冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行分析

1、文章編號：CAR233冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行分析胡燕飛 吳靜怡 李勝（上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所，上海 200030）摘 要 本文對一個(gè)基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)運(yùn)行了進(jìn)行策略分析。該系統(tǒng)由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、硅膠-水吸附式制冷機(jī)，電制冷機(jī)和燃?xì)忮仩t等部分組成。根據(jù)天然氣與電力能源價(jià)格情況，在滿足用戶變冷熱電負(fù)荷需求條件下，運(yùn)用1混合整型(0-1)單目標(biāo)規(guī)劃方法，建立了聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化模型，得到了系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略。該模型的目標(biāo)是運(yùn)行費(fèi)用最低，模型采用C+與Lingo9.0軟件混合編程獲得優(yōu)化結(jié)果2。關(guān)鍵詞 冷熱電聯(lián)供 運(yùn)行策略 運(yùn)行費(fèi)用 優(yōu)化OPTIMAL OPERATIO

2、N ANALYSIS OF COMBINED COOLINGHEATING AND POWER (CCHP) SYSTEMHu Yanfei Wu Jingyi Li Sheng(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200030, China)Abstract In this paper, the operation strategy of a gas engine based CCHP system is analyzedThe system is mainly

3、consisted of internal combustion gas engine，silica gel-water adsorption refrigerator, electric chiller and gas boiler, etc. According to the energy price situation, an optimization model of CCHP system is established by applying the mixed-integer (0-1) single-objective programming approach under the

4、 condition that the system satisfy the load of power，heating and cooling demands. By solving the model，the optimal operation strategy of the CCHP system is obtained1. The objective function of the model is the minimum of the operational costs，the optimal result is obtained by mixed programming with

5、C+ 6.0 and Lingo 9.0.2Keywords Combined cooling heating and power (CCHP) Operation strategy Operational costs Optimization世界能源危機(jī)的不斷加劇，地球環(huán)境問題的日運(yùn)行策略的優(yōu)化相互耦合，系統(tǒng)的集成優(yōu)化較為復(fù)益嚴(yán)峻，激勵(lì)著人們不斷尋找更有效的方法來合理雜。本文對優(yōu)化過程進(jìn)行簡化，根據(jù)確定的系統(tǒng)配利用能量。在這一背景下，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)置，結(jié)合燃料價(jià)格與公共電網(wǎng)電價(jià)情況，在不同的對能量進(jìn)行梯級利用，具有節(jié)能，環(huán)保等特點(diǎn)，在冷熱電負(fù)荷條件下，對聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)由

6、于存在多種能量輸世界范圍內(nèi)受到廣泛重視3。化。出，聯(lián)供系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的能量系統(tǒng)。在一定的冷熱電負(fù)荷下，系統(tǒng)可以有多種配置方式及運(yùn)行策1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)介紹 略。為了使系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須根據(jù)用戶的，對聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)本文介紹的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(Gas 負(fù)荷情況（冷/熱/電負(fù)荷水平）Engine)、余熱驅(qū)動(dòng)的硅膠-水吸附式制冷機(jī)備配置（主要設(shè)備的容量，數(shù)量選擇等），并根據(jù)燃?xì)庠O(shè)備配置情況進(jìn)行運(yùn)行策略的優(yōu)化。系統(tǒng)各主要設(shè)(Adsorption Chiller)和電制冷機(jī)(Electric Chiller)，備的配置方案必然影響其運(yùn)行策略；反之，運(yùn)行策鍋爐(Gas Boiler)，電熱泵

7、(Electric Heat Pump)等設(shè)備略的選擇直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，從而影響對系統(tǒng)構(gòu)成，聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。配置方案的評價(jià)4。因此，聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備配置與作者簡介：吳靜怡。聯(lián)系電話Email:jywu圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) Fig.1 CCHP system圖中顯示：系統(tǒng)能量來源于天然氣和公共電網(wǎng)電力。其中，用戶電負(fù)荷（機(jī)組自身耗電，照明等其他用電設(shè)備）可以來自燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)供電，也可以通過公網(wǎng)購電獲得。用戶冷負(fù)荷可以通過內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷機(jī)提供，也可以通過電制冷機(jī)提供，而電制冷機(jī)的電力來源既可以是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，也可以從公共電網(wǎng)購電。用戶熱負(fù)荷可以通過熱交

