基于清潔供熱技術(shù)組合的廠區(qū)綜合能源解決方案算法研發(fā)

杜勇博，袁茂博，張井坤，王 成，段 洋，車得福

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.思安新能源股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 前言

工業(yè)生產(chǎn)中往往需消耗大量能源。而很多企業(yè)的用能結(jié)構(gòu)中(諸如印染、食品加工等高耗能企業(yè))，熱能又占據(jù)非常大的比重[1-2]。近幾年各地逐漸禁止使用燃煤鍋爐，這給企業(yè)的生產(chǎn)供熱造成了很多麻煩。雖然有很多替代技術(shù)，如天然氣鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、熱泵、光熱、燃?xì)廨啓C(jī)、谷電儲(chǔ)熱等[3]，但成本相比燃煤鍋爐都會(huì)增加數(shù)倍。同時(shí)高耗能企業(yè)還面臨著減排污染物，提高能源利用效率，及可能來(lái)臨的降低碳排放等方面的政策限制[4]。

高耗能企業(yè)的用能特征都很復(fù)雜。一方面用能種類繁多，生產(chǎn)一種產(chǎn)品時(shí)會(huì)同時(shí)消耗熱能、冷能、電能[5]，且熱能還會(huì)分為不同細(xì)類(蒸汽，熱水，熱風(fēng)等)與不同品質(zhì)[6-7]。另一方面，同一產(chǎn)品在不同工段的用能差異、不同工段的時(shí)長(zhǎng)不同導(dǎo)致同一生產(chǎn)線上所有工段不能都連續(xù)作業(yè)，及整個(gè)廠區(qū)各生產(chǎn)線之間的協(xié)調(diào)導(dǎo)致企業(yè)的能耗隨時(shí)間波動(dòng)很大[8]。這就要求廠區(qū)的綜合能源解決方案不僅包含適合的供能技術(shù)組合方案，還要有具體的設(shè)備運(yùn)行指導(dǎo)策略。這樣的精細(xì)化能源管理對(duì)廠區(qū)降低供能成本具有重大意義。

現(xiàn)有的廠區(qū)綜合能源解決方案大多沿用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，工程師根據(jù)廠區(qū)最大用能負(fù)荷、供能技術(shù)限制條件及經(jīng)濟(jì)性等條件，按照經(jīng)驗(yàn)在眾多供能技術(shù)中選取一種或幾種組合成設(shè)計(jì)方案，再進(jìn)行系統(tǒng)方案校核計(jì)算。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能給出各供能設(shè)備的詳細(xì)運(yùn)行策略，難以實(shí)現(xiàn)供能和用能的精準(zhǔn)匹配。并且最終方案往往也無(wú)法適用于其他廠區(qū)。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域缺乏供能系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)方法、難以為供能設(shè)備匹配合適的運(yùn)行策略，及不同廠區(qū)的用能需求與供能設(shè)備使用的限制條件都差距巨大等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一套能提供工業(yè)生產(chǎn)中綜合能源解決方案的通用算法具有重要意義。

1 算法搭建方法

1.1 整體要求與思路

首先，算法需要達(dá)到以下兩方面的要求才能體現(xiàn)出相比傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到能源精細(xì)化管理的目標(biāo)：一是在設(shè)計(jì)供能方案時(shí)要考慮用能負(fù)荷的波動(dòng)性，不再簡(jiǎn)單地僅以負(fù)荷最大值為唯一條件；二是輸出的綜合能源解決方案不僅要包含供能技術(shù)組合方案，還需匹配具體每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行策略。

其次，在組合供能技術(shù)時(shí)，對(duì)供熱技術(shù)的選擇是最難的，也是最有優(yōu)化空間的。一方面由于供熱技術(shù)種類最多，包括了鍋爐、熱泵、光熱、燃?xì)廨啓C(jī)、外購(gòu)蒸汽等，必須按照企業(yè)具體的邊界條件進(jìn)行優(yōu)化匹配。另一方面由于供熱技術(shù)中有一些為聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，在計(jì)算聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的供能與用能的匹配及經(jīng)濟(jì)性方面都更加復(fù)雜。相比而言，常見(jiàn)的供冷技術(shù)只有熱泵和冷水機(jī)。因此在算法中選擇以供熱技術(shù)組合為優(yōu)化目標(biāo)。

1.2 核心優(yōu)化算法

供能設(shè)備組合問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)通常是供能的綜合成本最小，具體表示如下[9]

