热负荷对住宅微型热电联产系统运行的影响
摘要：本文研究了热排放对四个住宅微型热电联产系统(热电联产)运行的影响，每个微型热电联产系统由一个产热原动机、一个蓄热系统和一个辅助锅炉组成。微型热电联产系统不同之处在于原动机类型，。本文考虑四种以天然气为燃料的商用原动机，两种内燃机和两种微型涡轮，具有不同的电力和热力特性。针对每个微型热电联产系统，利用Matlab环境开发的自制数值代码，实现了两种不同的热驱动运行策略，一种是放热运行策略，另一种是不放热运行策略，并利用模式搜索算法对两种情况下的运行进行了经济优化。对每一个分析的案例，报告的结果包括原动机的工作时间、热能和电能的生产、天然气的消耗、一次能源和热电分离发电的经济节约以及污染物的排放。并报告了经济分析的结果。分析了蓄热系统最大容量和辅助锅炉效率的变化对优化结果的影响，并对两种不同运行策略的优化结果进行了比较和讨论。本研究的主要结果是，对于所分析的所有微型热电联产系统，在微型热电联产系统运行许可中优化热量倾倒的应用，相对于不进行热量倾倒的热驱动运行策略，大大减小了蓄热系统的规模。
1.介绍
城市的分布式能源系统能够节约一次能源和降低能源成本，通过这种方式很大程度避免发电站向城市集中供能所造成的能量损耗。其中,住宅微型热电联产系统可以进一步改善能源利用率和提高经济性,因为这种模式下的整体转换效率高,同时生产电力和热能,而且这种模式下操作可以适应特定的能源需求。对居民区的热电联产系统的优化已在最近发布的一些论文中得到了解决，论文中提出了许多优化方法。Barbieri等[1,2]将考虑意大利的居民区不同规模的蓄热系统，采用遗传优化算法。Ferreira等人[3]利用Box方法作为optimization算法，对葡萄牙某住宅建筑的供热量的微微型热电联产系统进行了经济优化。他们还分析了与系统连接的蓄热罐的最佳尺寸。Katulic等人[4]提出了一种从经济角度优化克罗地亚热电联产系统蓄热罐容量的创新方法，还考虑了不同的热驱动运行模式。为了从经济角度对日本某住宅用户的微型热电联产系统的最优规模进行评估，Ren等人建立了混合整数非线性规划模型。Fubara等[6]分别通过建立最小成本和分析分布式能源供应的主要能源消耗,在建筑层面和整个能源供应网络层面,考虑不同微型热电联产系统由天然气应用于英国住宅区域的案例。Wakui和横山[7]采用混合整数线性规划模型，对日本住宅互通式热电联产系统的规模进行了节能优化。Kopanos等人开发了一个混合整数线性规划框架。基于热电联产的英国住宅微电网考虑电力和热量交换的能源生产计划的经济优化。Hong等人[9]分析了电驱动和热驱动两种运行方式，从一次能源节约、成本和CO2排放的角度分析，其中二氧化碳排放的研究以韩国某地区为例。在丹麦，Arsalis等人将一种不同于电力驱动和热力驱动经运行策略应用到住宅的燃料电池热电联产系统中。Shaneb等人[11]开发了一个通用的在线最优线性规划模型，该模型考虑了三种不同的仿真场景，目标是将英国微型热电联产系统的日常运行成本降低至最小。考虑到意大利两个不同的地理位置，angisani等人设计了动态模拟程序，优化了热电联产系统的运行，该系统通过区域供热微电网为两个终端用户提供热能和电能。Lozano等人 [13]开发了一个优化模型，使用混合整数线性规划，这是一种具有蓄热的热电联产系统的设计。将优化模型应用于一套5000套公寓建筑的能源服务系统。
西班牙Streckiene等人用商业软件对德国现货市场条件下蓄热式热电联产装置的最佳规模式进行了评估。他们以净现值(NPV)和投资回收期为基础，对制糖厂进行了经济可行性分析。
居民热电联产系统的另一个重要问题是污染物排放的问题。对住宅微型热电联产系统进行研究，关于使用不同类型的原动力为住宅供能，这通常会减少在全球范围内的温室气体排放, 但是可能会导致一个严重的问题，城市的有害气体排放大幅度增加。
