Parametric optimization of power system for a micro-CCHP system

The universal mathematical model of an engine is established,and an economical zone,in which an engine mainly provides medium output load at medium speed,is presented.Based on the experimental data and the universal model of such an engine above,a mathematical model of a refitted engine is provided.The boundary of the corresponding economical zone is further demarcated,and the optimal operating curve and the operating point of the engine are analyzed.Then,the energy transforming models of the power system are established in the mode of cooling,heating and power（MCHP）,the mode of heating and power（MHP）and the mode of electricity powering（MEP）.The parameter matching of the power system is optimized according to the transmission ratios of the gear box in the power distribution system.The results show that,in the MCHP,the speed transmission ratio of the engine to the gear box（ies）and the speed transmission ratio of the motor to the gear box（ims）are defined as 2.9 and 1,respectively;in the MHP,when the demand load of the power system is less than the low critical load of the economical zone,the speed transmission ratio of the motor to the engine（ime）is equal to 1,and when the demand load of the power system exceeds the low critical load of the economical zone,ime equals 0.85;in the MEP,the optimal value of ims is defined as 2.5.

Operation Strategy and Matching of Supply and Demand of CCHP System with Various Building Types

The important indications for assessing CCHP(combined cooling,heating and power)systems are their supply-demand matching characteristics between the user demand side and the energy supply side.These characteristics are primarily influenced by different building types and operating strategies.In view of the energy redundancy of the following electric load(FEL)and following thermal load(FTL)operation strategies and the energy deficiency of the following hybrid electric-heating load(FHL)operation strategy,this paper proposes an improved following balanced heat-electrical load(IFBL)operation strategy based on the following balanced heat-electrical load(FBL)operation strategy.Based on the energy utilization rate as the objective function,this paper optimizes the installed capacity of CCHP systems in different buildings and proposes an energy factor for evaluating the supply-demand matching characteristics of the system.The results show that the energy utilization rate and energy factor of the system under IFBL are optimal relative to the other operation strategies.Secondly,the hotel building has the highest energy utilization rate and the lowest energy factor;on the contrary,the office building has the lowest energy utilization rate and the highest energy factor.Finally,the analysis of supply-demand matching for different building types under multiple operating strategies shows that the hospital and hotel systems exhibit optimal supply-demand matching performance under the IFBL strategy,with values of 0.945 and 0.938,respectively;on the contrary,the office system has an optimal supply-demand matching of 0.935 under the FEL strategy.Under the FTL strategy,the systems of all three buildings exhibit poor matching performance.

Schedule for Reducing the Use of Peat and the Possibilities of Replacing It with Forest Chips in Energy Production in Finland

Between 2018 and 2020, an average of 15 TWh of energy peat was consumed in Finland. Energy peat is used in 260 boilers in Finland, which produce district heat and heat and steam for industry, as well as electricity as cogeneration (CHP) in connection with district heating and industrial heat production. Peat accounts for 3% - 5% of the energy sources used in Finland, but its importance has been greater in terms of security of supply. With current use in accordance with the 2018-2020 average, the emissions from peat are almost 6 Mt CO2 per year in Finland, which is 15% of emissions from the energy sector. In this study, the technical limitations related to peat burning, economic limitations related to the availability of biomass, and socio-economic limitations related to the regional economy are reviewed. By 2040, the technical minimum use of peat will fall to 2 TWh. The techno-economical potential may be even lower, but due to socio-economic objectives, peat production will not be completely ceased. The reduction in the minimum share assumes that old peat boilers are replaced with new biomass boilers or are alternatively replaced by other forms of heat production. Based on the biomass reserves, the current use of peat can be completely replaced by forest chips, but regional challenges may occur along the coast and in southern Finland. It is unlikely that the current demand for all peat will be fully replaced by biomass when part of CHP production is replaced by heat production alone and combustion with waste heat sources.

