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随着能源互联网研究工作的逐步深入,作为能源互联网基本单元的分布式供能系统(以下简称DES/CCHP)建模优化的研究越来越多。而伴随着一次能源逐步向可再生能源转型,“多能互补”一词也开始大量应用。在部分DES/CCHP研究提出的目标函数中,“多能互补”表现为多种一次能源转换的子系统目标函数的简单加和。这是一种简单化、概念化的思维陷阱。因为把实际上不存在相互关联的子项加和起来的目标函数,无论用什么方法都是得不到解的。
笔者已是耄耋之年,没有条件再协同年轻的研究生一起开展严谨、深入的研究工作。愿把基于近40年从事能量系统集成建模优化和上百个工业和建筑物节能工程项目的实践而获得的对于DES/CCHP建模优化的逻辑思维,奉献给学术界,以助一臂之力。
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选择最优化的拓扑结构和参数,使之能够因地制宜利用各种一次能源,经转换传输和储存,满足终端用户对电力和冷、暖、蒸汽、热水等各种形式的能源的实时变化负荷的需求,达到最高能效、最经济、最少碳排放的目标——这就是DES/CCHP优化的本质[8]。
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按照973项目“高效节能的关键科学问题”的研究成果之一——“复杂能量系统集成建模的策略方法”的研究,复杂大系统建模应有四个阶段。物理模型,流结构模型,功能层次模型,最后才是开发软件工程实现模型[9,10,11,12,13]。图1和图2是DES/CCHP建模的重要基础工具;既表述了物理模型,也是关键的能流结构模型;在宏观层次上进行建模优化,没有必要再分别建立详细的物流、信息流、资金流、工件流和人件流模型;虽然在目标函数中必然涉及到这些流的大量参数和数据。
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能源系统也存在着三个层次、六种不同的功能如图3所示。
由于终端需求的时变性和分时电价的时变性而致的季节、昼夜、工作日和假日、以及电网负荷的峰谷等种种变化,图1和图2的系统都有多种不同的运行工况,但却并没有在规划设计拓扑结构下运行,即供电、热、蒸汽、冷负荷同时为最大的工况。图1和图2所示的模型可以分别用于描述设计、运行、控制三个层次。
一个极其重要的理念是:必须在多种运行/营销工况逐一分别初步建模优化结果的基础上才能集成建立设计/决策层次上的拓扑结构和参数。反过来再用来校核各个运行工况能流价格中的折旧成本,修正各工况初步优化结果。经多次反复迭代协调的才能获得设计、运行两个层次优化的结果。控制层次的建模优化则可基于这个结果而实现。
举建筑物DCS子系统为例,空调制冷负荷率按全年运行小时数有从0%~20%到100%的6种工况。由于DCS是与园区建设同步逐渐扩大的,而且早期DCS投运前开始运行的企业或建筑物用户必须自建中央空调,待DCS一期设施投运后再通过循环冷水向这些用户供价格较低的冷量。此时用户的末端设施仍可利用,而主机(室外机)则将停运。DCS运营商可以按残值价格收购用户停运的中央空调室外机,作为系统的调峰机组。下一步按照峰谷电价和用户负荷时变数据决定是否选用蓄冷设施及其参数。在此前提下,DCS规划设计容量不需要取100%的极端尖峰负荷,而可取其70%~90%,尖峰时段由备用机组和蓄冷释放补足;一则降低投资,二则提高大部分机组的年运行时数,从而进一步降低供冷的折旧费用。由此可见只有与多个运营工况建模优化的迭代协调才能优化规划设计的设备选型和参数。
同理,子系统D,特别是面向建筑物用户的系统建模更为复杂,因为它不仅在冬、夏季都有很大的昼夜负荷差,而且在春、秋季节,当缺乏供冷热负荷时,除了生活热水之外,基本上就是联合循环发电;因此会有6种基本的运行工况。建模优化将决定何种昼夜分时电价差之下它运行或停运。这将不拘于D子系统,而会涉及所有的子系统。
