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周 华 姚 群
中冶华天工程技术有限公司 南京 210019
【摘 要】针对目前分布式能源系统的研究现状和存在的问题，介绍分布式能源系统优化改进的不同方向，重点对系统设计方案改进、系统评价准则优化、系统运行优化等方面对比分析，进一步深化研究发展方向。
【关键词】分布式能源；系统优化；评价准则；运行优化
0引言
随着世界经济的高速发展，环境保护和节能要求越来越严格，分布式能源系统作为新型能源系统，迎来了其快速发展的阶段。但分布式能源也面临初始投资大，评价指标混乱，冷热电联产输出平衡等问题，现如今分布式能源系统的研究除了主要设备（如燃料电池、斯特林发动机等）的研发外，主要集中在系统设计改进、系统的评价准则优化、系统的运行优化等方面。
1分布式能源系统
分布式能源系统种类很多，主要可分为燃用化石能源、利用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等几种。燃用化石能源的动力装置有：燃气轮机、内燃机、柴油发电机、燃料电池；利用可再生能源有太阳能、风能、生物质等可再生能源综合利用系统；燃用二次能源的如氢能。
根据用户侧需求不同，则可分为电力单供、热电联产方式（CHP）和热电冷三联产（CCHP）等方式[1]。DER组成：发电设备（汽轮机、燃气轮机、内燃机、斯特林发动机、燃料电池）、供热或制冷设备（吸收式冷/热水机组、电制冷机组）、锅炉或蓄热系统、汽水换热器、调节控制系统等。本文主要对传统动力系统进行对比分析研究。
2系统设计方案改进
在系统配置和设计方案改进方面，国内外对分布式能源的动力配置、回热循环、HAT循环（湿空气透平循环）、燃气轮机注入蒸汽（STIG）、制冷系统、蓄能装置等方面做了详细的研究。
2.1 动力装置性能对比
内燃机优点：投咨成本低，启动快，运行可靠性好，变工况运行效率高，适用不同能源（天然气、轻油、重油），是IMW以下使用较多的发电设备。缺点：噪音大、运动部件多需要经常维修，维修费用增加，排放物特别是氮氧化物较高，在城市范围内应用较少。
燃气轮机优点：可靠性高，发电量大，多用于较大型的多联产系统，易于安装，占地面积少，NOx排放物低于往复式内燃机，Nox排放物控制成本效益在商业上具有可行性。缺点：需要优质燃料如天然气，发电量低于IMW时不够经济，较于内燃机发电效率较低，每千瓦投资较大。由于高温燃烧，需要增加材料成本，燃气轮机性能受环境影响比较大[2]。
斯特林发动机：外燃机，循环介质为氦或氢。优点：易于控制燃烧过程，空气污染物排放低、噪音低，运动部件少从而减少震动。缺点：投资成本较高等。各种动力装置各有优缺点，在选择动力装置时，需要根据具体情况和环境而定。
2.2 余热利用方式优化分析
2.2.1HAT循环（湿空气透平循环）
HAT循环（湿空气透平循环）系统在燃气轮机循环高温加热优势基础上，充分利用系统的各种余热和废热，达到很低的循环放热温度（70-100℃），比较好地体现梯级利用原理，有效提高燃气轮机循环效率和比功，并降低NOx排放。HAT循环中要消耗大量水，用户附近要有可用的普通冷却用水[3]。
2.2.1回热循环
冯志兵等[4]对采用回热循环的冷热电联产系统进行研究，分析温比、压比、回热器传热温差以及制冷系统性能等变量对系统热力学性能的影响。回热循环系统，具有较高节能率，回热器传热温差增大，节能率的降低，增大系统的冷电比。
可调回热循环的联产系统与常规回热循环有所不同，它将透平出口的高温燃气分为两股，一股燃气进入回热器，被用于预热压气机出口的空气；另一股被直接引到回热器的燃气出口侧，与回热器出口的燃气重新混合进入余热锅炉。通过调节回热器的烟气量，增强系统的负荷应变能力，改善系统工况性能[5]。
