燃气发电机组变负荷特性对分布式能源系统选型的影响

孙景阳，胡英华，胡勇，胡玉平*

1.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073

0 引言

分布式供能系统具有能源利用效率高、成本低、污染小的优点[1]，随着传统化石能源的匮乏，资源与环境的矛盾日渐尖锐，分布式能源系统越来越受到关注和认可。燃气内燃机的分布式冷热电三联供(combined cooling heating and power, CCHP)系统基于能量阶梯利用理念，将天然气作为系统的一次能源，可同时提供冷、热和电能[2]。分布式供能系统运行策略灵活，可根据实时需求向用户供能。分布式供能系统既可独立工作，也可并网运行。当用户端负荷较小时，系统将多余能量储存备用；负荷较大时，系统从电网购电解决临时供电需求[3]。分布式能源系统可应用于酒店、医院、小区等场所，具有可观的经济效益[4-6]。不同用户场景的分布式能源机组配置方案不同[7]，分布式能源系统选型时需要综合考虑机组性能、变工况特性、燃料适用性和设备维护特性等[8]。燃气内燃机作为分布式供能系统的原动机，热效率和发电效率高、负荷适应性好、功率范围广[9]，燃气内燃机分布式供能系统的能源综合利用率可达80%，具有良好的节能效果[10-12]。发电效率和热电比是燃气发电机组重要的性能参数，也是分布式能源系统设备寻优选型计算的主要依据。本文中对燃气发电机组不同负荷下的发电效率和热电比进行曲线拟合，将拟合结果作为寻优计算的输入条件，通过设置计算对照组，研究燃气发电机组变工况特性对分布式能源设备选型和经济性的影响。

1 分布式能源系统

1.1 系统模型

分布式冷热电三联供系统如图1所示。燃气发电机组和配电站为用户提供电能，优先使用燃气发电机组为用户供电，用户端电负荷较高时可从配电站购电；溴化锂吸收式余热机组和电制冷机提供冷能，优先使用溴化锂机组为空调供水，由电制冷机提供差额冷量；溴化锂机组、燃气热水锅炉和换热器提供采暖和生活热水，优先使用溴化锂机组和换热器对燃气发电机组废热(高温烟气、缸套冷却水等)回收提供热能，由热水锅炉提供差额热量。

图1 分布式能源系统结构图

1.2 冷热电约束条件

1.2.1 电平衡约束

燃气发电机组总发电量

式中：Nge为燃气发电机组数量;Pge,i为燃气发电机组i的发电量，kW·h。

电制冷机耗电量

式中：Nec为电制冷机数量；Pec,i为电制冷机i的耗电量，kW·h，Pec,i=Qec,i/Cec,i, 其中Qec,i为电制冷机i的制冷量，kW·h，Cec,i为电制冷机i的制冷性能系数。

电平衡约束为：

Pge+Pg≥Pe+Pec且Pec≤Pe,

式中：Pg为电网购电量，kW·h；Pe为用户电负荷，kW·h。

1.2.2 热平衡约束

燃气发电机组余热热量

式中：Qge,i为燃气发电机组i的余热热量，kW·h，Qge,i=Pge,i·αge,i，其中αge,i为燃气发电机组i的余热回收系数。

溴化锂机组吸收热量

式中：Nch为溴化锂机组数量；Qch,ah,i为溴化锂机组i的吸收热量，kW·h，Qch,ah,i=Qch,h,i/Cch,h,i，其中Qch,h,i为溴化锂机组i的产热量，kW·h，Cch,h,i为溴化锂机组i的制热系数。

燃气热水锅炉的供热量

式中：Ngb为燃气热水锅炉数量;Qgb,i为燃气余热锅炉i的产热量，kW·h。

热平衡约束为：

Qhx+bgbQgb+Qch,h≥Qh，

1.2.3 冷平衡约束

电制冷机总制冷量

式中：Qec,i为电制冷机i制冷量，kW·h。

溴化锂机组制冷量

式中：Qch,c,i为溴化锂机组i的制冷量，kW·h。

冷平衡约束为:

