寒冷地區(qū)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置

張 雯 趙婉月 李法庭 介鵬飛

(1.青島大學后勤管理處，山東 青島 266071; 2.北京石油化工學院，北京 102617)

目前，我國的能源消費總量約為46.8億t標準煤[1]，但我國的能源資源還相對短缺，而且對能源的利用率較低。天然氣冷熱電聯(lián)供是一種基于能源梯級利用的分布式能源系統(tǒng)，通過利用發(fā)電產(chǎn)生的余熱為建筑物提供需要的冷、熱負荷，即同時供應電、冷、熱負荷，大大提高了能源的利用率。為了充分發(fā)揮系統(tǒng)在節(jié)約成本、節(jié)能減排等方面的優(yōu)勢，對系統(tǒng)進行優(yōu)化配置是非常有必要的。

1 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

巴林[2]研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的燃氣輪機、雙效吸收式機組和蓄能裝置的優(yōu)化配置。通過分析燃氣輪機單位容量成本與外功率的關(guān)系、發(fā)電效率和制熱效率與負載率的關(guān)系、儲能裝置與雙效吸收式機組能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，結(jié)合運行模式對系統(tǒng)進行優(yōu)化。最后以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標，采用混沌粒子群優(yōu)化算法來得出優(yōu)化結(jié)果，并指出儲能裝置對系統(tǒng)的運行成本和調(diào)節(jié)冷熱平衡具有積極的作用。鄭拓[3]針對分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了研究，在考慮經(jīng)濟、節(jié)能和環(huán)保的情況下，先對系統(tǒng)進行建模，之后確定了經(jīng)濟、能耗、環(huán)境的各項指標，并建立了針對運行策略和設備安裝容量的評價體系，最后采用模式搜索算法對系統(tǒng)的運行策略進行了優(yōu)化，從設備初始投資年值、年維護費用、年運行費用的經(jīng)濟指標，一次能源利用率、一次能源節(jié)約率、火用效率的能耗指標，以及各污染物的二氧化碳當量的環(huán)境指標進行分析，得出了最優(yōu)的運行策略，并確定了設備的安裝容量。同時還針對新舊運行策略進行對比，驗證了新運行策略的優(yōu)越性。王開杰[4]對不同應用場景的夏季供冷、冬季供暖以及生活熱水等需求進行研究，通過對純用電的供熱、供冷方式與天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供熱、供冷方式的比較，得出純用電的方式成本較高，而且季節(jié)性的用電會對電網(wǎng)產(chǎn)生不利的影響；天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)既能為建筑提供用電，還能充分利用發(fā)電過程的余熱為建筑提供熱量、冷量以及生活熱水。吳佳桐[5]通過對含有熱網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)和計及可再生能源消納的綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，得出了計及可再生能源的消納能使系統(tǒng)的光伏發(fā)電單元消耗率上升。同時還對熱網(wǎng)運行帶來的經(jīng)濟效益、熱網(wǎng)運行工況以及燃氣價格對系統(tǒng)成本的影響進行了分析，驗證了熱網(wǎng)的三聯(lián)供系統(tǒng)的合理性。王浩[6]研究了長沙市某醫(yī)院的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，計算了系統(tǒng)最優(yōu)時的20年期的年度化費用值，并對系統(tǒng)進行綜合評價分析，得出了系統(tǒng)的優(yōu)化方案。同時對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行單因素敏感性分析，發(fā)現(xiàn)能源價格對系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響較大。Rujing Yan等[7]以磷酸燃料電池為原動力以及太陽能為輔助對天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了優(yōu)化。通過建模和仿真，計算系統(tǒng)的熱力學性能，對比分析系統(tǒng)的能源效率和火用效率，得出天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在太陽能的輔助作用下，提高重整溫度和磷酸燃料電池中氫的濃度，能使火用效率增大，但重整溫度高于1 073.15 K時，其影響將會變慢。