2.2.3燃气轮机注入蒸汽（STIG）
燃气轮机注蒸汽技术（STIG）联产系统，是指燃气轮机的高温排气进入余热锅炉产生蒸汽，再将蒸汽回注到燃烧室（及其他部位），形成燃气一蒸汽混合工质，到透平中膨胀做功，较低温度下从余热锅炉排向大气。利用水有效回收排气中的能量，把排气温度降低 [6]。
STIG系统可以使热电联产系统在完全不输出电到输出5/3倍额定电功率，以及完全不供热到输出3倍额定热功率的热电比下实现高效安全运行，STIG系统除具有高效率，热电匹配灵活外，易在现有燃机上改装而成等优点[7]。
2.2.4 蓄能装置
分布式能源系统种冷热电负荷的匹配是困扰冷热电联供一个重要问题。而采用蓄能装置存储多余的能量，将会缓解这个问题。设置蓄能装置，需要同时考虑供热和制冷问题，一般选择自然水分层蓄能装置。
白海尚[8]分析带蓄能装置系统方案的经济性，发现带蓄能装置的电动压缩机容量变小，增加蓄能装置的投资反而较小，所以带蓄能装置联供系统的初始投资较小。带蓄能装置系统年运行费用较低，投资回收期也较短。黄纯浩[9]通过与比较发现，增加蓄能装置后，各系统在节能性上都具有明显的优势。
2.3 制冷系统优化
Yunho Hwang[10]提出了一种将吸收式制冷机组、压缩式制冷机组与微型燃气轮机相结合的联产系统，氨吸收式制冷系统输出被用于冷却压缩式制冷系统出口液体，或者用于冷却燃气轮机进口空气，从而改善联产系统的总体性能。
3系统的评价准则优化
分布式能源项目可行性分析，需要对系统进行综合性能分析及评价，确立合适的评价和分析准则，影响投资者的投资决策。因此合理的评价准则对评价分布式能源系统的性能至关重要。由于冷热电联供系统涉及到冷、热、电三种不同能量形式的输出，因此确立联供系统的评价准则比较困难。
stefano等对一小型商业建筑采用不同方案进行分析，在研究中发现一次能源消耗最节省的方案与经济性最好的方案并不相同，燃气轮机偏离设计工况时将会使系统的热力学性能有所下降，甚至会导致联产系统不节能[11]。
贾明生等[12]分析对比一次能源消耗率、燃料节约量、当量热力系数、?效率等主要评价指标，应同时釆用一次能源消耗率、发电煤耗和?效率三项指标进行评价比较全面。林汝谋等[13]概述了目前常用的冷热电联供系统的评价准则，指出了各个评价指标的局限性，提出能量梯级利用率新的评价准则。
冯志兵对燃气轮机回热循环系统冷热电联产进行热力学分析，认为能量利用系数将冷、热、电等价看待，?效率过分看重能量的作功能力，节能率反映的是输入能量的使用情况，经济?效率在某种程度上是经济性的表现，比较适于冷热电联产系统的评价[14]。
系统的运行优化
分布式能源系统在运行时，工作效率会受到环境因素、冷热电需求等影响，系统运营经济性受上网电价、能源价格、设备投资和负荷匹配等影响。
李政义[15]以中小型燃气轮机三联供系统为研究对象，建立了以年总费用为优化目标的非线性规划模型，同时选择了粒子群算法作为模型的优化算法。通过对模型的求解得到了系统的最佳配置与运行策略，同时对节能性、经济性以及环保性的评价：
针对分布式能源系统结构和运行操作的问题，Jarmo等[16]综合考虑生产单元、热量传送和存储，厂址和输送管道等影响因素，建立了一个寻求运作成本和年度固定投資综合成本最优化的混合整数规划（MILP）模型，并通过实例验证了模型的有效性。
4结束语
分布式能源是实现冷热电联供，能量梯级利用，达到整体平衡的解决方案，从电力供应、节能、采暖、制冷、环境治理等多方面实现总体优化和补充平衡，所以在满足用户需求的同时，还需要兼顾考虑节能高效、经济性和环境保护等多方面因素。
分布式能源系统节能性和经济性最好的方案往往并不相同，因此在选择系统方案时，首先需要根据用户的需求和环境，选择合适的系统评价准则，同时要考虑系统运行成本和运行环境，统筹兼顾选择合适的系统方案和运行参数，实现系统的经济性和节能环保性平衡，缩短投资回收周期。