考虑多热源协同互补的含先进绝热压缩空气储能系统容量配置方法

先进绝热压缩空气储能(advanced adiabatic compressed air energy storage,AA-CAES)具备天然的热电联供特性,能够有效缓解供热期出现的弃风问题。若能在规划阶段充分考虑运行需求,进而合理地配置储能容量,则能够在解决弃风问题的前提下,最大程度对燃煤机组进行清洁替代。为此,该文提出了多热源协同互补的AA-CAES系统容量配置模型。首先本模型在能量输入端引入电锅炉预热压缩机入口空气,以增大压缩机输气系数并提高机组产热量;其次在扩展热源端,通过太阳能反射镜场收集光热,以提高系统储热水平;并在计及储能系统各模块实际运行效率约束之余,以运行总成本最小为目标,计算储能容量配置最优解。再次,分析供热时长及环境温度等因素对投资成本回收年限的影响,并计算不同情况下本模型投资成本的回收年限,得出建设本模型可盈利的硬性条件;最后,基于东北某地区供热期及非供热期典型日负荷及气象数据在IEEE-39节点系统完成算例分析,验证所提模型有效性。

计及热负荷柔性的户用氢能系统运行优化研究

针对风电/光伏出力的随机性和间歇性给户用氢能系统热电联供可靠性带来的挑战,提出基于热负荷柔性松弛运行约束的户用氢能系统热电联供优化策略。首先,搭建包含不同模块的户用氢能系统基础架构,并详细说明该系统的运行原理;其次,建立系统中关键环节的数学模型,确定电解槽平均氢/热比和燃料电池在不同温度下电/热比的范围;然后,为了兼顾用户的舒适度和热负荷的灵活性,根据热感觉平均标度预测指标对户用氢能系统的热负荷需求进行调整;最后,综合考虑储氢罐的容量限制、氢能设备的电/热功率和用户侧柔性热能需求等约束条件,以总投资成本最少和新能源弃电率最低为目标,建立户用氢能系统优化运行模型。仿真结果表明:引入柔性热负荷进行运行调节时,不仅增强了可再生能源的消纳能力,还显著降低了系统的运行成本。

基于预测负荷的暖通空调系统优化调度

随着我国“双碳”目标的提出,公共建筑能耗低碳化成为重点研究领域,其中基于冷热负荷预测结果优化供能系统调度策略是实现“按需供能”的有效技术手段。针对公共建筑,基于热阻法构建了冷热负荷预测模型,根据负荷预测结果,采用改进粒子群优化(PSO)算法对复合冷热源供能系统的负载、水网供回水温度和流量、阀门开度以及泵组启用台数进行迭代寻优,以供能系统运行成本、机组寿命和环保性为优化目标提出全工况最佳运行策略。基于研究成果对某公共建筑冬季供热系统进行节能改造,可在满足建筑热负荷、平衡水力工况和延长机组运行寿命的同时,分别实现降低泵组功耗10.66%、系统运行成本21.52%。结果符合理论实际,证明了所提方法的可行性与有效性,为公共建筑的按需供热、节能运行提供了有效参考。

Liquid Air Energy Storage for Decentralized Micro Energy Networks with Combined Cooling,Heating,Hot Water and Power Supply

Liquid air energy storage(LAES)has been regarded as a large-scale electrical storage technology.In this paper,we first investigate the performance of the current LAES(termed as a baseline LAES)over a far wider range of charging pressure(1 to 21 MPa).Our analyses show that the baseline LAES could achieve an electrical round trip efficiency(e RTE)above 60%at a high charging pressure of 19 MPa.The baseline LAES,however,produces a large amount of excess heat particularly at low charging pressures with the maximum occurred at~1 MPa.Hence,the performance of the baseline LAES,especially at low charging pressures,is underestimated by only considering electrical energy in all the previous research.The performance of the baseline LAES with excess heat is then evaluated which gives a high e RTE even at lower charging pressures;the local maximum of 62%is achieved at~4 MPa.As a result of the above,a hybrid LAES system is proposed to provide cooling,heating,hot water and power.To evaluate the performance of the hybrid LAES system,three performance indicators are considered:nominal-electrical round trip efficiency(ne RTE),primary energy savings and avoided carbon dioxide emissions.Our results show that the hybrid LAES can achieve a high ne RTE between 52%and 76%,with the maximum at~5 MPa.For a given size of hybrid LAES(1 MW×8 h),the primary energy savings and avoided carbon dioxide emissions are up to 12.1 MWh and 2.3 ton,respectively.These new findings suggest,for the first time,that small-scale LAES systems could be best operated at lower charging pressures and the technologies have a great potential for applications in local decentralized micro energy networks.