式中N——備選供能設(shè)備總數(shù)；

T——系統(tǒng)的調(diào)度總時(shí)段數(shù)；

ui,t——供能設(shè)備i在時(shí)段t的運(yùn)行狀態(tài)變量;

ui,t=0——不運(yùn)行;

ui,t=1——運(yùn)行；

pi,t——供能設(shè)備i在時(shí)段t的熱功率變量；

fi(pi,t)——供能設(shè)備i在功率pi,t下的綜合成本。

由于本文所開(kāi)發(fā)算法不是在已有設(shè)備組合方案的條件下優(yōu)化運(yùn)行，而是同時(shí)給出設(shè)備組合方案和運(yùn)行策略。因此作為優(yōu)化目標(biāo)的供能成本fi(pi,t)不僅是供能設(shè)備的運(yùn)行成本，而是將投資成本與運(yùn)行成本綜合考慮的一個(gè)變量(具體在3.4部分介紹)。

由于離散變量ui,t的存在使得該問(wèn)題變?yōu)?-1規(guī)劃問(wèn)題。而在一定的負(fù)載率內(nèi)，供能設(shè)備的出力與能源成本可視為二次函數(shù)，因此對(duì)能源成本的優(yōu)化求解可采用混合整數(shù)二次規(guī)劃(MIQP)模型，對(duì)該模型算法的介紹可參考文獻(xiàn)[10-14]。該算法已廣泛應(yīng)用于求解機(jī)組組合問(wèn)題，具有全局優(yōu)化能力。選取該模型的主要原因是可以對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行全程精準(zhǔn)的優(yōu)化分配，用負(fù)荷特征來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)輸出最佳的設(shè)計(jì)方案與匹配的運(yùn)行策略。

MIQP模型在Matlab 7.1環(huán)境下編程搭建，并調(diào)用Yalmip+Cplex 12.1求解MIQP。Cplex是IBM公司一款高性能的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題求解器，在求解中對(duì)離散變量ui,t采用拉格朗日松弛法來(lái)降低計(jì)算量，Yalmip用于便捷快速地調(diào)用Cplex進(jìn)行規(guī)劃求解。

1.3 算法框架

綜合歸納本算法的主要需求如下：

(1)根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)流程、產(chǎn)品工藝及耗能特征，預(yù)測(cè)企業(yè)的各項(xiàng)能源負(fù)荷；

(2)對(duì)各類清潔產(chǎn)熱設(shè)備與清潔節(jié)能供熱技術(shù)進(jìn)行建模；

(3)結(jié)合企業(yè)耗能特征及各類清潔產(chǎn)熱設(shè)備，構(gòu)建行業(yè)清潔供熱方案；

(4)提出多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選符合用戶需求的節(jié)能方案，并提供設(shè)備選型建議。

按照需求分析，設(shè)計(jì)了如圖1所示的算法結(jié)構(gòu)與開(kāi)發(fā)的邏輯框架。算法主要包括：廠區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、供能設(shè)備與技術(shù)模型、技術(shù)組合方案初篩與初選模塊模型及優(yōu)化算法模型。

圖1 算法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與邏輯框架

2 算法開(kāi)發(fā)(分模塊)

2.1 廠區(qū)用能負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊

對(duì)于能源計(jì)量缺乏或者不充分的廠區(qū)，或者新建廠區(qū)，預(yù)測(cè)用能負(fù)荷是合理匹配綜合能源解決方案的基礎(chǔ)。由于實(shí)際生產(chǎn)中，不僅廠區(qū)中各條生產(chǎn)線之間存在用能差異，每條生產(chǎn)線上的負(fù)荷也是波動(dòng)的，這都造成了負(fù)荷預(yù)測(cè)的困難。要對(duì)廠區(qū)用能負(fù)荷做準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，就要以每批產(chǎn)品在每個(gè)工段的能耗為基本單元。

在本文研究中選取了食品加工行業(yè)中液體乳、乳粉和啤酒這三類細(xì)分行業(yè)與印染行業(yè)中滌綸、棉布和筒子紗三類產(chǎn)品為代表。通過(guò)調(diào)研，獲取產(chǎn)品生產(chǎn)中的具體工藝流程與每個(gè)工序的耗能特征(包括蒸汽、熱水、熱風(fēng)、冷和電耗)。

