黃德煉

(上海國(guó)際旅游度假區(qū)新能源有限公司，上海 201205)

1 問(wèn)題的提出

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種建立在能源梯級(jí)利用概念的基礎(chǔ)上，將燃?xì)狻㈦娏?、制冷與蓄能等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，集制冷、供熱及發(fā)電過(guò)程為一體的多聯(lián)供總能系統(tǒng)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單一能源供應(yīng)系統(tǒng)不同，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)同時(shí)提供冷、熱、電3種能量，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)能源融合，其能源利用效率可達(dá)60%～80%，它具有節(jié)能減排、能量梯級(jí)利用、緩解電網(wǎng)壓力等多方面優(yōu)點(diǎn)[1]。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)將資源的利用效率發(fā)揮到最佳狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益最大化之目的。

近年來(lái)，冷熱電聯(lián)供技術(shù)由于其節(jié)能效益及經(jīng)濟(jì)收益較佳，成為分布式能源的一個(gè)發(fā)展方向[2]。隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在該領(lǐng)域取得了一些成果，并建設(shè)了一些冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目，如廣州大學(xué)城項(xiàng)目、上海黃浦中心醫(yī)院項(xiàng)目[3]等。冷熱電三聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)與許多其他的能源供應(yīng)系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)的主要目的是為了滿足用戶的需求，即保持能量的供需平衡[4-5]。然而，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，能源供應(yīng)不再局限于單一的目標(biāo)，CCHP系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，除了滿足用戶的能源需求外，還應(yīng)考慮能源利用效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保等因素。為了達(dá)到這些目標(biāo)，如何從系統(tǒng)設(shè)備選型、配置和運(yùn)行等多方面進(jìn)行優(yōu)化，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者通過(guò)對(duì)多種因素分配一定的權(quán)重，以一個(gè)整體系統(tǒng)指標(biāo)來(lái)表征多種因素，進(jìn)而確定相應(yīng)的優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)CCHP系統(tǒng)全局性能的最優(yōu)。如張蓓紅采用最優(yōu)化理論思想建立了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(包涵了經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能要求)的綜合優(yōu)化模型[6]，深入分析了經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能要求在總目標(biāo)函數(shù)中權(quán)重對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行策略的影響。系統(tǒng)在正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，需要考慮以下問(wèn)題：一是經(jīng)濟(jì)性，二是能源利用效率。由于存在多種能源輸出，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與運(yùn)行策略。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，CCHP系統(tǒng)采用以下2種操作模式以考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與能源利用率：一種是以熱定電；另一種是以電定熱。對(duì)于2種模式而言，它只是一種定性分析下的操作經(jīng)驗(yàn)，而CCHP系統(tǒng)本身具有很大的復(fù)雜性與不確定性。采用這種定性的分析方法，可用于指導(dǎo)實(shí)際操作，并保證系統(tǒng)在所有工況下都能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

為了解決上述問(wèn)題，本文基于定量分析思路，建立CCHP系統(tǒng)的優(yōu)化模型，提出一種兼顧能源利用率與經(jīng)濟(jì)成本的全工況優(yōu)化運(yùn)行策略。

2 系統(tǒng)概況與定量描述

典型的天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)通常由燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備、制冷系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)3部分組成。天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒后提供電力，隨后利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔馔苿?dòng)吸收式制冷機(jī)制冷，最后利用中溫?zé)煔饧訜嵘顭崴?。這3種設(shè)備可以有不同的組合方式以及不同的燃料補(bǔ)充結(jié)構(gòu)，圖1中顯示的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)體現(xiàn)了能量梯級(jí)利用的基本思想。CCHP系統(tǒng)包含發(fā)電、制冷、制熱3個(gè)子系統(tǒng)，其中發(fā)電系統(tǒng)主要依靠一次能源產(chǎn)生(如天燃?xì)?。對(duì)于制冷與制熱而言，則應(yīng)根據(jù)CCHP系統(tǒng)能量梯級(jí)利用的思想，主要依靠余熱，即一次能源燃燒所釋放的熱量?？梢?jiàn)這3個(gè)子系統(tǒng)間相互影響、相互聯(lián)系，存在一定的耦合性。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

從圖1中可以看出，發(fā)電量主要由一次能源天然氣的消耗量決定，制冷量與供熱量由天然氣燃燒發(fā)電所附帶產(chǎn)生的余熱資源決定，而系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱量仍由天然氣的消耗量直接決定。假設(shè)Q1，Q2,Q3分別為CCHP系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)的電量、供冷量與供熱量，q0為CCHP系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃?xì)饬?，Qwh為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱量，Qgas為單位時(shí)間內(nèi)消耗的天然氣所對(duì)應(yīng)的能量。那么根據(jù)過(guò)去學(xué)者的研究，可了解如下關(guān)系式[7]：

(1)

(2)

