楼宇三联供系统设备容量与运行策略集成优化研究

楼宇三联供系统设备容量与运行策略集成优化研究霍小亮摘要：研究一套联供系统的最佳设备容量与最优运行策略。该联供系统包括燃气内燃机、双效溴化锂吸收式制冷机及燃气锅炉。考虑到经济性、节能性、环保性这三个联供系统性能评价指标，建立了以年运行费用最小为目标函数的非线性最优化模型。并以上海某宾馆为例，应用该优化模型，运用LINGO专业优化软件进行求解，得到了适合于该宾馆的三联供系统的最佳设备容量与最优运行策略。结果表明，该优化模型具有很好的经济性、节能性和环保性。关键词：冷热电三联供；最优化；吸收式制冷机；运行策略；燃气内燃机楼宇分布式供能系统（BCHP）是一种日益重要的建筑供能方式，它可以在发电的同时利用废热，达到能源的梯级利用，提高总的能源利用效率。由于楼宇建筑能耗特性比较复杂，冷热电负荷随时间变化波动比较大，这使得三联供系统在确定设备容量和运行策略时比较困难。文献[1]，[2]等研究了联供系统的设备配置与运行优化方法。然而大部分研究成果都没有考虑CHP设备在部分负荷下的运行状况，且只考虑经济性因素的居多。部分文献也谈到了节能性和环保性，但都没有把这些指标体现在优化模型中，只是在整体上说明，不能很好的体现三联供的优越性。本文建立了以年运行费用最小为优化目标的联供系统非线性优化模型。该模型充分考虑了经济性、节能性和环保性评价指标，以及燃气内燃机的部分负荷特性。并把该模型应用到上海某宾馆建筑，应用LINGO专业优化软件进行求解，得到了最优的系统设备容量和最优运行策略。具有较好的经济性、节能性和环保性。1.BCHP系统结构本文研究的三联供系统（如图1）由燃气内燃机、双效溴化锂吸收式制冷机和燃气锅炉等设备构成。燃气内燃机作为系统原动机不但启动快、启动能耗小、部分负荷性能好,而且规格齐全、价格低廉、安全可靠。吸收式制冷机、空调热负荷和热水负荷可采用从燃气内燃机回收的低品位热源作为驱动源,不足负荷用燃气锅炉来驱动。空调热负荷与热水负荷通过换热器来获得热量，为了体现节能性和环保性指标，假定公用电网由燃气电厂供电。分供系统(如图2)的电负荷完全由公用电网供给，空调冷负荷也由吸收式制冷机供给。热水负荷和空调热负荷由燃气锅炉通过换热器热交换供给，吸收式制冷机由燃气锅炉驱动。电负荷空调冷负荷空调热负荷热水负荷吸收式制冷机燃气内燃机燃气锅炉天然气公用电网一次能源换热器1换热器2图1联供系统供能方式电负荷空调冷负荷空调热负荷热水负荷吸收式制冷机燃气锅炉天然气公用电网一次能源换热器1换热器2图2分供系统供能方式2.优化模型本优化模型所涉及到的待优化变量如表1，同时为了便于分析，做以下假设：（1）可选择的系统设备容量连续，且无故障运行；（2）燃气内燃机热电比在部分负荷区不变[3]；（3）吸收式制冷机COP和燃气锅炉效率在运行期间保持不变；（4）换热器1与换热器2的换热效率相同；表1待优化变量优化变量变量符号燃气内燃机逐时发电量/kwhGEiE燃气内燃机逐时发电效率i燃气内燃机逐时余热利用量/kwhGEiH燃气锅炉逐时供热量/kwhBoileriH逐时电网购电量/kwhUtilityiE燃气内燃机容量/kwGECp燃气锅炉容量/kwBoilerCp吸收式制冷机容量/kwAbsCp2.1目标函数以年运行费用最少作为三联供系统优化配置的目标函数如公式（1）。三联供系统的运行费用主要包括燃料费、设备维护费和设备投资费用三部分。目前小型热电联产发电在我国尚不能上网，故年运行费用中将不计入由联供系统生产电量收入。AbsinvBoilerinvGEinvAbsrunBoilerrunGErunUtilitypurtotalCCCCCCCCMin（1）公用电网年购电量计算方法由式（2）表示，燃气内燃机、燃气锅炉、吸收式制冷机的年运行费用分别由式（3）、式（4）、式（5）给出。