基于經濟性分析的機場綜合能源系統配置優化研究

張桓瑞，麥云峰，葉翠，李瑩，魏華帥

(1.廣東省機場管理集團有限公司，廣州 510000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；3.大型發電裝備安全運行與智能測控國家工程研究中心，南京 210096)

長久以來，煤、石油和天然氣在我國能源消耗量中超過90%，直到2013年之后，以太陽能和風能為代表的可再生能源利用技術的發展，我國煤、石油和天然氣消耗量才降低至總的能源消耗量的90%以下[1]。“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要又提出了碳中和、碳達峰和構建現代能源體系的要求，構建現代能源體系明確指出了要建設一批多能互補的清潔能源基地[2]。在這樣的背景下如何克服光伏和風力的缺陷，綜合使用光伏、風力和傳統能源，穩定輸出電、熱和冷的綜合能源系統(Integrated energy system，IES)成了新一代能源革命中必然的發展方向之一。

IES可因地制宜，在一次能源端選擇不同的組合，例如：水能、風能、太陽能和天然氣，建設與區域能源生產相適應的能源供應系統。在用戶端又可以采用熱電聯產、冷熱電三聯供等技術為用戶提供全面穩定的能源。

綜合能源系統在工業園區和居民園區的應用已得到論證，對于工業化園，孫可[3]從儲能的角度入手，研究發現冰蓄冷并聯方式的儲能的日運行費用比不采用儲能系統方式低了79.7%。徐航[4]則是通過將不同品味的能源階梯綜合利用使系統的日運行費用降低了15.8%。對于居民園區，孫鳴[5]研究了不接入電網的風力發電和天然氣綜合能源系統，驗證了風力資源與熱負荷的同步性，可以用風力發電很好的滿足居民熱需求。

綜合能源系統在機場的應用也十分值得期待。到2035年，我國將建成大約400個機場，需要在目前241個機場的基礎上，平均每年新建超過十個機場[6]。在大搞建設的同時，民用航空發展規劃中提出要建設民航綠色低碳工程，優化機場能源結構，提高清潔能源占比。因此，減少煤炭等非清潔能源的消耗，研究適用于機場的綜合能源系統，實現天然氣和太陽能等清潔能源對煤炭的替代，已成了迫在眉睫的任務。目前已有許多科研人員對綜合能源系統在機場的應用做了研究。

機場地勢平坦，航站樓受太陽直射的條件適合布置光伏電池[7]，而且機場選址對當地氣象條件有較嚴格的要求以保證安全運行，因此在機場綜合能源系統中多選用太陽能而非風能作為系統的可再生能源部分。

未來新建和擴建的機場需要在飛機輔助動力裝置和機場內汽車上實現電能對燃油的替代，這使得機場的電負荷大量增加，如果全部使用電網供電，則電網輸電壓力大，會增加大量建設成本[8]，并且只是把碳排放轉移到了火力發電廠，并不符合低碳發展目標。而基于光伏和氫燃料電池的機場綜合能源系統卻可以相較于常規能源系統年總成本和碳排放總量分別下降41.6%和67.29%[9]。

此外可以通過冷熱電三聯供設備滿足機場的冷負荷和熱負荷，但是傳統的冷熱電三聯供設備會由于冷熱電負荷的波動與不同步導致效率低下[10]，因此，通常引入儲能設備來平抑負荷波動，提高機場綜合能源系統的效率，降低其成本[11]。

機場作為高電耗的大工業用戶，購電方式一般為兩部制分時電價，即總的購電價格包括容量價格和電量價格兩部分，且用電高峰期與低谷期電價不同[12]。但是對機場的綜合能源系統配置的研究中很少考慮兩部制分時電價。

基于以上IES研究的現狀，本文針對某機場的負荷需求，以經濟性為指標，利用Gurobi進行求解，配置采用燃氣輪機(GT)、光伏電池(PV)、蓄電池(BAT)、燃氣鍋爐(GB)、儲熱罐(HST)、制冷機(RF)和兩部制分時電價的綜合能源系統并進行分析。

1 綜合能源系統模型

1.1 綜合能源系統結構

本文所采用的綜合能源系統如圖1所示，利用燃氣輪機、光伏發電以及向外部電網購電，滿足機場的電力負荷。使用燃氣鍋爐及燃氣輪機余熱滿足機場用戶熱負荷，儲熱罐和蓄電池分別用來調節熱電負荷與綜合能源系統輸出的波動。使用電制冷機滿足機場的冷負荷。