热网蓄热特性及其对机组调峰能力的影响研究

为了提高热电联产机组调峰能力,利用热网蓄热实现机组的“热电解耦”。建立了某350 MW热电联产机组及其热网系统的动态仿真模型,研究了热网及其热用户在蓄/放热阶段的动态特性及环境温度对机组调峰能力的影响规律。结果表明:热用户滞后时间随着热用户与换热首站的距离的增加而增加,同时也受自身热负荷的直接影响和其余热用户热负荷的间接影响;热网相对蓄/放热功率在改变抽汽质量流量后先迅速变化再缓慢变化;热用户温度近似呈线性变化,其变化速率随着抽汽质量流量变化幅度的增大而增大,且开始变化时间也随之提前;机组最大调峰能力随着环境温度降低而略有增加,环境温度从0℃下降至-15℃时,机组调峰能力从23.8 MW增加至29.7 MW;增加蓄热时长,提高蓄热温度,降低放热温度均有利于提高机组调峰能力。

风电-火电-压缩空气储能综合能源系统运行特性研究

为提升电网消纳风电的能力,改善火电机组运行灵活性,本文基于压缩空气储能系统容量大、多能流耦合的特点提出了一种包含两台600 MW燃煤机组的风电-火电-压缩空气储能综合能源系统。首先通过构建系统热力学变工况模型,分析了关键参数对压缩空气储能系统性能的影响,然后以降低弃风率为目标,探究了综合能源系统在典型特征日的能流匹配和运行特性。结果表明,电能分配比由57.3%增加至76.0%时,储能系统输出热电比由0.84下降至0.30,对储能系统输出影响最为显著;典型特征日的仿真场景下,综合能源系统负荷调节能力强,能流匹配良好,弃风率仅为2.28%。通过上述分析,验证了所提出的系统具备可观的风电消纳潜力和运行灵活性。

燃料电池分布式供能技术发展现状及分析

燃料电池发电技术具有高效率、低污染、低噪声等特点,且易与碳捕集技术结合实现CO_(2)近零排放,已成为分布式供能领域的关键技术与重要方向。该文介绍燃料电池分布式供能技术的特点、种类及应用,总结国内外燃料电池分布式供能技术的政策规划和技术发展现状,探讨我国在燃料电池分布式供能领域技术发展趋势。预期未来我国以氢气和天然气为主要燃料类型的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)技术将得到广泛应用,而应用于社区、医院、学校等大型公共场所的热电联供系统将是近期更易实现商业化的方向。最后,针对我国燃料电池分布式供能技术的开发推广,指出我国未来发展需综合考虑经济性和安全性,重点突破燃料电池关键技术的国产化,并完善燃料电池分布式供能的补贴政策和技术标准,进一步推动其产业化应用。

需求响应的园区综合能源系统优化运行方式研究

为了更好地展现园区综合能源系统中多种能源网络耦合互补、协调配合的特点,有效提高系统运行的经济性,提出了在电、热、冷、气4种网络负荷约束下考虑综合需求响应的冷热电联供型园区综合能源系统优化运行模型。首先在某园区建立电、热、冷、气4种能源网络,以及建立系统内部多种能量转换设备和储能装置的数学模型,同时考虑供热/供冷系统具有的热惯性,在此基础上,以综合能源系统建设运行成本与综合考虑价格型、激励型、替代型需求响应补偿成本之和最小为目标函数构建优化调度模型,并采用MATLAB平台中的Gurobi求解器对所提模型进行求解。通过算例分析可以得到:在能更好体现多能耦合互补特点的4种网络构成的园区综合能源系统中,综合考虑价格型、激励型、替代型需求响应的方式起到对负荷进行“削峰填谷”的作用,能更好地缓解系统高峰时期的供能压力,更有效地降低园区综合能源系统的日内运行成本,使得系统运行的总成本降低5.7%,有效提高了系统运行的经济性。