UtilityitiUtilityiUtilitypurEPC（2）GEruniCHPgasitiGEiGEruncHRPEC)(（3）tiBoilerrungasiBoileriBoilerruncHRPHC（4）tiAbsruncooliAbsruncLC,（5）文献[3]研究了燃气内燃机发电效率与负荷系数的关系，得到了燃气内燃机发电效率的计算方法（如式（6）），其中负荷系数ix=GEiE/GECp。175.0,33.0420.075.050.0,318.004.050.025.0,272.0132.025.00,22.1iiiiiiiiixifixxifixxifixxifix（6）联供系统各设备的年投资成本计算方法由式（7）～（9）给出，其中式)1)1/(()1(TTIII表示等额资本回收系数。1)1()1(GEGETTGEGEGEinvIIICpCcC（7）1)1()1(BoilerBoilerTTBoilerBoilerBoilerinvIIICpCcC（8）1)1()1(AbsAbsTTAbsAbsAbsinvIIICpCcC（9）2.2约束条件2.2.1能量平衡条件为保证每小时的供电需求，从电网购电量与内燃机发电量的和应该大于等于电负荷需求，联供系统多余发电量不上网，式（10）为第i小时电平衡关系式。eleiGEiUtilityiLEE,（10）同理，第i小时热平衡关系式由式（11）表示。heattotaliBoileriGEiHHH,,（11）其中，总热负荷heattotaliH,,计算方法如式（12）。///,,,,heatiwatericooliheattotaliLLCOPLH（12）2.2.2设备工作性能条件在第i小时，燃气内燃机设备容量（即最大发电量）与其发电量的关系由式（13）表示，燃气内燃机的热输出和电输出关系由式（14）表示。GEGEiCpE（13）GEiGEiEH（14）第i小时燃气锅炉容量（即最大供热量）与其供热量的关系由式（15）表示。BoilerBoileriCpH（15）第i小时制冷机供冷量与设备容量（即制冷机最大供冷量）的关系由式（16）表示。AbsAbscooliCpL,（16）2.2.3评价指标约束条件联供系统性能评价指标主要包括经济性、节能性和环保性。本文以年运行费用最低为目标建立的优化函数，把节能性和环保性指标大于零作为其中的约束条件，这种优化方法更能体现BCHP系统的优越性。节能率（Fuelenergysavingratio）是评价BCHP系统节能性的重要指标。式（17）为第i小时节能性约束条件。0ConviBchpiConviQQQFESR（17）//,heattotalieleiConviHLQ///BoileriiGEiUtilityiBchpiHEEQCO2减排率（CO2reductionratio）是评价BCHP系统环保性的重要指标，式（18）为第i小时环保性约束条件。0ConviBchpiConviEXEXEXCRR（18）HRHLexEXheattotalieleigasCOConvi/)//(,2HRHEEexEXBoileriiGEiUtilityigasCOBchpi/)///(2由于ConviQ与ConviEX均大于零，因此，约束条件（17）和（18）可以合并为由（19）表示。0/////,BoileriiGEiUtilityiheattotalieleiHEEHL（19）2.3求解方法该模型采用LINGO软件对目标函数进行求解，LINGO软件是由美国LindoSystems有限公司开发专门求解非线性规划的数学模型[4]。首先，需要将模型转化成LINGO求解程序主要的4个部分：数据集(dataset)，用于定义变量；目标函数(objective)，用于表达模型的目标函数；约束条件(restriction)，用于表述模型的约束条件;数据传输(data)，用于实现LINGO与其它数据源的数据交换；在将模型转化完毕后，就可以运行该软件，LINGO根据模型的特点选择一种合适的内置算法对模型进行求解。