8、換器(Heat Exchanger)獲得，也可以通過燃?xì)忮仩t獲得，還可從電熱泵制熱獲得。經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化模型中涉及三個(gè)優(yōu)化變量：小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的開關(guān)邏輯變量，輸出電功率P和循環(huán)熱水熱量分配率w。開關(guān)邏輯變量表示小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的開啟(=1)/關(guān)閉(=0)狀態(tài)；輸出電功率P表示內(nèi)燃機(jī)對外輸出的電功率，變化范圍為(016kW)；循環(huán)熱水熱量分配率w反映了系統(tǒng)循環(huán)熱水在吸附式制冷機(jī)和熱交換器之間的熱量分配情況，其值等于進(jìn)入吸附式制冷機(jī)的熱水熱量與熱水總熱量的比值，w=1時(shí)表明熱水熱量全部用來驅(qū)動(dòng)吸附式制冷機(jī)用來制冷，w=0時(shí)表明熱水全部進(jìn)入熱交換器用來供熱5。2 數(shù)學(xué)模型微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化模型建立

9、的假設(shè)條件包括：(1) 聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生余熱被全部利用而沒有浪費(fèi)。 (2) 聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生電力并網(wǎng)但不上網(wǎng)，即聯(lián)供系統(tǒng)電力不足時(shí)可以從公共電網(wǎng)購電，但是不能將電輸送到公共電網(wǎng)上。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)出的電能要全部被利用。(3) 模型中用戶的冷、熱、電負(fù)荷需求采用無量綱形式輸入，即取其實(shí)際數(shù)值與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率的比值。如本文小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電功率為16.0kW，如果冷負(fù)荷率為0.9，即指冷負(fù)荷的實(shí)際數(shù)值為16.0*0.9 =14.4kW。熱負(fù)荷率和電負(fù)荷率也是如此。各主要設(shè)備的數(shù)學(xué)模型如下：2.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)Electricity Output (kW)圖2 內(nèi)燃機(jī)天然氣

10、輸入功率與輸出電功率關(guān)系 Fig.3 Membership function of gas power input andelectricity power outputElectricity Output (kW)圖3 內(nèi)燃機(jī)余熱輸出功率與輸出電功率關(guān)系 Fig.3 Membership function of recovery heat powerand electricity power output相對于微型燃?xì)廨啓C(jī)，微型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的一次發(fā)電效率較高，并且具有較好的部分負(fù)荷效率。內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的余熱包括缸套水和煙氣余熱兩個(gè)部分，其中缸套水可回收余熱占輸人能耗的30%左右，可用于產(chǎn)生8095

11、熱水;可回收煙氣余熱占輸入能耗的10%30%，排煙溫度通常在500左右，可用于產(chǎn)生低壓蒸汽。本文分析中不考慮余熱的品味問題，將缸套水余熱與煙氣余熱的熱量和直接作為可利用余熱，對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行擬合，得到燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的工作性能曲線，如圖2、圖3所示。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的天然氣輸入功率和可利用余熱輸出功率可由下式計(jì)算得出：P20.47442+1.21669×PGas,Engine+0.10891×P2Gas,Engine=1Gas_Input,E=0=0 （1）P16.77884+0.14061×P2Gas,Engine+0.07631×PG

12、as,Engine=1Heat_res=0=0（2）式(1),(2)中：PGas,Engine：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電功率，kW；PGas_Input,E：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)天然氣輸入功率，kW；PHeat_res：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)可利用余熱輸出功率，kW。2.2 吸附式制冷機(jī)熱交換器對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的缸套水余熱及煙氣余熱進(jìn)行回收，回收的熱量一部分驅(qū)動(dòng)硅膠-水吸附制冷機(jī)工作，制冷機(jī)的制冷功率由下式得到：CAds,chiller=w×PHeat_res×COPAds,chiller (3) 式中：CAds,chiller：吸收制冷機(jī)制冷功率，kW；w：循環(huán)熱水熱量分配率；COPAds,chille

13、r：吸附式制冷機(jī)性能系數(shù)。2.3 電制冷機(jī)CEle,chiller=MEle,chiller×COPEle,chiller (4)式中：CEle,chiller：電制冷機(jī)制冷功率，kW；MEle,chiller：電制冷機(jī)輸入電功率，kW；COPEle,chiller：電制冷機(jī)性能系數(shù)。2.4電熱泵QEle,H.P=MEle,H.P×COPEle,H.P (5)式中：QEle,H.P：電熱泵制熱功率，kW；MEle,H.P：電熱泵輸入電功率，kW；COPEle,H.P：電熱泵性能系數(shù)。2.5 熱交換器QHeat,ex=(1w)×PHeat_res×Heat