圖1 綜合能源系統結構圖

1.2 系統目標函數

本文所述綜合能源系統的目標是實現更高的經濟性，并且綜合考慮低碳指標，目標函數應使系統總成本最低，同時也需額外計算該系統使用天然氣的碳排放量。

1.2.1 經濟性指標

系統的總成本如式(1)所示：

minC=Cinf+Com+Cgas+Cbuy

(1)

式(1)中，C為綜合能源系統運行一年的總成本，元；文中一年為364 d，每天分為24 h，其中標準夏季日占四分之一，為91 d；標準冬季日占四分之一，為91 d；過渡季占二分之一，為182 d；Cinf為設備的初始投資，元；Com為設備的運行維護費用，元；Cgas為購置天然氣的成本，元；Cbuy為電成本，元。

(2)

式(2)中，k表示IES中的各設備；K表示總設備數量；B表示設備的資金回收系數，Cinf，k表示各設備單位容量的初始投資成本，元/kW；Pcap，k表示各設備的容量，kW。

(3)

式(3)中，i表示銀行年利率，本文取為6.7%；n表示各設備的使用年限，本文中統一選定為15年。

(4)

式(4)中，Com，k表示各設備單位出力的運行維護成本，元/kW；Pk(t)表示各設備的t時刻的運行功率，kW。

(5)

式(5)中，Cbuy表示該機場所在地的分時電價，元/kW·h；Pbuy(t)表示綜合能源系統在t時刻的購電量，kW·h；m表示月份；Cemax為使用每單位容量電能每月需要向電力公司支付的價格，元/kW；Pbuy，max(t)表示當月的最大購電功率，kW。

(6)

式(6)中，Cgas表示該機場所在地區每立方米天然氣的成本，本文取Cgas為3元/m3；Vgt(t)和Vgb(t)分別表示在t時刻燃氣輪機和燃氣鍋爐消耗的天然氣體積，m3。

1.2.2 碳排放量計算

綜合能源系統一部分碳排放來自天然氣燃燒產生的二氧化碳，一部分來自電網購電，這些電能在生產過程中產生碳排放。綜合能源系統的碳排放量可用式(7)表示。

(7)

式(7)中，Eco2表示IES一年內總的碳排放量，kg；egas表示每立方米天然氣燃燒產生的碳排放量，kg/m3；Vgt(t)和Vgb(t)分別表示燃氣輪機和燃氣鍋爐第t各小時消耗的天然氣量，m3；eelec表示火力發電廠每生產1 kW·h電能所產生的碳排放，kg/kW·h；Pbuy(t)表示綜合能源系統在第t個小時的購電量。

1.3 系統約束條件

1.3.1 負荷平衡約束條件

系統在運行時，受到電、熱和冷三種能量平衡的約束，在標準夏季日，供熱系統不運行。標準冬季日和過渡季，供冷系統不運行。

對于電平衡，燃氣輪機的發電功率、光伏發電功率、蓄電池放電功率、購電量與機場用戶用電、制冷機用電保持平衡。

Pgt(t)+Ppv(t)+Pbat(t)+Pbuy(t)=Peload(t)+Prf(t)

(8)

式(8)中，Pgt(t)表示燃氣輪機在t時刻的發電功率，kW；Ppv(t)表示光伏電池在t時刻的發電功率，kW；Pbat(t)表示在t時刻蓄電池的充放電功率，規定放電為正值，充電為負值，kW；Pbuy(t)表示在t時刻系統向外部電網的購電量，kW；Peload(t)表示在t時刻機場用戶的用電負荷，kW；Prf(t)表示在t時刻制冷機的運行功率，kW。

對于熱平衡，燃氣輪機發電的余熱、燃氣鍋爐供熱和儲熱罐放熱共同平衡機場用戶的熱負荷。

Qgt(t)+Qgb(t)+Qhst(t)=Qhload(t)

(9)

