鄭進福，周志剛，趙加寧，王晉達
哈爾濱工業大學建筑學院
【摘 要】在熱電聯合系統中，利用供熱管網熱慣性提高熱電機組靈活性被認為是一種有效提高新能源利用率的方式。為了利用供熱管網的熱慣性，本文構建了蓄熱式供熱管網的熱特性模型，分析供熱管網的動態溫度分布。利用所建立的蓄熱式供熱管網的熱特性模型與熱電聯合優化運行模型相結合，分析供熱管網熱慣性對提升熱電機組靈活性和新能源利用率的有效性。案例分析表明，通過調節蓄熱式供熱系統的供回水溫度，實現了利用供熱管網熱慣性減少棄風電的目的，風電的棄風率由原來的8.3%降低到0.07%，基本上消納了全部風電，驗證了所提出的蓄熱式供熱管網熱特性模型在新能源利用方面的有效性。
【關鍵詞】熱電聯合系統；供熱管網；熱慣性；風電消納；運行調節
0 引言
近幾年為了應對全球能源和環境的危機，可再生能源產業得到快速的發展。以風電為例，在2016年，中國風電的裝機容量達到了146GW，大約占全球風電裝機容量的34.7%。但是由于強烈的“熱電耦合”，熱電機組的調峰能力受到嚴重的限制，導致出現了大量的棄風。因此提高熱電機組的靈活性可以有效地減少棄風。許多研究證實，通過配置電鍋爐[1, 2] 、熱泵[3]和儲熱罐[4, 5]可以有效的提高熱電機組的靈活性，但是使用這些設備需要額外的投資，這也是目前阻礙這些設備使用的一個主要原因。因此，越來越多的研究者研究利用供熱管網[6]和建筑[7]的熱慣性提高熱電機組的靈活性。供熱管網容積巨大，保溫性能好，具有較高的熱慣性，可以將其抽象為一個巨大的儲能系統，稱之為蓄熱式供熱系統。為了利用供熱系統的熱慣性，平移供熱機組的熱出力，為風電接納提供空間，需要掌握供熱管網的動態熱特性（動態溫度分布），以對供熱系統進行供熱調節。但是在這些研究中，完整供熱管網的動態熱特性并沒有被模擬，而僅僅只是建立了管道的動態熱特性模型來表示供熱管網的熱特性，無法達到真正利用供熱管網熱慣性提高新能源利用率的目的。
因此，本文構建了復雜供熱管網熱特性模型，掌握系統熱動態特性，分析供熱管網自身蓄熱特性對提高供熱系統靈活性以及對新能源消納的影響規律。最后以消納風電為例，通過案例分析說明所建立的蓄熱式供熱系統熱特性模型對消納新能源的作用。
1 供熱管網建模
1.1 模型假設
為了突出供熱管網的熱動態特性，本文做出如下假設：
（1）流體為理想流體；
（2）水力工況保持恒定；
（3）忽略水力擴散、熱力擴散以及軸向熱傳輸；
1.2 熱源
因為熱電聯合機組（CHP）能夠高效地同時產生熱和電，所以CHP被廣泛地應用；目前在中國，大約62.9%的供熱由CHP提供。圖 1展示了抽凝式機組的熱電特性，從圖中可以看出熱電機組的運行工況由圖中四邊形區域內的某一點表示，所以也可以看出CHP的產熱量和產電量相互耦合。本文的CHP模型采用凸函數法進行建立[8] ，凸函數法的原理是CHP的運行工況點和運行費用可以由圖中角落點（A、B、C、D）進行聯合表示，其詳細的建模過程可以參考文獻[8]。
1.3 供熱管網
1.3.1 節點
節點的原理圖見圖 2。
假設有l根管道流進節點i、p根管道流出節點i，則管道i的節點能量平衡見公式(1)和(2)。
1.3.2 管道
本文的管道熱動態模型采用節點法（node method）進行建立。節點法的基本原理是首先考慮溫度在管道中的傳遞時間，由管道進口溫度確定管道出口初始溫度，接著考慮管壁的熱慣性和流體在管道中的散熱損失。詳細的管道建模過程可以參考文獻[9]。
