【干货】分布式热电联产系统规划设计理念与方法探析

摘要：立足分布式热电联产系统“按需供能、梯级利用”的本质特征,提出了系统规划设计的基本理念和基础课题。根据系统规划设计的实施流程,重点阐述了能源需求预测、设备选型配置、运行策略设定以及综合性能评估的要求与方法。对于负荷预测而言,虽然软件模拟法缩小了传统指标法的预测误差,但仍有必要与实测数据的统计分析相结合。对于设备配置与运行管理而言,传统经验法简单易行但实施效果具有较强的不确定性;以优化为核心的系统工程方法可以获得理论最优解但可操作性较弱。为此,分布式热电联产系统规划设计过程中,要权衡考虑理论先进性和现实可行性,通过构建决策支持系统,确立合理、高效、灵活、可行的系统规划设计方案。

作者：任洪波, 徐佩佩, 吴琼

上海电力学院 能源与机械工程学院,上海市 杨浦区 200090

任洪波(1982),男,博士,教授,通信作者,研究方向为新能源与分布式能源系统,E-mail：tjrhb@163.com;徐佩佩(1994),女,硕士研究生,研究方向为分布式能源系统优化;

吴琼(1987),女,博士,工程师,研究方向为综合能源系统规划,E-mail：wuqiongrff@163.com。基金项目： 国家自然科学基金项目(71403162); 上海市青年科技英才扬帆计划项目(17YF1406800); National Natural Science Foundation of China (71403162); Shanghai Sailing Program (17YF1406800);

文章编号: 1000-3673(2018)03-0722-08 中图分类号: TM721

关键词 : 分布式能源; 热电联产系统; 规划设计;

0 引言

化石能源的大量消费所引发的全球性和区域性环境问题日益凸显,构建经济、高效、节能、环保的新一代能源系统势在必行。在此背景下,作为衔接传统化石能源与现代可再生能源的过渡性技术,分布式热电联产(combined heat and power,DCHP)系统得益于其能量梯级利用的节能本质和清洁能源替代的减排实质,受到国内外广泛关注[1]。

DCHP系统是以燃气轮机、燃气内燃机等发电单元为核心,辅以吸收式制冷机、余热锅炉等余热利用设备以及冷却塔、受电设备等辅助设备,所形成的集发电、供热(冷)于一体的综合能源服务体系。就供能本质而言,DCHP系统是为了满足特定用户冷、热、电等多元能源需求而量身定制的多输入多输出型供能体系,体现了“按需供能”的现代能源服务理念。作为一种耦合源、网、荷、储等诸环节的系统性节能技术,为达成预期节能减排功效,在提升单元环节性能的同时,系统的综合集成与规划设计至关重要。其中,确立构成系统的单元设备的类型、台数、容量的设备规划以及系统整体工艺流程设计是关键所在;同时,系统运行规程的合理设计对其节能减排效果也会产生深刻影响。

本文通过对DCHP系统规划设计现状及典型工程案例的梳理与分析,提出了DCHP系统规划设计的核心理念与基本课题。同时,针对所提出的基本课题,通过深入剖析国内外学者所提出的典型解决方案,探讨了其在不同场景下的适用性。

1 DCHP系统规划设计现状评述

作为DCHP领域的先行者,日本早在20世纪90年代初便针对DCHP系统的规划设计进行了深入的理论探讨。日本空调卫生学会与日本能源学会牵头,发布了DCHP系统的规划、设计与评价手册,明确了DCHP系统规划设计的基本流程与全过程实施方案[2-3]。在国内,上海市建设和交通委员会于2005年颁布的《分布式供能系统工程技术规程》(上海规程)是我国针对DCHP系统的首个技术规范,该规范于2008年7月起正式实施;而国家层面的技术标准《燃气冷热电三联供工程技术规程》(国家规程)于2011年3月也正式实施。然而,上述规程和规范仅从宏观层面以简洁、明了的方式提出了实施DCHP工程所需遵守的基本技术要求,对系统规划设计的理论和方法并未具体阐述。2014年,林世平主编的《燃气冷热电分布式能源技术应用手册》和杨旭中等编著的《燃气三联供系统规划设计建设与运行》则较为系统、全面地介绍了DCHP系统规划设计的思路和方法[4-5]。