在計(jì)算單條生產(chǎn)線的能耗特征時(shí)，假設(shè)生產(chǎn)該產(chǎn)品有五個(gè)工序，各工序時(shí)長(zhǎng)不一，總時(shí)長(zhǎng)為T(mén)sum，最長(zhǎng)工序時(shí)長(zhǎng)為T(mén)max。若第一輪生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)刻為T(mén)0，那第二輪生產(chǎn)從T0+Tmax開(kāi)始，以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)線上的最大連續(xù)生產(chǎn)量，同理第n輪生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)刻為T(mén)0+nTmax，直至第72 h。由于存在第n輪生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)間早于第n-1輪(甚至n-2輪)生產(chǎn)的結(jié)束時(shí)間，后將同一時(shí)刻所進(jìn)行的所有輪生產(chǎn)的負(fù)荷相加即為生產(chǎn)線負(fù)荷，選取第二天實(shí)時(shí)負(fù)荷作為基準(zhǔn)負(fù)荷，然后截取廠區(qū)工作開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間之間的基準(zhǔn)負(fù)荷值作為特征日的生產(chǎn)線負(fù)荷。再對(duì)每條生產(chǎn)線上的負(fù)荷進(jìn)行累加就可得到整個(gè)廠區(qū)的用能負(fù)荷。此外，考慮到存在有完備能源計(jì)量的已有廠區(qū)，因此在算法(軟件)中，廠區(qū)的用能負(fù)荷也可以從外部直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

2.2 供能設(shè)備與技術(shù)模塊

供能設(shè)備與技術(shù)模塊里包含了燃?xì)庹羝仩t、生物質(zhì)鍋爐、甲醇鍋爐、電鍋爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、外購(gòu)蒸汽、外購(gòu)熱水、燃?xì)鉄崴仩t、地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵、光熱、冷水機(jī)、谷電儲(chǔ)熱、市政供電總計(jì)17種常見(jiàn)的供能技術(shù)子模型。供能設(shè)備與技術(shù)模塊是整個(gè)算法的基礎(chǔ)，共有三個(gè)作用：

首先，本模塊是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別建立了每一項(xiàng)技術(shù)設(shè)備效率、投資成本與運(yùn)行成本的計(jì)算方法，其中集成了各類環(huán)境條件與經(jīng)濟(jì)性邊界條件的影響。在整體算法中通過(guò)調(diào)用本模塊可以輸出設(shè)備的投資成本，運(yùn)行效率與運(yùn)行成本等參數(shù)。

其次，由于本算法中設(shè)備容量并非已知的輸入條件，因此本模塊的第二個(gè)作用是通過(guò)廠區(qū)用能需求的最大負(fù)荷來(lái)選定設(shè)備容量和設(shè)備個(gè)數(shù)。對(duì)于鍋爐等有容量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，所選取的設(shè)備容量為不小于最大熱負(fù)荷的最小容量。

最后，在確定設(shè)備組合方案后，本模塊會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷選擇投入運(yùn)行的設(shè)備數(shù)目。具體方案是：如某種設(shè)備臺(tái)數(shù)為n，先假定n臺(tái)設(shè)備都以相同負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)設(shè)備帶載率低于(1-1/n)時(shí)就會(huì)關(guān)掉一臺(tái)設(shè)備，依次循環(huán)來(lái)保證每臺(tái)設(shè)備在較高帶載率下運(yùn)行。

2.3 技術(shù)組合方案初篩與初選模塊

在本算法的供能技術(shù)庫(kù)中，共有6種供蒸汽技術(shù)與7種供熱水技術(shù)。如直接枚舉全部組合方案的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將導(dǎo)致計(jì)算工作量過(guò)于龐大，甚至無(wú)法獲得最優(yōu)組合。因此在優(yōu)化組合之前需先利用廠區(qū)的一些邊界條件進(jìn)行初步的判斷，以確定潛在可用的供能技術(shù)與容量限制。初篩時(shí)，首先認(rèn)為電(蒸汽)鍋爐、冷水機(jī)、熱風(fēng)爐和市政供電四種供能技術(shù)的使用不受限制，有相應(yīng)負(fù)荷需求時(shí)會(huì)自動(dòng)添加到可選技術(shù)。對(duì)其余的供能技術(shù)，其是否可用于容量限制的初篩條件如表1所示。為提高輸出方案的實(shí)際可用性，在本模塊內(nèi)預(yù)設(shè)了一些常見(jiàn)的技術(shù)組合方案，通過(guò)和初篩后可用的單個(gè)技術(shù)取交集來(lái)輸出多種可選的技術(shù)組合方案。

