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摘要：立足分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)“按需供能、梯級(jí)利用”的本質(zhì)特征,提出了系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本理念和基礎(chǔ)課題。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的實(shí)施流程,重點(diǎn)闡述了能源需求預(yù)測(cè)、設(shè)備選型配置、運(yùn)行策略設(shè)定以及綜合性能評(píng)估的要求與方法。對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)而言,雖然軟件模擬法縮小了傳統(tǒng)指標(biāo)法的預(yù)測(cè)誤差,但仍有必要與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合。對(duì)于設(shè)備配置與運(yùn)行管理而言,傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單易行但實(shí)施效果具有較強(qiáng)的不確定性;以優(yōu)化為核心的系統(tǒng)工程方法可以獲得理論優(yōu)解但可操作性較弱。為此,分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中,要權(quán)衡考慮理論先進(jìn)性和現(xiàn)實(shí)可行性,通過(guò)構(gòu)建決策支持系統(tǒng),確立合理、、靈活、可行的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。

作者：任洪波, 徐佩佩, 吳瓊

上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海市 楊浦區(qū) 200090

任洪波(1982),男,博士,教授,通信作者,研究方向?yàn)樾履茉磁c分布式能源系統(tǒng),E-mail：tjrhb@163.com;徐佩佩(1994),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榉植际侥茉聪到y(tǒng)優(yōu)化;

吳瓊(1987),女,博士,工程師,研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)規(guī)劃,E-mail：wuqiongrff@163.com�；�金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71403162); 上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目(17YF1406800); National Natural Science Foundation of China (71403162); Shanghai Sailing Program (17YF1406800);

文章編號(hào): 1000-3673(2018)03-0722-08 中圖分類號(hào): TM721

關(guān)鍵詞 : 分布式能源; 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng); 規(guī)劃設(shè)計(jì);

0 引言

化石能源的大量消費(fèi)所引發(fā)的全球性和區(qū)域性環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、、節(jié)能、環(huán)保的新一代能源系統(tǒng)勢(shì)在必行。在此背景下,作為銜接傳統(tǒng)化石能源與現(xiàn)代可再生能源的過(guò)渡性技術(shù),分布式熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power,DCHP)系統(tǒng)得益于其能量梯級(jí)利用的節(jié)能本質(zhì)和清潔能源替代的減排實(shí)質(zhì),受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1]。

DCHP系統(tǒng)是以燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等發(fā)電單元為核心,輔以吸收式制冷機(jī)、余熱鍋爐等余熱利用設(shè)備以及冷卻塔、受電設(shè)備等輔助設(shè)備,所形成的集發(fā)電、供熱(冷)于一體的綜合能源服務(wù)體系。就供能本質(zhì)而言,DCHP系統(tǒng)是為了滿足特定用戶冷、熱、電等多元能源需求而量身定制的多輸入多輸出型供能體系,體現(xiàn)了“按需供能”的現(xiàn)代能源服務(wù)理念。作為一種耦合源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等諸環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性節(jié)能技術(shù),為達(dá)成預(yù)期節(jié)能減排功效,在提升單元環(huán)節(jié)性能的同時(shí),系統(tǒng)的綜合集成與規(guī)劃設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其中,確立構(gòu)成系統(tǒng)的單元設(shè)備的類型、臺(tái)數(shù)、容量的設(shè)備規(guī)劃以及系統(tǒng)整體工藝流程設(shè)計(jì)是關(guān)鍵所在;同時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程的合理設(shè)計(jì)對(duì)其節(jié)能減排效果也會(huì)產(chǎn)生深刻影響。

本文通過(guò)對(duì)DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及典型工程案例的梳理與分析,提出了DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心理念與基本課題。同時(shí),針對(duì)所提出的基本課題,通過(guò)深入剖析國(guó)內(nèi)外學(xué)者所提出的典型解決方案,探討了其在不同場(chǎng)景下的適用性。

1 DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)狀評(píng)述

作為DCHP領(lǐng)域的先行者,日本早在20世紀(jì)90年代初便針對(duì)DCHP系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的理論探討。日本空調(diào)衛(wèi)生學(xué)會(huì)與日本能源學(xué)會(huì)牽頭,發(fā)布了DCHP系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)手冊(cè),明確了DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本流程與全過(guò)程實(shí)施方案[2-3]。在國(guó)內(nèi),上海市建設(shè)和交通委員會(huì)于2005年頒布的《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》(上海規(guī)程)是我國(guó)針對(duì)DCHP系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范,該規(guī)范于2008年7月起正式實(shí)施;而國(guó)家層面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)饫錈犭娙��?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(國(guó)家規(guī)程)于2011年3月也正式實(shí)施。然而,上述規(guī)程和規(guī)范僅從宏觀層面以簡(jiǎn)潔、明了的方式提出了實(shí)施DCHP工程所需遵守的基本技術(shù)要求,對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論和方法并未具體闡述。2014年,林世平主編的《燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)應(yīng)用手冊(cè)》和楊旭中等編著的《燃?xì)馊��?lián)供系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)與運(yùn)行》則較為系統(tǒng)、全面地介紹了DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的思路和方法[4-5]。