通过分析大量文献的最近几年住宅微型热电联产系统的操作系统,在大多数情况下,热电联供装置按照供热量运行,不允许热量的过量生产,因为它会引起能量的损耗,电网生产的电力被浪费,这会在经济方面。产生不良影响，住宅区域的热电联产系统通常用锅炉运行，同时也能发电。本文从经济的角度出发，提出了一种改进热电联产系统运行的新方法。这种方法有可能将与热驱动的热电联产所产生的部分热量排放策略。介绍了四种不同的住宅微型热电联产系统的运行情况，分别由产热原动机、蓄热系统和辅助锅炉组成。微型热电联产系统在原动机上各不相同，而位于意大利的同一套多户型住宅也被考虑作为用户。考虑了四种以天然气为燃料的商用原动机，两种内燃机和两种微型涡轮，具有不同的电力和热力特性。针对每个微型热电联产系统，利用Matlab环境开发的自制数值代码实现了两种不同的热驱动运行策略，一种是有放热，另一种是无放热，两种情况下均采用模式搜索算法对运行进行经济优化。对每一个分析案例，报告了原动机运行时间、热能和电能生产、天然气消耗量、一次能源和热电分离发电的经济节约以及污染物排放等方面的优化结果。并报告了经济分析的结果。分析了蓄热系统最大容量变化和辅助锅炉效率变化对优化结果的影响，并对两种不同运行策略的优化结果进行了比较和讨论。
2.案例分析
图1为微型热电联产装置的简化布局。在每个分析的案例中，原动机都被认为与外部电网相连，与相对于用户的内部电网相连，与位于用于DHW存储的绝缘水箱中的热能存储(热能储存)系统相连。然后，热能储存系统连接到用户的热量分配网络，并连接到天然气辅助锅炉。原动机所产生的电能，在电能消耗为零的情况下，或发送给用户，或发送给外部电网，或者在生产过剩的情况下同时发送给用户和外部电网。否则，如果瞬时用电需求高于电能由原动机提供，电力来自外部电网。热能存储系统允许积累为以后使用热能瞬时热量需求时产生的热量低于微型热电联产系统原动力,而辅锅炉包括为了实现热能需求高于热能之和产生的原动力和存储系统的热积累。表1给出了本研究分别分析的四种天然气燃料商用原动机的主要特性。已经假定原动力在开/关的这种操作模式,这是公认的非常有效的应用程序微型热电联产系统前置系统发送一个[19]1、14日,避免电效率的下降在部分负荷运行,并在区一级大有害排放的增加,可能会出现与负载调制(15、16)。还假定它们遵循热驱动控制逻辑。
对每台原动机的热能储存最大容量值进行了分析。将最大热能储存定义为热能储存最大容量与PM火电功率的比值，分析了热能储存等效hours的6个值，范围从0到4，代表热能储存系统出现故障的极限情况。与热能储存系统相关的能量损失被忽略了。分析了辅助锅炉效率的两个值，分别为0.8和0.95，分别代表了平均可用技术的效率和与最佳可用技术相关的效率。对于用户来说，它以意大利气候E区50套公寓的住宅建筑为代表，总表面积为5000米2 形状因子S/V0.5米—1。参照意大利的标准，计算了与环境供热有关的年热能需求建筑的能源性能为[20]，等于68千瓦时/米2，而热水设施的年热量需求是参照[21]进行评估的，等于15 kWh/m2/年。与电器相关的年度电能需求为18千瓦时/米2/年，而空调在温暖季节的电力需求被认为等于7千瓦时/米2/年[1]。考虑到Barbieri et al.[1]和Bianchi et al.[19]所采用的概况，对需求的小时分布进行了评估。其中，全年生活热水总热能需求在全年各时段均分布，然后利用图2所示的小时剖面图将生活热水日需求分配到各时段。每年热能需求相对于环境加热已经分布在几个月,寒冷季节的日子和时间通过概要文件在无花果。3和4,显示每小时热量需求概要文件相对于环境加热,和总热量需求每个月在寒冷的季节,后者包括环境加热量需求和国内热水,分别。对于每个月，总需求相对于周围供暖被认为是均匀分布在其天。用类似的方法计算了电力负荷。图5为暖季不含空调设备的电气设备的无量纲小时需求量，图6为暖季空调设备的无量纲小时需求量。一年中的每一天，相对于设备的负荷剖面应该是相同的，而相对于空调的电力负荷只考虑在夏季的6月、7月和8月。至于电力负荷概况，每年一次，电力需求是已知的，无量纲负荷剖面计算每小时的电力需求为一年中的每一天。
3.操作策略
