基于分布式能源的工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃

羅艷玲，鄢烈祥，盧 海，林子雄

（武漢理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化全面加速的同時(shí)，能源和環(huán)境的矛盾尤為突出。工業(yè)園區(qū)就是伴隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的新產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)各地方政府和各類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)都在大力建設(shè)工業(yè)園區(qū)，但是目前許多工業(yè)園都存在用分散的鍋爐供熱和 “高能低用”的問(wèn)題，使得工業(yè)園區(qū)在能源綜合利用和環(huán)境保護(hù)方面的問(wèn)題突出。因此，如何在工業(yè)園區(qū)中經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠地用能，是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。這就需要人們對(duì)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行合理地能源規(guī)劃，通過(guò)能源規(guī)劃來(lái)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)“高能高用、低能低用、梯級(jí)利用”的科學(xué)用能，并通過(guò)引入分布式的能源系統(tǒng)在提高用能經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保證能源供應(yīng)的安全性。

對(duì)于區(qū)域能源規(guī)劃，目前主要有兩種方法：一是碳夾點(diǎn)分析法，二是數(shù)學(xué)規(guī)劃法。賈小平等[1]運(yùn)用目標(biāo)導(dǎo)向的碳夾點(diǎn)分析技術(shù)對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；施小妹等[2]采用圖形方法合成了碳排放限制的能源規(guī)劃問(wèn)題的總組合曲線，同時(shí)為了彌補(bǔ)圖形法的不足，提出了與圖形法相對(duì)應(yīng)的組合表格算法，所有清潔能源的目標(biāo)可一步求解。但是夾點(diǎn)分析法只限于解決相對(duì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，對(duì)于高度綜合的能源和需求，它不能詳盡地給出規(guī)劃中的約束條件，而且結(jié)果的準(zhǔn)確性較大地取決于給出圖形的質(zhì)量。現(xiàn)今，區(qū)域能源規(guī)劃通常采用的是數(shù)學(xué)規(guī)劃法。Song等[3]集中研究了工業(yè)園的廢熱網(wǎng)絡(luò)，以總能源費(fèi)用最少為目標(biāo)建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型，并將該模型成功地用于南韓麗水國(guó)際工業(yè)園廢熱網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃。Cormio等[4]提出了包含可再生能源和環(huán)境約束限制的區(qū)域能源線性規(guī)劃模型，模型中將電、蒸汽、熱的年需求量用負(fù)荷持續(xù)曲線（load duration curve，LDC）表示，這樣不僅能夠反映負(fù)荷波動(dòng)，而且可以簡(jiǎn)化模型。Meneghetti等[5]提出了以生物質(zhì)燃料為基礎(chǔ)的區(qū)域熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化方法，即用MILP最大化公用工程公司的利潤(rùn)，用線性規(guī)劃（LP）最小化溫室氣體的排放量。Yoichi等[6]提出了以最小化燃料費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用和能源傳輸費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃LP模型，該模型不僅考慮了電、蒸汽、熱的需求，還考慮了冷需求。Dicorato等[7]綜合考慮了分布式的熱電裝置，建立了某區(qū)域能源規(guī)劃的LP模型，并評(píng)估了分布式發(fā)電技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。Mavrotas等[8]建立了負(fù)荷需求不確定情況下建筑區(qū)能源規(guī)劃的MILP模型，該模型中引入了熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，并用雅典某醫(yī)院的能源規(guī)劃驗(yàn)證了該模型的可靠性。Ren等[9]建立了集中規(guī)劃分布式能量系統(tǒng)的MILP模型，并分析了能源需求量、能源價(jià)格等對(duì)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的裝機(jī)容量、CO2排放量和系統(tǒng)總費(fèi)用的影響。

上述所提到的模型各有其特點(diǎn)，且側(cè)重點(diǎn)各不相同。然而，卻沒(méi)有一個(gè)綜合考慮可再生能源及不可再生能源，集中式與分布式能源轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合及熱電冷聯(lián)產(chǎn)的綜合規(guī)劃的模型。因此本文作者將建立以整個(gè)工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)總費(fèi)用最少為目標(biāo)的MILP優(yōu)化模型，在保障熱、電、汽、冷各種負(fù)荷需求的情況下，從各種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中尋找最優(yōu)的集成系統(tǒng)，所建立的系統(tǒng)采用分布式的熱電冷聯(lián)產(chǎn)裝置，并考慮傳統(tǒng)的鍋爐供熱和電制冷機(jī)供冷。所建立的模型采用基于列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法的混合算法進(jìn)行求解。

