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约束条件
热网模型的目标函数包括节点流量平衡约束与热损平衡约束。
1)节点流量平衡约束:对任何形式的网络,都须满足节点流量平衡约束,即对网络中任一节点,流向该节点的流量一定等于流出该节点的流量(类似于电路中的KCL)。又由于热量与热媒流量、供回水温差成正比,在不考虑供回水温差变化时,流量节点平衡可考虑为热量节点平衡。
2)热损平衡约束:由于热能在管网中传输不可避免的有热损,故热网模型还需包含热损平衡约束。热网热损与单位长度管道热损率、管道长度成正比。
3算例分析
以天津市某一综合区域为研究对象,其中居民区、商业区、办公区与工业区的面积分别约为12万m2、12万m2、18万m2与30万m2,各区域CCHP系统之间热网管道长度依次为1.2km、0.65km、1.5km、0.6km。集中供热用天然气价格为2.37元/m3,居民电价0.54元/kW˙h,商业电价0.9元/kW˙h,工业电价0.71元/kW˙h。设定规划年限为10年,年利率为5%。本文模型的优化求解工具为LINGO11.0。为便于比较分析,将各CCHP系统相互独立,没有热能交互作为案例一;将有热网,各CCHP系统有热能交互作为案例二。
1容量优化与费用分析
仿真结果显示:
1)考虑热网后,办公区燃气轮机容量配置由4600kW变为5740kW,商业区燃气轮机容量配置由4600kW变为9860kW,即低热电比用户燃气轮机配置上升;居民区燃气轮机容量配置由1300kW变为0kW,工业区燃气锅炉容量配置由7800kW+4600kW变为4600kW,即高热电比用户燃气锅炉配置下降。这是因为当考虑热网时,负荷热电比较低的用户在提高燃气轮机出力以满足自身电需求、降低购电量的同时,多余的热能可通过热网补贴其他负荷热电比较高的用户,故在案例二下办公与商业区的燃气轮机配置增加;同时热电比较高的用户在案例一下,不足的热能只能通过燃气锅炉补燃,而结合热网后,热能可由办公与商业区补给,从而减轻燃气锅炉的出力,降低燃气锅炉的配置。
2)案例二相对于案例一节省了燃气锅炉投资成本,增加了燃气轮机投资成本,且案例二需考虑管道铺设费用,故总的设备年投资成本较案例一增加了768.71万元;案例二下商业与办公区燃气轮机出力增大,燃气费用略有上升,但同时其购电费用显著降低,且考虑到商业与办公区均属于电费较高的商业用电,故案例二在运行时的经济性十分明显,年运行费用较案例一降低了2665.75万元。综上,案例二比案例一整体节省了1338.75万元/年,节省率约为9.0%。
2热网运行分析
分析夏季运行结果可知,负荷热电比较低的商业与办公区向热网供热,而负荷热电比较高的工业与居民区从热网吸收热能,夏季商业与办公区的热能除吸收式制冷满足自身冷需求外,全部传出至热网,居民区夏季热需求较低,仅在19:00-22:00有热水需求时从热网吸收较多热能。夏季00:00-06:00,管道L1与L4无热水经过,热能以图3(a)的状态传输:此时居民区冷、电负荷较低,与热网无交互,商业与办公区只有电负荷无冷热负荷,故热能全部经L2-L3传出至工业区。10:00-20:00,管道L2无热水经过,热能以图3(b)的状态传输:此时为工作时段,办公与商业区的电、冷负荷较大,燃气轮机产生的热能在满足自身冷需求后多余部分经L3、L1-L4传至居民与工业区。其余时间点分析类似。
值得说明的是:11:00与21:00均为商业与办公区传热至工业与居民区的模式,而传输路径却不同,这是因为:21:00时工业区热需求少,而商业与办公区产热较多,因此存在部分弃热,热能传输时路径选择随机;而11:00时工业热需求较大,商业与办公区电负荷及冷负荷也较大,此时无弃热,热能选择热损最小路径传输,即选择L1-L4。冬季因各区域热需求均较高,故各时刻均以图3(b)的状态传输,以降低热损。
图3夏季不同时刻热网管道中热能分布
且运行结果也表明:结合热网后,热电比较高的居民与工业区燃气轮机利用率略有下降,这是因为在协同运行时,居民与工业区的热能部分由商业与办公区提供,燃气轮机出力略有下降;而热电比较低的商业与办公区,其燃气轮机的利用率显著提高,运行时间也更长,这表明协同运行可有效解决独立运行时出现的燃气轮机利用率低,配置容量浪费等问题。
4结语
经过案例分析可知,本文提出的结合热网的多区域CCHP系统协同规划模型,较各CCHP系统单独规划具有以下特点:
1)在规划阶段,提高了燃气轮机容量,降低了燃气锅炉容量,同时需要铺设热网管道,总年投资成本较独立规划时增加;在运行阶段,通过热网实现多区域综合能源系统的供需匹配,提升燃气轮机利用率,大幅降低运行费用,综合经济性十分显著。
2)提出的热网模型充分考虑了热网节点热量平衡约束、热网热损约束,且运行时计及耗电输热费用,故在无弃热的情况下,热能传输总是选择热损最小的路径,从而进一步提升系统经济性。
本文的研究成果可为综合能源系统规划提供一定的理论支持,但所建立的热网模型相对简化,未考虑热网中温度、压力的变化以及热网传输延时的特性,有待进一步完善。同时,热网自身具有一定的蓄热能力,利用热网储能以提高综合能源系统运行经济性也是今后研究的重点。
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