表1 各類供能技術(shù)與設(shè)備的初篩條件

此外，考慮到用能企業(yè)可能會(huì)有一些特殊要求或者當(dāng)?shù)卣叩膭傂孕枨罂赡軙?huì)與初篩結(jié)果相矛盾，在選用潛在的技術(shù)組合方法時(shí)還可選取手動(dòng)初選的方式，用戶按自己需求直接選取可用的供能技術(shù)并設(shè)置各自容量限制。

2.4 方案優(yōu)化模塊

通過(guò)廠區(qū)用能負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊和方案初篩與初選模塊可以分別獲得廠區(qū)用能負(fù)荷特征和可選的供能技術(shù)與其各自容量范圍。但在供能方案中會(huì)有多種設(shè)備并行供一種熱能，僅用能負(fù)荷數(shù)據(jù)無(wú)法確定各設(shè)備的容量。而MIQP模型需要給定容量的條件下，才能優(yōu)化運(yùn)行策略，而無(wú)法對(duì)技術(shù)組合方案中各設(shè)備的容量進(jìn)行優(yōu)化。因此在本部分算法里，需要預(yù)設(shè)各設(shè)備的容量。如圖2所示，在滿足容量之和不小于最大負(fù)荷的條件下，對(duì)每個(gè)設(shè)備的容量以10%最大負(fù)荷為步長(zhǎng)枚舉出多種設(shè)備容量的組合(也需滿足在初篩模型中輸出的容量范圍)。

圖2 優(yōu)化目標(biāo)算法的總體層次

對(duì)一種技術(shù)組合方案中的任一組預(yù)設(shè)供熱容量方案，整體供能系統(tǒng)中其他設(shè)備(冷水機(jī)、變壓器等)的容量還沒(méi)確定，所以投資成本在這里還是變量。此處采用MIQP模型優(yōu)化時(shí)選取的目標(biāo)函數(shù)是年運(yùn)行成本加運(yùn)行年限內(nèi)平攤到每年的投資成本，即以一年的綜合供能成本最低為目標(biāo)尋優(yōu)。時(shí)間單元為一個(gè)小時(shí)，與負(fù)荷預(yù)測(cè)的輸出結(jié)果相匹配。但由于對(duì)整年做全程的負(fù)荷匹配優(yōu)化計(jì)算量會(huì)很大，因此在算法中選取非供暖非供冷日、供冷日、供暖日三個(gè)特征日共計(jì)72 h進(jìn)行負(fù)荷匹配優(yōu)化計(jì)算，再按三個(gè)特征日在全年各占的比例來(lái)拓展出全年的累計(jì)結(jié)果。

廠區(qū)用能包含了蒸汽、熱水、熱風(fēng)、冷及電等5種形式的能源。一些廠區(qū)會(huì)將供應(yīng)的蒸汽采用梯級(jí)利用來(lái)滿足部分或者全部的熱水負(fù)荷，即蒸汽的供應(yīng)情況會(huì)影響對(duì)熱水供應(yīng)量的需求。因此對(duì)各類型的能耗負(fù)荷分別優(yōu)化時(shí)，對(duì)蒸汽負(fù)荷的優(yōu)化應(yīng)該在邏輯順序上優(yōu)先于熱水負(fù)荷。同理，熱水負(fù)荷中熱泵的使用會(huì)影響供冷技術(shù)方案的選擇，因此對(duì)熱水負(fù)荷的優(yōu)化應(yīng)該優(yōu)先于冷負(fù)荷。而蒸汽負(fù)荷優(yōu)化中，燃?xì)廨啓C(jī)的使用會(huì)影響市政供電的需求量，且所有供冷/熱設(shè)備的運(yùn)行情況都會(huì)影響全廠的耗電量，因此對(duì)電負(fù)荷的計(jì)算應(yīng)在其他所有負(fù)荷優(yōu)化之后。