1 工業(yè)園區(qū)能源規(guī)劃模型

1.1 問(wèn)題描述

工業(yè)園能量系統(tǒng)優(yōu)化可以表述為：在某個(gè)園區(qū)內(nèi)有I個(gè)工廠，給定每個(gè)工廠電、蒸汽、熱、冷負(fù)荷的需求數(shù)據(jù)，從可以利用的M種資源（如生物質(zhì)燃料、煤、天然氣等）及其相應(yīng)的J種能源轉(zhuǎn)化技術(shù)出發(fā)，對(duì)資源—轉(zhuǎn)化—終端負(fù)荷的全過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌規(guī)劃。規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足園區(qū)各種負(fù)荷需求的前提下，整個(gè)園區(qū)系統(tǒng)的總費(fèi)用最少。假定：①各種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的投資費(fèi)用與設(shè)備容量是線性化的關(guān)系，設(shè)備的操作費(fèi)用與設(shè)備的操作時(shí)間和輸出功率呈線性化關(guān)系；②設(shè)備的效率都是給定的常量，設(shè)備的壽命以20年計(jì)。

1.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

考慮將一年為規(guī)劃期，將一年分為K個(gè)時(shí)段（時(shí)段可以表示一年中任意幾個(gè)月、周或是幾天及一天鐘幾個(gè)小時(shí)的組合），以規(guī)劃期內(nèi)整個(gè)園區(qū)系統(tǒng)的總費(fèi)用最少為目標(biāo)，總費(fèi)用包括全年內(nèi)的各種能源費(fèi)用與設(shè)備投資費(fèi)用、設(shè)備操作費(fèi)用及碳稅之和并減去賣(mài)電收益。

目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件：

（1）滿足高峰電需求

（2）設(shè)備j的能量平衡

（3）設(shè)備的能力限制

對(duì)于太陽(yáng)能光伏電板：

（4）能量供應(yīng)與需求平衡約束

（5）用戶不能同時(shí)買(mǎi)電和賣(mài)電

（6）設(shè)備裝機(jī)容量限制

上述優(yōu)化模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，通過(guò)求解可得到系統(tǒng)投入設(shè)備最優(yōu)的的組合及容量，以及各種燃料的消耗量、CO2排放量。

2 模型的優(yōu)化求解

本研究采用基于列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法[10]的混合算法對(duì)上述所建立的模型進(jìn)行求解。這種混合算法是外層采用列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法通過(guò)優(yōu)化整數(shù)變量確定園區(qū)內(nèi)各工廠的投資和操作設(shè)備，內(nèi)層采用線性規(guī)劃方法中的單純型算法確定各設(shè)備的輸出功率。具體的求解步驟如下。

①隨機(jī)產(chǎn)生p組二元整數(shù)向量y，用以確定園區(qū)內(nèi)投資運(yùn)行設(shè)備的編號(hào)，同時(shí)得到線性的優(yōu)化子問(wèn)題f(y)；

②用線性規(guī)劃法求解f(y)子問(wèn)題；

③根據(jù)計(jì)算f(y)值的優(yōu)劣，對(duì)p個(gè)家族進(jìn)行升序排列；

④應(yīng)用列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法對(duì)二元整數(shù)向量進(jìn)行變異，得到新的優(yōu)化子問(wèn)題f(y)，并用線性規(guī)劃法計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值；

⑤將每個(gè)家族產(chǎn)生的子代與父代進(jìn)行生存競(jìng)爭(zhēng)，保留較優(yōu)者；

⑥重復(fù)步驟③～⑤，直到達(dá)到預(yù)先規(guī)定的次數(shù)為止，并輸出最優(yōu)的結(jié)果。

3 實(shí)例求解

某工業(yè)區(qū)內(nèi)有 20個(gè)工廠，各工廠年度負(fù)荷需求分為3個(gè)時(shí)段，時(shí)段1的能源需求如表1所示，時(shí)段2的電、蒸汽、熱和冷負(fù)荷分別為夏季的0.8、1.3、1.2、0.8；時(shí)段3的則分別為夏季的0.7、1.7、1.5、0.6，碳稅為300元/t。園區(qū)內(nèi)各企業(yè)以前采用燃煤鍋爐供熱，電從附近電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)，冷需求使用電制冷機(jī)供應(yīng)。現(xiàn)為了提高用電的安全性、減少CO2排放量，決定在園區(qū)內(nèi)部引入冷熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)，并充分利用當(dāng)?shù)氐目稍偕茉矗F(xiàn)可用的燃料如表2所示，可供選擇的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備如表3所示。作為對(duì)比考慮如下3種方案。

（1）原有系統(tǒng) 園區(qū)的熱需求由原有的燃煤鍋爐供應(yīng)，冷需求由電制冷機(jī)供應(yīng)，電需求從附近的電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)。

（2）集中式熱電系統(tǒng) 除方案（1）外，園區(qū)中引入以煤為燃料的鍋爐和汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

（3）基于分布式的能源與集中式集成的能源系統(tǒng)：除情況（2）的設(shè)備外，備選的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)組（GT）、燃油內(nèi)燃機(jī)（GE）、太陽(yáng)能光伏電板（PV）、單效吸收制冷機(jī)（SAR）、雙效吸收制冷機(jī)（DAR）。