2 寒冷地區(qū)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究的必要性

圖1描述了我國2019年6月～2020年6月的天然氣產(chǎn)量月度變化情況[8]。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，天然氣的日均產(chǎn)量處于增長趨勢，發(fā)展利用空間很大。天然氣與煤炭相比，污染性更小，使用范圍更為廣闊。因此，將天然氣作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能源供應是比較有優(yōu)勢的。我國的寒冷地區(qū)主要指北京、天津、河北、山東、陜西部分地區(qū)、遼寧部分地區(qū)等，這些地區(qū)的典型氣候特征是最冷月平均溫度在-10 ℃～0 ℃，全年日平均溫度低于5 ℃的時間長達3個月～5個月，并且采暖度日數(shù)2 000≤HDD<3 800[9]。因此，寒冷地區(qū)需要供暖時間較長，并且在夏季也有一定的供冷需求。在寒冷地區(qū)，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運用可以有效地解決供熱、供冷和供電問題。目前，我國在天然氣冷熱電聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化、裝備容量配置、運營管理等領(lǐng)域的研究尚不夠深入。因此，對寒冷地區(qū)天然氣的冷熱電聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，是非常必要的。

3 寒冷地區(qū)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是解決能源問題的可靠方案，其中天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。天然氣冷熱電?lián)供系統(tǒng)由發(fā)電裝置、制熱裝置、制冷裝置組成。通過優(yōu)化系統(tǒng)能使發(fā)電率、制熱率與發(fā)電機功率之間的關(guān)系達到最優(yōu)，使系統(tǒng)的能量利用率最大化。由于系統(tǒng)的性能受設備配置、運行策略和其他因素的影響，為了提高系統(tǒng)的性能，需要考慮設備配置、運行策略、設備價格、氣候類型、建筑類型等因素。為了更加全面分析與優(yōu)化天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的應用，可以在系統(tǒng)中加入電制冷設備，由吸收式制冷機和電制冷共同承擔建筑物所需的冷負荷，建議寒冷地區(qū)的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置可以從經(jīng)濟、能源、環(huán)境的角度出發(fā)，對系統(tǒng)的設備配置、額定容量、運行策略進行優(yōu)化，從而得到最佳設備參數(shù)來達到高效節(jié)能的目的。

系統(tǒng)中使用的典型優(yōu)化算法通常分為線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃。線性規(guī)劃很容易應用于系統(tǒng)優(yōu)化?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃是另一種常見的優(yōu)化方法，它考慮了非線性特征并解決了非線性問題。除此之外還有其他優(yōu)化方法，例如,二次規(guī)劃，單純形算法，遺傳算法。其中，遺傳算法可以通過模仿自然的選擇和遺傳機制來找到最佳解決方案。其具有三個基本運算符：選擇、交叉和變異。解決該問題的主要手段是迭代計算。一般的迭代方法容易陷入局部極小陷阱而出現(xiàn)“死亡周期”現(xiàn)象，因此迭代無法繼續(xù)進行。遺傳算法克服了這一缺點，是一種全局最優(yōu)算法，因此得到了廣泛的應用。與傳統(tǒng)優(yōu)化相比，遺傳算法基于生物進化，具有很好的收斂性。因此可以采用遺傳優(yōu)化算法把電制冷提供冷負荷占比、發(fā)電裝置、補燃鍋爐等設備的容量作為優(yōu)化變量。把年度總成本、年度可再生能源消耗、年度二氧化碳排放作為目標函數(shù)，在對系統(tǒng)在不同運行策略(以電定熱、以熱定電、混合策略)下的配置進行優(yōu)化和確定后，得到系統(tǒng)在經(jīng)濟、能源、環(huán)境下各目標函數(shù)的最優(yōu)值。

4 結(jié)語

本文提出針對寒冷地區(qū)的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置，從經(jīng)濟、能源、環(huán)境的角度出發(fā)，對系統(tǒng)的設備配置、最佳額定容量、運行策略進行了優(yōu)化，從而得到最佳設備參數(shù)和運行策略，使得系統(tǒng)的綜合性能得到了提升。同時，在系統(tǒng)中加入了電制冷設備并把電制冷提供冷負荷占總冷負荷比、發(fā)電裝置、補燃鍋爐等設備容量作為優(yōu)化變量，在運行策略上研究了系統(tǒng)在以電定熱、以熱定電、混合策略下的性能，通過利用遺傳算法優(yōu)化得到了系統(tǒng)在經(jīng)濟、能源、環(huán)境下獲得最大效益時的最佳設備配置和運行策略。