式(9)中，Qgt(t)表示在t時刻燃氣輪機余熱供應到熱網中的部分，kW；Qgb(t)表示燃氣鍋爐在t時刻的供熱功率，kW；Qhst(t)表示在t時刻儲熱罐的吸熱與放熱功率，規定放熱為正，吸熱為負，kW；Qhload(t)表示在t時刻機場用戶的熱負荷，kW。

由電制冷機來滿足機場用戶的冷負荷。

Qrf(t)=Qcload(t)

(10)

式(10)中，Qrf(t)表示在t時刻制冷機的制冷功率，kW；Qcload(t)表示在t時刻機場用戶的冷負荷，kW。

1.3.2 設備運行特性約束

進行配置優化計算時，系統內各設備的狀況必須符合實際的運行特性，因此需要對IES內的各個設備設置運行特性約束。

對于燃氣輪機，當其運行功率小于20%額定容量時，發電效率將大幅降低，所以需要將其運行功率保持在20%額定容量以上，不能小于啟動功率，不能大于裝機容量，且燃氣輪機的發電功率與余熱產量與其所消耗的天然氣體積有關。此外，燃氣輪機在功率爬坡時，爬坡速度有限，設置燃氣輪機每小時功率變動不得超過最大功率的20%。

0.2Pgt，max≤Pgt(t)≤Pgt，max

(11)

(12)

Pgt(t)=ηgtQgasVgt(t)

(13)

-0.2Pgt，max≤Pgt(t)-Pgt(t-1)≤0.2Pgt，max

(14)

式(11)～(14)中，Pgt，max表示燃氣輪機的額定功率，kW；Pgt(t)表示在t時刻燃氣輪機的運行功率，kW；Qgt(T)表示燃氣輪機余熱中供應到熱網的部分，kW；ηgt和ηl，gt分別表示燃氣輪機的發電效率和散熱損失系數；Qgas表示天然氣的熱值，取為9.7 kW·h/m3；Vgt(t)表示在t時刻燃氣輪機消耗的天然氣體積，m3。

對燃氣鍋爐而言，低負荷運行會導致燃燒不穩或是熄火，所以其運行功率同樣需要保持在一定范圍內，不能小于額定容量的30%，且其產熱功率受到天然氣消耗量限制。

0≤Qgb(t)≤Qgb，max

(15)

0.3Zgb1Qgb，max≤Zgb1Qgb(t)≤Zgb1Qgb，max

(16)

Qgb(t)=ηgbQgasVgb(t)

(17)

Zgb1(t)+Zgb0(t)=1

(18)

式(15)～(18)中，Pgb(t)表示在t時刻燃氣鍋爐的產熱功率，kW；Qgb，max表示燃氣鍋爐的配置容量，kW；Zgb1(t)和Zgb0(t)分別表示燃氣鍋爐的運行和靜置表示，只能取值1或0；ηgb表示燃氣鍋爐的效率。

對于蓄電池來說，為了增強安全性和延長蓄電池壽命，其剩余電量應不能高于額定容量的90%且不能低于額定容量的30%，充放電速度也應滿足約束，且要考慮蓄電池在充放電過程中的能量的耗散和一天結束后剩余電量應恢復原來的狀態。

0≤Pbat(t)≤Pbat,max

(19)

0.3Ebat,max≤Ebat(t)≤0.9Ebat，max

(20)

Ebat(t+1)=Ebat(t)+ηbatPbat，cha(t)Δt-

(21)

Pbat(t)=-Zbat，cha(t)Pbat，cha(t)+Zbat，dis(t)Pbat，dis(t)

(22)

Zbat，cha(t)+Zbat，dis(t)=1

(23)

式(19)～(23)中，Pbat,max表示蓄電池的最充放電功率，kW；Ebat，max表示蓄電池的最大容量，kW·h；Ebat(t)表示蓄電池在t時刻的電量，kW·h；Pbat，cha(t)和Pbat，dis(t)分別表示蓄電池充放電功率；ηbat表示蓄電池的充放電效率；ZVbat，cha(t)和Zbat，dis(t)分別為蓄電池的充放電標識，取值0或1。

儲熱罐與蓄電池相似，需要滿足吸熱放熱速度約束,儲熱罐容量約束，一天結束后狀態還原約束。

0≤Qhst(t)≤Qhst，max

(24)

0.3Ehst，max≤Ehst(t)≤0.9Ehst，max

(25)

