考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划_刘小慧.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211757 考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划 刘小慧1 王小君1 张义志1 孙庆凯1 席 皛2（1.北京交通大学电气工程学院 北京 100044 2.中国电力建设集团吉林省电力勘测设计院有限公司 长春 130022）摘要 随着我国“双碳”政策的推行，生物质能作为清洁能源不断引起关注。相比化石燃料，生物质具有原料分散、储运模式复杂的特点，如何平衡原料储运成本与能量传输损耗是生物质多区域规划的重要问题。因此，该文提出一种考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划方法。首先，对比分析生物质传统储运和“点-中-心”储运两种模式，并建立秸秆储运成本模型；然后，考虑不同园区负荷需求、资源约束以及生物质机组容量成本阶梯型关系，以区域综合能源系统群整体经济性最优为目标，优化秸秆运输路径与设备管道配置；最后，以吉林省某典型综合区域为例，验证了基于“点-中-心”储运模式协调优化原料运输与区域能源互联协同能够降低系统规划成本。关键词：多区域综合能源系统 协同规划 生物质储运模式 生物质联供机组 中图分类号：TM732 0 引言 近年来，我国能源供给形式逐渐由单一系统演变为多区域综合能源系统（Integrated Energy System,IES），其在满足各区域能量需求的同时提高了整体的经济性、环保性和可靠性1-2。而且在 2020 年我国提出“双碳”目标，加速能源绿色转型，形成以可再生能源为主的能源结构是一种必然趋势3。针对我国东北地区，利用生物质机组将秸秆原料转换为电热能源，既发挥了当地生物质丰富的资源优势，又可以作为供能系统的主要组成部分，因此在东北地区设计规划以生物质联供机组（Biomass Power Generation,BPG）为核心的多区域综合能源系统是能源领域发展的热点之一。目前考虑生物质能的多区域综合能源系统协同规划研究相对较少，文献4研究一种考虑生物质余热回收的混合供能模式，提高生物质燃料利用效率；文献5利用生物质能耦合风能，提出一种考虑生物质发电的新型综合能源系统；文献6-7建立了考虑生物质能与风光储能等联合互补供能的优化配置模型，有效提高系统经济可靠运行；文献8-9考虑热网传输能量损耗与延迟效应建立供热系统模型，研究区域综合能源系统电热联合规划运行方法；文献10同时考虑经济性和可靠性，建立区域 IES 规划运行一体化多目标优化模型。上述研究将生物质机组应用于系统规划运行中，但普遍认为生物质原料具有与传统化石燃料相同的供应特性，并未考虑秸秆原料分散和储运模式复杂的特点。与目前市场机制成熟的化石原料相比，生物质秸秆的储运模型仍处于发展阶段。生物质能作为一种可储存运输的新型清洁能源，当前主要有两种储运模式。传统集中式储运模式原理简单，但占地面积大、具有严重的火灾隐患。文献11-12考虑生物质可用性，按照实际收储运环节建立了生物质收集成本模型；文献13提出一种基于生物质成本模型确定最佳收集半径的方法。上述研究均采用传统模式，根据秸秆需求量估算收集范围，忽略了收集半径的合理性，因此随着收集规模增大，分布式储运模式被相应提出。文献14提出一种以产消者空间布局和动态能源需求为基础的分布式供能方式，该模式符合生物质供能特点；文献15考虑影响秸秆供应链物流成本的关键 国家自然科学基金资助项目（51977005）。收稿日期 2021-11-01 改稿日期 2021-12-10 第 38 卷第 6 期 刘小慧等 考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划 1649 因素优化分析运输存储成本；文献16综合考虑生物质运输成本与污染物排放，提出一种高效经济的秸秆供应方式。