液态空气储能耦合综合能源系统热电联储联供优化配置研究

液态空气储能(LAES)在多能耦合的综合能源系统中极具应用前景,合理的储能容量配置更有利于综合能源系统低碳经济运行,但目前研究未充分考虑LAES热电联储联供强相关的特性和优势。因此,本文提出了一种LAES耦合综合能源系统的热电联储联供优化配置方法,针对综合能源系统的基本架构,构建了各组成单元的热电联储/供调度约束模型,并以设备初始投资成本、设备运维成本、购能成本、弃风弃光成本等为目标函数,考虑了系统能量平衡约束、设备容量约束、设备出力约束、外网交互功率约束以及储能约束,建立了相应的优化配置模型,并基于混合整数线性规划方法进行模型求解。以某实际园区为例,设置了5种场景进行优化结果对比分析,结果表明:考虑LAES热电联储联供特性的综合能源系统能实时有效地满足系统用能需求,同时能实现更好的经济效益和环境效益,相较于传统分供系统,系统总经济成本下降37.1%,实现碳减排71.50%,并在消纳可再生能源和减少弃光弃风方面更具潜力。本研究可为LAES耦合系统热电联储联供优化模型的有效性提供理论依据,有助于推动LAES在综合能源系统中的商业化应用。

计及风光储的冷热电联产综合能源系统低碳经济优化

为解决能源危机,中国大力发展综合能源系统,以期进行多能协同互济,实现节能降碳。主要研究计及风光储的冷热电联供系统多目标优化调度问题。首先,从经济和碳排放2个不同的角度出发,建立经济目标函数和环境目标函数,构造考虑风光储的冷热电联供系统多目标优化配置模型以及相应的约束条件;然后,提出增强的非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGA-Ⅱ),通过引入支配强度和方差因子,提高算法求解效率和求解精度;最后,以辽西某地正在运行的冷热电联供系统为例进行仿真分析,验证本文所提模型和方法的有效性。

太阳能耦合固体氧化物电池热电氢联产系统技术经济性分析

固体氧化物电池可在燃料电池发电模式和电解制氢模式间切换,且工作温度为650~850℃,具有高品位余热回收利用的潜力,将固体氧化物电池用于热、电、氢联产可大幅提高设备利用率及能量利用效率。提出了光伏、光热驱动的固体氧化物电池热电氢联产系统,并耦合了蓄电池及熔盐蓄热保障系统连续稳定运行。以总成本最低为目标,构建系统容量配置及运行策略优化的混合整数线性规划模型,并基于品位对口、梯级利用的用能原则,采用夹点分析方法优化全系统多品位能流的梯级利用,揭示耦合系统物质和能量高效集成机理。针对某工业园区太阳能资源及热电氢需求实际案例,固体氧化物电池年满负荷运行小时数高于6 000 h,耦合系统平准化用能成本为0.28元/kW。

考虑风电消纳的热电联供微电网系统协同优化策略研究

针对新能源的波动性和随机性使其在电力系统中的消纳存在困难,弃风、弃光现象频发,提出一种考虑风电消纳的热电联供微电网源-荷-储协同优化技术。以微网的运行总成本及风电消纳水平为优化目标,在调节热电联供机组出力的同时,结合蓄热式电锅炉储热系统及储能系统的灵活调节能力,进行微电网运行的协同优化。所提出模型通过非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)进行求解,并基于某园区微电网数据进行了验证,相较于单一灵活性资源的优化调度,所提的源-荷-储协同优化模型能够在兼顾成本的同时保证较高的风电消纳水平。

