面向智能电网园区多能源利用的改进夹点算法-北极星输配电网

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1研究背景

近几年来, 环境污染、能源短缺的问题日益突出。节能减排, 势在必行。在智能电网园区中, 一般包含冷、热、照明、机械等多种形式的负荷, 同时也包含风、光、电、地热等多种形式的能源。如何将这些能源和负荷合理组织起来, 实现多能源梯级利用, 降低电网园区总的能耗成本, 是摆在研究者面前的一个难题。

利用夹点算法的基本思想, 对换热网络进行梯级改造, 是实现能源优化利用的一个行之有效的方法。夹点算法最早是由Linnhoff B等提出, 应用于化工生产的算法。许多研究表明, 夹点算法同样适用于其它形式的能源。而在实际的生产中, 已有人将其应用于热电联产中, 并取得了较为理想的效果。

智能电网园区使精细化地考量每一台设备的能耗成为可能。本文从用电的角度出发, 综合分析各种形式的能耗, 而不再局限于化工生产的热能, 利用夹点方法的基本原理, 考察非流体设备和电能的基本特性, 提出了面向智能电网园区的能源分析方法。

2夹点算法

将生产中的吸热环节和放热环节分别简化为冷流和热流。能源最理想的应用方式, 应当是热流放出的热量恰好都被冷流吸收。但是, 由于受热力学第二定律的限制, 热流必须比冷流高出一定的温度, 才能实现余热的回收。这样, 我们必须让冷热流按一定的规则进行交换, 也就是冷流的高温部分与热流的高温部分换热; 冷流的低温部分与热流的低温部分换热。这个过程很像实验室中冷凝管, 逐段地进行余热利用。而在实际生产中, 冷热流在换热时, 必须要高于一个温差值。所以我们需要平移冷流, 以确保每个换热点的温差在极限值以上。冷热流的温差达到这个极限值的点, 就被称为夹点。这个算法, 就是夹点算法。

3面向非流体设备的算法

3.1非流体设备

夹点算法广泛应用于化工生产中。这些场景下, 考察的对象往往是某一类流体。随着流体走完全部工艺过程, 能量的交换也随之完成。但在考察智能电网园区等系统时, 面临两个问题。一是, 园区中往往存在光伏发电、风力发电、燃气等多类型的能源结构。单纯地通过夹点算法, 难以清洁用能。另一个问题是, 智能电网中, 往往存在空调、供暖、照明、机械负荷等多类型的负荷。这些设备的特征是不具有流动性, 其温度在短时间内是可以视为一成不变的。我们称这些设备为非流体设备。可以看出, 非流体设备的能耗特征在温焓图中是无法表示出来的。因此, 对于包含有非流体设备的电网园区, 通过理想的流体间能量交换, 不能解决能源优化利用的问题。针对非流体设备的特点, 对夹点算法进行改进, 使其能够应用于智能电网园区, 是非常有必要的。

3.2要解决的问题

智能电网包含几个传统换热网络所没有的特征。一是冷流和热流存在水平线和间断点。二是部分设备的温度可变。以空调散热管为例, 空调冷风温度低时, 其散热管温度就高; 反之, 空调散热管温度就会较低。更值得关注的是, 如果采用流水等降温措施, 空调的散热管将不会达到此前的温度。而对于传统的换热网络, 采用能量优化措施与否, 对冷热流起始温度没影响。在这一点上, 两者是截然不同的。

原标题：王冬, 杨永标, 等: 面向智能电网园区多能源利用的改进夹点算法

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