Qec+Qch,c≥Qc，

式中:Qc为用户端冷负荷，kW·h。

2 分布式能源寻优策略

2.1 寻优原则

分布式能源寻优需考虑安全性、高效性、经济性、环保性和可靠性，即需综合用户端负荷、设备变工况性能、社区土建安装难易情况、系统运行维护性能、能源价格和投资回收期等[13-16]。

2.2 优化目标函数

分布式能源寻优选型一般以经济最优为目标函数[17-18]，即以最小投资花费为目标，以年最小成本为目标函数建立优化模型，选取4个典型日d1、d2、d3、d4代表春、夏、秋、冬四季进行优化求解：

minCt=Ceq+Cem+Cf+Cg，

式中：Ct为年成本，元；Ceq为设备年投资成本，元；Cem为设备年维护成本，元；Cf为年燃料成本，元；Cg为年购电成本，元。

设备年总成本包括设备年投资成本和设备年维护成本，设备年投资成本

式中：Neq指某种设备的台数；Ceq,i为设备i的成本，元/kW；Pi为设备标定功率，kW；R为设备等额回收系数，R=r(1+r)l/[(1+r)l-1]，其中，r为折现系数，r=0.1，l为设备寿命，a。

设备年维护成本

式中：Cem,i,d,t为设备i在d天t时段的维护成本，元/(kW·h)；Nd为典型日(4天)；Nt为每天设备工作时间，h；Md为每个典型日在一年中所包含实际天数，Md=90d。

燃气成本包括燃气发电机组消耗燃气成本和燃气热水锅炉消耗燃气成本：

式中：Pge,i,d,t为燃气发电机组i在d天t时段输入的燃气功率，kW；ηe,ge,i为燃气发电机组i发电效率；Pgb,i,d,t为燃气热水锅炉i在d天t时段输入的燃气功率，kW；ηb,gb,i为燃气热水锅炉i制热效率；qf为燃气价格，元/(kW·h)。

从配电站购电成本

式中：Pg,d,t为d天t时段向电网的购电功率，kW；qg,d,t为d天t时段的电价，元/(kW·h)。

3 燃气内燃机变工况特性对设备选型影响计算

分布式能源自动寻优选型时一般以设备额定参数作为计算输入参数，但额定参数与设备实际运行情况有所不同，考虑到燃气内燃机负荷变化时，其主要寻优计算参数发电效率和热电比都会随之改变，本文中将备选燃气发电机组的发电效率和热电比进行曲线拟合，以某小区作为能源站计算实例，设置计算对照组，用上文介绍模型和目标函数分别进行计算求解，以探究燃气发电机组变工况特性对设备选型影响。

3.1 实例介绍

本文以某小区4个典型日的冷、热电负荷需求为已知条件，电和冷、热负荷分别如图2～4所示。

图2 4个典型日电负荷情况 图3 4个典型日冷负荷情况

图4 4个典型日热负荷情况

d1、d3、d4配电站全天24 h实时电价相同，6:00 — 20:00为1.025元/(kW·h)，其他时段为0.655元/(kW·h)；d2配电站6:00 — 20:00为1.225元/(kW·h)，其他时段为0.775元/(kW·h)。

3.2 备选设备

选型优化计算备选设备包括燃气发电机组、溴化锂吸收式机组、电制冷机、燃气热水锅炉和换热器(功率可定制)，设备参数如表1所示(表中ge1、ge2、ge3、ge4、ge5为备选的5种燃气发电机组，ch1、ch2、ch3、ch4、ch5为备选的5种溴化锂机组，ec1、ec2、ec3为备选的3种电制冷机，gb1、gb2、gb3为备选的3种燃气锅炉，hx为换热器)。

表1 备选设备参数

3.3 对照组设置

在分布式能源选型优化计算中，燃气发电机组发电效率和热电比是重要计算参数，本文中根据厂家提供的主要技术参数，将发电机组热电比和电效率与负荷率的关系拟合成方程，燃气发电机组变工况参数拟合方程如表2所示(表中α为燃气发电机组负荷率，即实际功率与标定功率之比)。