Ehst(t+1)=Ehst(t)+ηhstPhst，cha(t)Δt

(26)

Phst(t)=-Zhst，cha(t)Phst，cha(t)+Zhst，dis(t)Phst，dis(t)

(27)

Zhst，cha(t)+Zhst，dis(t)=1

(28)

式(24)～(28)中，Qhst,max表示儲熱罐最大熱交換功率，kW；Ehst,max表示儲熱罐最大儲熱量，kJ；Ehst(t)表示儲熱罐在t時刻的儲熱量，kJ；Phst,cha(t)和Phst,dis(t)分別表示儲熱罐吸熱放熱功率；ηhst表示儲熱罐的熱交換效率Zhst,cha(t)和Zhst,dis(t)分別為儲熱罐的吸熱放熱標識，取值0或1。

電制冷機在運行過程中需要滿足機場用戶的冷負荷。

0≤Prf(t)≤prf，max

(29)

Qrf(t)=COPrfPrf(t)

(30)

式(29)和式(30)中，Prf(t)表示在t時刻制冷機的運行功率，kW；prf,max表示制冷機的額定功率，kW；Qrf(t)表示t時刻制冷機的制冷量，kW；COPrf表示制冷機的制冷效率。

2 算例分析

2.1 機場負荷情況

使用上述IES模型對國內某機場進行優化配置分析，對其一個標準夏季日、一個過渡季日與一個標準冬季日內的負荷進行配置。機場機場逐時負荷圖如圖2所示。

圖2 機場逐時負荷圖

2.2 設備配置及購電成本

兩部制電價的容量價格部分由每個月的峰值購電功率決定，價格Cemax為42元/kW，大工業用戶兩部制分時電價[13]如圖3所示。

圖3 大工業用戶兩部制分時電價

IES的設備初始投資與運維成本見表1，設備性能參數與場景參數見表2[14]。

表1 IES的設備初始投資與運維成本

表2 設備性能參數與場景參數

2.3 場景設置

本文分別設置了兩種場景，場景1采用上文所述的IES模型，場景2僅采用燃氣鍋爐滿足機場用戶熱負荷，使用電制冷機滿足機場用戶冷負荷，其余電負荷直接向電網購電。計算兩種場景的總成本與碳排放，通過對比兩種場景的成本和碳排放量來驗證IES的經濟性和低碳性。

2.4 優化配置結果

對于上述場景1和場景2，本文采用Ylmip建模工具，調用Grobi求解器進行求解，獲得了該機場IES基于經濟性分析的最優化容量配置及兩場景具體的成本。容量配置結果見表3，各項成本見表4。

表3 容量配置結果

表4 各項成本

由表3和表4可知，與不使用IES的場景2相比，場景1在一年內的綜合成本下降了16.2%；雖然IES的初始投資和運行維護成本較高，但后續的購電成本僅為場景2常規能源系統的34.3%。并且因為IES可以使用燃氣輪機的余熱來向用戶供熱，其需要配置的燃氣鍋爐容量也僅有8 704 kW，約為場景2常規能源系統的57.3%，年總碳排放量也降低至場景2的57.7%。綜合來看該用于機場的IES相對于常規能源系統經濟性和環保性都有了大幅提升。

2.5 優化運行策略

IES在一個標準夏季日一個過渡季日與一個標準冬季日內的運行策略如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 電負荷平衡圖

圖5 IES購電量圖

圖6 熱負荷平衡圖

由圖4和圖5可知，該IES可以在吸納光伏發電量的同時很好的滿足電功率平衡約束。

由于電制冷機和燃氣鍋爐的投入使用，標準夏季日的用電量遠高于標準冬季日和過渡季日，如果使用容量較大的燃氣輪機，在夏季日燃氣輪機可以高負載運行，但到了過渡季日和冬季日，由于電制冷機停用大致電負荷大幅降低則會導致燃氣輪機長時間低功率運行，造成浪費，所以IES在標準夏季日運行時大量購電來滿足電制冷機的需求，而燃氣輪機的容量主要由冬季的電負荷確定。