经处理系统运作只限于10月15日至4月15日的寒冷季节，而与全年剩余时间有关的热能和电力需求则由不同的发电机组负责。针对所分析的微型热电联产系统的每一种结构，采用了两种不同的热驱动运行策略。对于给定的时间步长，在一种情况下，PM仅在其产生的热能低于或等于用户的能量需求之和时才运行填满工商业污水附加费所需的能源，最后一项等于工商业污水附加费的最大容量与现时容量之间的差额，否则便会关掉工商业污水附加费。换句话说，在这种情况下，PM只在没有余热的情况下运作。在下面，这个策略将称为操作1。另一种名为“2号操作”的操作策略与第一个类似，只是有可能将PM产生的余热倒掉。
图7为倾倒热量工况下PM热驱动运行策略框图。图7中的变量考虑了一个小时的时间步长进行了计算。因此，考虑到一般的操作时间，参数Eth,PMEth,user 和C热能储存 为一小时满载PM产生的热能、相对于该小时的热能需求、当前热能储存容量分别等于前一小时末热能储存容量。
可以看出，当PM开启时，如果PM产生的热能大于热量需求与热能储存所需能量之和，则剩余的热能被倾倒。
通过消除虚线矩形中相对于倾倒余热的块，可以得到相对于不倾倒情况的框图，如图7所示。
最后，在所有分析过的案例中，都假定PM每天最多可以打开两次，以限制PM热身的次数，从而限制PM的效率。
4.方法
4.1优化
微型热电联产系统:相对于单独发电，使热电联产的收益最大化的PM的最优运行计划。为此目的，该项目考虑了天然气和电力的成本，使用意大利电力、天然气和水监管局[22]网站上报告的数据进行评估，以及对热电联产的激励。在意大利的背景下,鼓励微型热电联产在于降低消费税的一部分天然气用于发电的热电联合系统。
利用Matlab模式搜索优化算法进行调度优化。优化变量由每月的PM开/关周期表示。特别地，由于假设PM一天最多可以打开两次，所以将每天分为5个时间段，每个时间段由一定数量的小时组成，对应于off - on - on - off的顺序。因此，每一天的优化变量由相对于上述序列的前四个周期表示，因为最后一个周期依赖于前四个周期，因此它可以作为它们到24的组合。其中，DCF表示相对于单独发电的年度现金流与相对于合并发电(DAC)的现金流之差，分开发电所耗天然气的年成本与合并发电所耗天然气的年成本之差，是否包括不包括减除消费税(DAC)的辅助锅炉所耗天然气的年成本和电力成本以及每年电费的差额是多少。
4.2本地及全球污染物排放评估
在本研究中认为主要的推动者都是取决于发电机的设备、运行和主要维护状态。
在每种情况下分析,总排放量包括原动机,辅助锅炉,和集中式发电厂产生的电力来自电网的一部分用户的电力不受原动机影响,比较的相对独立的一代相同的数量的集中式发电厂产生的电力和热能和辅助锅炉。相对于单独的生成，我们考虑了两个参考场景:1、在意大利，电力和热力的分离生产分别是通过混合使用传统的电力系统技术和传统的锅炉来实现的;采用现有的最佳技术，即LNG燃料联合循环发电厂和高效锅炉，实现了电和热的分离生产。表2显示研究的热电分离发电的排放因子和效率，表3显示研究采用的小型内燃机和微涡轮满负荷运行时的污染物排放因子。假设天然气完全燃烧，CO2 对原动机的排放因子进行了评价，认为其天然气的含碳量、较低的热值、原动机效率都有关，与CO、NO有关的排放因子也有一定的关系x 已通过考虑参考文献中报告的问题得到修正。(15日,16日,29)。特别就内燃机而言，假定它们有一个催化过滤器。在这项研究中，全球和当地的排放量已按小时计算。在每一个分析的案例中，全球相对于热电联产系统和相对于相同电量和热量的单独发电的排放量都有所增加。
5.结果
以下数据是对所有分析案例进行经济优化后得出的数据，指的是PMs运行周期为2013年10月15日至2014年4月15日。用于评估天然气和电力的年度成本，并估计热电联产的激励措施的关税是相对于2013年9月1日至2014年8月31日这段时间的。
5.1传统辅助锅炉
本节报告，假设辅助锅炉为常规锅炉，效率为0.8的情况。图8显示了两种运行方式下原动机的总运行小时数作为最大热能储存等效小时的函数。由于所有被分析的热电联产系统的用户都是相同的，对于热能储存等效小时的每个
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资料编号：[5338]
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