運行策略分析在DES方案設計中的應用

高雄偉 潘軍松

上海申能能源服務有限公司

1 問題的提出

天然氣分布式供能系統（簡稱DES）作為當前有效的能源系統之一，在公用建筑、區域性能源項目中已成為一種基礎性的配置。在建筑天然氣DES系統中，天然氣發電機組（以下稱原動機）發電供應建筑電力需求的同時，還產生大量的余熱，轉換成冷凍水或熱水，滿足建筑的冷熱需求。

DES系統的一般流程如圖1所示。原動機生產電能并輸出，同時將以煙氣、蒸汽、熱水等形式的余熱回收，用于供熱或制冷。除了余熱鍋爐（換熱器）、吸收式制冷機等直接利用余熱的設備外，為了增加系統供電、供熱、供冷的穩定性和可靠性，一般還要配備電動制冷機、燃氣鍋爐、蓄能裝置等。

圖1 DES系統原理示意圖

在DES方案設計中，原動機排放的余熱“梯級利用”已作為一個基本原則，根據不同的排熱形式和溫度水平采用相應的余熱利用方式，但僅此不足以保證系統運行的持續穩定和高效。

實踐表明，原動機連續穩定運行是保障DES項目經濟性和節能性的關鍵，這也是DES激勵政策中提出機組年運行小時考核的主要因素。在一般方案的規劃中，為了確保機組的運行時間，往往會采用基礎負荷作為設計容量的依據，但同時也可能導致DES系統規模過小，帶來設備單價高、節能效益少的問題。

因此，在方案設計階段，為確立更合理的機組容量及配置方案，需要進行原動機運行特性與建筑負荷之間的匹配分析，從運行策略角度優化機組配置，實現經濟性和能效的最大化。

2 DES運行策略

在建筑DES中，系統可歸結為兩部分：設備側和建筑側。設備側在運行過程中不斷調整其運行狀態來滿足建筑各種形式的能源需求，其能量及運行關系如圖2所示。

圖2 設備側與建筑側能量關系

原動機作為DES中的關鍵設備，其運行特性與建筑負荷之間的匹配直接影響到系統的經濟性。原動機運行不可能做到0～100%的負荷調節，在每個工況點下都會有固定的運行參數，熱電比是衡量其工作性能的重要參數。同樣對于建筑來說，其能量需求也可分為熱和電兩部分，需要說明的是冷負荷也是熱需求的一種形式。

研究DES的運行策略，主要是基于原動機熱電比與建筑熱電比的匹配來確定運行模式。在實際運行中可采取的策略包括：原動機運行模式（以熱定電/以電定熱）、部分負荷調整、運行臺數控制、最小負荷率和最小購電量。

（1）原動機運行模式

基于原動機的熱或電輸出為基準，運行模式具有以下2種基本形式：①以輸出電力的多少來決定原動機運行工況的模式稱為”以電定熱”；②以原動機輸出熱量為依據來控制原動機的運行工況稱為”以熱定電”。

（2）部分負荷調整

原動機自身都有部分負荷的調節能力，利用原動機的部分負荷特性能有效擴大天然氣DES系統的工作時間。

（3）運行臺數控制

各種原動機在部分負荷率工況下，發電效率均有所下降，在50%負荷時效率下降8%～10%，而燃氣輪機在50%負荷率以下發電效率將下降15%～25%。DES系統方案設計時，出于系統安全性和設備維護等考慮，會配置2臺以上的原動機。在實際運行過程中也常利用原動機臺數控制和部分負荷策略來滿足不同的負荷需求。

（4）最小負荷率

所有的原動機均不能在0～100%的全負荷范圍進行調節，因此需要設置最小負荷率，當電力負荷需求使得原動機的部分負荷率低于該最低負荷率時，原動機停機，不會輸出電力或者余熱。最小負荷率參數可以從機組樣本獲得。

（5）最小購電量

最小購電量是在電力不能上網的情況下保障系統運行正常的一種策略。該策略即保障無論何時系統都必須從電網購電的最小極限。該值可根據運行經驗進行設置。

3 運行模式分析

基于原動機的電或熱輸出為基準的運行模式輸出有”以電定熱”和”以熱定電”，也有兩種模式在不同階段混用，即“混合模式”。

圖3 某原動機的熱電參數

圖3給出了某原動機的熱電參數。從圖3可以看出，對于某時刻建筑的熱電需求相對于原動機的熱電曲線，如圖3所示的A、B、C 三種情況，A、B、C三點的橫坐標表示建筑的電力負荷，縱坐標表示建筑的熱力負荷。A點建筑的熱電需求剛好與此時的原動機熱電比平衡，選擇“以電定熱”的運行策略與“以熱定電”的效果完全一樣；B點時原動機的工作點可能落在A點也可以是D點，選擇“以電定熱”則落在A點，選擇“以熱定電”則落在D點；對于C點，原動機的工作點可以落在A點也可以是E點，選擇“以電定熱”則落在A點，選擇“以熱定電”則落在E點。