式中：Qgas=Hvgasq0，Hvgas為天然氣的熱值系數(shù)；Hvgas=36 500 kJ/m3。

系統(tǒng)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的余熱Qwh，一部分用于制冷，一部分用于供熱。假設(shè)采用a表示余熱分配率，當(dāng)a=1時(shí)表示余熱量Qwh全部用于驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，當(dāng)a=0時(shí)表示余熱量Qwh全部用于熱交換器用于供暖。ηcold為制冷機(jī)效率，ηheat為熱交換效率，那么

Q2=aQwhηcold,

(3)

Q3=(1-a)Qwhηheat。

(4)

綜上所述，式(1)～式(4)分別給出了Q1,Q2,Q3與q0,a之間的相互關(guān)系，從而為下面章節(jié)進(jìn)行的各種分析奠定了理論基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)分析

簡(jiǎn)單來(lái)看，一般的能源生產(chǎn)系統(tǒng)首要目標(biāo)就是供給足量的能源，以滿足用戶的需求[8-11]。然而隨著資源(能源)的日益枯竭，環(huán)境問(wèn)題日益惡化，CCHP系統(tǒng)不能僅追求能源的供需平衡，而更應(yīng)考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、能源利用率和環(huán)保等因素。因此，本文著重從能源供需平衡、能源利用率與經(jīng)濟(jì)性3個(gè)目標(biāo)入手，對(duì)其進(jìn)行定量分析。

3.1 能源供需平衡

能源的供需平衡即CCHP系統(tǒng)供給的發(fā)電量、制冷量和供熱量滿足用戶對(duì)3種能源的需求。

由于季節(jié)、用電習(xí)慣等因素，用戶對(duì)冷熱電的需求具有各自的特點(diǎn)，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律。例如，從季節(jié)上來(lái)看，對(duì)于夏季工況，制冷負(fù)荷和電負(fù)荷需求量大，熱負(fù)荷需求量小；對(duì)于冬季工況，制熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求量大，冷負(fù)荷需求量?。粚?duì)于春秋季工況，主要是電負(fù)荷需求。從運(yùn)行時(shí)段上看，白天用電需求量大，夜晚用電需求量少。

(5)

3.2 經(jīng)濟(jì)性

對(duì)一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，分析其經(jīng)濟(jì)性，一般需要考慮2個(gè)方面，即成本與收益。對(duì)于CCHP系統(tǒng)而言，收益來(lái)源于系統(tǒng)外送的發(fā)電量、供冷量與供熱量；而成本主要來(lái)源于天然氣的消耗。對(duì)于CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，可用其利潤(rùn)來(lái)衡量，即收益與成本的差值。

假設(shè)p1，p2，p3分別為單位電量、冷量與熱量的售價(jià)，那么，收益可用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

R=Q1p1+Q2p2+Q3p3。

(6)

則相應(yīng)的成本計(jì)算公式為

C=p0q0,

(7)

式中：p0為單位天然氣的市場(chǎng)價(jià)格。

那么，CCHP系統(tǒng)的利潤(rùn)為

F1=Q1p1+Q2p2+Q3p3-p0q0。

(8)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，p1,p2,p3與p0是已知量，q0不僅直接決定Q1，而且與可利用的余熱量Qwh存在直接關(guān)系，進(jìn)而間接決定了Q2和Q3。因此，要追求CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，也就是要尋找一組q0和a值，使F1獲得最大值。

3.3 能源利用率

CCHP系統(tǒng)主要基于能源梯級(jí)利用的思想，實(shí)現(xiàn)能源利用率的提高。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，提高能源利用率，就是要充分利用一次能源燃燒時(shí)產(chǎn)生的余熱資源，即盡可能回收更多的余熱資源以進(jìn)行制冷與供暖。參照前面的數(shù)學(xué)描述，CCHP系統(tǒng)的能源利用率如式(9)所示。顯然，要提高能源利用率，就是要尋找一組q0和a的值，使F2獲得最大值。

(9)

3.4 多目標(biāo)綜合分析

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)論是考慮經(jīng)濟(jì)性，還是考慮能源利用率等目標(biāo)，能源的供需平衡，都是CCHP系統(tǒng)所不能忽視的一個(gè)重要目標(biāo)。單純地追求經(jīng)濟(jì)性與能源利用率，而不考慮能源的供需平衡，那么，系統(tǒng)將不具有任何的社會(huì)效益。如果只追求供需平衡，就必然影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與能源利用率的提高。因此，本節(jié)將對(duì)3個(gè)目標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析。

3.4.1 經(jīng)濟(jì)性與能源供需平衡

3.4.2 能源利用率與能源供需平衡

CCHP系統(tǒng)的主題思想是利用能源梯級(jí)，用發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱去制冷或制熱。若單純考慮CCHP系統(tǒng)的能源利用，就是要尋找最優(yōu)的q0與a，從而獲得最大的能源利用率F2max。而在某些時(shí)候，用戶用電需求量大，而冷熱需求則較小。若CCHP系統(tǒng)按照能源利用率最大化的模式運(yùn)行，必然很難滿足用戶負(fù)荷需求，若滿足用戶的能源需求，則必然浪費(fèi)大量的余熱資源，能源利用率大大降低?？梢?jiàn)在不同的負(fù)荷需求工況下，必須對(duì)能源利用率與能源需求進(jìn)行綜合考慮。

