分布式冷热电联供系统集成及应用

分布式冷热电联供系统集成及应用

刘红霞

山东华鲁恒升化工股份制有限公司生产处，山东省德州市， 253024，

摘要： 与传统的集中供能方式相比，分布式冷热电联供作为一种新兴的能源结构，具有节约能源、环保性好、启停灵活等优点.从分布式冷热电联供的基本含义、系统特点、集成方案、目前国内的发展状况以及发展中关键性问题等方面展开了简单的阐述，并提出借助于压缩式热泵对排烟余热深度回收利用技术，进一步降低排烟热损失，提高了能源利用率，为我国发展分布式冷热电联供能源系统提供重要参考.

关键词：分布式；冷热；供电

分布式供能系统是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式供能方式。其中， 分布式冷热电联供系统是其主要形式，具有节能、环保、经济、可靠和灵活等特点。传统的分布式冷热电联供系统常以天然气为燃料，但随着全球气候与环境问题的关注以及可再生能源技术的发展，多能互补的冷热电联供系统业已受到关注。

1.1 分布式冷热电联供系统的基本含义

分布式冷热电联供系统(Distributed Combined Cooling Heating and Power，DCCHP)不同于传统集中供能(Concentrated Energy System，CES)，是指以小规模、小容量(数千瓦至50 MW)、模块化、分散化的方式安装在用户附近，同时在向用户输出热能、电能、冷能时，可以采用单供或联供的方式.这是一种新型的能源系统，采用“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原则，提高化石能源的综合利用效率，符合国家可持续发展战略，也可称之为“第二代能源系统”。

天然气作为分布式冷热电联供系统的主要燃料，天然气经过燃烧后，内在化学能转化为700 ℃～1 500 ℃的高品位热能，首先利用这部分热能驱动发电机组发电；然后对中、低位热能逐级利用，200 ℃～500 ℃的热能可以作为吸收式热泵的驱动热源进行供冷或对外供应高压蒸汽，而200 ℃以下的热能则可以通过换热器供应热水或低压蒸汽，实现对天然气多级多次利用[9～15].

2 分布式冷热电联供系统的主要特点

2.1 节能环保，提高能源综合利用率

在采用分布式冷热电联供系统过程中，可以有效提高低品位热能的整体利用效率，保证能源资源的综合利用。

在过去集中供电的方式，其所形成的能量非常单一，但是用户对能源资源的需求是多样化的，即除了需要热能外，还需要电能水能等，所以必须要保证冷能和热能的同时供应，如果仅电力无法满足上述的能源资源的梯级利用，需要在传统电联供基础之上，分布式冷热电联供系统能够同时满足用户对能源资源的需求量，其整体规模比较小，具有非常大的灵活性特点；不同的循环能够有机组合，保障用户的实际需求，还能够实现能量的梯级利用，避免冷能和热能无法远距离传输的困难。

2.2 冷热电联供可以适合多种场合的需求

由于我国不同地域存在着不同的地域特征，所以许多区域不适宜铺设电网。或者在广大西部地区、农村地区散户较多，如果采用集中供电的方式，不仅需要大量的基础建设和投入，也很难起到良好供热效果；而在医院、银行以及机场等对供电安全性稳定性要求非常高的用户，对能源资源需求更加多样，所以在为它们提供充足的电力资源时，还必须要提供稳定的热能或冷能。这种功能方式优点就是不需要进行远距离的输配电设备管理，可以尽可能减少输电损失，保证整个系统安全运行。

3 分布式冷热电联供系统的优化研究

3.1 优化变量

根据优化问题的不同，分布式冷热电联供系统的优化研究主要可归为4类： (1)系统结构优化；(2)设备容量优化；(3)设计工况参数优化；(4)运行策略优化。

系统结构优化主要针对联供系统集成设计方案有多种类型的比选问题，通过优化的方法确定其最佳的系统流程、设备等。例如，可选择的驱动装置就包括燃气轮机、内燃机、燃料电池等多种类型，而驱动装置的选择取决于诸多因素：冷热电负荷，冷热需求种类、负荷波动情况、空间要求、环保要求等。采用优化的方法，可对不同组合形式下的性能进行计算，从而选择最佳的集成方案，通常这种优化方法也被称为超结构优化。ZHU等[39]建立了一种超结构的联供系统的多目标优化模型，在这一超结构系统构成中，驱动装置包括燃气透平、背压透平、冷凝透平，锅炉包括烟气余热锅炉、燃气蒸汽锅炉和热水锅炉，制冷机组包括电压缩制冷、蒸汽型吸收式制冷和热水型吸收式制冷这3种形式，以及中低温不同类型的换热设备来供暖，在不同优化目标下对系统进行了优化，从超结构系统中选取构建了不同的集成方案。肖小清等[42]将蓄能装置集成到超结构方法的分布式联供系统中，建立了混合整数线性优化模型，通过分支定界法求解，实现了系统结构的优化，并同时将系统运行策略、各设备与蓄能装置一并优化。