中冶华天工程技术有限公司 南京 210019
【摘 要】针对目前分布式能源系统的研究现状和存在的问题，介绍分布式能源系统优化改进的不同方向，重点对系统设计方案改进、系统评价准则优化、系统运行优化等方面对比分析，进一步深化研究发展方向。
【关键词】分布式能源；系统优化；评价准则；运行优化
0引言
随着世界经济的高速发展，环境保护和节能要求越来越严格，分布式能源系统作为新型能源系统，迎来了其快速发展的阶段。但分布式能源也面临初始投资大，评价指标混乱，冷热电联产输出平衡等问题，现如今分布式能源系统的研究除了主要设备（如燃料电池、斯特林发动机等）的研发外，主要集中在系统设计改进、系统的评价准则优化、系统的运行优化等方面。
1分布式能源系统
分布式能源系统种类很多，主要可分为燃用化石能源、利用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等几种。燃用化石能源的动力装置有：燃气轮机、内燃机、柴油发电机、燃料电池；利用可再生能源有太阳能、风能、生物质等可再生能源综合利用系统；燃用二次能源的如氢能。
根据用户侧需求不同，则可分为电力单供、热电联产方式（CHP）和热电冷三联产（CCHP）等方式[1]。DER组成：发电设备（汽轮机、燃气轮机、内燃机、斯特林发动机、燃料电池）、供热或制冷设备（吸收式冷/热水机组、电制冷机组）、锅炉或蓄热系统、汽水换热器、调节控制系统等。本文主要对传统动力系统进行对比分析研究。
2系统设计方案改进
在系统配置和设计方案改进方面，国内外对分布式能源的动力配置、回热循环、HAT循环（湿空气透平循环）、燃气轮机注入蒸汽（STIG）、制冷系统、蓄能装置等方面做了详细的研究。
2.1 动力装置性能对比
内燃机优点：投咨成本低，启动快，运行可靠性好，变工况运行效率高，适用不同能源（天然气、轻油、重油），是IMW以下使用较多的发电设备。缺点：噪音大、运动部件多需要经常维修，维修费用增加，排放物特别是氮氧化物较高，在城市范围内应用较少。
燃气轮机优点：可靠性高，发电量大，多用于较大型的多联产系统，易于安装，占地面积少，NOx排放物低于往复式内燃机，Nox排放物控制成本效益在商业上具有可行性。缺点：需要优质燃料如天然气，发电量低于IMW时不够经济，较于内燃机发电效率较低，每千瓦投资较大。由于高温燃烧，需要增加材料成本，燃气轮机性能受环境影响比较大[2]。
斯特林发动机：外燃机，循环介质为氦或氢。优点：易于控制燃烧过程，空气污染物排放低、噪音低，运动部件少从而减少震动。缺点：投资成本较高等。各种动力装置各有优缺点，在选择动力装置时，需要根据具体情况和环境而定。
2.2 余热利用方式优化分析
2.2.1HAT循环（湿空气透平循环）
HAT循环（湿空气透平循环）系统在燃气轮机循环高温加热优势基础上，充分利用系统的各种余热和废热，达到很低的循环放热温度（70-100℃），比较好地体现梯级利用原理，有效提高燃气轮机循环效率和比功，并降低NOx排放。HAT循环中要消耗大量水，用户附近要有可用的普通冷却用水[3]。
2.2.1回热循环
冯志兵等[4]对采用回热循环的冷热电联产系统进行研究，分析温比、压比、回热器传热温差以及制冷系统性能等变量对系统热力学性能的影响。回热循环系统，具有较高节能率，回热器传热温差增大，节能率的降低，增大系统的冷电比。
可调回热循环的联产系统与常规回热循环有所不同，它将透平出口的高温燃气分为两股，一股燃气进入回热器，被用于预热压气机出口的空气；另一股被直接引到回热器的燃气出口侧，与回热器出口的燃气重新混合进入余热锅炉。通过调节回热器的烟气量，增强系统的负荷应变能力，改善系统工况性能[5]。
2.2.3燃气轮机注入蒸汽（STIG）
