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基于多种余能资源的冷热电联供系统设计与优化.pdf
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1、Abstract:A large body of case-by-case utilization solutions for industrial waste energy in different carriers and grades have been devised to meet a specific energy requirement for users in industrial parks.Those utilization solutions typically based on a single form of energy conversion at a small
2、scale,thus,being impossible to make the most of the waste energy and resulting in low utilization rates.The present study aims to incorporate multiple waste energy resources and develop an integrated energy system to recover waste energy for power,heating,and cooling supply through a bi-level hierar
3、chy optimization strategy.Specifically,the first layer deploys a genetic algorithm to size the involved devices,and the second layer uses a mathematical programming algorithm to optimize the hourly output of each device.The case study results under three system configuration scenarios show that the
4、utilization of the waste energy from multiple industrial resources for providing the combined cooling,heating and power supply effectively lead to a huge declination in the energy purchasing costs at an expense of a slight increment in the investment costs.In a generator unit,the residual energy med
5、ium has a significant impact on the flue gas type ORC(organic Rankine cycle)unit.Additionally,the users electricity demand has a greater impact on the capacity of the hot water type ORC unit.Due to steam resources being more closely related to user heat demand and hot water resources being more clos
6、ely related to user cold demand,the capacity of steam-type absorption heat pumps and hot water-type absorption refrigeration units is generally larger.The proposed optimization framework is expected to provide an economic and reliable optimization tool for integrating industrial waste energy in ener
7、gy systems.Keywords:industrial waste energy;waste energy utilization;combined cooling heating and power(CCHP);integrated energy system bi-level optimization摘 要:当前工业园区针对不同介质、等级的余能进行了针对性的利用来满足用户单一的能量需求,这样的利用方式通常规模小、能量转换形式单一,且未对余能进行深度利用,因此余能利用率较低。对具体余能资源类型进行分析,由余能发电、余能制热与制冷技术形成综合能源供能系统,并构建双层优化算法模型,第一层采
8、用遗传算法优化设备容量变量,第二层采用数学规划求解方法优化各设备24 h逐时出力。基于3种设备组合场景进行优化,案例结果表明通过对余能进行多方式利用,完成冷热电联供,可在增加少量投资成本的情况下,节省大量外部购能费用。在发电机组中,余能介质对烟气型有机朗肯循环机组产生较大影响,用户电需求对热水型有机朗肯循环机组容量产生较大影响;在余能供冷热场景中,由于蒸汽资源品位更贴近用户热需求,热水资源品位更贴近用户冷需求,蒸汽型吸收式热泵和热水型吸收式制冷机的容量一般较大。该优化方法可为工业余能的高效利用提供经济、可靠的优化工具。关键词:工业余能;余能利用;冷热电联供;综合能源系统双层优化0 引言根据中国
