組運行在犧牲發電效率以優先滿足用戶熱(冷)負荷需求的工況下，作為附屬產品的電能富余或缺額，則通過上網滿足。在這種調度策略下分布式能源熱電聯供系統綜合效率得到顯著提高［15］。

此種調度策略下，當用戶熱(冷)負荷需求不超過CCHP 中吸收式機組容量限額時，由CCHP單獨供應熱(冷)能;當用戶熱(冷)負荷需求大于CCHP 中吸收式機組容量限額時，CCHP 運行于吸收式機組額定狀態，熱(冷)量缺額由燃氣鍋爐(供熱量)與電壓縮冷水機組(供冷量)提供。為滿足配網供能系統電能供需平衡，優先使用單供電的燃氣輪機進行供電，不足部分由大電網提供。故可建立如式(13)～ (14)的成本模型，總的成本f1與式(13)、(14)所得的f11與f12存在式(15)所示的關系。

其中fi(Qi)表示第i 個CCHP 機組供熱燃耗量性能函數，可由式 (15)求得。在完全利用CCHP 中燃氣輪機燃燒余熱的情況下，CCHP 機組輸出的供熱(冷)量與供電量存在式(16)所示關系。類似的fGB(QGB)與fF(QF)為燃氣鍋爐、電壓縮機組的燃耗性能函數，可近似為式(7)～(8)的逆函數。σ 為表征夏季、冬季的季節性特征向量，當σ=1 表示夏季，假定僅供應冷能，電壓縮冷水機組開啟、燃氣鍋爐停止運行;反則反之。Qd(t)表示t 時刻的電、冷、熱負荷值，單位為kW，MJ。Qi_max則表示第i 個CCHP 機組的供電、冷、熱容量上限，單位為kW，MJ。

以“以熱定電”策略進行調度時，配網供能系統中各機組需滿足式(17)的供能設備容量上下限約束，式(10)～ (12)的蓄能裝置運行約束，與式(18)～ (19)的能量平衡約束，以及式(20)～ (22)的機組爬坡/下坡速率約束。其中E (t)表示t 時刻從熱力管網流向蓄能裝置的熱(冷)能量流大小，單位為kW·h。假定正數表示將能量注入蓄能裝置，反則反之。

式(20)～ (22)表示系統內機組爬坡、下坡速率約束，其中u，d 分別表示機組的爬坡速率、下坡速率，單位為kW/h，或MJ/h。是受機組機械性能等因素影響的常量，常常可通過查詢設備出產手冊獲得。

其中(i=1，…，nG1+nG2)。

2.3 “以電定熱(冷)”策略

以電定熱(冷)，指聯供機組中燃燒產生的高溫煙氣充分用于推動發電機組發電，以滿足用戶電負荷需求，而作為附屬產品的熱能富余或缺額，通過燃氣鍋爐和電壓縮冷水機組供能，同時蓄能裝置在熱(冷)負荷低谷儲存能量—負荷高峰釋放能量，實現經濟調度［15］。

與2.2 節內容相同，當用戶電負荷需求小于CCHP 中燃氣輪機額定容量時，由CCHP 單獨供能;當用戶電負荷大于CCHP 中燃氣輪機額定容量，而未超過系統所有燃氣輪機額定容量之和時，由CCHP 于僅供電燃氣輪機聯合供電;當用戶電負荷大于兩者之和時，配網供能系統將向大電網購買電，以滿足電量供需平衡。故可建立如下式(23)～ (24)的成本模型，總的成本f2與式(23)、(24)所得的f21與f22存在式(25)所示的關系。

該策略下的優化調度亦需滿足 (10)～(12)、(17)～ (22)的約束。

2.4 “經濟最優”策略

實施此種調度策略時，將在滿足配網熱(冷)、電負荷的供需平衡同時，以CCHP 聯供機組氣體燃料消耗費用及上網與大電網交換電能經濟成本之和最小，進行聯合優化調度。建立模型如下:蓄能裝置約束 (10)～ (12)，式 (23)為經濟最有策略的成本函數，在滿足式(17)～(22)的機組容量上下限約束與能量平衡約束的前提下需滿足的約束，其中式(23)為電量平衡約束。

3 算例分析

以南方某地區一處大型居民區夏季負荷基本參數進行分析。參照文獻［16］、［17］的數據進行冷熱電多聯供機組(CCHP)、電壓縮冷水機組等機組參數擬合，得到其性能參數如表1 所示。對所建立的三種調度策略下的經濟調度模型，采用MATLAB 非線性規劃工具箱進行優化求解。

不同調度策略優化調度結果如圖所示。圖2(a)、(b)分別為“以熱定電”調度策略下配網聯供系統熱力管網優先調度、配電網滯后調度的結果;圖2 (c)、(d)為“以電定熱”調度策略下的結果。圖3 為經濟最優調度策略下的調度結果。

比較三種調度策略下的調度成本，結果見表2。如表所示，當不考慮“以熱定電”調度策略發電懲罰成本和“以電定熱”調度策略供熱懲罰成本時，“以電定熱”策略調度成本最少，“經濟最優”策略次之，“以熱定電”最多。由于三種調度方案均采用上網方式與當地配電網相連，可以進行實時買賣電能，當以買賣為主時該項成本為正，反之則為負。加入懲罰成本后，由于“經濟最優”策略下電能與熱能均能保持平衡，不存在能量的浪費，故懲罰成本為0;“以熱定電”策略下熱能優先保持平衡，電能通過從電網買賣電能亦能保持平衡，故懲罰成本亦為0;“以電定熱”策略下存在一定的熱量浪費，懲罰成本值不為0。綜上所述，本文提出“經濟最優”調度策略能通過改變系統不同機組調度安排，降低3%的燃料成本，在滿足用戶多種供能需求的同時不對環境造成額外的污染，同時降低電力系統調度成本，具有顯著的節能減排意義。

