本文是一篇土木工程论文，本文针对IES设备的能量输出比与用户端的能量不匹配问题，提出了基于ORC和P2G的IES，建立了系统的数学模型与评价指标体系。对包含工业厂房、员工宿舍以及商业建筑的工业园区进行了负荷模拟，分析了系统耦合ORC和P2G后，对系统性能和配置的影响。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着历史的发展，能源对于人类社会的影响越来越大，特别是在工业革命以后，全球工业化进程的推进，传统燃料能源的过度开发与利用造成了全球变暖和环境污染的负面影响，为遏制全球气候变暖和环境污染对人类产生的不良影响这一现象，第75届联合国大会发布，“二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]。积极应对气候变化，减少碳排放，已经成为全球面临的挑战[2,3]。相较于传统系统，综合能源系统可以减少碳排放，减少温室气体对环境的污染。与此同时，人类对综合能源系统的研究开始转向清洁能源和能源互联的发展。无论是天然气、风能、太阳能等清洁能源，还是电气互联、电热互联等不同能源间的耦合形式，两者的发展前景都相当广阔[4,5]。
然而，伴随着近年来清洁能源及相关技术的迅速发展，系统输出端和用户端能源的多样化发展以及能源传输与设备的革新，导致了能源系统的进一步耦合[6]。冷、热、电、气等能源之间的相互耦合，制约了系统的灵活运行，导致了系统端设备的输出与用户端所需的能量不匹配问题，造成了能源的大量浪费，而且如图1-1所示，负荷侧的热、电、气的需求往往存在着明显的峰谷交错现象，在时间上的分布是不同步的，负荷侧的不同步则要求对系统电、热、气的同步供应进行解耦。综合能源系统需耦合能量转换设备来解决这一难题。因此，对综合能源系统进行能量管理研究是必要的。
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1.2 综合能源系统研究进展
1.2.1 典型综合能源系统概述
综合能源系统（Integrated Energy System, IES）是指一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，将该区域内的煤、石油、天然气、电能、热能等多种能源资源进行整合，实现各异构能源子系统之间的协调规划、优化运行，协同管理、交互响应和互补互济[7,8]。在满足系统内多元化用能需求的同时，要有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统[9,10]。IES的意义在于管理体制、技术和市场模式的创新。目的是提高我国能源资源利用效率，实现可再生能源的规模化发展，实现国家能源梯级利用[10~12]，提高经济和社会能源供应的灵活性和安全性。它是一种促进能源效率和可持续发展的新型IES，其发展对于解决世界环境污染和能源短缺问题具有重要意义。典型的IES主要由电制热／冷设备，冷热电联供系统，燃气锅炉等设备组成，其结构如图1-2所示。进行IES设计与规划时，要考虑系统的资源利用、环境污染以及经济适用性等方面，需对IES的架构进行复杂化，以实现系统的输出端与用户的负荷端相互适配的愿望。因此，IES的架构形式在不断的发展，其可耦合能量转换设备，如P2G技术和ORC系统等；能量存储设备，如储气罐、蓄热／冷装置和蓄电池等；应用可再生能源的设备，如光伏发电、风力发电和地源热泵等。
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第2章 综合能源系统模型构建
2.1 综合能源系统构建
IES主要由驱动装置、余热利用装置和能量转换装置组成，驱动装置既是电力生产点也是热力生产点，因此是系统的核心设备。常规的驱动装置主要有燃气内燃机、燃气轮机和微燃机等，其中前两个由于技术相对成熟，应用较为广泛[7]。在大规模领域内，燃气轮机在投资、运行和发电效率方面相比燃气内燃机有明显优势，本文的研究主要以工业园区为研究对象，因此，选取燃气轮机为驱动装置。本文最大特点是耦合了可提高热电比的P2G和可降低热电比的ORC，并应用于包含工业厂房、员工宿舍以及商业建筑的工业园区。
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由图2-1可知，在传统分供系统中，建筑物电负荷、热负荷和和气负荷分别由电网、燃气锅炉和气网来提供。耦合ORC和P2G的IES中，将天然气送入燃气轮机发电，燃气轮机排出的余热通过热回收系统回收，用于冬季供热。当燃气轮机余热不能满足供热需求时，由燃气锅炉来弥补不足的热量；反之，余热有剩余时，启动ORC系统，将剩余的热量转化为电能来提供电负荷，减少了热量的浪费。当燃气轮机发电量不足以提供建筑电负荷时，从电网购电来满足供电需求；反之，电量有剩余时，启动P2G系统，将剩余的电量转化为天然气来提供气负荷。如果P2G产生的天然气不足以满足气负荷供应，不足的气负荷由气网来提供。
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3.2 综合能源系统多目标决策
如果能源系统的决策仅仅以单一指标为决策目标，就会忽略能源系统在其它方面的潜力，因此需权衡多个方面的影响因素，进行多目标决策[7,63]。本文选择能源、经济和环境作为能源系统决策过程中的三个目标，采用层次分析法分析三个目标之间的权重关系，最终进行IES优化的多目标决策[7]。
3.2.1 层次分析法简介
1. 层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的基本概念