图1和图2中的每一条能流线在不同工况(时段)下都隐含着不同流量和价格的信息;也包含着物理流的信息。例如电流是通过电缆传输的,蒸汽和热水是通过管网单向传输的;而冷、暖则是通过一个循环回路传输的。交通运输用的氢气(H2)、LNG和电力(无轨车)则是间歇式充装的。
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DES系统优化的直接目标是经济性,目标函数是全系统整个经济寿命期内的总费用;这包括一次投资和经济寿命期内的总运行费用(能源消耗、折旧、管理等)。优化目标就是总费用最小,并且投资应达到一定的内部收益率;目前阶段需要达到10%~15%,高于一般公用工程项目的8%~10%。这是因为目前人们迄今还拘限于传统观念,对DES的认识不足,一般的收益率难以吸引投资。
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以经济性为目标函数的建模优化并不能决定能效的高低。能效的高低取决于设计者在拟定系统拓扑结构时对“高能高用、低能低用,温度对口、梯级利用”科学用能原则的掌握。例如,若子系统D中选用天然气蒸汽锅炉补充供汽,从热力学第一定律看效率可达90%,但热力学第二定律的火用效率却只有30%,是严重的“高能低用”。因为天然气直接供低温热而没有联产电,就得多买网电;而目前我国网电的总体一次能源效率(包括输变损失)只有30%多。耗用网电时必须按宏观效率折算一次能源,结果能效连30%都不到。传统的抽0.5 MPa蒸汽(150 ℃左右)加热供暖水(45~60 ℃)也是“高能低用”,因为100 ℃的传热温差意味着巨大的火用损失。天然气热水锅炉的火用效率更低,只有10%左右。采用各种低温余热、废热和热泵供暖就可以节省大量的一次能源。这里能效与经济性的权衡体现为传热温差和传热面积之间的优化。
对DES/CCHP而言,能效绝不是联合循环机组在设计工况下的燃料利用效率,而是整个区域全年累计总耗费的所有一次能源转化为全部终端用能的效率,因而是一个宏观、统计的数值[8]。在系统所有的运行工况下都尽可能实现“梯级利用”而避免“高能低用”,全年累计能效自然会高。对所服的区域来说,反映能效的宏观参数是能源强度ε,即单位GDP所消耗的一次能源最低;ε是国家对各区域能源利用水平的考核指标。
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碳排放最少的目标取决于能效和一次能源的构成。反映碳排放的宏观参数是碳强度κ,即单位GDP的碳排放量。ω =κ/ε称为“能源碳强度”,为单位能源的碳排放,与GDP无关。研究指出:
((1)) 式中:C为煤在一次能源中的分数;O为石油在一次能源中的分数;G为天然气在一次能源中的分数;a为反映C、O、G各自的含碳量和采用碳捕捉(CCS)部分占比的参量,详见文献[14])。
由此可得:
((2)) 即κ取决于能源强度和一次能源中化石能源所占分率。κ是国家对区域碳排放约束、考核的指标。所以减碳的关键是降低能源强度和一次能源中煤和石油的分率。在本文图1中未包括交通运输,故未显示石油应用。但是如果DES自发电不够,需从网上购电,那么就必须考虑到目前我国70%的电力来自煤电,其碳排放系数接近于1.0;即购入网煤电大部分来自高碳一次能源,将推高κ。
碳排放最少的目标是可以部分融入经济目标来实现的,即把碳排放与碳税或碳交易数据关联起来;以经济代价反映碳排放的约束。
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运用图1或图2建模优化的前提是实行科学用能和尽可能用低碳一次能源,特别是科学用能。因为只有高能效才能降低一次能源的消耗费用,并且提高投资回报率,减少折旧费用;从而获得更好的经济效益。另外,只有高能效的千万个DES/CCHP全部就地利用可再生能源、发电自给、多余上网,才能逐步减少集中的燃煤发电所占的比率,实现绿色、低碳、可持续发展的目标。
上述方法已经用于多个天然气DES/CCHP工程的规划设计和建设,具有重要的科学意义和实用前景[15]。