联供系统的设备容量优化通常是针对系统流程、方案基本确定的联供系统，通过对设备容量的优化配置，达到相互间的匹配，从而获得最佳的收益。冷热电联供系统优化研究文献中此类问题的研究最多。WANG等[7]针对由燃气驱动装置、余热回收系统、电压缩式制冷机组、吸收式制冷机组、补燃锅炉和电网构成的联供系统，采用遗传算法求解寻优，得到各设备的容量优化配置，从而获得在能效、经济和排放这3方面的最大综合收益。SANAYE和KHAKPAAY[43]将遗传算法和最大矩形法相结合，以相对年收益为优化目标，对包括燃气轮机台数和容量、锅炉、蓄热装置、制冷机组等设备的类型和容量进行了优化配置，比较探讨了在系统发电是否上网情况下的热跟随和电跟随运行性能。

3.2 优化目标

优化目标是优化问题的导向、是优化求解算法寻优过程的指导。优化目标是系统优化的评价标准，冷热电联供系统作为一种供能系统，通常从能源、经济和环境这3方面评价。

冷热电联供系统的优化研究的核心和基础就是依据系统热力学性能对其进行优化设计，能源绩效指标常被用来使用，以最大化的提高效率或减少能源消耗量。常用的能源性指标包括热效率、 效率、一次能源消耗量和一次能源节能率等。其次，从用户或者供能系统业主角度考虑，经济可行性是项目可行性的首选条件。以经济性指标作为单一或者之一优化目标在联供系统优化研究中的使用较多，达到50%以上，最常用的指标包括：系统总费用、运行费用和费用年值。最后，环境问题的持续关注，联供系统的污染物排放性能也是联供系统优化研究的一个方向，其中CO2的排放量或减排率是表征联供系统排放性能的最常用指标。在这些指标中，可分为2类：绝对性指标和相对性指标。例如节能率、费用节省率和污染物减排率这些都是相对性指标，因此，参照对象的性能会直接影响其指标的大小。

3.3 优化算法

在优化目标的指导下，为了获得分布式冷热电联供系统的最佳配置，则需要在约束条件下对优化变量进行求解，这个寻优过程则要借助于某种算法来进行。联供系统优化研究中应用的算法很多，一般可分为传统经典算法和人工智能算法。

传统经典优化算法一般针对结构化问题，有较为明确的问题和条件描述，有唯一明确的全局最优点。典型的经典算法包括单纯形法，牛顿算法，拉格朗日松弛算法等。WANG等基于区域供热提出可再生能源利用和蓄能相结合的热电联供系统优化模型，采用修正单纯形法对其进行了优化求解。RONG等对优化求解算法在联供系统优化中的性能表现进行了研究，采用拉格朗日松弛法对设有蓄能装置的冷热电联供系统网络供能规划进行了优化，通过周、月和年这3个不同时长的优化比较，发现各自的平均误差分别为0.048%，0.028%和0.024%，平均计算速度分别是0.093，0.63和11 s，该优化算法在寻优精度和速度上都有较好的性能。这些经典的优化算法在联供系统的优化中性能表现较好。但是，对于多目标优化(各个优化目标之间度量单位不同或各目标相互矛盾)或存在多极值优化问题，传统的经典优化算法则不如人工智能算法的表现。

结语：

对整个分布式冷热电联供系统技术创新的工作思路和具体施工工艺选择进行分析，明确分布式冷热电联供系统的整体优势，可以为分布式冷热电联供系统创新改造，提供强有力的理论支持。

参考文献：

[1] 周志强.中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境，2008(6)：9-10.

[2] 何忠.天然气分布式能源系统的应用及探讨[J].能源与环境，2011(4)：11-12.

[3] 毕夏，史长东，程竹.低碳背景下我国新能源行业利用现状及发展前景分析[J].东北电力大学学报，2012，32(5)：86-90.