燃气轮机注蒸汽技术（STIG）联产系统，是指燃气轮机的高温排气进入余热锅炉产生蒸汽，再将蒸汽回注到燃烧室（及其他部位），形成燃气一蒸汽混合工质，到透平中膨胀做功，较低温度下从余热锅炉排向大气。利用水有效回收排气中的能量，把排气温度降低 [6]。
STIG系统可以使热电联产系统在完全不输出电到输出5/3倍额定电功率，以及完全不供热到输出3倍额定热功率的热电比下实现高效安全运行，STIG系统除具有高效率，热电匹配灵活外，易在现有燃机上改装而成等优点[7]。
2.2.4 蓄能装置
分布式能源系统种冷热电负荷的匹配是困扰冷热电联供一个重要问题。而采用蓄能装置存储多余的能量，将会缓解这个问题。设置蓄能装置，需要同时考虑供热和制冷问题，一般选择自然水分层蓄能装置。
白海尚[8]分析带蓄能装置系统方案的经济性，发现带蓄能装置的电动压缩机容量变小，增加蓄能装置的投资反而较小，所以带蓄能装置联供系统的初始投资较小。带蓄能装置系统年运行费用较低，投资回收期也较短。黄纯浩[9]通过与比较发现，增加蓄能装置后，各系统在节能性上都具有明显的优势。
2.3 制冷系统优化
Yunho Hwang[10]提出了一种将吸收式制冷机组、压缩式制冷机组与微型燃气轮机相结合的联产系统，氨吸收式制冷系统输出被用于冷却压缩式制冷系统出口液体，或者用于冷却燃气轮机进口空气，从而改善联产系统的总体性能。
3系统的评价准则优化
分布式能源项目可行性分析，需要对系统进行综合性能分析及评价，确立合适的评价和分析准则，影响投资者的投资决策。因此合理的评价准则对评价分布式能源系统的性能至关重要。由于冷热电联供系统涉及到冷、热、电三种不同能量形式的输出，因此确立联供系统的评价准则比较困难。
stefano等对一小型商业建筑采用不同方案进行分析，在研究中发现一次能源消耗最节省的方案与经济性最好的方案并不相同，燃气轮机偏离设计工况时将会使系统的热力学性能有所下降，甚至会导致联产系统不节能[11]。
贾明生等[12]分析对比一次能源消耗率、燃料节约量、当量热力系数、?效率等主要评价指标，应同时釆用一次能源消耗率、发电煤耗和?效率三项指标进行评价比较全面。林汝谋等[13]概述了目前常用的冷热电联供系统的评价准则，指出了各个评价指标的局限性，提出能量梯级利用率新的评价准则。
冯志兵对燃气轮机回热循环系统冷热电联产进行热力学分析，认为能量利用系数将冷、热、电等价看待，?效率过分看重能量的作功能力，节能率反映的是输入能量的使用情况，经济?效率在某种程度上是经济性的表现，比较适于冷热电联产系统的评价[14]。
系统的运行优化
分布式能源系统在运行时，工作效率会受到环境因素、冷热电需求等影响，系统运营经济性受上网电价、能源价格、设备投资和负荷匹配等影响。
李政义[15]以中小型燃气轮机三联供系统为研究对象，建立了以年总费用为优化目标的非线性规划模型，同时选择了粒子群算法作为模型的优化算法。通过对模型的求解得到了系统的最佳配置与运行策略，同时对节能性、经济性以及环保性的评价：
针对分布式能源系统结构和运行操作的问题，Jarmo等[16]综合考虑生产单元、热量传送和存储，厂址和输送管道等影响因素，建立了一个寻求运作成本和年度固定投資综合成本最优化的混合整数规划（MILP）模型，并通过实例验证了模型的有效性。
4结束语
分布式能源是实现冷热电联供，能量梯级利用，达到整体平衡的解决方案，从电力供应、节能、采暖、制冷、环境治理等多方面实现总体优化和补充平衡，所以在满足用户需求的同时，还需要兼顾考虑节能高效、经济性和环境保护等多方面因素。
分布式能源系统节能性和经济性最好的方案往往并不相同，因此在选择系统方案时，首先需要根据用户的需求和环境，选择合适的系统评价准则，同时要考虑系统运行成本和运行环境，统筹兼顾选择合适的系统方案和运行参数，实现系统的经济性和节能环保性平衡，缩短投资回收周期。