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★中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院丁奕，劉軍梅，王丹，張瑋

關(guān)鍵詞：海水淡化；風(fēng)光發(fā)電；容量?jī)?yōu)化

1　研究背景

海水淡化技術(shù)是將高含鹽量的海水，通過(guò)蒸餾、反滲透等手段，轉(zhuǎn)化為可飲用的淡水用于生產(chǎn)生活的過(guò)程。海水淡化過(guò)程的進(jìn)行依賴于電力供應(yīng)，特別是工藝過(guò)程中取水、升壓、反洗等都會(huì)消耗大量電力，被認(rèn)為是一種“以電換水”的過(guò)程。海水淡化也是一種能量密集型產(chǎn)業(yè)。

從海水淡化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景考慮，除了在大型工業(yè)園區(qū)建設(shè)的依賴于電網(wǎng)供電的大型集中式海水淡化廠以外，另一種重要的應(yīng)用領(lǐng)域是為海島、船舶等提供用水保障。在這些場(chǎng)景中，電網(wǎng)建設(shè)投資巨大，經(jīng)濟(jì)效益低，一般采用獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)，所以難以為海水淡化系統(tǒng)提供充足且穩(wěn)定的電力。因此，為了維持海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行所需的電力供應(yīng)，需要采取自給自足的方式。而就地采用風(fēng)力光伏發(fā)電，為海水淡化單元供能，是一種可行的技術(shù)路線。近年來(lái)風(fēng)能、太陽(yáng)能技術(shù)的快速進(jìn)步和成本的快速下降，也為新能源與海水淡化結(jié)合應(yīng)用提供了有利條件，制水成本有望控制在商業(yè)可行的范圍內(nèi)。

然而，風(fēng)電光伏的發(fā)電量取決于當(dāng)時(shí)的風(fēng)速和光照條件，具有明顯的間歇性和不可預(yù)測(cè)性，在應(yīng)用過(guò)程中構(gòu)成技術(shù)挑戰(zhàn)。與新能源相結(jié)合的海水淡化單元，其運(yùn)行邏輯、容量匹配都需要根據(jù)新能源供電的特性重新開(kāi)展設(shè)計(jì)。

本文以光伏為例，提出了光伏、儲(chǔ)能、海水淡化協(xié)同運(yùn)行的策略，并根據(jù)海水淡化裝置的處理容量、運(yùn)行模式和光伏發(fā)電變化規(guī)律，匹配設(shè)計(jì)出性價(jià)比較高的新能源供電系統(tǒng)，以達(dá)到在滿足供水要求的前提下，盡可能節(jié)約海水淡化系統(tǒng)的整體投資的目標(biāo)。本文將從能量平衡的角度，考慮海水淡化裝置用電需求及風(fēng)光發(fā)電的耦合關(guān)系，尋找成本最低的方案。應(yīng)當(dāng)指出，在離網(wǎng)項(xiàng)目中，為了維持微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，還需要額外配置儲(chǔ)能或同步發(fā)電機(jī)，但該部分研究不在討論范圍內(nèi)。

2　方法描述

2.1　運(yùn)行邏輯

本文以光伏與海水淡化耦合運(yùn)行為例，設(shè)想了一套運(yùn)行規(guī)則，并以此為基礎(chǔ)結(jié)合典型光伏發(fā)電出力數(shù)據(jù)，得到了整個(gè)系統(tǒng)全年運(yùn)行的結(jié)果指標(biāo)，作為后續(xù)方案比選的基礎(chǔ)。

為了與光伏發(fā)電相吻合，設(shè)定海水淡化的運(yùn)行時(shí)間為每天7點(diǎn)到17點(diǎn)。在此期間，根據(jù)每小時(shí)的發(fā)電情況，決定海水淡化裝置是否啟動(dòng)，對(duì)于多模塊制水裝置，確定啟用的模塊數(shù)量。此外，由于海水淡化裝置的啟動(dòng)和關(guān)閉需要執(zhí)行一系列流程，耗時(shí)約30～60分鐘，且伴隨一定的用電需求，因此，在模擬運(yùn)行時(shí)可以將啟動(dòng)和關(guān)停過(guò)程單獨(dú)定義，作為停機(jī)和運(yùn)行之間的過(guò)渡狀態(tài)，有電量消耗，但沒(méi)有制水量產(chǎn)生。綜上，可以將制水系統(tǒng)分為待機(jī)、啟動(dòng)流程、運(yùn)行、關(guān)閉流程4種狀態(tài)，制水系統(tǒng)每個(gè)小時(shí)處于其中的一種狀態(tài)，4種狀態(tài)的循環(huán)過(guò)程如圖1所示。