在学术界,DCHP系统的规划设计研究也方兴未艾。20世纪90年代初,日本大阪府立大学的Ito教授[6]首次从方法论层面提出了DCHP系统的规划设计问题。国内而言,21世纪初,中科院工程热物理研究所[7]、华南理工大学[8]等研究机构分别从总能系统、过程工业能量系统集成等角度,开始展开针对DCHP系统规划设计的理论研究。近30年来,国内外学者在此领域进行了大量研究;虽然研究思路和方法各有侧重,但大多以系统工程方法论作为核心理论基础。此外,随着多年来对DCHP系统规划设计问题研究的经验积累,国外相继开发了一批较为成熟的软件工具,如HEATMAP、DER-CAM、HOMER、CASCADE等,有效提升了系统规划设计的科学性和规范性[9]。在国内,中科院广州能源研究所、西安交通大学、清华大学、上海电气集团等机构也进行了一些有益尝试,开发了一批适应我国实情的DCHP系统规划、设计与评价软件[10]。

作为我国第1个DCHP系统,上海市黄浦区中心医院DCHP系统建于1998年,原本设计投资回收年限为4—5年;但由于设计容量过大,实际运行中,机组发电负荷超出医院最高用电负荷一倍以上,导致机组长期低负荷运行,经济性极差,最终只能停运[11]。同样在上海,2013年,我国首个区域型DCHP系统在虹桥商务区投入试运行,设计能效80%以上;然而,由于对负荷预判过高,系统迟迟不能正常运行,高能效优势并未得到充分体现。总体而言,截至2016年,上海已建成的52个DCHP项目(其中,8个教学试验项目)中,约有一半处于停运状态,而缺乏设计经验则是导致项目失败的主要原因之一。

2 DCHP系统规划设计理念及其基本课题

DCHP系统规划设计的基本理念是要充分发挥其能量梯级利用的特质,以灵活应对时刻变化的多元能源需求。也就是说,要根据需求侧对热能温度需求的差别,考虑排热的梯级利用,对烟气、缸套水等不同品位余热分别合理利用。此外,要充分认识到现阶段电能输送较为简单但存储困难;相反,热能易于储存但输送困难。

总体而言,DCHP系统的规划与设计需要综合考虑多方面因素,但其出发点是电力、供热、供冷、热水、蒸汽等能源需求量的推定。基于所推算的能源需求,选择DCHP系统的核心构成单元——原动机的类型,并设定系统工艺流程。在此基础上,确定能灵活适应多元能源需求动态变化的系统运行策略。具体而言,参照附图1,DCHP系统规划设计的基本课题可归纳为以下4个方面。

2.1 能源需求预测

如前所述,电力、供冷、供热等能源需求预测是系统规划设计的出发点与难点所在。如果需求预测过大,则会导致设备选型过大,不但增大初期投资费用也会影响后期运行效果;相反,过小则会削弱其预期功效,降低系统供能可靠性。为此,能源需求预测的精度对系统设备选型、综合评价等均会产生较大影响。

考虑到原动机等关键组件的部分负荷特性,对于DCHP系统而言,其能源需求预测不能像常规暖通空调系统设计一样仅计算最大设计负荷,而是需要预测全年逐时负荷。同时,不仅要考虑单纯的电能和热能数量需求,还要考虑电能品质、热能品位(温度)的差异。此外,除了要考虑不同类型能源的经济性、时刻性差别,还要对供需两侧的空间布局进行明确定义。这是因为,终端用户的能源需求并不一定与电源、热源设备出力完全匹配,要考虑同时使用率、热媒的传输损失、蓄能损失、辅助设备(水泵等)用电等。

2.2 设备选型配置与系统方案设定

基于上述能源需求预测值,需要对系统主要电源、热源设备的类型进行设定,同时也需要对包含常规系统在内的各种替代方案进行比选。

主要电源、热源设备类型确定后,需要根据能源需求的季节、时刻变化确定系统集成方案,即设备型号、台数和容量,以及设备间连接形式。如燃气轮机和蒸汽轮机组成联合循环可以提高发电效率,也可以提升热电比的灵活性。此外,原动机所发电力既可以直接满足电力需求,也可以通过电动热泵等满足冷、热需求。