AHP是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法[7]。层次简单实用，能使决策者更好地衡量每个影响因素的相对重要性，更适用于具有层次交错评价指标的目标系统、目标值难以定量描述的决策问题。
2. AHP的基本原理
根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，根据各因素之间的相互影响和隶属关系，在不同层次上对各因素进行聚合和组合，形成多层次的分析结构模型。因此，问题最终归结为确定最低层次（计划、措施等）相对于最高层次（总体目标）的权重的相对重要性或相对优势与劣势的排序。
3. AHP简单的计算步骤
（1）建立层次结构模型；（2）构造判断矩阵；（3）层次单排序及其一致性检验；（4）层次总排序及其一致性检验。
4. AHP的优缺点
（1）优点：系统性；简洁实用性；所需定量数据信息较少。 （2）缺点：不能为决策提供新的方案；定量数据较少，定性成分多，不易令人信服；指标过多时，数据统计量大，且权重难以确定；特征值和特征向量的精确求法比较复杂。
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第3章 综合能源系统优化方法 ······················ 17
3.1 综合能源系统评价指标 ····················· 17
3.1.1 经济指标 ····························· 17
3.1.2 能效指标 ··············· 18
第4章 工业园区负荷模拟 ··················· 25
4.1 建筑负荷模拟方法 ··························· 25
4.1.1 建筑负荷模拟概述 ······················ 25
4.1.2 建筑能耗模拟软件DeST ······················· 25
第5章 综合能源系统优化结果分析 ······················ 35
5.1 系统优化参数的选取与案例设计 ····················· 35
5.2 综合能源系统优化结果分析 ······················· 36
第6章 综合能源系统敏感性分析
6.1 P2G效率
P2G效率的改变必定会影响IES的产气量，而且会对系统的成本造成一定的影响。P2G效率对系统总成本和P2G产气量的影响如图6-1所示。
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由图6-1(a)可知，无论是耦合P2G还是耦合ORC和P2G的IES，系统的总成本都随P2G效率的增加而降低，且耦合P2G的系统总成本要高于耦合ORC和P2G的系统总成本。具体来说，耦合P2G的IES总成本由2 316万元减小到2 036万元，降低了280万元，耦合ORC和P2G的IES总成本由2 356万元减小到2 100万元，降低了256万元。其中，在不同P2G效率下，耦合ORC和P2G 的IES总成本都要比耦合P2G的IES总成本高约2.5%。由图6-1(b)可以看出，当P2G效率升高时，耦合P2G的IES产气量由96kW增加到221kW，耦合P2G的IES产气量由106 kW增加到240 kW，由此说明，P2G效率越高，电负荷转化为气负荷越多，产气量越多。此外，在不同P2G效率下，耦合ORC和P2G的系统产气量多于耦合P2G的系统的产气量，高出约1%。从而说明，P2G消耗的电能越多，产气量越多，系统的总成本越小，这是因为当电价较低、P2G转换率较高时，P2G倾向于吸收更多的电力来生产天然气，以降低系统的运行成本。
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结论与展望
本文针对IES设备的能量输出比与用户端的能量不匹配问题，提出了基于ORC和P2G的IES，建立了系统的数学模型与评价指标体系。对包含工业厂房、员工宿舍以及商业建筑的工业园区进行了负荷模拟，分析了系统耦合ORC和P2G后，对系统性能和配置的影响，以及考虑工业园区三类建筑负荷耦合互补设置一套供能系统时的系统与工业园区三类建筑分别单独设置供能系统的性能，重点分析了适用于建筑热电比范围的IES类型。最后，还对能源政策进行了敏感性分析，得出结论：
（1）从系统优化结果分析，无论IES单独耦合ORC和P2G，还是同时耦合ORC和P2G，系统的ATCR、CDER、PESR和IP都有所增大，呈现良好的综合性能。然而，只有同时耦合ORC和P2G的IES的经济性、节能性和环保性提高的最多。耦合P2G的IES与耦合ORC和P2G的IES的燃气轮机容量相较于未耦合ORC和P2G的IES与耦合ORC的IES的燃气轮机容量大。
（2）从工业园区优化结果分析，无论IES耦合ORC还是耦合P2G，考虑三类建筑负荷耦合互补设置一套功能系统时的系统性能优于三类建筑分别单独考虑时的性能，前者还能降低燃气轮机的装机容量，且两类系统的经济、能耗和环境性能都优于传统系统。
（3）从热电比的影响分析，热电比对系统性能和设备的输出有一定的影响。当热电比为0.02-0.42时，IES耦合ORC的系统综合性能最优；当热电比为0.43-3.21时，IES同时耦合ORC和P2G的系统综合性能最优；当热电比为3.22-4.74时，IES耦合P2G的系统综合性能最优。因此，在IES中，为了使系统更加灵活，当热电比为0.02-0.42时，需耦合ORC进行能量管理；当热电比为0.43-3.21时，同时耦合ORC和P2G进行能量管理；当热电比为3.22-4.74时，耦合P2G进行能量管理。采取上述的运行策略，固定的系统能量输出比与变化的用户侧负荷才能更加匹配。
参考文献（略）