1研究背景

近幾年來(lái), 環(huán)境污染、能源短缺的問(wèn)題日益突出。節(jié)能減排, 勢(shì)在必行。在智能電網(wǎng)園區(qū)中, 一般包含冷、熱、照明、機(jī)械等多種形式的負(fù)荷, 同時(shí)也包含風(fēng)、光、電、地?zé)岬榷喾N形式的能源。如何將這些能源和負(fù)荷合理組織起來(lái), 實(shí)現(xiàn)多能源梯級(jí)利用, 降低電網(wǎng)園區(qū)總的能耗成本, 是擺在研究者面前的一個(gè)難題。

利用夾點(diǎn)算法的基本思想, 對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行梯級(jí)改造, 是實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化利用的一個(gè)行之有效的方法。夾點(diǎn)算法最早是由Linnhoff B等提出, 應(yīng)用于化工生產(chǎn)的算法。許多研究表明, 夾點(diǎn)算法同樣適用于其它形式的能源。而在實(shí)際的生產(chǎn)中, 已有人將其應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)中, 并取得了較為理想的效果。

智能電網(wǎng)園區(qū)使精細(xì)化地考量每一臺(tái)設(shè)備的能耗成為可能。本文從用電的角度出發(fā), 綜合分析各種形式的能耗, 而不再局限于化工生產(chǎn)的熱能, 利用夾點(diǎn)方法的基本原理, 考察非流體設(shè)備和電能的基本特性, 提出了面向智能電網(wǎng)園區(qū)的能源分析方法。

2夾點(diǎn)算法

將生產(chǎn)中的吸熱環(huán)節(jié)和放熱環(huán)節(jié)分別簡(jiǎn)化為冷流和熱流。能源最理想的應(yīng)用方式, 應(yīng)當(dāng)是熱流放出的熱量恰好都被冷流吸收。但是, 由于受熱力學(xué)第二定律的限制, 熱流必須比冷流高出一定的溫度, 才能實(shí)現(xiàn)余熱的回收。這樣, 我們必須讓冷熱流按一定的規(guī)則進(jìn)行交換, 也就是冷流的高溫部分與熱流的高溫部分換熱; 冷流的低溫部分與熱流的低溫部分換熱。這個(gè)過(guò)程很像實(shí)驗(yàn)室中冷凝管, 逐段地進(jìn)行余熱利用。而在實(shí)際生產(chǎn)中, 冷熱流在換熱時(shí), 必須要高于一個(gè)溫差值。所以我們需要平移冷流, 以確保每個(gè)換熱點(diǎn)的溫差在極限值以上。冷熱流的溫差達(dá)到這個(gè)極限值的點(diǎn), 就被稱為夾點(diǎn)。這個(gè)算法, 就是夾點(diǎn)算法。

3面向非流體設(shè)備的算法

3.1非流體設(shè)備

夾點(diǎn)算法廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。這些場(chǎng)景下, 考察的對(duì)象往往是某一類流體。隨著流體走完全部工藝過(guò)程, 能量的交換也隨之完成。但在考察智能電網(wǎng)園區(qū)等系統(tǒng)時(shí), 面臨兩個(gè)問(wèn)題。一是, 園區(qū)中往往存在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)獾榷囝愋偷哪茉唇Y(jié)構(gòu)。單純地通過(guò)夾點(diǎn)算法, 難以清潔用能。另一個(gè)問(wèn)題是, 智能電網(wǎng)中, 往往存在空調(diào)、供暖、照明、機(jī)械負(fù)荷等多類型的負(fù)荷。這些設(shè)備的特征是不具有流動(dòng)性, 其溫度在短時(shí)間內(nèi)是可以視為一成不變的。我們稱這些設(shè)備為非流體設(shè)備?？梢钥闯? 非流體設(shè)備的能耗特征在溫焓圖中是無(wú)法表示出來(lái)的。因此, 對(duì)于包含有非流體設(shè)備的電網(wǎng)園區(qū), 通過(guò)理想的流體間能量交換, 不能解決能源優(yōu)化利用的問(wèn)題。針對(duì)非流體設(shè)備的特點(diǎn), 對(duì)夾點(diǎn)算法進(jìn)行改進(jìn), 使其能夠應(yīng)用于智能電網(wǎng)園區(qū), 是非常有必要的。

3.2要解決的問(wèn)題

智能電網(wǎng)包含幾個(gè)傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的特征。一是冷流和熱流存在水平線和間斷點(diǎn)。二是部分設(shè)備的溫度可變。以空調(diào)散熱管為例, 空調(diào)冷風(fēng)溫度低時(shí), 其散熱管溫度就高; 反之, 空調(diào)散熱管溫度就會(huì)較低。更值得關(guān)注的是, 如果采用流水等降溫措施, 空調(diào)的散熱管將不會(huì)達(dá)到此前的溫度。而對(duì)于傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò), 采用能量?jī)?yōu)化措施與否, 對(duì)冷熱流起始溫度沒(méi)影響。在這一點(diǎn)上, 兩者是截然不同的。