14、,ex (6)式中：QHeat,ex：熱交換器傳遞的有效熱量，kW；Heat,ex：熱交換器效率。2.6 燃?xì)忮仩tQGas_boiler=PGas_Input,B×Gas_boiler (7)式中：QGas_boiler：燃?xì)忮仩t輸出熱量，kW；PGas_Input,B：燃?xì)忮仩t天然氣輸入功率，kW；Gas_boiler：燃?xì)忮仩t熱效率。聯(lián)供系統(tǒng)從公共電網(wǎng)購電量：MEle,Buy=MEle,Load+MEle,chillerPGas,Engine+MEle,H.P (8) 式中：MEle,Buy：從公共電網(wǎng)購電量，kW；MEle,Load：用電設(shè)備電負(fù)荷，kW。聯(lián)供系統(tǒng)天然氣耗量：V

15、3600×(PGas_Input,E+PGas_Input,B)Gas_Input=HV (9)Gas式中：VGas_Input：聯(lián)供系統(tǒng)天然氣耗量，Nm3/h。 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用包括天然氣費(fèi)用和公共電網(wǎng)購電費(fèi)用兩部分，表示為下式：RMBtotal=(PRGas×VGas_Input+PREle×MEle,Buy)×Time (10)式中：RMBTotal：聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用，元；PRGas：天然氣價(jià)格，元/m3；PREle：公共電網(wǎng)電價(jià)，元/千瓦時(shí)；Time：運(yùn)行時(shí)間，h。公式(10)即為聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化模型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，考慮實(shí)際因素，聯(lián)供系統(tǒng)模型需要加

16、上限制條件：0PGas,Engine16 ， 0w1 (11) VGas_Input,B0，MEle,chiller0 ，M(12) Ele,H.P0 MEle,Buy0(13)約束條件(11)保證求解的合理性，約束條件(12)保證燃?xì)忮仩t消耗天然氣而不是產(chǎn)氣；電制冷機(jī)消耗電力產(chǎn)生冷量，而不是反向產(chǎn)電；電熱泵消耗電力產(chǎn)生熱量，而不是反向產(chǎn)電。約束條件(13)保證聯(lián)供系統(tǒng)從公共電網(wǎng)購買電而不向其輸出電，即并網(wǎng)而不上網(wǎng)。模型中的參數(shù)值由下表給出：表1 參數(shù)表Table 1 Parameter TableHVGasCOPAds,chillCOPEle,chillerCOPEle,H.PHeat,ex

17、Gas_boiler35,2000.6 3 4 0.9 0.95(kJ/Nm3)3冷熱電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化模型求解求解冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型時(shí)，首先研究在一定的用戶負(fù)荷條件下，改變能源價(jià)格情況對聯(lián)供系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀況的影響；其次，研究在能源價(jià)格情況一定的條件下，用戶冷熱電負(fù)荷條件的變工況對聯(lián)供系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀況的影響。分析中引入一個(gè)帶量綱的數(shù)值GECR來表示天然氣價(jià)格與電力價(jià)格的比值。GECR由下式表示：GECR=PRGasPR (14) Ele式中：GECR：氣電價(jià)格比，kWhm3。 GECR越大，代表購買天然氣成本越高。模型分析時(shí)用戶的電/冷/熱負(fù)荷均采用無量綱量輸入，即對應(yīng)負(fù)荷與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)額定電功率

18、的比值，以提高優(yōu)化模型的適用性。能源價(jià)格對聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響:在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)對能源價(jià)格情況的靈敏度分析中，根據(jù)用戶負(fù)荷情況進(jìn)行分類討論。聯(lián)供系統(tǒng)用戶的典型負(fù)荷工況包括：夏季工況，冬季工況，春/秋季節(jié)工況。一般來講，用戶的電負(fù)荷隨季節(jié)變化的波動(dòng)較小，故以用戶的電負(fù)荷為參照，各工況下的典型冷、熱、電負(fù)荷比例情況如下：表2 聯(lián)供系統(tǒng)典型負(fù)荷情況Table 2 Typical load situation of CCHP system 冬季 LoadEle:LoadCool:LoadHeat=1:0.4:2夏季 LoadEle:LoadCool:LoadHeat=1:2:0.5春秋L(fēng)oadEle

19、:LoadCool:LoadHeat=1:1:1表2中：LoadEle：用戶電負(fù)荷，kW；LoadCool：用戶冷負(fù)荷，kW；LoadHeat：用戶熱負(fù)荷，kW。 用CL，HL，EL分別代表用戶的冷、熱、電負(fù)荷無量綱數(shù)，由下式給出：EL=LoadEleLoadCoolLoadHeatP,CL=,HL=P (17) RatePRateRate式中：PRate：燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的額定功率，kW。 以下分別以三種典型負(fù)荷，分析能源價(jià)格對系統(tǒng)運(yùn)行策略的影響。圖4顯示冬季聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出特性：當(dāng)用戶電負(fù)荷無量綱數(shù)EL=0.9，改變氣電價(jià)格比GECR，得到聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行情況變化曲線。由圖中可知：當(dāng)GECR小于3