3.4.3 經(jīng)濟(jì)性與能源利用率

在前面章節(jié)中，分析了經(jīng)濟(jì)性F1與能源利用率F2的關(guān)系，而未知量q0和a函數(shù)是復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，經(jīng)濟(jì)性與能源利用率并不存在絕對(duì)的同向關(guān)系，即較高的經(jīng)濟(jì)性，不代表較高的能源利率；而較低的能源利用率，也不一定代表較低的經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，能源供需平衡、經(jīng)濟(jì)性與能源利用率三者之間關(guān)系復(fù)雜，不存在簡(jiǎn)單的同向或反向關(guān)系，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)。因此，本文通過(guò)分析各種目標(biāo)的具體特點(diǎn)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提出一種優(yōu)化方法，尋求一種追求多目標(biāo)的運(yùn)行方式。

4 優(yōu)化模型研究

前面分別分析了CCHP系統(tǒng)運(yùn)行的3個(gè)目標(biāo)，即能源供需平衡、經(jīng)濟(jì)性與能源利用率。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)某一個(gè)單獨(dú)目標(biāo)，很容易進(jìn)行操作。如果同時(shí)考慮多個(gè)目標(biāo)，由于優(yōu)化目標(biāo)的增多，必然提高問(wèn)題的復(fù)雜度，給運(yùn)行人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，因此，需要找到一套行之有效的方法以協(xié)調(diào)三者之間的矛盾，尋求能源供需平衡、經(jīng)濟(jì)性與能源利用率之間的平衡。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種面向多目標(biāo)的優(yōu)化模型，以指導(dǎo)CCHP系統(tǒng)的運(yùn)行操作。

該模型基于如下思想：主要用于實(shí)現(xiàn)高的利潤(rùn)與能源利用率，盡可能滿足用戶的能源供需平衡。因此，目標(biāo)函數(shù)為

Fmax=ωF1+(1-ω)F2，

(10)

式中：ω為加權(quán)因子，范圍為(0，1)，用于定量描述該模型考慮的側(cè)重點(diǎn)，若ω=1則只考慮經(jīng)濟(jì)性，若ω=0則只考慮能源利用率。可見(jiàn)該目標(biāo)函數(shù)根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)加權(quán)因子ω的大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與能源利用率的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

此外，為了盡可能滿足用戶的能源供需平衡，增加式(11)表達(dá)的能源供需平衡關(guān)系。

式中：ε用于表征能源供需偏差的最大量，該數(shù)值可由用戶根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行指定。假設(shè)Q0為燃?xì)廨啓C(jī)單位時(shí)間的最大發(fā)電量，該模型對(duì)應(yīng)的其他的約束條件為

F2=Q1p1+Q2p2+Q3p3-p0q0。

(12)

Qgas=Hvgasq0,

(13)

(14)

(15)

Q2=aQwhηcold,

(16)

Q3=(1-a)Qwhηheat，

(17)

0≤a≤1，q0≥0，0≤Q2≤Q0。

(18)

在上述模型中，q0和a為需要優(yōu)化的變量，其他均為常數(shù)，如表1定義了Hvgas等與CCHP系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù)值，表2定義了p1等與銷售價(jià)格有關(guān)的參數(shù)值。

表1 CCHP系統(tǒng)參數(shù)

表2 銷售價(jià)格

從上述公式中可以看出，目標(biāo)函數(shù)與約束條件中存在非線性函數(shù)，則該優(yōu)化模型是一個(gè)典型的非線性規(guī)劃問(wèn)題。針對(duì)這種復(fù)雜的非線性規(guī)劃問(wèn)題，通?？梢圆捎靡恍﹩l(fā)式的搜索算法(如遺傳算法)來(lái)進(jìn)行求解。而目前的一些優(yōu)化編程工具(如Matlab和lingo)都提供了相應(yīng)的非線性規(guī)劃求解包，用戶只需將目標(biāo)函數(shù)與約束條件輸入后，就可自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果。

5 結(jié)論

本文介紹了大型分布式冷熱電能源聯(lián)供系統(tǒng)，基于能源梯級(jí)利用的思想，與以往的單供系統(tǒng)相比，極大地提高了能源利用率，降低了一次能源的消耗，減少了能源成本。在此基礎(chǔ)上，本文所提出的一種面向多目標(biāo)的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源供需平衡，綜合考慮了CCHP系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與能源利用率。該方法以提高經(jīng)濟(jì)性與能源利用率為目標(biāo)，應(yīng)盡可能滿足用戶的冷、熱、電需求，能有效適應(yīng)CCHP系統(tǒng)各種不同類型的工況，為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了參考范例。

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