1.3.3 整合方法
本文利用新提出的整合方法將節點模型和管道模型連接成一個整體，構建完整的供熱管網熱動態模型。在整合模型中，供熱管網被表示成空間結構，該空間管網的節點和管道的連接關系可以完全地使用圖論的基本關聯矩陣A描述。在矩陣A中，每一行代表一個節點，每一列代表一根管道。矩陣A中的元素按下面的方式規定： 1表示管道j的流體離開節點i，-1表示管道j的流體流向節點i，其他都是0。
在整合模型中，基于矩陣A所描述的節點和管道關系，定義流入管道矩陣C、流入管道起始矩陣D、流入管道數量矩陣E和管道起始節點矩陣F（水力、熱力聯合求解時使用）來獲取隱藏在矩陣A中的信息。矩陣C用來獲取哪些管道流向節點i，矩陣D用來獲取那些流向節點i的管道的起始節點，矩陣E用來獲取流向節點i的管道的個數，矩陣F用來獲取每根管道的起始節點。
C：找到矩陣A中每一行最小值（-1）所在的列數并儲存在B中；
D：找到矩陣B中每個數對應A中每一列的最大值（1）所在的行數并儲存在C中；
E：儲存流向節點i的管道的個數；
F：找到矩陣A中每一列的最大值（1）所在行數儲存在E中。
利用定義的矩陣C、D、E、F以及節點和管道的熱動態模型，可以完全地獲得整個供熱管網的熱動態特性。
1.4 換熱器
換熱器的換熱原理圖見圖 3。
假設節點j和節點k分別為換熱站的流入節點和流出節點。同時，因為換熱站的流動時間和散熱損失與管道的流動時間以及換熱器的換熱量相比都非常小，所以換熱站的熱平衡公式可以寫成公式(3)。
在本文中并未利用建筑的熱慣性，所以在本文中換熱器的換熱量Qiτ采用面積熱指標法進行計算。因為在換熱器模型中Tj,1τ是待確定的參數，所以將公式(3)轉化為公式(4)：
本文所建立的供熱管網動態熱特性模型可以模擬包含多熱源、環狀、非對稱空間結構管網的動態溫度分布。利用所建立的蓄熱式供熱管網熱動態特性模型可以：
（1）分析比較不同運行方案對系統的影響，優化系統的運行方案；
（2）分析不同運行工況下供熱系統的運行狀態，在線指導供熱系統的運行調節，提高系統的運行效率；
（3）通過將蓄熱式供熱管網的熱動態模型與熱電優化系統結合，研究利用供熱系統的熱慣性提高熱電機組的靈活性，進而提高新能源的利用率。
本文的下節內容將通過案例分析驗證蓄熱式供熱系統熱特性模型在提高新能源利用方面的有效性。
2 熱電聯合優化運行模型
本文所建立的熱電聯合優化運行調節模型的主要目的是利用供熱系統的熱慣性提升風電消納。本文以圖 4的熱電聯合系統為例進行說明。
2.1 決策變量
在本節所建立的模型中，電力系統的決策變量包括熱電機組的產電量( Pchp,τ)，風電消納量(Pw,τ) 和購買電量 (Pcpg,τ)；熱力系統的決策變量包括熱電機組的產熱量 (Qchp,τ ) 和供熱系統的動態溫度分布 ( Ts,τ,Tr,τ )。
2.2 目標函數
模型的目標是最小化每天的運行費用，同時減少棄風。根據國家能源政策，新能源必須優先使用，所以本模型引入了棄風罰款，最大化模型的風電消納，所以本模型的目標函數包括熱電機組的運行費用、購買電力費用和棄風罰款，見公式(5)。其中熱電機組的運行費用 參考1.2的內容。
2.3 限制條件
2.3.1 電平衡限制
由于電的光束傳播，供電量和電負荷必須實施滿足，見公式(8)
Pchp,τ+Pcpg,τ+Pw,τ=Pload (8)
2.3.2 熱平衡限制
