如何改进智能电网园区多能源利用？

       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。夹点算法最早是由LinnhoffB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。能源最理想的应用方式，应当是热流放出的热量恰好都被冷流吸收。但是，由于受热力学第二定律的限制，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，热流以水平线的最右端为基准，冷流以水平线的最左端为基准，平移曲线。

　　（4）如果不存在水平线，依据工程的实际情况，确定换热的最小差值温度。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最小温差时，园区能耗达到最低。

       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，是拓展夹点算法的第二个难点。

　　（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。