3.3改進(jìn)后算法的流程

我們的改進(jìn)算法如下:

(1)繪制初始的溫焓圖。以溫度為縱坐標(biāo), 以能量為橫坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)測(cè)量每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的初始溫度和能耗, 得到了初始的溫焓圖。

(2)對(duì)溫焓圖進(jìn)行簡(jiǎn)化。設(shè)熱(冷)流1與熱(冷)流2都經(jīng)歷了從溫度t1到溫度t2的變化過(guò)程。在該過(guò)程中,如果將這兩段熱(冷)流視為同一個(gè)流, 那么新的熱(冷)流能耗就是原始的兩段能耗之和。

(3)對(duì)于存在水平線的換熱網(wǎng)絡(luò), 熱流以水平線的最右端為基準(zhǔn), 冷流以水平線的最左端為基準(zhǔn), 平移曲線。

(4)如果不存在水平線, 依據(jù)工程的實(shí)際情況, 確定換熱的最小差值溫度。將冷流沿著焓值H的軸線橫向平移。冷流和熱流的垂直距離達(dá)到最小溫差時(shí), 園區(qū)能耗達(dá)到最低。

4電能與其他能源的等效替代

在某些時(shí)刻, 各類能源之間存在著相互替代的關(guān)系。比如, 對(duì)于加熱而言, 可以使用天陽(yáng)能、煤氣、電能等各類形式的能源。同樣, 對(duì)于光能而言, 可以用于加熱、光伏發(fā)電。對(duì)于電能而言, 幾乎可以適用于任何的用能場(chǎng)景。

實(shí)踐表明, 各類能源的使用價(jià)值依照電能、機(jī)械能、光能、熱能的順序遞減。此外,可再生能源較化石能源等, 應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用。

在應(yīng)用夾點(diǎn)算法進(jìn)行能效分析時(shí), 使用以下補(bǔ)償算法:

(1) 優(yōu)先產(chǎn)生價(jià)值較高的能源;

(2) 對(duì)當(dāng)前狀態(tài)下的能源使用情況進(jìn)行夾點(diǎn)分析;

(3) 如果熱能等價(jià)值較低的能量不足, 優(yōu)先使用可再生能源進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)生產(chǎn)的能源用虛線表示。

5結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了面向智能電網(wǎng)園區(qū)的夾點(diǎn)算法。該算法根據(jù)智能電網(wǎng)園區(qū)的實(shí)際情況, 對(duì)非流體設(shè)備進(jìn)行了重點(diǎn)分析, 實(shí)現(xiàn)了將其納入到溫焓圖中優(yōu)化的目標(biāo)。針對(duì)園區(qū)內(nèi)部分設(shè)備溫度可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的情況, 本文增加了夾點(diǎn)算法的計(jì)算環(huán)節(jié), 進(jìn)一步提高了節(jié)能的效果。對(duì)于存在可再生能源和其它能源形式的園區(qū), 本文提出了補(bǔ)償算法, 在一定程度上實(shí)現(xiàn)了清潔用能。

如圖2所示, 本文以實(shí)例的形式, 利用本文算法對(duì)園區(qū)用能進(jìn)行了優(yōu)化分析?？偟膩?lái)說(shuō), 本文從電力角度出發(fā), 初步實(shí)現(xiàn)了面型智能電網(wǎng)園區(qū)的梯級(jí)用能和低碳化用能。

6研究展望

本文中的算法, 為智能電網(wǎng)園區(qū)的冷熱電聯(lián)合優(yōu)化提供了一種解決思路。但是仍存在以下問(wèn)題:

(1) 在電網(wǎng)園區(qū)中, 因?yàn)榄h(huán)境的不同, 冷熱流換熱的極限溫度也不相同。這個(gè)問(wèn)題涉及多程換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。如果解決這個(gè)問(wèn)題, 可以使夾點(diǎn)算法在智能電網(wǎng)園區(qū)中得到更廣泛的應(yīng)用。

(2) 部分能源的利用本身(如地?zé)?, 需要消耗一定的電能。目前的夾點(diǎn)算法, 只能將產(chǎn)能與耗能做簡(jiǎn)單的減法進(jìn)行計(jì)算。怎樣更好地分析這一類能源, 是拓展夾點(diǎn)算法的第二個(gè)難點(diǎn)。

(3) 在工程實(shí)際中, 研究更好的換熱方式, 是提高夾點(diǎn)算法效果及適用范圍的重要途徑。

圍繞以上幾個(gè)問(wèn)題, 進(jìn)行更深入的研究, 將取得理想的效果。