在本文中，供熱管網的熱慣性被用來提高CHP機組的靈活性，進而提高風電消納。所以在本熱電模型中，供熱量和熱負荷不需要實時相等，只需要保證在整個模擬周期中，總供熱量等于總熱負荷，以保證模擬周期之后的供熱質量不受到熱電聯合分配的影響，見公式(9)。
2.3.3 風電消納限制
消納的風電必須小于預測可利用的風電，見公式(10)。
0≤Pw,τ≤Paw,τ (10)
2.3.4購買電力限制
在本模型中，產生的電能聯網不上網，所以購買的電力大于等于零，見公式(11)。
Pug≥0 (11)
2.3.5供熱系統限制
見“1 供熱系統建模”。
3 案例分析
本案例的熱電聯合系統采用圖 4的熱電聯合系統作為案例分析，其中的供熱系統采用圖 5長春某實際供熱系統。長春市某典型供暖期的預測電負荷、熱負荷和可利用風電見圖6。
在本文中，為了分析供熱系統熱慣性對風電消納的影響，將所提出的模型（模型A）與傳統的熱電分配系統（模型B）進行比較。在模型B中沒有考慮供熱管網的熱慣性，即溫度傳播的延遲時間和散熱損失沒有被考慮在模型中，熱電機組的產熱量實時滿足熱負荷。
3.1 風電消納與電出力
圖 7展示了模型A和模型B的風電消納情況。大約在5:00~22:00之間，兩個模型都能夠很好的消納風電，這是由于抽凝式機組本身具有一定的調節區間。但是在0:00~5:00和22:00~24:00，未考慮供熱系統熱慣性的模型B卻出現了大量的棄風，棄風率達到8.3%；而模型A基本上能夠消納全部的可利用風電，棄風率僅為0.07%。當棄風增多的時候，為了滿足供電需求，熱電機組的供電量就會增加，見圖 8。
3.2 產熱量和供熱系統熱慣性
圖 9展示了兩個模型的CHP機組產熱量。對于模型B，CHP機組的產熱量實時等于熱負荷；對于考慮了供熱系統熱慣性的模型A，CHP機組產熱量沒有嚴格的等于熱負荷。在夜間0:00~9:30和18:00~24:00時，此時可利用風電多，通過降低CHP機組的產熱量（分別為779GJ和148GJ）提高CHP機組的調節范圍，增加風電上網空間；而減少的供熱量在白天進行產熱，多產的熱儲存在供熱官網中。
3.3熱源供回水溫度
圖 10展示了優化的供回水溫度。從圖 9和圖 10中可以看出，熱源的供回水溫差與熱源的供熱量呈正比例關系。而且供回水溫度的變化規律與熱源的供熱量相似。由于在本案例中熱源的循環流量保持不變，所以本案例是通過提高/降低供熱系統的供回水溫差來實現供熱系統熱慣性的利用。在熱電聯合優化運行分配中，能得出本文的圖 10是本文所提模型的創新之一，只有利用圖 10的溫度曲線對供熱系統進行運行調節才能夠真正的實現利用供熱系統的熱慣性提升風電消納。
4 結論
本文構建了蓄熱式供熱管網的熱特性模型，分析供熱管網的動態溫度分布。利用所建立的蓄熱式供熱管網的熱特性模型與熱電聯合優化運行模型相結合，分析供熱管網熱慣性對提升熱電機組靈活性和新能源利用率的有效性。案例分析表明，通過調節蓄熱式供熱系統的供回水溫度，減少熱電機組的在夜間的產熱量927GJ，提高熱電機組的靈活性，可以將棄風率由原來的8.3%降低到0.07%，基本上消納了全部風電，驗證了所提出的蓄熱式供熱管網熱特性模型在新能源利用方面的有效性。
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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