表2 燃气发电机组变工况参数拟合方程

设置4组计算方案，通过软件寻优选型，比较燃气发电机组变工况对其选型结果和年总成本影响。方案1：发电效率和热电比采用额定值；方案2：发电效率采用拟合曲线，热电比采用额定值；方案3：热电比采用拟合曲线，发电效率采用额定值；方案4：发电效率和热电比都采用拟合曲线。

3.4 选型结果

根据4种方案设定不同的计算输入条件，以年最小成本为目标函数，采用分布式能源模型和目标函数，通过软件自动寻优计算得出4种方案的选型结果如表3所示，年成本和定制功率如表4所示。

表3 4种方案寻优选型结果

表4 4种方案年成本对比和定制功率

3.5 效益分析

3.5.1 经济性分析

由表4可知，方案1在4种方案里年总成本最高，将其作为原始对照组。方案2比方案1年总成本减少208.30万元，成本减少比例约为4.02%，方案3比方案1年总成本减少319.59万元，成本减少比例约为6.17%，方案4比方案1年总成本减少290.82万元，成本减少比例约为5.62%。方案4为综合考虑发电效率和热电比得出的计算结果，其成本比方案3略高，原因与燃气发电机组在低工况下发电效率快速下降有关，这使得选型平衡向额定工况，即燃气发电机组高负荷运行方向靠拢。综上可知，考虑燃气发电机组变工况特性不仅影响设备自动寻优选型结果，对分布式供能系统总成本也有很大影响。

3.5.2 节能性和环保性分析

基于燃气发电机组的分布式能源系统的输入能量来源包括天然气和配电站购电两种途径，本文中将二者之和和一次能源利用率作为评估联供系统节能性的指标。分布式能源系统的系统总输入

Qin=Qgas+Qg，

分布式能源系统一次能源利用率

η=(Q1+Q2+Q3)/Qg，

式中：Q1为系统制热量，kW·h；Q2为系统制冷量，kW·h；Q3为系统发电量，kW·h。

分别计算4种方案4个典型日系统总输入电量(即购电量)和系统总输入折合燃气量，如图5所示。

图5 4种方案系统总输入对比

以方案1作为原始对照组，4种方案计算结果显示，方案2比方案1系统总输入减少3.19%，一次能源利用率增加3.48%;方案3比方案1系统总输入减少8.09%，一次能源利用率增加10.19%;方案4比方案1总输入减少7.35%，一次能源利用率增加9.21%。若每生产1 kW·h电需消耗标准煤0.404 kg，排放碳粉尘0.272 kg，排放二氧化碳0.997 kg，排放二氧化硫0.03 kg，排放氮氧化物0.015 kg，那么方案2比方案1年节省标准煤1 161.31 t，碳粉尘排放减少781.88 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分别减少2 865.91、86.24和43.12 t，方案3比方案1年节省标准煤2 942.90 t，碳粉尘排放减少1 981.36 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分别减少7 262.56、218.53和109.27 t，方案4比方案1年节省标准煤2 671.17 t，碳粉尘排放减少1 798.41 t，二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放分别减少6 591.96、198.35和99.18 t。

4 结论

将燃气发电机组的发电效率和热电比随负荷率变化情况拟合曲线作为计算输入条件，设置计算对照组，分析燃气发电机组变工况特性对分布式冷热电联供系统自动寻优选型结果的影响。

1)燃气发电机组发电效率和热电比的负荷变化规律对选型结果、年成本和系统一次能源利用率均有明显影响。

2)在本文的计算模型和备选设备条件下，相对于采用燃气发电机组额定发电效率和热电比作为输入条件，考虑发电效率变负荷特性可以使年总成本减少4.02%，折合节约标准煤1 161.31 t；考虑热电比变负荷特性可以使年总成本减少6.17%，折合节约标准煤2 865.91 t；综合考虑燃气发电机组变工况特性可以使年总成本减少5.62%，折合节约标准煤2 671.17 t。

3)变工况特性的计算结果更接近设备实际运行工况，分布式能源设备选型时应考虑备选设备的变工况特性，有利于节约成本，减少污染物排放，更好地满足用户端实际需求。