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如何改進智能電網(wǎng)園區(qū)多能源利用?

2018-05-25 11:05:05 大云網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
近幾年來,環(huán)境污染、能源短缺的問題日益突出。節(jié)能減排,勢在必行。在智能電網(wǎng)園區(qū)中,一般包含冷、熱、照明、機械等多種形式的負荷,同時也包含風、光、電、地熱等多種形式的能源。

       1、研究背景

  近幾年來,環(huán)境污染、能源短缺的問題日益突出。節(jié)能減排,勢在必行。在智能電網(wǎng)園區(qū)中,一般包含冷、熱、照明、機械等多種形式的負荷,同時也包含風、光、電、地熱等多種形式的能源。如何將這些能源和負荷合理組織起來,實現(xiàn)多能源梯級利用,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難題。

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

  智能電網(wǎng)園區(qū)使精細化地考量每一臺設(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、夾點算法

  將生產(chǎn)中的吸熱環(huán)節(jié)和放熱環(huán)節(jié)分別簡化為冷流和熱流。能源最理想的應用方式,應當是熱流放出的熱量恰好都被冷流吸收。但是,由于受熱力學第二定律的限制,熱流必須比冷流高出一定的溫度,才能實現(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。這個過程很像實驗室中冷凝管,逐段地進行余熱利用。而在實際生產(chǎn)中,冷熱流在換熱時,必須要高于一個溫差值。所以我們需要平移冷流,以確保每個換熱點的溫差在極限值以上。冷熱流的溫差達到這個極限值的點,就被稱為夾點。這個算法,就是夾點算法。

  3、面向非流體設(shè)備的算法

  3.1、非流體設(shè)備

  夾點算法廣泛應用于化工生產(chǎn)中。這些場景下,考察的對象往往是某一類流體。隨著流體走完全部工藝過程,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,面臨兩個問題。一是,園區(qū)中往往存在光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃氣等多類型的能源結(jié)構(gòu)。單純地通過夾點算法,難以清潔用能。另一個問題是,智能電網(wǎng)中,往往存在空調(diào)、供暖、照明、機械負荷等多類型的負荷。這些設(shè)備的特征是不具有流動性,其溫度在短時間內(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法表示出來的。因此,對于包含有非流體設(shè)備的電網(wǎng)園區(qū),通過理想的流體間能量交換,不能解決能源優(yōu)化利用的問題。針對非流體設(shè)備的特點,對夾點算法進行改進,使其能夠應用于智能電網(wǎng)園區(qū),是非常有必要的。

  3.2、要解決的問題

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

  3.3、改進后算法的流程

  我們的改進算法如下:

 ?。?)繪制初始的溫焓圖。以溫度為縱坐標,以能量為橫坐標。經(jīng)過測量每個工藝環(huán)節(jié)的初始溫度和能耗,得到了初始的溫焓圖。

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

 ?。?)對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,冷流以水平線的最左端為基準,平移曲線。

 ?。?)如果不存在水平線,依據(jù)工程的實際情況,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到最小溫差時,園區(qū)能耗達到最低。

       4、電能與其他能源的等效替代

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

  實踐表明,各類能源的使用價值依照電能、機械能、光能、熱能的順序遞減。此外,可再生能源較化石能源等,應當優(yōu)先使用。

  在應用夾點算法進行能效分析時,使用以下補償算法:

 ?。?)優(yōu)先產(chǎn)生價值較高的能源;

 ?。?)對當前狀態(tài)下的能源使用情況進行夾點分析;

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

  5、結(jié)論

  本文實現(xiàn)了面向智能電網(wǎng)園區(qū)的夾點算法。該算法根據(jù)智能電網(wǎng)園區(qū)的實際情況,對非流體設(shè)備進行了重點分析,實現(xiàn)了將其納入到溫焓圖中優(yōu)化的目標。針對園區(qū)內(nèi)部分設(shè)備溫度可以在一定范圍內(nèi)波動的情況,本文增加了夾點算法的計算環(huán)節(jié),進一步提高了節(jié)能的效果。對于存在可再生能源和其它能源形式的園區(qū),本文提出了補償算法,在一定程度上實現(xiàn)了清潔用能。

  如圖2所示,本文以實例的形式,利用本文算法對園區(qū)用能進行了優(yōu)化分析??偟膩碚f,本文從電力角度出發(fā),初步實現(xiàn)了面型智能電網(wǎng)園區(qū)的梯級用能和低碳化用能。

  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。但是仍存在以下問題:

  (1)在電網(wǎng)園區(qū)中,因為環(huán)境的不同,冷熱流換熱的極限溫度也不相同。這個問題涉及多程換熱網(wǎng)絡(luò)問題。如果解決這個問題,可以使夾點算法在智能電網(wǎng)園區(qū)中得到更廣泛的應用。

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

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

  圍繞以上幾個問題,進行更深入的研究,將取得理想的效果。

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責任編輯:電朵云

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