在0～24時(標準夏季日)，機場用戶沒有熱負荷，所以只需要分析電負荷平衡優化情況，0～4時電負荷較低、光伏發電量較少且電價處于低谷期時，系統靠購電和燃氣輪機發電滿足電負荷，并且向蓄電池蓄電；5～12時，電負荷上升，購電價格進入平時期和高峰期，光伏電池也已經開始投入運行，此時系統購電量先是由于光伏電池開始發電而降低，又隨著電負荷的增量超過光伏電池出力的增量開始增大。與此同時，燃氣輪機出力也隨著電負荷增大而提高，直到9時以后燃氣輪機出力達到最大，購電量也因燃氣輪機出力的增大而短暫降低；12～14時，電負荷繼續上升，購電價格進入平時期，因此燃氣輪機出力也暫時降低；14～16時，電負荷逐漸達到峰值，購電價格再次進入高峰期，燃氣輪機再次滿負荷運行；16～19時，電負荷維持在高位，購電價格降低，購電量達到峰值，燃氣輪機出力開始降低蓄電池放電；19～22時，購電價格上升，燃氣輪機再次滿功率發電，蓄電池在此時放電，購電量開始大幅下降；22～24時，電負荷大幅降低，購電價格也降至低谷期，光伏發電已經停止運行，因此燃氣輪機降低運行功率，購電量也減少。

對于過渡季日和標準冬季日，系統的運行狀況需要同時考慮電負荷和熱負荷。此外，由于過渡季日和標準冬季日的電負荷遠低于標準夏季日，燃氣鍋爐和光伏電池的組合基本可以滿足大部分時間的電負荷，購電時段與購電量均少于標準夏季日。

由于標準冬季日的熱負荷高，燃氣輪機的余熱可以得到充分利用，燃氣輪機運行的性價很高，所以燃氣輪機除了在購電價格低谷期(49～56時和71～72時)和電負荷低于燃氣輪機容量的時段，其余時間基本保持滿負荷運行，電量不足的部分由光伏電池和購電補足。熱負荷則是優先吸收燃氣輪機余熱，剩余部分由燃氣鍋爐產熱滿足，在熱負荷較低的49～54時，儲熱罐儲熱，并且在熱負荷最高的55～57時放熱，以此降低燃氣鍋爐的容量，降低初始投資成本。

過渡季日的熱負荷相比標準冬季日低，如果燃氣輪機滿負荷運行，則余熱不能得到完全利用，這會導致嚴重的浪費，因此，系統選擇在熱負荷低的時段(34～42時)降低燃氣輪機的運行功率，電量不足的部分由購電和光伏電池滿足。熱負荷則主要由燃氣輪機余熱和儲熱罐來滿足，只有在31～32時的熱負荷高峰期需要短暫啟動燃氣鍋爐供熱。

此外，根據圖6可以看出，購電量并不會出現在某短暫尖峰，而是持續維持在峰值水平一段時間，這是因為采用兩部制電價進行優化配置每月的最大購電量過大會增加大量容量電價成本，所以系統的優化結果壓平了購電量峰值。

實際上兩部制電價的容量成本正是反應發電過程中的固定成本，如設備折舊費、管理費和維修費，無論電廠每天滿負荷運行24 h，還是僅在高峰運行幾小時，這些費用都不會變[14]。采用兩部制分時電價對綜合能源系統進行優化，既符合機場作為大工業用戶的實際，又可以降低購電量峰值，降低電廠的運行成本，無形中也節約了資源，降低了碳排放。

3 結語

IES在將來是否能廣泛的運用于各種場景，關鍵在于其是否具有比常規能源系統更強的經濟性，本文通過設立經濟性指標和碳排放指標，建立機場IES模型進行模擬，將結果與常規能源系統進行對比發現：

(1)在本文的機場應用場景中，IES相對于常規能源系統的年綜合成本降低了21.8%，經濟性提升明顯。

(2)該機場IES的年綜合碳排放僅為常規能源系統的57.7%，碳排放量顯著降低。

(3)該機場IES在運行過程中可以很好的滿足機場用戶的負荷的同時，選擇經濟性最優的運行方式。

(4)在過渡季日的運行優化中，出現了燃氣鍋爐于31～32時短暫啟動的情況，與現實相悖，這主要是因為沒有考慮燃氣鍋爐每次停機再啟動都需要成本，未來還需要更加詳細的模型進行進一步計算。

以上結果表明，通過構建IES并進行恰當的容量配置，可以實現機場能源系統性能的較大提升，值得推廣。