DQZHAN讯：面向智能电网园区多能源利用的改进夹点算法
1研究背景
近几年来, 环境污染、能源短缺的问题日益突出。节能减排, 势在必行。在智能电网园区中, 一般包含冷、热、照明、机械等多种形式的负荷, 同时也包含风、光、电、地热等多种形式的能源。如何将这些能源和负荷合理组织起来, 实现多能源梯级利用, 降低电网园区总的能耗成本, 是摆在研究者面前的一个难题。
利用夹点算法的基本思想, 对换热网络进行梯级改造, 是实现能源优化利用的一个行之有效的方法。夹点算法*早是由Linnhoff B等提出, 应用于化工生产的算法。许多研究表明, 夹点算法同样适用于其它形式的能源。而在实际的生产中, 已有人将其应用于热电联产中, 并取得了较为理想的效果。
智能电网园区使精细化地考量每一台设备的能耗成为可能。本文从用电的角度出发, 综合分析各种形式的能耗, 而不再局限于化工生产的热能, 利用夹点方法的基本原理, 考察非流体设备和电能的基本特性, 提出了面向智能电网园区的能源分析方法。
2夹点算法
将生产中的吸热环节和放热环节分别简化为冷流和热流。能源*理想的应用方式, 应当是热流放出的热量恰好都被冷流吸收。但是, 由于受热力学**定律的限制, 热流必须比冷流高出一定的温度, 才能实现余热的回收。这样, 我们必须让冷热流按一定的规则进行交换, 也就是冷流的高温部分与热流的高温部分换热; 冷流的低温部分与热流的低温部分换热。这个过程很像实验室中冷凝管, 逐段地进行余热利用。而在实际生产中, 冷热流在换热时, 必须要高于一个温差值。所以我们需要平移冷流, 以确保每个换热点的温差在极限值以上。冷热流的温差达到这个极限值的点, 就被称为夹点。这个算法, 就是夹点算法。
3面向非流体设备的算法
3.1非流体设备
夹点算法广泛应用于化工生产中。这些场景下, 考察的对象往往是某一类流体。随着流体走完全部工艺过程, 能量的交换也随之完成。但在考察智能电网园区等系统时, 面临两个问题。一是, 园区中往往存在光伏发电、风力发电、燃气等多类型的能源结构。单纯地通过夹点算法, 难以清洁用能。另一个问题是, 智能电网中, 往往存在空调、供暖、照明、机械负荷等多类型的负荷。这些设备的特征是不具有流动性, 其温度在短时间内是可以视为一成不变的。我们称这些设备为非流体设备。可以看出, 非流体设备的能耗特征在温焓图中是无法表示出来的。因此, 对于包含有非流体设备的电网园区, 通过理想的流体间能量交换, 不能解决能源优化利用的问题。针对非流体设备的特点, 对夹点算法进行改进, 使其能够应用于智能电网园区, 是非常有必要的。
3.2要解决的问题
智能电网包含几个传统换热网络所没有的特征。一是冷流和热流存在水平线和间断点。二是部分设备的温度可变。以空调散热管为例, 空调冷风温度低时, 其散热管温度就高; 反之, 空调散热管温度就会较低。更值得关注的是, 如果采用流水等降温措施, 空调的散热管将不会达到此前的温度。而对于传统的换热网络, 采用能量优化措施与否, 对冷热流起始温度没影响。在这一点上, 两者是截然不同的。
3.3改进后算法的流程
我们的改进算法如下:
(1)绘制初始的温焓图。以温度为纵坐标, 以能量为横坐标。经过测量每个工艺环节的初始温度和能耗, 得到了初始的温焓图。
(2)对温焓图进行简化。设热(冷)流1与热(冷)流2都经历了从温度t1到温度t2的变化过程。在该过程中,如果将这两段热(冷)流视为同一个流, 那么新的热(冷)流能耗就是原始的两段能耗之和。
(3)对于存在水平线的换热网络, 热流以水平线的*右端为基准, 冷流以水平线的*左端为基准, 平移曲线。
(4)如果不存在水平线, 依据工程的实际情况, 确定换热的*小差值温度。将冷流沿着焓值H的轴线横向平移。冷流和热流的垂直距离达到*小温差时, 园区能耗达到*低。
4电能与其他能源的等效替代
在某些时刻, 各类能源之间存在着相互替代的关系。比如, 对于加热而言, 可以使用天阳能、煤气、电能等各类形式的能源。同样, 对于光能而言, 可以用于加热、光伏发电。对于电能而言, 几乎可以适用于任何的用能场景。
实践表明, 各类能源的使用价值依照电能、机械能、光能、热能的顺序递减。此外, 可再生能源较化石能源等, 应当优先使用。
在应用夹点算法进行能效分析时, 使用以下补偿算法:
(1) 优先产生价值较高的能源;
(2) 对当前状态下的能源使用情况进行夹点分析;
(3) 如果热能等价值较低的能量不足, 优先使用可再生能源进行补偿。系统生产的能源用虚线表示。
5结论
本文实现了面向智能电网园区的夹点算法。该算法根据智能电网园区的实际情况, 对非流体设备进行了重点分析, 实现了将其纳入到温焓图中优化的目标。针对园区内部分设备温度可以在一定范围内波动的情况, 本文增加了夹点算法的计算环节, 进一步提高了节能的效果。对于存在可再生能源和其它能源形式的园区, 本文提出了补偿算法, 在一定程度上实现了清洁用能。
如图2所示, 本文以实例的形式, 利用本文算法对园区用能进行了优化分析。总的来说, 本文从电力角度出发, 初步实现了面型智能电网园区的梯级用能和低碳化用能。
6研究展望
本文中的算法, 为智能电网园区的冷热电联合优化提供了一种解决思路。但是仍存在以下问题:
(1) 在电网园区中, 因为环境的不同, 冷热流换热的极限温度也不相同。这个问题涉及多程换热网络问题。如果解决这个问题, 可以使夹点算法在智能电网园区中得到更广泛的应用。
(2) 部分能源的利用本身(如地热), 需要消耗一定的电能。目前的夹点算法, 只能将产能与耗能做简单的减法进行计算。怎样更好地分析这一类能源, 是拓展夹点算法的**个难点。
(3) 在工程实际中, 研究更好的换热方式, 是提高夹点算法效果及适用范围的重要途径。
围绕以上几个问题, 进行更深入的研究, 将取得理想的效果。