基于双燃料原动机的天然气分布式能源方案设计

常规天然气分布式能源多选用以天然气为单燃料的陆用燃气轮机或燃气内燃机为原动机,常规应急电站多选用以柴油为单燃料的内燃机作为原动机。选取双燃料发动机为原动机,以天然气为能源开展相应的天然气分布式能源系统方案设计,从用户端各类能源的用能需求分析入手,以发电量最大化为原则,选取合适的余热转换技术,实现为客户提供最优化的供电、供冷和供热方案,能源综合利用率达到70%以上。验证了双燃料发动机作为天然气分布式能源的原动机,可以兼顾柴油机应急电站和天然气分布式能源的综合功能,为一种比较高效的能源利用方案,可以为后续实际工程应用提供指导。

严寒地区宜居低碳牧居建筑设计

为改善捡烧牛粪燃能的利用方式,探索广大高原严寒牧区牧民住房绿色低碳转型路径,释放放牧草地生态系统蕴含的巨大减排增汇潜力和价值,文中以装配式低碳牧居替代捡烧牛粪的帐篷为导向,综述了近年来国内外严寒牧区牧民住房在装配式建筑、骨架与围护结构、光风互补供电系统和太阳能供暖系统四个方面绿色低碳技术的进展与态势,结合牧户调查、技术研发和牧居示范工程建设的实践,归纳、探讨了净零碳排放牧居技术路径,解析了取得初步成果的主要参数、经验和不足,为严寒地区牧居低碳化设计提供借鉴。得出“三室一廊”牧居、装配式骨架结构、低能耗围护结构、可再生能源替代和精细化管理可能成为牧区人与自然和谐共生现代化中新一代牧居的美好图景的结论。

高速公路服务区冷热电联供技术研究

在我国积极稳妥推进碳达峰碳中和的背景下,重新思考如何规划设计高速公路服务区的供能体系,使其成为交通运输领域低能耗、零碳排放的典范,意义重大。该文详细介绍冷热电联供技术的结构及其优势,着重分析锅炉、制冷设备(包括压缩式制冷机等)等设备的数学模型,以及由这些设备组成的系统的约束条件和优化思路。该文提出冷热电联供的研究思路,并选取燃气轮机额定容量、电制冷占比和燃气锅炉额定容量等作为优化变量,以满足服务区需求为目标函数。该研究对于提高高速公路服务区能源利用效率、降低能源消耗和环境污染具有重要的理论指导和实践意义。

含冷热电联供的用户级综合能源系统多能协同优化调度

针对含微网的冷热电联供系统优化调度问题,建立了包括风电、光伏发电、燃气轮机、制冷机、锅炉等综合能源系统模型。以最小化环境成本和经济成本为目标,采用麻雀优化算法来优化含粒子群算法的含微网的冷热电联供系统优化调度方案。所提出的麻雀算法优化粒子群,改善了粒子群算法易陷入局部最优,收敛速度慢的缺陷。并对所提麻雀优化粒子群算法进行函数仿真测试,对比结果验证了所提方法的可靠性。基于麻雀优化粒子群的冷热电联供系统优化调度模型,并与传统粒子群和现有方案进行对比,所提方法的环境成本和经济成本均为最低,验证了所提方法的有效性。

欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有燃料适用范围广、能量转换效率高(发电效率40%~60%,综合能效≥80%)、全固态结构、模块化组装、零污染等优点,作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性.SOFC具有多种不同的结构,其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦,可根据不同的应用场景选择不同的结构,应用场景主要包括固定式发电、分布式供电、热(冷)电联供、交通车辆辅助动力电源等领域.国内的SOFC技术发展较晚,目前已取得一定的研究进展,并且能够自主研发出十几千瓦的SOFC发电系统,但与国际领先水平还有很大的差距,主要体现在输出功率、生产成本及使用寿命等方面.欧洲的SOFC技术处于国际领先水平,具有一批成功实现产品化的公司,通过对其技术和产品的调研,可深入的了解欧洲SOFC技术现状和发展趋势,为国内SOFC技术的发展提供借鉴作用.