天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化

朱校圣，王 強(qiáng)，蔡瓊瑜，回曉洋，白 明

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省碳中和技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101；3.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050091；4.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生態(tài)研究所， 山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的冷、熱、電負(fù)荷分別由電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、市政電網(wǎng)提供，一次能源利用率比較低。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)的一次能源利用率可達(dá)60%～80%[1]，隨著雙碳目標(biāo)的提出，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)必將實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(簡稱發(fā)電機(jī)組)作為核心的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(簡稱聯(lián)供系統(tǒng))，電負(fù)荷、天然氣價(jià)格、售電價(jià)格等均影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。陶靜等人[2]采用改進(jìn)粒子群算法，面向多約束目標(biāo)進(jìn)行模型求解優(yōu)化，兼顧了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。祖航等人[3]、周家秀等人[4]利用線性模型對聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)容量配置，提高了聯(lián)供系統(tǒng)的能源利用效率。

本文以濰坊某酒店聯(lián)供系統(tǒng)作為研究對象，以運(yùn)行模式、發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率為設(shè)計(jì)變量，建立聯(lián)供系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)優(yōu)化模型，對運(yùn)行模式、發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率進(jìn)行尋優(yōu)。

2 研究對象

2.1 項(xiàng)目概況

濰坊某酒店總建筑面積為2.4×104m2，包括會(huì)議室、餐廳、客房。供冷期為6月15日至10月15日，供暖期為11月15日至次年3月15日，生活熱水為常年需求。

采用DeST軟件對酒店冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行模擬。酒店逐時(shí)冷熱負(fù)荷見圖1。在圖1中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。酒店逐時(shí)電負(fù)荷見圖2。酒店典型日逐時(shí)生活熱水負(fù)荷見圖3。由圖1～3可知，酒店最大冷負(fù)荷為1 757.1 kW，最大熱負(fù)荷為1 364.5 kW，最大電負(fù)荷為864.0 kW，最大生活熱水負(fù)荷為59.7 kW。

該項(xiàng)目天然氣價(jià)格為2.6 元/m3。分時(shí)電價(jià)見表1。

圖1 酒店逐時(shí)冷熱負(fù)荷

圖2 酒店逐時(shí)電負(fù)荷

圖3 酒店典型日逐時(shí)生活熱水負(fù)荷

2.2 聯(lián)供系統(tǒng)流程與設(shè)備參數(shù)

聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備包含發(fā)電機(jī)組(燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+發(fā)電機(jī))、煙氣-熱水型吸收式冷水機(jī)組(簡稱吸收式冷水機(jī)組)、燃?xì)忮仩t、電驅(qū)動(dòng)螺桿式冷水機(jī)組(簡稱電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組)等，聯(lián)供系統(tǒng)流程見圖4。本文為了闡述方便，將燃?xì)忮仩t、電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組納入聯(lián)供系統(tǒng)。

表1 分時(shí)電價(jià)

發(fā)電機(jī)組在發(fā)電的同時(shí)，產(chǎn)生高溫?zé)煔?、缸套水作為供冷、供暖、生活熱水的熱源?/p>

供冷期：關(guān)閉閥1、4、5、8。開啟閥6、3，吸收式冷水機(jī)組利用煙氣熱量、缸套水熱量制備冷水。當(dāng)吸收式冷水機(jī)組無法滿足用戶需求時(shí)，開啟閥9，啟用電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組補(bǔ)充冷量。開啟閥2，利用缸套水熱量制備生活熱水。當(dāng)吸收式冷水機(jī)組、生活熱水換熱器無法消納缸套水熱量時(shí)，開啟閥7，利用冷卻塔冷卻缸套水。

供暖期：關(guān)閉閥3、6、9，開啟閥1、4、8，利用缸套水、煙氣(優(yōu)先利用)、燃?xì)忮仩t制備供暖熱水。開啟閥2、5，利用煙氣、缸套水(優(yōu)先利用)制備生活熱水。當(dāng)供暖熱水換熱器、生活熱水換熱器無法消納缸套水熱量時(shí)，開啟閥7，利用冷卻塔冷卻缸套水。

聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表2。發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電功率成本為3 500 元/kW，吸收式冷水機(jī)組單位制冷量成本為800 元/kW，燃?xì)忮仩t單位熱功率成本為100 元/kW，電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組單位制冷量成本為150 元/kW。為簡化計(jì)算，煙氣余熱量按發(fā)電機(jī)組總余熱量的80%考慮，缸套水余熱量按20%考慮。

表2 聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

2.3 分供系統(tǒng)

分供系統(tǒng)由電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t組成。冷負(fù)荷由電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組承擔(dān)，供暖熱負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷由燃?xì)忮仩t承擔(dān)，電負(fù)荷由市電網(wǎng)承擔(dān)。分供系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表3。

圖4 聯(lián)供系統(tǒng)流程

表3 分供系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

3 綜合性能指標(biāo)

3.1 能效指標(biāo)

能效指標(biāo)ηeff的計(jì)算式為：

式中ηeff——能效指標(biāo)