9、统计年鉴20221,工业能源消费占基金项目:国家电网有限公司科技项目(综合能源系统智能规划优化技术研究及平台开发,5211DS20008N)。Science and Technology Foundation of SGCC(Research and Platform Development for Intelligent Planning Optimization of Integrated Energy System,5211DS20008N).基于多种余能资源的冷热电联供系统设计与优化葛晨晨1,丁历威2,吕洪坤2,韩高岩2,郑梦莲1*(1浙江大学能源工程学院热工与动力系统研究所,浙江省
10、杭州市 310027;2国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,浙江省 杭州市 310014)Design and Optimization for Combined Cooling Heating and Power Supply Networks Incorporating Multiple Waste Energy Resources GE Chenchen1,DING Liwei2,LYU Hongkun2,HAN Gaoyan2,ZHENG Menglian1*(1.Institute of Thermal Science and Power Systems,College of En
11、ergy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China;2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.Research Institute,Hangzhou 310014,Zhejiang Province,China)全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 5 期2023 年 9 月Vol.6 No.5Sep.2023文章编号:2096-5125(2023)05-0490-11 中图
12、分类号:TM73;TK01 文献标志码:ADOI:10.19705/ki.issn2096-5125.2023.05.005Vol.6 No.5 葛晨晨,等:基于多种余能资源的冷热电联供系统设计与优化 491中国能源消费总量的66.7%,工业生产过程中的余能占其燃料消耗总量的17%67%,节能潜力巨大。近年来工业余能回收和利用已经成为中国节能减排工作的重要内容2-5。钢铁行业中的高温烟气一般用于发电工艺补热和采暖6,该水平下的余能回收利用率较高,而根据文献7的调查,未经回收的低品位余热占钢铁行业能源消费总量的62%,由于对其回收技术的条件限制较多,此类余能未能得到充分利用。目前低温余热回收技术
13、的研究主要涉及热传递、热功转换、热储存和余热制热制冷技术。其中,热传递技术包括热交换器和热管8,热功转换技术以有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)、超临界朗肯循环9、三角循环10为主,余热制热制冷技术包括吸收式热泵(absorption heat pump,AHP)、吸收式制冷(absorption chiller,AbC)11等。构建由余能驱动的冷热电联产系统,通过高品位余能发电、中品位余能梯级利用、低品位余能提质等回收技术的组合,规划其设备容量与运行方式,能有效扩大余能利用的温度范围,充分挖掘余能可利用潜力。将多种余能介质与回收技术匹配能拓展可利用余能温区,文
14、献12通过场景对比探究了ORC在利用不同形式余能时的性能与经济性表现,当使用ORC机组同时回收内燃机的排烟余热与夹套水余热时,由于排烟烟气温度较高,ORC的净效率达到14.4%;而仅回收排烟烟气时,由于冷凝温度较高,最大功率输出远低于联合使用场景。文献13综述了不同介质可驱动的吸收式制冷机类型,其中80 以上的热水或低压蒸汽能够驱动单效吸收式制冷机,中压蒸汽可驱动双效吸收式制冷机。文献14对含有蓄热器的工业蒸汽系统发电灵活性进行量化,以探究使用蒸汽系统供电时受到的生产过程约束问题。文献15将热回收技术按照不同温度等级进行分类,通过区分废热质量判断余能回收技术是否可行,并引入二元变量,以此建立混
15、合整数线性规划模型来优化分布式能源系统的运行状况。现有研究大多对余能介质类型有了明确划分,并从能效提升角度探究余能回收方式的选择,但缺少从经济层面对其潜力的评估。在这项工作中,热回收技术不仅需要在自身适合的热源温度范围内运行,还需要评估其经济可用性,从而确定最优利用方式,例如高温烟气在直接发电场景与通过换热器供应蒸汽场景的供能类型与投资成本不同。同时考虑余能的理论回收潜力和经济回收潜力对余能回收技术的规划和运行至关重要。梯级利用是充分挖掘余能潜力的方式,文献16关注进入ORC机组的热源品位对系统性能的影响,提出了串联高温和低温循环的ORC机组热回收与发电系统,并使用多目标遗传算法,对原动机数量
16、、容量及ORC的循环类型进行优化,结果证明串联利用系统比其他文献17中提出的单循环利用系统的净功率提高了30.7%。文献18提出串联式吸收式热泵,供热回水能够在两个吸收式热泵中逐级加热,从而将区域供热网络的回水温度由45 提升至80。文献19基于ORC系统和热泵系统的主要部件结构具有相似性这一特点,设计了复合系统来实现发电和制热2个功能,2种运行模式分别在有机朗肯循环和逆卡诺循环的基础上实现。在不同工作条件下,对2种循环进行热力学分析,发现该集成系统在热泵制热模式下的性能更好,建议将制热作为其主要功能,发电作为次要功能。尽管文献中不同梯级利用形式的研究不尽相同,但大多停留在对1种或2种利用技术
17、的拓展层面,并且侧重于对特定的余热回收系统进行热力学分析,并未从多能联供角度对整个系统进行规划和运行优化。本文针对存在不同介质、不同温度余能的工业园区开发了一种指导余能回收利用的能源优化模型,该模型能够根据余能质量和负荷需求,从技术经济评估角度对余能驱动型冷热电联产系统进行容量与运行规划,通过对余能冷热电联供、冷热联供和仅供电3种场景下的系统设备容量和经济性特征进行分析,探究余能转换次数、供能比例分配等问题。1 系统建模本文提出的余能回收系统如图1所示,包含余能资源供应、回收设备组合和用户负荷3部分。1.1 余能资源经过对特定工业园区的调研,获得了厂区内余能量、余能可用势等信息。工业园区内通常
