燃氣內(nèi)燃機智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件研發(fā)

劉義達，祁金勝，尹曉東，李官鵬，胡訓(xùn)棟，韓吉田

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061）

0 引言

智慧能源是通過技術(shù)創(chuàng)新和制度變革，將人類智慧融匯到能源開發(fā)利用、生產(chǎn)消費的全過程，從而建立的符合生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展要求的一種全新能源技術(shù)和制度體系。智慧能源具有自組織、自檢查、自平衡、自優(yōu)化等人類大腦功能，可以滿足系統(tǒng)、安全、清潔和經(jīng)濟等要求，為解決日益嚴峻的能源短缺和環(huán)境污染難題、實現(xiàn)能源的安全、穩(wěn)定、清潔和可持續(xù)利用開辟了新思路［1］。

由燃氣內(nèi)燃機動力裝置、制冷系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等組成的燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，已成為智慧能源和分布式供能系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一［2］。由于該多聯(lián)供系統(tǒng)涉及多個不同能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)和裝置的耦合集成，其優(yōu)化設(shè)計包括設(shè)備選型、容量配置和參數(shù)匹配等諸多環(huán)節(jié)、不同約束條件和優(yōu)化目標，是一個典型的非線性多目標優(yōu)化問題［3-8］。目前其優(yōu)化設(shè)計工作主要由人工進行，設(shè)計方案依賴設(shè)計者的水平和經(jīng)驗，而且設(shè)計周期長，難以得到系統(tǒng)的最優(yōu)方案。因此，開發(fā)一套智能化的多聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件具有至關(guān)重要的理論意義和工程應(yīng)用價值［9-10］。

以燃氣內(nèi)燃機多聯(lián)供系統(tǒng)為優(yōu)化設(shè)計對象［11］，自主研發(fā)了燃氣內(nèi)燃機智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件，包括單機版和網(wǎng)絡(luò)版兩個版本，其中網(wǎng)絡(luò)版軟件可遠程授權(quán)目標用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠程登錄使用。根據(jù)用戶負荷和設(shè)計要求，設(shè)計者可在軟件界面中選擇系統(tǒng)方案，優(yōu)選所需的設(shè)備品牌及型號，以年最小費用為最優(yōu)化目標得到優(yōu)化方案。軟件操作簡單快捷，可顯著提高設(shè)計效率、降低成本，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 軟件組成

在建立智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型和構(gòu)建其可供選擇的設(shè)備數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，利用LPSolve 軟件建立了以年最小費用為目標函數(shù)的混合整數(shù)線性規(guī)劃算法［12］，并用python 語言開發(fā)了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計平臺的用戶界面。該軟件可根據(jù)用戶的冷熱電負荷等參數(shù)，快速實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、設(shè)備選型及其實時運行工況分析，可為智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供方便高效準確的軟件工具平臺。

該智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件主要由下述功能模塊組成，其流程如圖1 所示。

圖1 軟件流程

1）設(shè)備數(shù)據(jù)庫。設(shè)備數(shù)據(jù)庫模塊包含燃氣內(nèi)燃機、吸收式制冷（溴化鋰機組）、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、電制冷機組（冷水機組）等國內(nèi)外不同廠家不同型號的設(shè)備參數(shù)等信息，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與管理。用戶可根據(jù)需求手動或自動選擇廠家，可以在線添加并修改設(shè)備型號與參數(shù)，軟件也可對已經(jīng)選擇的設(shè)備進行優(yōu)化。通過數(shù)據(jù)庫IP 地址和名稱的設(shè)置保證數(shù)據(jù)庫安全可靠，通過數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)測試保證數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定可靠。

2）方案選擇。根據(jù)實際工程設(shè)計需要，可從煙氣熱水型溴化鋰制冷系統(tǒng)、蒸汽型余熱鍋爐系統(tǒng)和熱水型余熱鍋爐系統(tǒng)中選擇合適的多聯(lián)供系統(tǒng)方案。

3）優(yōu)化設(shè)計。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計包括設(shè)備選型、設(shè)備匹配、參數(shù)優(yōu)化和經(jīng)濟分析等。用戶選擇方案后，可以導(dǎo)入用戶端冷熱電負荷，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中設(shè)備參數(shù)，輸入能源價格，以系統(tǒng)最小總費用為優(yōu)化目標，通過優(yōu)化算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而獲得系統(tǒng)最優(yōu)容量配置、設(shè)備型號及各設(shè)備實時運行工況參數(shù)。

4）后臺管理。后臺管理包括用戶管理、管理用戶權(quán)限等。軟件運行后需要用戶登錄，登錄需要從數(shù)據(jù)庫中獲取密碼，軟件管理員可設(shè)置用戶的訪問權(quán)限。

5） 評估報告。評估報告是按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的模板輸出Word 格式的多聯(lián)供系統(tǒng)尋優(yōu)方案報告。尋優(yōu)方案評估報告包括設(shè)備選型結(jié)果、設(shè)備運行工況分析、系統(tǒng)費用、經(jīng)濟性指標和典型日系統(tǒng)運行圖等。

6）軟件安全。軟件安全包括數(shù)據(jù)安全，網(wǎng)絡(luò)接入安全等。數(shù)據(jù)庫的訪問、修改等操作需要先驗證數(shù)據(jù)庫IP、密碼等信息，以保證數(shù)據(jù)庫的安全。用戶在使用軟件之前需要獲得授權(quán)后才能登錄系統(tǒng)，以保證軟件安全。