對于B點，若選擇“以熱定電”（原動機實際工作點D）則原動機的余熱剛好滿足建筑的熱力需求，而此時的原動機發電量將超過建筑電力需求，需要向電網送電或者儲存多余的電力；若選擇“以電定熱”（原動機實際工作點A）則原動機的發電量剛好滿足建筑的電力需求，而原動機提供的余熱將低于建筑的熱力需求所需要補充的熱量。當建筑的熱電參數點在B點時，上網電價不合適的情況下，只能選擇“以電定熱”的運行模式，并且需要補充熱源。

對于C點，若選擇“以熱定電”（原動機實際工作點E點）則原動機的余熱剛好滿足建筑的熱力需求，而發電量將低于建筑的電力需求，需要向電網購電；若選擇“以電定熱”（原動機實際工作點A點）則原動機的發電量剛好滿足建筑的電力需求，而原動機的余熱量將超過建筑的熱力需求。在此類情況下，系統選擇“以電定熱”會出現余熱浪費，“以熱定電”需要購電。

上述各點只有A點是最理想情況，B點需要補充熱量，C點將有熱量浪費，D點需要余電上網，E點電力不足，需要向電網購電。在上網電價過低的情況下，單純采取“以熱定電”的運行模式還不成熟。而采取“以電定熱”模式，將經常性出現熱量不足或者熱量浪費的情況。若采用儲熱裝置，雖可有效平衡熱力產出和需求，改善系統的經濟性，但運行管理更為復雜、初投資也會增加。

若DES的運行調節系統可以做到根據監測建筑能源需求、實時調整其運行策略，那么當建筑的實際負荷落在C點時采取“以熱定電”模式，而落在B點時采取“以電定熱”模式，就可以有效應對建筑負荷變化導致的系統余熱浪費，且能避免多余電力上網的困境，本文稱此種模式為“混合模式”。

4 運行模式的計算流程

（1）“以電定熱”模式

該模式下全年采取“以電定熱”運行策略。如圖4所示，根據電力負荷Er確定原動機的部分負荷率，由此根據原動機樣本插值得出其可用的余熱量Qs以及燃氣耗量V1；再根據此時的冷負荷（夏季）或熱負荷（冬季）加上熱水負荷得到熱需求Qrc+Qw。

圖4 “以電定熱”計算流程圖

如果Qs＜Qrc+Qw，那么鍋爐需要補充熱量為：Qrc+Qw-Qs，即可得到鍋爐的燃氣耗量V2；反之，若Qs＞Qrc+Qw，說明原動機的余熱有富裕，即浪費余熱量為Qs-（Qrc+Qw）。若此時的建筑電力負荷超過原動機的額定發電功率，那么差值即為購電量Er-E。

此對比所需的原動機和鍋爐燃氣耗量、購電量、余熱浪費量等數據均可得到。

（2）“以熱定電”模式

“以熱定電”模式是指全年以熱需求為基準來確定原動機發電量，這在允許電力上網且電價合適的情況下，可以將天然氣DES系統的經濟性最大化。

圖5 “以熱定電”計算流程圖

如圖5所示，首先根據冷負荷或者熱負荷以及熱水負荷得到熱需求Qrc+Qw，如果該熱需求大于原動機的最大余熱量，那么鍋爐需要開啟,補充熱量為Qrc+Qw-Qs,得到鍋爐的燃氣耗量V2，此時內燃機組滿負荷運行，發電量為E，如果發電量大于電力負荷則向電網輸電量為E-Er，否則購電量為Er-E；如果Qrc+Qw小于原動機的額定余熱量，那么根據插值得到此時原動機的發電量E，以及燃氣耗量V1，此種情況鍋爐不需要開啟，沒有熱量浪費，發電量E與電力負荷Er比較得出購電量或者售電量。

（3）混合模式

該模式下需要預判當前建筑負荷的熱電比與原動機的熱電比的關系，來決定是采取“以熱定電”還是“以電定熱”模式。

圖6 混合策略判斷流程

首先，建筑側的電力負荷Er如果大于原動機額定發電量，則以原動機最大發電量進入后續計算，否則以實際電力負荷進行后續計算。根據電力負荷得出相應時刻原動機的余熱量Qs，如果大于建筑熱需求Qrc+Qrw＜Qs即建筑熱電比小于原動機熱電比，那么就采取“以熱定電”模式，否則采取“以電定熱”模式。