18、可见烟气、乏汽和热水等余能资源。其中,工业生产过程中的烟气多为含尘、酸性气体,体积流量大;脱硫脱硝过程产生的蒸汽品位高、且不含杂质,但蒸汽产量往往很不稳定。在高能耗工业部门的生产工艺中,通常存在大量的冷却循环水,虽然热量巨大,但其品位与热网的回水温度相当甚至更低,一般需要经过换热或者提升品位后才能用于供暖系统。因此,本研究着眼于余能不同类型介质,通过质492 全球能源互联网 第 6 卷 第 5 期量流量和温度的逐时变化计算可利用余能功率情况。以下为理论可利用余能的计算过程20(理论可利用余能是针对余能的蕴含量进行评价)。1)低温热水余热量。循环水排放环节的余热回收量为 QcmTTw,heat,
19、heat,in,out,iiiii=()3600(1)式中:Qw,i为第i环节的循环水余热量,kW;Tin,i为第i环节热流体的进口绝对温度,K;Tout,i为第i环节热流体的出口绝对温度,K;c为热流体的定压比热,kJ/(kg K);m为热流体的质量流量,kg/h。2)烟气余热。烟气排放环节的余热回收量为 Qvhhf,f,in,out,jjjj=()3600(2)式中:Qf,j为第j环节的烟气余热量,kW;f,j为第j换热环节的烟气体积流量,m3/h;hin,j为第j换热环节烟气冷却前的焓值,kJ/m3;hout,j为第j换热环节烟气冷却后的焓值,kJ/m3。3)乏汽余热。工业企业用汽设备在
20、生产过程中直接排放的具有一定压力、温度、没有被污染的低品位蒸汽,统称为乏汽。乏汽排放环节的余热回收量为 Qvhhs,s,in,out,kkkk=()3600(3)式中:Qs,k为第k环节的乏汽余热回收量,kW;s,k为第k环节乏汽的质量流量,kg/h;hin,k为第k环节乏汽温度、压力变化前比焓,kJ/kg;hout,k为第k环节乏汽被利用后比焓,kJ/kg。通过上述公式计算理论可用量时,循环冷却水排出温度取值为25,比焓取值为标准环境参数下(温度为25,标准大气压)的余能载体比焓。1.2 设备建模本文提出的余能回收网络基于传统的冷热电三联供系统21,将ORC机组设为原动机。ORC机组运行时可
21、有2种模式,输入热源温度较高时为热电联产模式,温度较低时可设置为仅供电模式。其发电量22计算模型为 EQHQttORCORCttORCORC=in,elin,th(4)式中:EtORC为t时段ORC系统的发电功率,kW;HtORC 为t时段烟气型ORC系统的发电功率,kW;QORC in,t为ORC系统从余热源中吸收的热功率,kW;el为ORC系统的电效率;当以热电联产模式工作时,th为ORC系统的热效率。利用余能的供热单元设备包括余热锅炉(waste boiler,WBOI)、吸收式热泵(absorption heat pump,AHP)和换热器(heat exchange,HEX)。其中余
22、热锅炉为烟气型,可直接吸收烟气中的热量来制取不同压力等级的蒸汽;吸收式热泵既可利用蒸汽也可利用热水,其制热性能表现有所差异(见表1);换热器对不图 1 余能综合利用系统全设备能流设计Fig.1 Design of energy flow paths for waste energy utilization system50 100 150 200 250 300 350 400 450 500?C?ORC?ORC?ORC?表 1 余能回收技术利用热源温度范围Table 1 Temperature range of heat sources utilized by waste energy re
23、covery technology设备种类热源进口温度/设备出口温度/ORC32803502550热水型AHP3320756095蒸汽型AHP3380100100140AbC3485130712Vol.6 No.5 葛晨晨,等:基于多种余能资源的冷热电联供系统设计与优化 493同余能介质、不同温度均可使用,可根据换热量设计换热温差与换热面积。余热锅炉产热量计算模型23为 SQtWBOIWBOI=inWBOI(5)式中:StWBOI为余热锅炉产出蒸汽功率,kW;QinWBOI 为输入烟气中可利用功率,kW;WBOI为余热锅炉转换效率。吸收式热泵制热量的计算模型24为 HQCttAHPAHP=in
24、,OP(6)式中:HtAHP 为t时段内AHP的制热功率,kW;Qin,tAHP为t时段内AbC从余热源中吸收的热量(来源于热水或蒸汽);COP为吸收式热泵的制热性能系数。余热驱动的制冷单元采用吸收式制冷机,以溴化锂/水为制冷介质的单效吸收式制冷循环的发生器温度一般高于90 8,可直接利用低压蒸汽制冷,满足冷负荷。吸收式制冷机制冷量的计算模型25为 CQEttAbCAbC=in,ER(7)式中:CtAbC为t时段内AbC的制冷功率,kW;Qin,tAbC为t时段内AbC从余热源中吸收的热量(来源于热水、蒸汽或烟气);EER为吸收式制冷机的制冷性能系数。为避免设备供能不足,可使用电网购电,增加独
25、立电制冷(electrical chiller,EC)与电制热(electrical boiler,EB)设备补充冷热负荷。基于表1中所列各设备可接受的温度条件,可对现有技术条件下可回收的余能潜力做出评价20。2 优化模型考虑到设备容量与运行出力的优化是具有递阶结构的优化问题,本研究采用双层优化:将第一层优化求出的容量配置作为第二层求解运行计划时的约束条件,并依据第二层优化获得的出力计划迭代更新第一层目标函数中的运行成本。经过多次迭代,最终获得各设备的最优容量及运行出力。文献26认为大部分研究在优化设备容量时使用传统运行策略设定(满载运行、跟随电负荷、跟随热负荷或基于公式运行)会产生超过需求本
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