表1 配網供能系統各個機組性能參數Tab.1 Performance function coefficient of distributed energy-supply system kW

圖3 “經濟最優”調度策略下機組調度結果Fig.3 Dispatch result of Economical policy

表2 不同調度策略下配網各個機組調度成本Tab.2 Cost of the distributed network in variety dispatch policy元

4 結論

的需求。本文所提出的聯合模型為配網多種供能方式下的聯合調度提供參考依據。

本文結合熱力學第一定律分析了燃氣輪機—吸收式制冷/供熱機組進行多種能量循環利用過程，以單位燃料所含熱量轉換為供冷(熱)量或電量的比值，等價為該機組熱—電關系。通過這個關系，可將CCHP 燃耗性能函數表示為僅與發電量相關的函數，且算例所使用機組的模擬結果基本符合工程實際。

在以供電企業經濟性最優進行聯合調度模式下，分別與“以熱定電”、“以電定熱”進行供能的優化調度相比，在多種負荷的供能方式下，聯合調度對用戶的供冷(熱)、供電進行聯合調度，減少分供造成企業間協調操作帶來的額外成本。

在供電上網模式下，分別“以熱定電”、“以電定熱”策略進行供能的優化調度，其結果與“經濟最優”的聯合調度結果進行比較，表明“經濟最優”的調度策略比之前者，具備更好的經濟性，同時具備更低的對熱、冷備用機組容量

［1］李春曦，王佳，葉學民，等.我國新能源發展現狀及前景［J］.電力科學與工程，2012，28 (4):1-8.Li Chunxi，Wang Jia，Ye Xueming，et al.Development and prospects of new energy in china ［J］.Electric Power Science and Engineering，2012，28 (4):1-8.

［2］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.

［3］于建國.淺論“以熱定電” ［J］.節能與效益，1998，16 (6):27-29.

［4］周任軍，冉曉洪，毛發龍，等.分布式冷熱電三聯供系統節能協調優化調度［J］.電網技術，2012，36 (6):8-14.Zhou Renjun，Ran Xiaohong，Mao Falong，et al.Energysaving coordinated optimal dispatch of distributed combined cool，heat and power supply ［J］.Power System Technology，2012，36 (6):8-14.

［5］張士杰，李宇紅，葉大均.燃機熱電冷聯供自備電站優化配置研究［J］.中國電機工程學報，2004，24 (10):183-188.Zhang Shijie，Li Yuhong，Ye Dajun.Optimal planning of a gas-turbin CCHP plant ［J］.Proceedings of the CSEE，2004，24 (10):183-188.

［6］龍惟定.分布式能源熱電聯產“以熱定電”的新理解［J］.暖通空調，2011，41 (2):18-22.Long Weiding.More understanding about the principal of“determining power by heating load”in heat and power cogeneration ［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2011，41 (2):18-22.

［7］劉愛國.我國南方地區燃氣輪機分布式供能系統的研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2009.

［8］賀玉婷，程浩忠，熊虎崗，等.CHP 聯合供能系統及其應用分析［J］.繼電器，2006，34 (12):46-51.He Yuting，Cheng Haozhong，Xiong Hugang，et al.Design and analysis of CHP system applying for the large scale electro－area ［J］.Relay，2006，34 (12):46-51.

［9］孔祥強，李瑛，王如竹，等.燃氣輪機冷熱電聯供系統優化與節能經濟性研究［J］.暖通空調，2005，35(7):4-8.Kong Xiangqiang，Li Ying，Wang Ruzhu，et al.Energy efficiency and economic analysis of CCHP driven by gas turbine based on optimization ［J］.Hv＆Ac，2005，35 (7):4-8.

［10］Gianfranco C，Pierluigi M.Matrix modeling of small-scale trigeneration systems and application to operational optimization ［J］.Energy，2009，34 (3):261-273.

［11］高陽.基于聯合循環的燃氣輪機動態模型與仿真［D］.重慶:重慶大學，2002.

［12］荊有印，白鶴，張建良.太陽能冷熱電聯供系統的多目標優化設計與運行策略分析［J］.中國電機工程學報，2012，32 (20):82-87.Jin Youyin，Bai He，Zhang Jianliang.Multi-objective optimization design and operation strategy analysis of a solar combined cooling heating and power system ［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32 (20):82-87.

［13］方貴銀.蓄冷空調工程實用新技術［M］.北京:人民郵電出版社，2000.

［14］El-Sharkh M Y，Rahman A，Alam MS，et al.Thermal energy management of a CHP hybrid of wind and a grid-parallel PEM fuel cell power plant ［C］.Power Systems Conference and Exposition，Seattle，USA，2009.1-6.

［15］李永紅，付林.蓄能模式下樓宇熱電冷聯供系統的優化運行研究［J］.暖通空調，2008，32 (S):87-91.Li Yonghong，Fu Lin.Optimal operation of building cooling heating and power generation system in storage mode ［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning.2008，32 (S):87-91.

［16］韓曉平.關于成都市某綜合大樓BCHP 能源島工程方案 的 建 議［EB/OL］.www.China5e.com，2003-04-01.

［17］韓曉平.北京安定門303#大廈工程項目BCHP 樓宇冷熱電聯產技術解決方案［EB/OL］.www.China5e.com，2003-04-01.