圖1 海水淡化制水單元狀態(tài)分解

為保障制水單元可靠平穩(wěn)運(yùn)行，避免頻繁啟停動(dòng)作，運(yùn)行邏輯設(shè)定制水單元啟動(dòng)的前提條件是光伏未來(lái)2個(gè)小時(shí)的發(fā)電量都能夠維持制水系統(tǒng)工作的用電量；在制水單元啟動(dòng)后，如果出現(xiàn)光伏發(fā)電量不足的情況，允許依靠?jī)?chǔ)能放電來(lái)維持制水單元工作，但儲(chǔ)能單元必須保證留出電量完成關(guān)停流程，否則，制水過(guò)程停止，啟動(dòng)關(guān)停流程，使制水單元過(guò)渡到停機(jī)狀態(tài)。

以上運(yùn)行邏輯是針對(duì)光伏供能場(chǎng)景提出的，如果系統(tǒng)中還有風(fēng)電供能，應(yīng)當(dāng)對(duì)策略作出相應(yīng)調(diào)整。但風(fēng)能發(fā)電的波動(dòng)性更明顯，可預(yù)測(cè)性更差，問(wèn)題將相對(duì)復(fù)雜，對(duì)海水淡化裝置運(yùn)行靈活性也將有所要求。

2.2　約束條件

考慮到海水淡化的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，如海島、船舶等，一般每天都有固定的生活用水需求。而當(dāng)利用光伏為海水淡化裝置供能時(shí)，每天的可用綠電電量及制水量有所不同。為解決該矛盾，一方面是設(shè)置一定的儲(chǔ)水設(shè)施，但出于衛(wèi)生要求考慮，儲(chǔ)水時(shí)間有所限制；另一方面是調(diào)整光伏和儲(chǔ)能的配置容量，使得每天的制水量相對(duì)穩(wěn)定。

在本研究中，要求每天目標(biāo)制水量為海水淡化裝置容量7小時(shí)的產(chǎn)量，當(dāng)光照條件不佳時(shí)，允許出現(xiàn)缺額，但要求在7天內(nèi)補(bǔ)足。不能滿足該要求的光、儲(chǔ)容量配置視為不可行方案。

2.3　電源及儲(chǔ)能配置方法

對(duì)于某一個(gè)具體項(xiàng)目，海水淡化的規(guī)模取決于用水需求，因而通常認(rèn)為是已知的。需要求解的是確定為該制水裝置配套的光伏發(fā)電以及儲(chǔ)能的規(guī)模。本文提出的配置方法是以單位制水量成本最低為目標(biāo)，并且要求滿足一定的約束條件（見(jiàn)§3.3節(jié)），尋找合適的光伏及儲(chǔ)能裝機(jī)容量方案。

為了達(dá)到上述目的，首先構(gòu)造制水成本目標(biāo)函數(shù)，即對(duì)某一個(gè)給定的光伏及儲(chǔ)能裝機(jī)方案，基于2.1所提出的運(yùn)行邏輯，對(duì)全年8760小時(shí)逐小時(shí)模擬運(yùn)行，并計(jì)算得到制水量、耗電量、棄電量等指標(biāo)，再結(jié)合光伏及儲(chǔ)能的造價(jià)，計(jì)算項(xiàng)目全生命周期內(nèi)每噸水的成本。制水單元本身的投資不包含在上述成本計(jì)算中，但考慮到制水單元的規(guī)模是固定的，且投資在系統(tǒng)中占比較小，因此對(duì)光伏、儲(chǔ)能容量的尋優(yōu)求解并沒(méi)有顯著的影響。

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建完成后，就可以從數(shù)學(xué)上求解使制水成本最低的光伏和儲(chǔ)能配置方案。本文采用scikitopt中的粒子群算法來(lái)求解。