具體優(yōu)化邏輯如圖3所示，其中每一步的對(duì)供蒸汽或熱水的技術(shù)組合采用MIQP模型優(yōu)化時(shí)，所選取的目標(biāo)函數(shù)是匹配全局所有能源負(fù)荷(熱、冷、電)的供能成本而非只有供熱成本。即熱泵以外的冷負(fù)荷默認(rèn)用冷水機(jī)補(bǔ)齊，熱電聯(lián)產(chǎn)以外的電負(fù)荷默認(rèn)用市政供電補(bǔ)齊，再將所有供熱(包括聯(lián)產(chǎn))設(shè)備的投資/運(yùn)行成本加上這部分冷水機(jī)和市政供電的投資/運(yùn)行成本作為最終目標(biāo)函數(shù)。

圖3 優(yōu)化算法邏輯

在具體的優(yōu)化算法邏輯中，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類：

(1)若無(wú)蒸汽設(shè)備，則直接按虛線框內(nèi)流程對(duì)熱水負(fù)荷進(jìn)行匹配優(yōu)化。若熱水負(fù)荷匹配優(yōu)化結(jié)果中包含熱泵類設(shè)備，則認(rèn)為該熱泵設(shè)備在供冷季能夠提供與供暖季制熱量等量的冷量。廠區(qū)的冷負(fù)荷核減掉熱泵在供冷季提供的冷量后，用冷水機(jī)補(bǔ)齊。最后對(duì)廠區(qū)電負(fù)荷進(jìn)行匹配計(jì)算。核減冷量時(shí)，若出現(xiàn)負(fù)值，則統(tǒng)一以0計(jì)算。

(2)若無(wú)熱水設(shè)備，則將蒸汽負(fù)荷與熱水負(fù)荷進(jìn)行疊加后再用蒸汽設(shè)備進(jìn)行匹配優(yōu)化計(jì)算(默認(rèn)蒸汽通過(guò)梯級(jí)利用來(lái)滿足熱水負(fù)荷)。若蒸汽負(fù)荷匹配優(yōu)化結(jié)果中包含熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，則廠區(qū)的電負(fù)荷核減掉聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的發(fā)電量后，為實(shí)際需購(gòu)買(mǎi)的市政電量。核減電量時(shí)，若出現(xiàn)負(fù)值，則統(tǒng)一以0計(jì)算(即發(fā)出的電僅供廠區(qū)自用，并網(wǎng)不上網(wǎng))。

(3)若既存在蒸汽設(shè)備，又包含熱水設(shè)備，則將蒸汽負(fù)荷與熱水負(fù)荷分開(kāi)計(jì)算。首先進(jìn)行蒸汽負(fù)荷的匹配優(yōu)化計(jì)算，但由于設(shè)備出力有下限限制，蒸汽出力大于蒸汽負(fù)荷的情況下，過(guò)剩的蒸汽熱值默認(rèn)梯級(jí)利用來(lái)滿足部分熱水負(fù)荷。隨后再匹配優(yōu)化核減過(guò)的熱水負(fù)荷。如果設(shè)備中含有燃機(jī)或熱泵，則按照(1)和(2)中提到的邏輯對(duì)廠區(qū)預(yù)測(cè)的電負(fù)荷與冷負(fù)荷進(jìn)行核減。

圖4算法的輸出結(jié)果是一組預(yù)設(shè)容量下的最佳運(yùn)行策略，再通過(guò)對(duì)比所有容量組合分別在最佳運(yùn)行策略下綜合供能成本而選出最優(yōu)的結(jié)果，即是一種技術(shù)組合的最優(yōu)容量分配方案與匹配的運(yùn)行策略(如圖3所示)。在這種計(jì)算方法下，如果是兩種設(shè)備組合供同一種熱能，容量組合方案最多會(huì)有11種；三種設(shè)備最多會(huì)有11×11種(辦公電腦4線程并行計(jì)算需要3～4 min)，四種最多會(huì)有11×11×11種(辦公電腦4線程并行計(jì)算需要30～40 min)，依此類推。因此考慮算法軟件的實(shí)用性，一般在方案初篩與初選模型中供同一種熱能的設(shè)備不超過(guò)3種，最多不超過(guò)4種。

圖4 軟件界面

2.5 結(jié)果輸出與評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3的算法輸出結(jié)果為技術(shù)組合的具體方案(各設(shè)備的容量分配)與匹配的最佳運(yùn)行策略，同時(shí)輸出其年運(yùn)行成本、年燃料消耗量(換算為標(biāo)煤)、設(shè)備初投資以及整體方案的綜合能源利用效率。對(duì)初篩輸出的多種技術(shù)組合，用戶可以按照自己的需求或偏好以這些關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)選擇方案，也可以通過(guò)將各項(xiàng)指標(biāo)歸一化并添加各自權(quán)重進(jìn)行比選。