ηdiv——分供系統(tǒng)一次能源利用率

ηcos——聯(lián)供系統(tǒng)一次能源利用率

聯(lián)供系統(tǒng)一次能源利用率ηcos的計(jì)算式為：

式中Eel——發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量，kW·h/a

Qh——系統(tǒng)年供熱量，MJ/a

QL——系統(tǒng)年供冷量，MJ/a

V——聯(lián)供系統(tǒng)年耗氣量，m3/a

Hi——天然氣低熱值，MJ/m3，取35.21 MJ/m3

ηw——市電網(wǎng)平均供電效率，本文取0.35

ICOP——電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)

分供系統(tǒng)一次能源利用率ηdiv的計(jì)算式為：

式中ηb——燃?xì)忮仩t熱效率

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)ηeco的計(jì)算式為：

式中ηeco——經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

ccos、cdiv——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年費(fèi)用，元/a

ccos,pr、cdiv,pr——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年設(shè)備購置費(fèi)，元/a

ccos,r、cdiv,r——聯(lián)供系統(tǒng)、分供系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，元/a

系統(tǒng)年設(shè)備購置費(fèi)是將系統(tǒng)設(shè)備購置費(fèi)分?jǐn)偟较到y(tǒng)壽命內(nèi)，系統(tǒng)壽命取20 a。

3.3 碳排放指標(biāo)

碳排放指標(biāo)ηemi的計(jì)算式為：

式中ηemi——碳排放指標(biāo)

mcos——聯(lián)供系統(tǒng)年碳排放量，kg/a

mdiv——分供系統(tǒng)年碳排放量，kg/a

天然氣碳排放因子取2.055 kg/m3，電網(wǎng)碳排放因子取0.860 6 kg/(kW·h)。

3.4 綜合性能指標(biāo)

采用權(quán)重分析法建立綜合性能指標(biāo)[5]，綜合性能指標(biāo)越小，聯(lián)供系統(tǒng)綜合性能越好、越合理。權(quán)重分析法可以將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題，本文按照系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況分配權(quán)重因子。

綜合性能指標(biāo)ηPFL的計(jì)算式為：

ηPFL=ω1ηeff+ω2ηeco+ω3ηemi

式中ηPFL——綜合性能指標(biāo)

ω1、ω2、ω3——權(quán)重因子

權(quán)重因子按文獻(xiàn)[6]確定。

4 約束條件與運(yùn)行模式

4.1 約束條件

① 電負(fù)荷

電負(fù)荷約束條件為：

Pgrid+PGT-PEC=PLoad

式中Pgrid——市電功率，kW

PGT——發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率，kW

PEC——電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組耗電功率，kW

PLoad——用戶耗電功率，kW

② 熱負(fù)荷

熱負(fù)荷約束條件為：

ΦHA+ΦGB=ΦH,Load+ΦDHW

式中ΦHA——發(fā)電機(jī)組余熱功率，kW

ΦGB——燃?xì)忮仩t熱功率，kW

ΦH,Load——供暖熱負(fù)荷，kW

ΦDHW——生活熱水負(fù)荷，kW

③ 冷負(fù)荷

冷負(fù)荷約束條件為：

ΦEC+ΦA(chǔ)C=ΦC,Load

式中ΦEC——電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組制冷量，kW

ΦA(chǔ)C——吸收式冷水機(jī)組制冷量，kW

ΦC,Load——用戶冷負(fù)荷，kW

④ 發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率

發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率約束條件為：

0.4PGT,r≤PGT≤PGT,r

式中PGT,r——發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率，kW

優(yōu)化模擬時(shí)，發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率變化范圍取300～2 000 kW。

4.2 運(yùn)行模式

① 以熱定電

以滿足用戶冷熱負(fù)荷為前提，發(fā)電機(jī)組發(fā)電供給用戶，不足部分由市電補(bǔ)充。當(dāng)發(fā)電機(jī)組余熱無法滿足用戶冷熱負(fù)荷需求時(shí)，利用電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

② 以電定熱

以滿足用戶電負(fù)荷為前提，發(fā)電機(jī)組余熱用于提供冷熱負(fù)荷，不足部分由電驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。當(dāng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力無法滿足需求時(shí)，由市電補(bǔ)充。

③ 熱電結(jié)合

根據(jù)用戶逐時(shí)電負(fù)荷計(jì)算折算發(fā)電機(jī)組余熱。當(dāng)折算發(fā)電機(jī)組余熱大于等于需求熱量時(shí)，采用以熱定電模式。當(dāng)折算發(fā)電機(jī)組余熱小于需求熱量時(shí)，采用以電定熱模式。

5 優(yōu)化結(jié)果與分析

使用MATLAB的混合線性規(guī)劃函數(shù)，對綜合性能指標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。3種運(yùn)行模式下，聯(lián)供系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)隨發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率的變化見圖5。

圖5 3種運(yùn)行模式下綜合性能指標(biāo)隨發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率的變化

由圖5可知，3種運(yùn)行模式下，綜合性能指標(biāo)均隨發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率增大而先減小后增大，存在最佳額定發(fā)電功率。對于該項(xiàng)目，以電定熱的運(yùn)行模式最優(yōu)，發(fā)電機(jī)組最佳額定發(fā)電功率為550 kW。

6 結(jié)論

綜合性能指標(biāo)均隨發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率增大而先減小后增大，存在最佳額定發(fā)電功率。對于該項(xiàng)目，以電定熱的運(yùn)行模式最優(yōu)，發(fā)電機(jī)組最佳額定發(fā)電功率為550 kW。