3.实例分析3.1负荷特征以上海某宾馆为例，运用eQUEST能耗模拟软件模拟得到宾馆的全年逐时负荷，逐时负荷包括空调冷负荷、空调热负荷、电负荷和热水负荷。图3为冬季、夏季、过渡季的典型日负荷曲线。00.511.522.533.544.5123456789101112131415161718192021222324时段i负荷需求/103kw冷负荷热负荷电负荷热水负荷冷负荷热负荷电负荷热水负荷冷负荷热负荷电负荷热水负荷夏季：冬季：过渡季：图3典型日逐时负荷曲线上海市电价销售采用分季节分时段电价标准，夏季高峰时段8～11时和18～21时电价为1.014元/kwh，低谷时段22时～次日6时电价为0.232元/kwh，剩余时间段为平谷，电价为0.697元/kwh；其它季节时段划分与夏季相同，高峰时段价格为1.014元/kwh,低谷时段价格为0.302元/kwh，剩余时段价格为0.691元/kwh。天然气热电联产价格为2.05元/Nm3,商业气价4~11月为3.3元/Nm3，其它月份气价为3.6元/Nm3，天然气热值取35.2MJ/Nm3，CO2排放标准取1.856kg/m3[5]。3.2设备性能根据文献[6][7]中的数据，给出优化模型涉及的设备性能参数如表2，银行利率取0.2。表2设备性能参数设备性能符号参数公用电力发电效率/%42.5燃气内燃机热电比β1.5生命周期/年GET20投资费率/元/kwGECc49640运行维护费率/元/kwhGErunc0.0768燃气锅炉效率/%η80生命周期/年BoilerT20投资费率/元/kwBoilerCc800运行维护费率/元/kwhBoilerrunc0.00216吸收式制冷机制冷效率COP1.2生命周期/年AbsT20投资费率/元/kwAbsCc1840运行维护费率/元/kwhAbsrunc0.0008换热器1、2效率/%95从优化运行结果来看，以夏季典型日为例（如图4），原模型优化得到燃气内燃机夜间处于停机状态，此时节能率和CO2减排率均为零，而修正模型优化得到燃气内燃机在部分负荷下运行，节能率和CO2减排率均大于零，可见修正模型具有更好的节能性和环保性。同时，由于受燃气价格、电价以及CHP设备投资等影响，在高电价、低气价和低的CHP设备投资费用状况下，修正模型的节能性与环保性优势将更加明显。020406080100120140160180123456789101112131415161718192021222324时间（h）内燃机发电量（kwh)原模型修正模型图4典型日燃气内燃机优化运行状况对比4结论本文从联供系统性能评价的角度入手，建立了联供系统最佳设备容量和最优运行策略的集成优化模型。模型基于经济性、节能性和环保性指标，以及BCHP设备动态性能和能量平衡，以年运行费用最低为目标，建立了非线性集成优化模型，运用LINGO专业优化软件求解优化模型，得到了最佳的BCHP系统设备容量和最优年运行策略，具有很好的节能性、环保性和经济性，该模型不仅对该本论文采用的设备配置方式适用，而且对其它联供系统也有一定的参考价值。符号表FESR节能率CRR二氧化碳减排率ex排放系数，kg/kwhQ总能耗,kwhE耗电量，kwhH耗热量，kwhEX排放量，kgL负荷，kwhP价格，元/kwhI利率C年运行费用，元Cp设备容量，kwc设备维护费率，元/kwhCc设备投资费率，元/kwHR热值，kwh/m3COP制冷系数希腊字母η燃气锅炉效率α燃气内燃机发电效率β热电比负荷系数换热器效率上下标conv传统供能方式BCHP三联供啊我系统Abs吸收式制冷机gas天然气gb燃气锅炉GE三联供发电设备Utility公