上述研究都是将区域内所有生物质资源收集于系统中心，没有考虑实际中如何在多个生物质能源系统间实现资源协调优化分配的问题。同时，多区域系统中生物质能通常有两种能源供应形式：通过车辆运载直接将秸秆原料运输至各园区；在区域中心利用生物质机组将秸秆原料转换为电热能源传输到各园区。但上述两种供能形式都需要将区域内生物质资源统一收集，其作为开展生物质能源系统规划的基础，而且在能源传输方式中还伴随着较高的能源损耗，如何平衡区域内秸秆储运成本与园区间能量传输成本是需要解决的重要实际应用问题。针对上述问题，本文提出考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划方法，首先，针对生物运输问题，建立精细化的生物质储运成本模型；然后，协同优化秸秆储运成本与能量传输损耗，实现多区域 IES 设备管道配置、系统整体经济运行；最后，经过基于吉林地区实际数据验证了生物质“点-中-心”储运模式运输原料的多区域 IES 协同规划方案具备更高的经济性。1 以生物质为核心的多区域 IES 结构 针对我国东北地区资源禀赋和用能需求，可考虑建设以生物质机组为核心的多区域综合能源系统，充分利用各园区用能差异使有限秸秆资源实现效益最大化17。由于生物质收集区域近似为圆形，而且实际园区开发一般呈圆形向外扩建，所以本文将多区域 IES 近似为圆形区域。用生物质热电联供（Combined Heat and Power,CHP）机组代替传统供能设备，并与其他设备进行能量耦合，同时园区间建设热网（Heating Network,HN）实现热能交互，其简化的基本结构如图 1 所示。该结构主要由秸秆储运系统、各园区 CHP 系统和区域间能量交互系统构成。（1）秸秆储运系统：整个多区域系统采用统一的秸秆储运模式，各园区根据自身负荷需求可以跨区域收购运输生物质资源。（2）各园区 CHP 系统：各园区根据自身用能特性和建设条件，合理配置各类机组设备满足自身负荷需求。图 1 考虑能源交互的多区域互联系统结构 Fig.1 Multi-regional interconnected system structure considering energy interaction（3）区域间能量交互系统：各园区 CHP 系统之间通过投建热网进行热能交互，没有直接的电能交互，电能采用并网不上网方式与电网交互。其中，以生物质机组为核心的各园区 IES 基本结构如图 2 所示。基于当地资源优势，考虑以生物质联供机组作为各园区主要供能设备，风光机组作为辅助供能设备。同时各园区按需配置电锅炉、蓄电储热等设备实现能源转换与存储，促进可再生能源消纳，解耦热电联系18，提高生物质机组运行灵活性。由于本文所考虑的负荷需求种类、拟配置机组类型的常规性，生物质原料分布的广泛性，本文所建立的生物质供能系统结构具有一定的通用性。图 2 以生物质机组为核心的单园区 IES 结构 Fig.2 The IES structure with biomass unit as the core 2 生物质原料储运与成本模型 目前秸秆原料储运成本居高不下制约了生物质能源系统的发展，根据相关调研，秸秆储运成本可达总收集成本的 35%70%19，因此采用科学合理 1650 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 的生物质储运模式，优化系统供能方式尤为重要。本节基于两种生物质储运模式提出相应的供能形式，针对分布式储运模式考虑秸秆在各园区优化分配运输建立一种秸秆储运成本计算模型。2.1 两种生物质储运模型 2.1.1 基于传统储运模式传输能量供能 生物质电厂的秸秆原料一般来自附近的农田，传统生物质储运模式是将区域内所有生物质资源直接收集至系统中心。而对于多区域系统存在多个秸秆利用中心，采用该储运模式导致秸秆还需再分配运输到各园区，增加了运输成本。因此，基于生物质传统储运模式可以在区域中心投建生物质电厂，通过电网、热网向各园区传输能量，该供能方式如图 3 所示。