2 設(shè)計案例

利用該軟件平臺對多個實際燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項目進行優(yōu)化設(shè)計，得到了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，驗證了該軟件平臺的高效性和準確可靠性。以濟南市某燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計項目為例，選擇煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)方案（如圖2 所示），輸入相應(yīng)計算參數(shù)，選擇設(shè)備的廠家和型號等參數(shù)，利用該軟件平臺獲得該聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計方案。

2.1 能源價格及負荷參數(shù)

表1 給出了濟南市不同時段的電價。天然氣的價格為2.6 元／m3，其熱值為37.8 mJ／m3。

圖2 燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

表1 不同時段電價

取1 年內(nèi)4 天的典型日負荷分別代表春夏秋冬四季的冷熱電負荷，可得到該建筑的冷熱電負荷曲線分別如圖3—圖6 所示。

由圖3、圖5 和圖6 可知，春秋和冬三個季節(jié)有熱和電負荷，沒有制冷負荷，且熱電負荷在一個典型日的24 h 內(nèi)是隨時間變化的。與春秋冬季不同，夏季有冷熱電三種負荷，且冷熱電三種負荷在一個典型日的24 h 內(nèi)也是隨時間變化的。

2.2 設(shè)備選擇

1）燃氣內(nèi)燃機。如表2 所示，從設(shè)備數(shù)據(jù)庫中選擇GE 公司的顏巴赫（Jenbacher）燃氣內(nèi)燃機。

2）燃氣鍋爐。如表3 所示，選擇數(shù)據(jù)庫中的中太鍋爐。

3）電制冷機（冷水機組）。如表4 所示，選擇數(shù)據(jù)庫中的日立電制冷機。

圖3 春季冷熱電負荷

圖4 夏季冷熱電負荷

圖5 秋季冷熱電負荷

圖6 冬季冷熱電負荷

表2 燃氣發(fā)動機（GE 顏巴赫）

表3 燃氣鍋爐（中太鍋爐）參數(shù)

表4 日立冷水機組參數(shù)

4）溴化鋰吸收式制冷機組。如表5 所示，選擇數(shù)據(jù)庫中的雙良燃氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機組。

表5 雙良溴化鋰吸收式制冷機組參數(shù)

2.3 優(yōu)化結(jié)果

在軟件平臺用戶操作界面中點擊“優(yōu)化計算”按鈕，可得到該案例的自動尋優(yōu)結(jié)果，設(shè)備選型和系統(tǒng)費用的優(yōu)化結(jié)果分別如表6 和表7 所示。

利用軟件平臺得到的多聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化運行策略分別如圖7—圖15 所示。

1）電負荷。

春夏秋冬的用電負荷分布如圖7—圖9 所示。該項目的夏季電負荷較大，故以夏季設(shè)備運行策略為例進行分析。如圖8 所示，電負荷主要由型號為J316GS 的顏巴赫燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組和電網(wǎng)購電提供。在00∶00—07∶00（電價谷段），主要由電網(wǎng)購電滿足用戶的電負荷需求。在其他時段3 臺燃氣發(fā)電機組都滿負荷運行，其輸出的最大電功率為2 505 kW，不足的用戶電負荷再由電網(wǎng)購電滿足。

表6 設(shè)備選型結(jié)果

表7 系統(tǒng)費用 萬元

圖7 春季電負荷隨時間的變化曲線

圖8 夏季電負荷隨時間的變化曲線

圖9 秋季電負荷隨時間的變化曲線

圖10 冬季電負荷隨時間的變化曲線

2）熱負荷。

春夏秋冬的熱負荷隨時間的變化如圖11—圖14所示。該項目冬季熱負荷較大，故以冬季為例分析系統(tǒng)的運行策略。如圖14 所示，熱負荷主要由溴化鋰吸收式制冷機組、換熱器以及中太鍋爐機組滿足。由于溴化鋰吸收式制冷機的驅(qū)動熱源是燃氣內(nèi)燃機的排氣和缸套水余熱，溴化鋰吸收式制冷機最多可提供1 000 kW 左右的熱負荷，不足部分的熱負荷由換熱器和型號為cwns7-95／70-YQ、額定功率為7 000 kW 的中太鍋爐一起提供。

圖11 春季制熱量隨時間的變化曲線

圖12 夏季制熱量隨時間的變化曲線

圖13 秋季制熱量隨時間的變化曲線

圖14 冬季制熱量隨時間的變化曲線

3）制冷量。

只有夏季有制冷負荷需求，其他季節(jié)不需要制冷負荷。如圖15 所示，夏季制冷負荷主要由溴化鋰吸收式制冷機組和日立電制冷機組滿足。在00∶00—07∶00 （電價谷段），全部冷負荷由型號為HCF900GSG、額定功率為3 165 kW 的日立電制冷機組滿足。在其他時段（非電價谷段），溴化鋰吸收式制冷機組可提供2 500 kW 左右的制冷量，剩余部分的制冷負荷由日立電制冷機組滿足。

圖15 夏季制冷量隨時間的變化曲線

3 結(jié)語

研發(fā)了基于燃氣內(nèi)燃機的智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件，以濟南市某燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計項目為算例驗證了該軟件的準確性和高效性。該軟件界面友好，功能強，數(shù)據(jù)庫設(shè)備及其參數(shù)齊全，操作簡捷，計算速度快，一鍵即可導(dǎo)出優(yōu)化結(jié)果、Word 版優(yōu)化方案報告，可以滿足燃氣內(nèi)燃機智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的需要，為智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行策略分析提供了一種有效實用的軟件平臺。