表4給出了在滿足園區(qū)各種負(fù)荷需求的情況下，3種方案引入的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備組合。從表4中可以看出，在考慮碳稅的情況下，方案（3）的CHP裝機(jī)容量明顯下降，僅為40 MW，說(shuō)明分布式能源具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；又從表4中看出方案（3）的裝機(jī)容量小于電需求量，這意味著從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看從外部電網(wǎng)買(mǎi)電是很劃算的；此外，太陽(yáng)能光伏電板PV由于投資費(fèi)用較高而沒(méi)有被采用。

表2 燃料價(jià)格及CO2排放因子

表1 工業(yè)園區(qū)時(shí)段1各工廠負(fù)荷需求表

表3 候選的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1給出了3種方案系統(tǒng)的費(fèi)用對(duì)比圖（系統(tǒng)總費(fèi)用、燃料費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、買(mǎi)電及賣(mài)點(diǎn)費(fèi)用和碳稅）。由圖1可以看出，與原有系統(tǒng)相比，引入熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)后[方案（2）]，系統(tǒng)年度總費(fèi)用減少了1.67%，而引入分布式能源系統(tǒng)后總費(fèi)用則減少了13.17%。這是由于引入分布式能源后大大減少了煤的用量，從而減少了碳稅和買(mǎi)電費(fèi)用。雖然分布式系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用增加了，但是在考慮碳稅的情況下分布式能源系統(tǒng)總的費(fèi)用是明顯下降的。

表4 3種方案引入的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備

圖2給出了3種方案的CO2排放量結(jié)果。從圖中可以看出，引入分布式能源系統(tǒng)后，CO2排放量大大減少了，而采用集中的 CHP熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，CO2則顯著增加了，這是由于分布式系統(tǒng)主要采用的是清潔燃料。

圖3分析了 3種方案的一次能源及電的消耗量。由圖中可以看出，引入分布式系統(tǒng)后系統(tǒng)消耗的總能源最少（18.39 PJ），比原有系統(tǒng)和集中式的供應(yīng)分別減少了0.216 PJ和7.089 PJ，說(shuō)明分布式能源系統(tǒng)的能源利用率較高。

4 結(jié) 論

以可再生能源、天然氣等清潔能源及煤等常規(guī)能源為燃料，基于分布式能源建立了工業(yè)園區(qū)綜合能源規(guī)劃模型，通過(guò)列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法與線性規(guī)劃法結(jié)合的混合算法對(duì)該模型進(jìn)行求解。對(duì)3種能源供給方案就總費(fèi)用、CO2排放量和能源消耗量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在考慮碳稅的條件下，分布式能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是有優(yōu)勢(shì)的。本研究的方法不但能應(yīng)用工業(yè)園區(qū)的能源規(guī)劃，也能應(yīng)用于市級(jí)區(qū)域的能源規(guī)劃。

圖1 系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)比圖

圖2 CO2排放量對(duì)比圖

圖3 能源消耗量對(duì)比圖

[1] 賈小平，劉彩洪，錢(qián)宇. 碳夾點(diǎn)分析技術(shù)與化工園區(qū)能源規(guī)劃[J].現(xiàn)代化工，2009，29（9）：81-86.

[2] 施小妹，廖祖維，王靖岱，等. 碳排放限制的能源劃問(wèn)題的圖表優(yōu)化法[J]. 化工學(xué)報(bào)，2009，60（5）：1237-1244.

[3] Chae Song Hwa，Kim Sang Hun，Yoon Sung-Geun，et al.Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park[J].Applied Energy，2010，87：1978–1988.

[4] Cormio C，Dicorato M，Minoia A，et al. A regional energy planning methodology including renewable energy sources and environmental constraints[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2003，7：99-130.

[5] Chinese Damiana，Meneghetti Antonella. Optimisation models for decision support in the development of biomass-based industrial district-heating networks in Italy[J].Applied Energy，2005，82：228-254.

[6] Shimazaki. Model analysis of energy network system in zero emission industrial[J].JSME International Journal，2006，49（1）：84-91.

[7] Dicorato M，F(xiàn)orte G，Trovato M. Environmental-constrained energy planning using energy-efficiency and distributed-generation facilities[J].Renewable Energy，2008，33：1297-1313.

[8] Mavrotas George，Diakoulaki Danae，F(xiàn)lorios Kostas，et al. A mathematical programming framework for energy planning in services’ sector buildings under uncertainty in load demand：The case of a hospital in Athens[J].Energy Policy，2008，36：2415-29.

[9] Ren Hongbo，Gao Weijun. A MILP model for integrated plan and evaluation of distributed energy systems[J].Applied Energy，2010，87：1001-1014.

[10] 史彬. 列隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法在化工生產(chǎn)調(diào)度中的應(yīng)用研究 [D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2006.