在學(xué)術(shù)界,DCHP系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究也方興未艾。20世紀(jì)90年代初,日本大阪府立大學(xué)的Ito教授[6]首次從方法論層面提出了DCHP系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)而言,21世紀(jì)初,中科院工程熱物理研究所[7]、華南理工大學(xué)[8]等研究機(jī)構(gòu)分別從總能系統(tǒng)、過(guò)程工業(yè)能量系統(tǒng)集成等角度,開始展開針對(duì)DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的理論研究。近30年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究;雖然研究思路和方法各有側(cè)重,但大多以系統(tǒng)工程方法論作為核心理論基礎(chǔ)。此外,隨著多年來(lái)對(duì)DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題研究的經(jīng)驗(yàn)積累,國(guó)外相繼開發(fā)了一批較為成熟的軟件工具,如HEATMAP、DER-CAM、HOMER、CASCADE等,有效提升了系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性和規(guī)范性[9]。在國(guó)內(nèi),中科院廣州能源研究所、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、上海電氣集團(tuán)等機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一些有益嘗試,開發(fā)了一批適應(yīng)我國(guó)實(shí)情的DCHP系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)軟件[10]。

作為我國(guó)第1個(gè)DCHP系統(tǒng),上海市黃浦區(qū)中心醫(yī)院DCHP系統(tǒng)建于1998年,原本設(shè)計(jì)投資回收年限為4—5年;但由于設(shè)計(jì)容量過(guò)大,實(shí)際運(yùn)行中,機(jī)組發(fā)電負(fù)荷超出醫(yī)院高用電負(fù)荷一倍以上,導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行,經(jīng)濟(jì)性極差,終只能停運(yùn)[11]。同樣在上海,2013年,我國(guó)區(qū)域型DCHP系統(tǒng)在虹橋商務(wù)區(qū)投入試運(yùn)行,設(shè)計(jì)能效80%以上;然而,由于對(duì)負(fù)荷預(yù)判過(guò)高,系統(tǒng)遲遲不能正常運(yùn)行,高能效優(yōu)勢(shì)并未得到充分體現(xiàn)�？傮w而言,截至2016年,上海已建成的52個(gè)DCHP項(xiàng)目(其中,8個(gè)教學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目)中,約有一半處于停運(yùn)狀態(tài),而缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)則是導(dǎo)致項(xiàng)目失敗的主要原因之一。

2 DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)理念及其基本課題

DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本理念是要充分發(fā)揮其能量梯級(jí)利用的特質(zhì),以靈活應(yīng)對(duì)時(shí)刻變化的多元能源需求。也就是說(shuō),要根據(jù)需求側(cè)對(duì)熱能溫度需求的差別,考慮排熱的梯級(jí)利用,對(duì)煙氣、缸套水等不同品位余熱分別合理利用。此外,要充分認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段電能輸送較為簡(jiǎn)單但存儲(chǔ)困難;相反,熱能易于儲(chǔ)存但輸送困難。

總體而言,DCHP系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面因素,但其出發(fā)點(diǎn)是電力、供熱、供冷、熱水、蒸汽等能源需求量的推定�；�于所推算的能源需求,選擇DCHP系統(tǒng)的核心構(gòu)成單元——原動(dòng)機(jī)的類型,并設(shè)定系統(tǒng)工藝流程。在此基礎(chǔ)上,確定能靈活適應(yīng)多元能源需求動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)運(yùn)行策略。具體而言,參照附圖1,DCHP系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本課題可歸納為以下4個(gè)方面。

2.1 能源需求預(yù)測(cè)

如前所述,電力、供冷、供熱等能源需求預(yù)測(cè)是系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)與難點(diǎn)所在。如果需求預(yù)測(cè)過(guò)大,則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備選型過(guò)大,不但增大初期投資費(fèi)用也會(huì)影響后期運(yùn)行效果;相反,過(guò)小則會(huì)削弱其預(yù)期功效,降低系統(tǒng)供能可靠性。為此,能源需求預(yù)測(cè)的精度對(duì)系統(tǒng)設(shè)備選型、綜合評(píng)價(jià)等均會(huì)產(chǎn)生較大影響。

考慮到原動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵組件的部分負(fù)荷特性,對(duì)于DCHP系統(tǒng)而言,其能源需求預(yù)測(cè)不能像常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣僅計(jì)算大設(shè)計(jì)負(fù)荷,而是需要預(yù)測(cè)全年逐時(shí)負(fù)荷。同時(shí),不僅要考慮單純的電能和熱能數(shù)量需求,還要考慮電能品質(zhì)、熱能品位(溫度)的差異。此外,除了要考慮不同類型能源的經(jīng)濟(jì)性、時(shí)刻性差別,還要對(duì)供需兩側(cè)的空間布局進(jìn)行明確定義。這是因?yàn)?終端用戶的能源需求并不一定與電源、熱源設(shè)備出力完全匹配,要考慮同時(shí)使用率、熱媒的傳輸損失、蓄能損失、輔助設(shè)備(水泵等)用電等。

2.2 設(shè)備選型配置與系統(tǒng)方案設(shè)定

基于上述能源需求預(yù)測(cè)值,需要對(duì)系統(tǒng)主要電源、熱源設(shè)備的類型進(jìn)行設(shè)定,同時(shí)也需要對(duì)包含常規(guī)系統(tǒng)在內(nèi)的各種替代方案進(jìn)行比選。

主要電源、熱源設(shè)備類型確定后,需要根據(jù)能源需求的季節(jié)、時(shí)刻變化確定系統(tǒng)集成方案,即設(shè)備型號(hào)、臺(tái)數(shù)和容量,以及設(shè)備間連接形式。如燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)可以提高發(fā)電效率,也可以提升熱電比的靈活性。此外,原動(dòng)機(jī)所發(fā)電力既可以直接滿足電力需求,也可以通過(guò)電動(dòng)熱泵等滿足冷、熱需求。