3 算法(軟件)測(cè)試結(jié)果

基于本文的算法，在Matlab平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一款商用軟件，軟件的主界面如圖4所示。將所有廠區(qū)邊界條件分為四類：廠區(qū)基礎(chǔ)條件、可輸入能源成本、廠區(qū)生產(chǎn)耗能情況及默認(rèn)參數(shù)。其中默認(rèn)參數(shù)的數(shù)值為表1中所列出的技術(shù)初篩的特征參數(shù)，每類邊界條件都有次級(jí)界面進(jìn)行輸入。輸入邊界條件后，可以點(diǎn)擊初選設(shè)備對(duì)設(shè)備初選，再初選方案即得到推薦的組合方案，用戶可選擇不多于4個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。另外，用戶可進(jìn)入“用戶定義方案”自定義組合方案。其中，供熱水和蒸汽的設(shè)備不超過(guò)7種，選擇設(shè)備類型后，設(shè)備容量將從設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用，用戶可根據(jù)需求選擇合適的設(shè)備容量進(jìn)行計(jì)算。光熱、冷水機(jī)、熱風(fēng)爐和市政供電會(huì)按照負(fù)荷需求自動(dòng)添加為可用設(shè)備而不需要在這里選取。

選擇的組合計(jì)算完成后，可以查看計(jì)算結(jié)果。以“燃?xì)忮仩t+燃?xì)廨啓C(jī)+空氣源熱泵”的組合模型為例，當(dāng)前負(fù)荷下，設(shè)備組合方案為：3 t蒸汽鍋爐1臺(tái)、2 100 kW燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)一套、10 t熱水鍋爐1臺(tái)、1 000 kW空氣源熱泵6臺(tái)、420 kW冷水機(jī)4臺(tái)，各設(shè)備的運(yùn)行策略如圖5所示。圖5a中設(shè)備1與設(shè)備2，依次代表所選的供蒸汽設(shè)備，即燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C(jī)；圖5b中第三個(gè)特征日(供暖日)供熱水采用空氣源熱泵，第一、二個(gè)特征日(非供暖日)采用熱水鍋爐；圖5c中第一、三個(gè)特征日供冷采用冷水機(jī)，第二個(gè)特征日(供冷日)由空氣源熱泵制冷；圖5d中由于燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的存在，因此市政供電只需要提供部分電力。

圖5 設(shè)備運(yùn)行策略輸出結(jié)果:(a.供蒸汽設(shè)備，b.供熱水設(shè)備，c.供冷設(shè)備，d.供電設(shè)備)

4 結(jié)論

本文以混合整數(shù)二次規(guī)劃(MIQP)模型為核心算法，依托Matlab平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一套基于清潔供熱技術(shù)組合優(yōu)化的廠區(qū)綜合能源解決方案算法。算法包含了廠區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型、供能設(shè)備與技術(shù)模型、設(shè)備初篩與技術(shù)組合方案初篩模型以及核心優(yōu)化算法模型。各個(gè)模型之間信息相互傳遞調(diào)用，規(guī)定了不同設(shè)備供能的層級(jí)關(guān)系，最后運(yùn)用優(yōu)化算法得到運(yùn)行策略。

軟件測(cè)試結(jié)果顯示，綜合能源解決方案算法能夠通過(guò)比選及優(yōu)化得到滿足廠區(qū)負(fù)荷條件下最為經(jīng)濟(jì)的供熱技術(shù)組合方案及運(yùn)行策略。該算法可以根據(jù)輸入的邊界條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備選擇及部分運(yùn)行參數(shù)，并快速提供經(jīng)濟(jì)的供熱技術(shù)組合方式，很大程度改善了粗放的設(shè)備選擇與運(yùn)行的模式，為精細(xì)化能源管理提供了基礎(chǔ)。

致謝

感謝榆林科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY-2020-044)對(duì)本研究的資助。感謝中國(guó)燃?xì)夤疚鞅惫ぷ鹘M組長(zhǎng)韓濤、國(guó)家特種設(shè)備檢測(cè)研究院工程師于吉民、福建大為能源公司董事長(zhǎng)李峯華、中紡印染園區(qū)平臺(tái)副秘書(shū)長(zhǎng)高陽(yáng)提供的信息與資料。