1、研究背景
近幾年來，環(huán)境污染、能源短缺的問題日益突出。節(jié)能減排，勢在必行。在智能電網(wǎng)園區(qū)中，一般包含冷、熱、照明、機械等多種形式的負荷，同時也包含風、光、電、地熱等多種形式的能源。如何將這些能源和負荷合理組織起來，實現(xiàn)多能源梯級利用，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難題。
利用夾點算法的基本思想，對換熱網(wǎng)絡進行梯級改造，是實現(xiàn)能源優(yōu)化利用的一個行之有效的方法。夾點算法最早是由LinnhoffB等提出，應用于化工生產(chǎn)的算法。許多研究表明，夾點算法同樣適用于其它形式的能源。而在實際的生產(chǎn)中，已有人將其應用于熱電聯(lián)產(chǎn)中，并取得了較為理想的效果。
智能電網(wǎng)園區(qū)使精細化地考量每一臺設備的能耗成為可能。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，利用夾點方法的基本原理，考察非流體設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、夾點算法
將生產(chǎn)中的吸熱環(huán)節(jié)和放熱環(huán)節(jié)分別簡化為冷流和熱流。能源最理想的應用方式，應當是熱流放出的熱量恰好都被冷流吸收。但是，由于受熱力學第二定律的限制，熱流必須比冷流高出一定的溫度，才能實現(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。這個過程很像實驗室中冷凝管，逐段地進行余熱利用。而在實際生產(chǎn)中，冷熱流在換熱時，必須要高于一個溫差值。所以我們需要平移冷流，以確保每個換熱點的溫差在極限值以上。冷熱流的溫差達到這個極限值的點，就被稱為夾點。這個算法，就是夾點算法。
3、面向非流體設備的算法
3.1、非流體設備
夾點算法廣泛應用于化工生產(chǎn)中。這些場景下，考察的對象往往是某一類流體。隨著流體走完全部工藝過程，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，面臨兩個問題。一是，園區(qū)中往往存在光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃氣等多類型的能源結(jié)構(gòu)。單純地通過夾點算法，難以清潔用能。另一個問題是，智能電網(wǎng)中，往往存在空調(diào)、供暖、照明、機械負荷等多類型的負荷。這些設備的特征是不具有流動性，其溫度在短時間內(nèi)是可以視為一成不變的。我們稱這些設備為非流體設備?？梢钥闯觯橇黧w設備的能耗特征在溫焓圖中是無法表示出來的。因此，對于包含有非流體設備的電網(wǎng)園區(qū)，通過理想的流體間能量交換，不能解決能源優(yōu)化利用的問題。針對非流體設備的特點，對夾點算法進行改進，使其能夠應用于智能電網(wǎng)園區(qū)，是非常有必要的。
3.2、要解決的問題
智能電網(wǎng)包含幾個傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡所沒有的特征。一是冷流和熱流存在水平線和間斷點。二是部分設備的溫度可變。以空調(diào)散熱管為例，空調(diào)冷風溫度低時，其散熱管溫度就高;反之，空調(diào)散熱管溫度就會較低。更值得關注的是，如果采用流水等降溫措施，空調(diào)的散熱管將不會達到此前的溫度。而對于傳統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡，采用能量優(yōu)化措施與否，對冷熱流起始溫度沒影響。在這一點上，兩者是截然不同的。
3.3、改進后算法的流程
我們的改進算法如下：
(1)繪制初始的溫焓圖。以溫度為縱坐標，以能量為橫坐標。經(jīng)過測量每個工藝環(huán)節(jié)的初始溫度和能耗，得到了初始的溫焓圖。
(2)對溫焓圖進行簡化。設熱(冷)流1與熱(冷)流2都經(jīng)歷了從溫度t1到溫度t2的變化過程。在該過程中，如果將這兩段熱(冷)流視為同一個流，那么新的熱(冷)流能耗就是原始的兩段能耗之和。
(3)對于存在水平線的換熱網(wǎng)絡，熱流以水平線的最右端為基準，冷流以水平線的最左端為基準，平移曲線。
(4)如果不存在水平線，依據(jù)工程的實際情況，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到最小溫差時，園區(qū)能耗達到最低。
4、電能與其他能源的等效替代
在某些時刻，各類能源之間存在著相互替代的關系。比如，對于加熱而言，可以使用天陽能、煤氣、電能等各類形式的能源。同樣，對于光能而言，可以用于加熱、光伏發(fā)電。對于電能而言，幾乎可以適用于任何的用能場景。
實踐表明，各類能源的使用價值依照電能、機械能、光能、熱能的順序遞減。此外，可再生能源較化石能源等，應當優(yōu)先使用。
在應用夾點算法進行能效分析時，使用以下補償算法：
(1)優(yōu)先產(chǎn)生價值較高的能源;
(2)對當前狀態(tài)下的能源使用情況進行夾點分析;
(3)如果熱能等價值較低的能量不足，優(yōu)先使用可再生能源進行補償。系統(tǒng)生產(chǎn)的能源用虛線表示。
5、結(jié)論
本文實現(xiàn)了面向智能電網(wǎng)園區(qū)的夾點算法。該算法根據(jù)智能電網(wǎng)園區(qū)的實際情況，對非流體設備進行了重點分析，實現(xiàn)了將其納入到溫焓圖中優(yōu)化的目標。針對園區(qū)內(nèi)部分設備溫度可以在一定范圍內(nèi)波動的情況，本文增加了夾點算法的計算環(huán)節(jié)，進一步提高了節(jié)能的效果。對于存在可再生能源和其它能源形式的園區(qū)，本文提出了補償算法，在一定程度上實現(xiàn)了清潔用能。
如圖2所示，本文以實例的形式，利用本文算法對園區(qū)用能進行了優(yōu)化分析?？偟膩碚f，本文從電力角度出發(fā)，初步實現(xiàn)了面型智能電網(wǎng)園區(qū)的梯級用能和低碳化用能。
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。但是仍存在以下問題：
(1)在電網(wǎng)園區(qū)中，因為環(huán)境的不同，冷熱流換熱的極限溫度也不相同。這個問題涉及多程換熱網(wǎng)絡問題。如果解決這個問題，可以使夾點算法在智能電網(wǎng)園區(qū)中得到更廣泛的應用。
(2)部分能源的利用本身(如地熱)，需要消耗一定的電能。目前的夾點算法，只能將產(chǎn)能與耗能做簡單的減法進行計算。怎樣更好地分析這一類能源，是拓展夾點算法的第二個難點。
(3)在工程實際中，研究更好的換熱方式，是提高夾點算法效果及適用范圍的重要途徑。
圍繞以上幾個問題，進行更深入的研究，將取得理想的效果。
（轉(zhuǎn)載）