3　案例分析

3.1　條件

本節(jié)將上述容量配置方法應(yīng)用于某項(xiàng)目。該項(xiàng)目中海水淡化裝置技術(shù)參數(shù)以單模塊5t/h為例，如表1所示，并假定各種工況下的用電負(fù)荷都與裝置的小時(shí)制水能力成正比。系統(tǒng)中光伏、儲(chǔ)能的造價(jià)及項(xiàng)目周期參數(shù)如表2所示。此外，我們選取了某地的光伏8760小時(shí)發(fā)電量曲線，在圖2中以熱力圖的形式表示每小時(shí)單位裝機(jī)發(fā)電量（kWh/kW），每一格代表一個(gè)小時(shí)，并以顏色表示發(fā)電量數(shù)值。

表1 制水單元技術(shù)參數(shù)（以5t/h單模塊為例）

表2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)測(cè)算參數(shù)

圖2 全年逐日單位光伏發(fā)電量熱力圖

3.2　5t/h模塊配置方案

在§3.1節(jié)所示的輸入條件下，為1套5t/h海水淡化模塊配置光伏和儲(chǔ)能，以滿足§2.2節(jié)中的供水穩(wěn)定性要求。在經(jīng)過(guò)10000組備選方案試算后，得到的最優(yōu)配置為170.93kW光伏、136.11kWh儲(chǔ)能。在此條件下每年的總制水量為15305噸，共有48天未能完成35噸的制水量目標(biāo)，但都在不超過(guò)5天時(shí)間內(nèi)補(bǔ)齊。全年棄電率為46.38%，可見(jiàn)系統(tǒng)配置為了保障供水的相對(duì)穩(wěn)定，在電能利用率上有較大的妥協(xié)。

圖3表示某日的發(fā)電量（上半部）及用電量（下半部）情況，基于該日的光伏發(fā)電情況，海水淡化裝置上午8時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)流程，9時(shí)開(kāi)始產(chǎn)水，共運(yùn)行7小時(shí)，并于下午4時(shí)停止運(yùn)行，其中14:00-16:00時(shí)段內(nèi)，光伏發(fā)電量不足，通過(guò)儲(chǔ)能釋放部分電量來(lái)維持海水淡化的運(yùn)行。

圖3 某日逐時(shí)發(fā)電量及用電量

3.3　單套10t/h與2套5t/h配置方案對(duì)比

假定某項(xiàng)目有10t/h的海水淡化需求，可以配置1套10t/d模塊或者2套5t/d模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種方式下得到的配置方案，如表3所示，由于2套5t/d模塊的方案提供了更強(qiáng)的運(yùn)行靈活性，啟動(dòng)運(yùn)行的門(mén)檻更低，因而能夠利用較少的光伏和儲(chǔ)能裝機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)大致相同的海水淡化制水量。相應(yīng)地，其棄電率和噸水成本也更低。

表3 單套10t/h與2套5t/h配置方案對(duì)比

4　結(jié)論

本文以光伏供能的海水淡化系統(tǒng)為例，提出了一種光伏及儲(chǔ)能容量配置方法。該方法首先需要設(shè)想系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度邏輯，并依據(jù)該邏輯模擬系統(tǒng)全年的運(yùn)行，計(jì)算得到包括噸水成本在內(nèi)的參數(shù)，再利用算法尋優(yōu)，求解噸水成本最低的方案。

采用該方法，本文利用某地的光伏全年逐時(shí)發(fā)電量數(shù)據(jù)，分別研究了5t/h及10t/h場(chǎng)景下的光伏、儲(chǔ)能配置方案。結(jié)果表明，通過(guò)光伏的超額配置以及一定量的儲(chǔ)能設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)制水的相對(duì)穩(wěn)定，但棄電率較高。對(duì)于10t/h場(chǎng)景，設(shè)置2套5t/h模塊可以獲得一定的靈活性，棄電率及噸水成本有一定的降低。

作者簡(jiǎn)介：

丁　奕（1987-），男，工程師，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，主要從事氫能技術(shù)研究、系統(tǒng)優(yōu)化配置等工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年9月刊