1、研究背景
近幾年來(lái)，環(huán)境污染、能源短缺的問(wèn)題日益突出。節(jié)能減排，勢(shì)在必行。在智能電網(wǎng)園區(qū)中，一般包含冷、熱、照明、機(jī)械等多種形式的負(fù)荷，同時(shí)也包含風(fēng)、光、電、地?zé)岬榷喾N形式的能源。如何將這些能源和負(fù)荷合理組織起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多能源梯級(jí)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(gè)難題。
利用夾點(diǎn)算法的基本思想，對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行梯級(jí)改造，是實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化利用的一個(gè)行之有效的方法。夾點(diǎn)算法最早是由LinnhoffB等提出，應(yīng)用于化工生產(chǎn)的算法。許多研究表明，夾點(diǎn)算法同樣適用于其它形式的能源。而在實(shí)際的生產(chǎn)中，已有人將其應(yīng)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(xì)化地考量每一臺(tái)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(diǎn)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(diǎn)算法
將生產(chǎn)中的吸熱環(huán)節(jié)和放熱環(huán)節(jié)分別簡(jiǎn)化為冷流和熱流。能源最理想的應(yīng)用方式，應(yīng)當(dāng)是熱流放出的熱量恰好都被冷流吸收。但是，由于受熱力學(xué)第二定律的限制，熱流必須比冷流高出一定的溫度，才能實(shí)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(jìn)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(gè)過(guò)程很像實(shí)驗(yàn)室中冷凝管，逐段地進(jìn)行余熱利用。而在實(shí)際生產(chǎn)中，冷熱流在換熱時(shí)，必須要高于一個(gè)溫差值。所以我們需要平移冷流，以確保每個(gè)換熱點(diǎn)的溫差在極限值以上。冷熱流的溫差達(dá)到這個(gè)極限值的點(diǎn)，就被稱(chēng)為夾點(diǎn)。這個(gè)算法，就是夾點(diǎn)算法。
3、面向非流體設(shè)備的算法
3.1、非流體設(shè)備
夾點(diǎn)算法廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。這些場(chǎng)景下，考察的對(duì)象往往是某一類(lèi)流體。隨著流體走完全部工藝過(guò)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(shí)，面臨兩個(gè)問(wèn)題。一是，園區(qū)中往往存在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)獾榷囝?lèi)型的能源結(jié)構(gòu)。單純地通過(guò)夾點(diǎn)算法，難以清潔用能。另一個(gè)問(wèn)題是，智能電網(wǎng)中，往往存在空調(diào)、供暖、照明、機(jī)械負(fù)荷等多類(lèi)型的負(fù)荷。這些設(shè)備的特征是不具有流動(dòng)性，其溫度在短時(shí)間內(nèi)是可以視為一成不變的。我們稱(chēng)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(wú)法表示出來(lái)的。因此，對(duì)于包含有非流體設(shè)備的電網(wǎng)園區(qū)，通過(guò)理想的流體間能量交換，不能解決能源優(yōu)化利用的問(wèn)題。針對(duì)非流體設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)夾點(diǎn)算法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠應(yīng)用于智能電網(wǎng)園區(qū)，是非常有必要的。
3.2、要解決的問(wèn)題
智能電網(wǎng)包含幾個(gè)傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的特征。一是冷流和熱流存在水平線和間斷點(diǎn)。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(fēng)溫度低時(shí)，其散熱管溫度就高;反之，空調(diào)散熱管溫度就會(huì)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(huì)達(dá)到此前的溫度。而對(duì)于傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)，采用能量?jī)?yōu)化措施與否，對(duì)冷熱流起始溫度沒(méi)影響。在這一點(diǎn)上，兩者是截然不同的。
3.3、改進(jìn)后算法的流程
我們的改進(jìn)算法如下：
(1)繪制初始的溫焓圖。以溫度為縱坐標(biāo)，以能量為橫坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)測(cè)量每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的初始溫度和能耗，得到了初始的溫焓圖。
(2)對(duì)溫焓圖進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程。在該過(guò)程中，如果將這兩段熱(冷)流視為同一個(gè)流，那么新的熱(冷)流能耗就是原始的兩段能耗之和。
(3)對(duì)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(zhǔn)，冷流以水平線的最左端為基準(zhǔn)，平移曲線。
(4)如果不存在水平線，依據(jù)工程的實(shí)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(dá)到最小溫差時(shí)，園區(qū)能耗達(dá)到最低。
4、電能與其他能源的等效替代
在某些時(shí)刻，各類(lèi)能源之間存在著相互替代的關(guān)系。比如，對(duì)于加熱而言，可以使用天陽(yáng)能、煤氣、電能等各類(lèi)形式的能源。同樣，對(duì)于光能而言，可以用于加熱、光伏發(fā)電。對(duì)于電能而言，幾乎可以適用于任何的用能場(chǎng)景。
實(shí)踐表明，各類(lèi)能源的使用價(jià)值依照電能、機(jī)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(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用。
在應(yīng)用夾點(diǎn)算法進(jìn)行能效分析時(shí)，使用以下補(bǔ)償算法：
(1)優(yōu)先產(chǎn)生價(jià)值較高的能源;
(2)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)下的能源使用情況進(jìn)行夾點(diǎn)分析;
(3)如果熱能等價(jià)值較低的能量不足，優(yōu)先使用可再生能源進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)生產(chǎn)的能源用虛線表示。
5、結(jié)論
本文實(shí)現(xiàn)了面向智能電網(wǎng)園區(qū)的夾點(diǎn)算法。該算法根據(jù)智能電網(wǎng)園區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)非流體設(shè)備進(jìn)行了重點(diǎn)分析，實(shí)現(xiàn)了將其納入到溫焓圖中優(yōu)化的目標(biāo)。針對(duì)園區(qū)內(nèi)部分設(shè)備溫度可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的情況，本文增加了夾點(diǎn)算法的計(jì)算環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了節(jié)能的效果。對(duì)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(bǔ)償算法，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了清潔用能。
如圖2所示，本文以實(shí)例的形式，利用本文算法對(duì)園區(qū)用能進(jìn)行了優(yōu)化分析?？偟膩?lái)說(shuō)，本文從電力角度出發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了面型智能電網(wǎng)園區(qū)的梯級(jí)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(wèn)題：
(1)在電網(wǎng)園區(qū)中，因?yàn)榄h(huán)境的不同，冷熱流換熱的極限溫度也不相同。這個(gè)問(wèn)題涉及多程換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。如果解決這個(gè)問(wèn)題，可以使夾點(diǎn)算法在智能電網(wǎng)園區(qū)中得到更廣泛的應(yīng)用。
(2)部分能源的利用本身(如地?zé)?，需要消耗一定的電能。目前的夾點(diǎn)算法，只能將產(chǎn)能與耗能做簡(jiǎn)單的減法進(jìn)行計(jì)算。怎樣更好地分析這一類(lèi)能源，是拓展夾點(diǎn)算法的第二個(gè)難點(diǎn)。
(3)在工程實(shí)際中，研究更好的換熱方式，是提高夾點(diǎn)算法效果及適用范圍的重要途徑。
圍繞以上幾個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行更深入的研究，將取得理想的效果。
（轉(zhuǎn)載）
