综合能源系统设备成本优化研究

综合能源系统设备成本优化研究

孟祥军

深圳市欣旺达智慧能源有限责任公司，深圳，518108

摘要：为了降低综合能源系统设备成本，本文首先构建了综合能源系统的设备选型优化模型，其次分析模型的目标函数，并研究其约束条件，最后通过A园区使用综合能源系统设备选型优化模型前后的成本对比，得出结论。结果表明：设备选型优化模型可以减少A园区运行成本，降低了2.72%；电力、天然气的使用成本分别减少了2.95%和0.87%，说明该模型在降低运行成本的同时减少了能源消耗。此次研究为建设综合能源系统提出了意见。

关键词：综合能源系统；设备成本；降低能源消耗

1. 引言

目前，我国利用可再生能源困难、环境污染、能源综合能效偏低、用能成本偏高等问题日益严重。而综合能源系统在促进可再生能源高效利用、改善环境问题中具有重要意义，已经成为推动我国能源变革的重要途径之一[1]。综合能源系统的研究重点是如何合理建设综合能源系统，优化设备成本。

在降低综合能源系统的建设成本上，各个学者从不同角度提出了不同的优化模型。Xiang等人(2020) 基于价格和激励的需求响应，提出了并网综合能源系统优化规划模型，并进行了成本效益比较分析，最小化年度总成本[2]。Wang等人(2019) 提出了结合容量规划和运行的综合能源系统双级优化模型，旨在提高容量规划的准确性和经济性，最大限度地降低能源和环境成本[3]。为了促进综合能源系统的高效管理，满足热能和电力等能源的需求，Ko and Kim (2019)考虑了热电联产资源的可行运行区域和效率，提出了综合能源系统发电扩展的优化模型[4]。但是他们都未从综合能源系统设备方面进行研究，提出优化。

在此背景下，本文以综合能源系统的设备选型为研究对象，构建综合能源系统设备选型优化模型，针对设备选择的型号问题，分析设备选型时的约束条件，从而降低设备能源消耗成本，进一步减少运行总成本，并以A园区为实例求证分析，确认设备选型模型的实用性。此次对综合能源系统设备的研究可以为综合能源系统的建设提供一定的参考。

2. 方法

2.1 综合能源系统设备选型模型研究

综合能源系统是一种利用新型管理模式和互联网大数据技术，整合诸如电、热、气等多种能源，协调各种能源的互补协同，实现降低能源消耗，提高能源使用效率的一体化的新型能源系统[5]。其能够实现一定区域内的能源转换技术和能源耦合互补性[6]。在建设能源园区时，确定了园区能源结构后，还需确定各种设备的最优选择，以达到经济成本最小化的目的[7]。综合能源系统设备选型模型框架如图1所示。

图1 综合能源系统设备选型优化模型

由图1可得，构建设备选型优化模型，首先确定目标函数，再利用算法将设备库中的各个设备进行随机组合，依据相关数据确定设备组合的约束条件，最后对选出的设备组合进行适应度评估，得到最终最优的设备型号组合方案[8]。各类型设备的型号集合中一组设备型号组合表示方式如公式(1)所示。

                           (1)

其中，，表示系统拟采用的设备类型集合，下标k为设备类型种类数量；CD为各类型设备包含的设备型号集合，第一位下标为设备类型序号，第二位下标a、b、c表示各设备型号组合中的型号数量。

2.2 综合能源系统优化目标函数

此次构建的设备选型模型以成本最低为目标，目标函数主要考虑系统建设初期投资成本、运行时燃料成本和设备维护成本[9]。目标函数的表示如公式(2)所示。

                     (2)

其中，为系统的初期投资成本（元）；为综合能源系统运行燃料成本，主要包括天然气、电力购买费用（元）；为设备维护费用（元）；为第m类设备中n型号的装机台数；为第m类设备在n型号的出力(kW)。

初期投资成本的计算公式如公式(3)所示。

                                 (3)

式中的计算方式如公式(4)所示。

                         (4)

其中，m为综合能源系统规划的设备类型，n为相对应的设备库中的设备型号；j为规划中设备种类数量；为m设备n型号的设备单台购置费用（元/台）；v为基准折现率；a为项目的规划周期（年）。

此次研究设定全年工作8760小时，能源设备通过购买外部的天然气或电力进行能量转换，为园区系统提供能源需求。运行阶段的燃料成本计算方式如公式(5)(6)所示。

                                   (5)