图 3 基于传统储运模式传输能量供能 Fig.3 Energy transmission based on traditional storage and transportation mode 为了准确计算半径为 R 秸秆分布密度为 的区域系统内所有秸秆的运输成本，利用黎曼积分定义法，在收集区域内任取一个面积微元如图 3 所示，该面积内的秸秆可收购量为2 dr r，因此，整个区域系统的秸秆运输成本 CT为 3Ttt022 d 3RCp rr rp R=（1）式中，为距离曲折因子；tp为运输单价；r 为收集点与区域中心的距离。基于生物质传统储运模式传输能量供能方案节省了原料二次运输成本，但需要远距离传输大量电能、热能，电能传输损耗较少，而热能传输损耗相对较大，降低了能源利用效率，增加了管道投资成本。因此针对以生物质能为核心的多区域系统，需构建一种经济合理的供能模式。2.1.2 基于“点-中-心”储运模式运输原料供能 生物质资源在区域系统内广泛分布，因此可以在各园区分别配置生物质机组，根据负荷需求将秸秆原料就近分配运输至各园区。这种供能模式就地产能就地利用，原料运输损耗较小，能源利用效率较高，同时为进一步提高系统经济性，优化秸秆运输方式，采用新型的分布式“点-中-心”储运模式。“点-中-心”储运模式是在秸秆收集区域内建立若干暂储站，每个暂储站负责收集自身小半径圆形范围和邻近未覆盖区域内的生物质资源，集中压缩后根据各园区需求优化分配。基于“点-中-心”储运模式运输原料的供能方式如图 4 所示。图 4 基于“点-中-心”储运模式运输原料供能 Fig.4 Transportation of raw materials for energy supply based on the point-center-center storage and transportation mode 生物质“点-中-心”储运模型将半径为 R 的大区域秸秆利用系统划分为多圈大小相等的暂储站，每个暂储站半径为 R1，三者之间的关系为 q1(21)RNR=+（2）式中，Nq为暂储站的总圈数。根据每圈暂储站圆心所在圆环的周长和暂储站直径可确定第 x 圈暂储站的数量为 112(21)round2xRxRnR=（3）式中，nx为第 x 圈暂储站的数量，为正整数；round为四舍五入函数。所以，区域内秸秆暂储站总数 Nzc等于每圈暂储站个数与中心暂储站的总数和，即 qzc11NxxNn=+（4）通过利用生物质“点-中-心”储运模式可将秸秆从农田到生物质电厂的运输过程大致划分为两部分：农田至暂储站：这一环节的特点是运输距离短、重量小、路况复杂，将田间秸秆原料运输到暂 第 38 卷第 6 期 刘小慧等 考虑生物质储运模式的多区域综合能源系统协同规划 1651 储站中心；暂储站至生物质电厂：这一环节运输距离较长，运输费用在总运输成本中占比较大。（1）农田至暂储站 这一环节是将辐射半径为 R1的圆形田间及邻近未覆盖区域内的生物质运输到暂储站中心。由于一定区域内秸秆量等于其收集面积与秸秆分布密度的乘积，所以单个圆形区域内秸秆量zM和第 x 圈暂储站未覆盖区域内秸秆量 Mx分别为 21zMR=（5）222111 2(1)(2)xxMRxRRxRn R=（6）因而暂储站 z 的秸秆量 Mz为 xzzxMMMn=+（7）区域内第一阶段运输成本 C2-1为所有暂储站从农田收集秸秆的运输费用之和，其包括圆形区域运输成本（实质为传统收集方式）和邻近未覆盖区域运输成本。qzcqzc32-11t111t11z 111t11112232 2 83NNxxNNzxzxCpRMpRp RMM=+=+（）式中，t1p、1分别为秸秆从农田到暂储站的运输单价和距离曲折因子。（2）暂储站至各园区 在多区域规划系统中，需综合考虑各园区负荷需求差异，对区域内暂储站秸秆进行优化分配运输。这一阶段实质为点对点运输，每个暂储站只能将自身秸秆供应给一个园区，设置其为暂储站运输状态,z i，从而确定了各暂储站的运输距离 lz,i。区域内第二