20、.2時(shí)，氣價(jià)相對較便宜，用戶冷熱電負(fù)荷全由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)提供，系統(tǒng)向公共電網(wǎng)的購電量為零。內(nèi)燃機(jī)的輸出電功率保持在15.34kW不變，其中0.94kW的電量用于驅(qū)動(dòng)電制冷機(jī)，滿足用戶部分冷負(fù)荷；其余的電功率供給用電設(shè)備，滿足用戶電負(fù)荷要求。循環(huán)熱水熱量分配率w維持在0.13附近，這一部分余熱驅(qū)動(dòng)吸附制冷機(jī)制冷，剩余余熱用于滿足用戶熱負(fù)荷。當(dāng)GECR超過3.2，系統(tǒng)全部自產(chǎn)電的成本過高，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出電功率下降，聯(lián)供系統(tǒng)開始向公共電網(wǎng)購電。由于內(nèi)燃機(jī)輸出電功率下降，產(chǎn)生的總余熱量也下降，為滿足用戶熱負(fù)荷要求，余熱用于供暖的部分增加，w隨之下降。吸附式制冷機(jī)的輸入熱量降低，用于驅(qū)動(dòng)電制冷機(jī)的電功率相

21、應(yīng)提高以滿足冷負(fù)荷要求。當(dāng)GECR達(dá)到3.42，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出功率停止下降，維持在13.23kW，系統(tǒng)向公共電網(wǎng)購電量為3.10kW。此時(shí)，w已下降為零，即吸附制冷機(jī)停止工作，用戶的冷負(fù)荷全部由電制冷機(jī)工作來滿足，內(nèi)燃機(jī)的余熱全部用來供暖，滿足用戶熱負(fù)荷需求。當(dāng)GECR由3.54上升至3.59時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出功率略有下降，向公共電網(wǎng)的購電量也相應(yīng)上升，而聯(lián)供系統(tǒng)中的電熱泵開始工作，以滿足內(nèi)燃機(jī)余熱量下降引起的熱負(fù)荷需求的不足。當(dāng)GECR超過3.6時(shí)，因?yàn)樘烊粴鈨r(jià)格過高，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性小于分產(chǎn)系統(tǒng)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)停止工作，系統(tǒng)的冷、熱、電負(fù)荷全部由公共電網(wǎng)購電來滿足。1.00.8)0.6Wk(

22、 rewoP0.40.2GECR0.0圖4 冬季聯(lián)供系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)輸出特性(EL=0.9)Fig.4 Dynamic output characteristics of CCHP systemin winter (EL = 0.9)Wk(tuptuO enignE2.82.93.03.13.23.33.43.53.63.7GECR圖5 冬季內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)態(tài)特性(不同電負(fù)荷)Fig.5 Dynamic output characteristics of gas engine inwinter (varying EL)圖5 所示為冬季在不同的用戶電負(fù)荷情況下（EL從0.4遞增至1.1，冷熱電負(fù)荷比例保

23、持0.4:2:1不變），氣電價(jià)格比GECR改變時(shí)，聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出電功率變化曲線圖。這里，我們引入臨界價(jià)格比PRcr，即燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)處于開啟/關(guān)閉臨界點(diǎn)時(shí)氣電價(jià)格比GECR的數(shù)值，來表征燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)開停狀態(tài)對天然氣價(jià)格浮動(dòng)的敏感度。由圖中可得，隨著用戶電負(fù)荷提高（亦即冷熱電負(fù)荷同步提高），臨界價(jià)格比PRcr也隨之提高。當(dāng)用戶電負(fù)荷EL小于0.8時(shí)，隨著GECR的增大，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出電功率在GECR達(dá)到臨界價(jià)格比PRcr之前，只保持一個(gè)固定數(shù)值；當(dāng)GECR超過PRcr時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)立刻關(guān)閉運(yùn)行。而當(dāng)EL大于等于0.8時(shí)，隨著GECR的增大，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出電功率在GECR達(dá)到臨界價(jià)格比PRcr之前，有一個(gè)輸出功率減小過渡階段，這說明系統(tǒng)在用戶負(fù)荷水平較高時(shí)運(yùn)行工況多變性增強(qiáng)。當(dāng)EL大于0.9時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的臨界價(jià)格比PRcr維持在3.6不變。)Wk(tuptuO yticirtcelEGECR圖6 夏季內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)態(tài)特性(不同電負(fù)荷)Fig.6 Dynamic output characteristics of gas engine insummer (varyin