                                    (6)

和的计算公式如公式(7)(8)所示。

                               (7)

                               (8)

式中，和分别为天然气和电力消耗成本（元）；为天然气价格（元/m3）；为转换设备的运行效率；为天然气的热值，通常取10kW/m3；为园区的买电价格（元/kWh）；x和y分别为耗气和耗电的设备数量。

设备维护成本的计算方式如公式(9)所示。

                          (9)

其中，为分布式能源设备的运行维护成本（元/kW）；为t时分布式能源设备的运行功率（kW）。

2.3 综合能源系统设备选型约束条件分析

在设备选择时，应根据实际生产过程考虑设备存在的固定搭配型号，将此种情况称为设备型号固定匹配约束，计算方式如公式(10)所示。

                                (10)

式中，，、为不同类型设备的不同设备型号，仅能取0或1。

同时，设备型号之间存在互斥现象：一种为同类型设备中有且仅有一个型号，其表达方式如公式(11)所示。

                 (11)

其中，；

另一种为不同种类设备的型号互斥，表达方式如公式(12)所示。

                              (12)

式中，。

3. 结果

以A园区为例进行综合能源系统设备选型建模实例分析。该园区原来选择a型号风机10台，b型号光伏17825台，c型号地源热泵16台，d型号燃气锅炉4台，e型号电制冷5台。运用设备选型建模选择后，将燃气炉型号由d换成f，其余设备型号保持不变。两种方案的成本分析如表1所示。

表1 成本比较分析

由表1可知，使用综合能源系统设备选型建模后，初期投资成本、设备运行维护费用、电力、天然气费用都明显减少，所以年运行总消耗成本也相对减少，减少了2.72%。同时，电力、天然气的消耗成本分别减少2.95%和0.87%，表明此建模确实可以减少能源消耗。

4. 结论

本文建立综合能源系统设备选型模型，研究综合能源系统目标函数，分析约束条件，通过A园区使用设备选型模型前后成本对比，得到如下成果和结论：(1)针对综合能源系统建设时的设备型号选择问题，提出设备选型优化模型，并构建了模型的约束条件；(2)使用设备选型模型前后，其年运行成本减少了2.72%，说明建立的综合能源系统设备选择模型可以很好地降低园区的综合能源系统建设成本；(3)电力、天然气消耗成本分别减少2.95%和0.87%，说明使用设备选型模型可以降低设备运行时能源消耗成本。本文还存在一些不足。此次建模还有些问题没有考虑到，以后研究可以从更多方面考虑；构建的设备选型优化模型需要大量的数据作为支撑，但数据量较大时会拖慢计算速度，因此可以进一步研究设备对模型的影响，有效提升计算速度。

参考文献

1. 郭创新, 丁筱. 综合能源系统优化运行研究现状及展望. 发电技术, 2020, 41(1), pp. 2-8.
2. Xiang Y, Cai H, Gu C, et al. Cost-benefit analysis of integrated energy system planning considering demand response. Energy, 2020, 192, pp. 116632.
3. Wang Y, Wang Y, Huang Y, et al. Planning and operation method of the regional integrated energy system considering economy and environment. Energy, 2019, 171, pp. 731-750.
4. Ko W, Kim J. Generation expansion planning model for integrated energy system considering feasible operation region and generation efficiency of combined heat and power. Energies, 2019, 12(2), pp. 226.
5. Peng D, Wu H, Wang L. Comprehensive energy cooperative optimization model based on energy conversion efficiency considering investment benefit. International Journal of Energy Research, 2021, 45(2), pp. 2997-3015.
6. 张雨曼, 刘学智, 严正, 等. 光伏-储能-热电联产综合能源系统分解协调优化运行研究. 电工技术学报, 2020, 35(11), pp. 2372-2386.
7. Bamisile O, Dongsheng C, Li J, et al. An innovative approach for geothermal-wind hybrid comprehensive energy system and hydrogen production modeling/process analysis. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(27), pp. 13261-13288.
8. Tashtoush B, Megdouli K, Elakhdar M, et al. A comprehensive energy and exergoeconomic analysis of a novel transcritical refrigeration cycle. Processes, 2020, 8(7), pp. 758.
9. 李宏仲, 房宇娇, 肖宝辉. 考虑广义储能的区域综合能源系统优化运行研究. 电网技术, 2019, 43(9), pp. 3130-3138.