判斷式Qrc+Qrw＜Qs實際上體現了建筑熱電比與原動機熱電比的關系，兩邊同除以電力負荷Er即為熱電比的比較。判斷出基本模式后轉入相應的計算模塊即可進行計算。計算流程見圖6。

5 案例分析

以某個面積為20 000m2的辦公樓為目標建筑，經計算負荷后初步設計DES系統方案，系統配置見表1。

表1 某建筑的DES系統配置

分別利用“以電定熱”、“以熱定電”、“混合模式”進行計算。計算時的假設如下：

（1）建筑的使用時間為8：00AM到22：00PM，不考慮其余時段；

（2）原動機的參數根據樣本數據采取直線插值求取；

（3）原動機最小部分負荷率為30%，即電力負荷低于原動機額定發電量30%時不發電。

（4）兩臺原動機運行工況根據電力負荷進行分配，將發電量為400kW的記為P400，發電量為600kW的記為P600。臺數運行狀況如下：當電力負荷＜120kW時，兩臺均不啟動；在120～400kW時P400運行；在400～600kW之間時P600運行；在600～720kW之間時P400滿負荷運行，P600部分負荷運行；在720～1000kW時，P600滿負荷運行，P400部分負荷運行；大于1 000kW時2臺均滿負荷運行；

（5）熱水吸收式溴化鋰機組的能效系數（COP）為常數，鍋爐熱效率為常數，兩者均為額定值。

（6）以平均電價0.71元/kWh，天然氣3.04元/Nm3計算年運行費用。

計算結果見表2。可以看出，“以熱定電”模式購電量最少而混合模式購電量最多，但混合模式的燃氣耗量最少，與“以電定熱”模式相比少了近130 000Nm3；“以電定熱”模式浪費熱量達1 940 000MJ，相當于56 000Nm3天然氣（熱值按35MJ/Nm3計），而其余兩種模式均無熱量浪費。

“以電定熱”的全年運行費用最高（未計入多余的熱量收益），“以熱定電”最少，“混合模式”介于二者之間。“以熱定電”比“以電定熱”少180 000元左右，“混合模式”比“以電定熱”模式的年運行費用少41 000元左右。 盡管“以熱定電”模式運行費用最低，但是需要有一部分時間電力上網。

表2 三種模式下的運行數據

對計算結果進行統計發現：該系統全年運行時間為5 484h的“混合模式”中有2 784h是按“以熱定電”模式運行的，約占總運行時間的50.1%，其運行比例非常大。從負荷數據也能看出。圖7顯示了全年每月一天的建筑熱電比和原動機熱電比。根據前面的分析，建筑熱電比大于原動機熱電比時采取“以電定熱”模式，否則“以熱定電”。

圖7 建筑和原動機每月熱電比圖

由負荷數據統計顯示：原動機熱電比超過建筑熱電比的時間比例高達52%。在天然氣DES系統設計階段可以根據負荷數據作圖7，以對項目是否適合采用混合模式進行初步判斷。

以上的分析僅基于案例的一種設計配置，可以調整設計方案重新進行計算，直到獲得最佳的控制目標值。

6 結論

在現有多數建筑的DES中不具備電力上網條件的情況下，經上述分析可發現，若能實現天然氣DES系統不同運行模式之間的簡單切換，采取“混合模式”有可能獲得最大的經濟性和節能效果。

需要特別指出，本文所述的“以電定熱”和“以熱定電”的原則，是指原動機的運行模式，與通常從建筑負荷分析的“以熱定電”機組容量的設計原則有所不同。

上述運行策略中“以電定熱”、“以熱定電”作為基本原則，需要在系統設計的初步階段考慮，這將對原動機的選型產生影響。但是在建筑DES中采用電力并網不上網的情況下，不需要考慮“以熱定電”模式，因此設計階段原動機選型分析中，運行原則依然是“以電定熱”為主。“混合模式”只是系統的一種運行原則，對系統設計沒有影響。

本文所提及的其他運行策略，均從屬于原動機的運行模式，通過這些策略來保證系統的安全性（最小購電量原則、最小負荷率）、系統運行高效率（臺數控制、部分負荷率控制），這些策略的綜合運用可以更好的調節系統的熱電比輸出以匹配建筑不斷變化的熱電比，提高DES的適應性和穩定性。