張 健，徐玉杰，李 斌，陳海生，紀(jì) 律，郭 叢

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝機(jī)容量及運(yùn)行策略分析

張 健1,2，徐玉杰2，李 斌1，陳海生2，紀(jì) 律2，郭 叢2

（1華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種臨近用戶的先進(jìn)能源系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)型、裝機(jī)容量和運(yùn)行策略的選擇對(duì)系統(tǒng)節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。本研究以某辦公大樓為對(duì)象，根據(jù)其全年實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了其熱電負(fù)荷特征；同時(shí)，為該辦公樓構(gòu)建了分別以微燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力單元的兩種不同CHP系統(tǒng)構(gòu)型方案，建立了相應(yīng)的變工況能量平衡模型。進(jìn)一步探討了系統(tǒng)在以熱定電與以電定熱、變工況運(yùn)行與額定運(yùn)行、有儲(chǔ)熱與無(wú)儲(chǔ)熱、24 h連續(xù)運(yùn)行與早起晚停等不同運(yùn)行策略下動(dòng)力機(jī)組裝機(jī)容量對(duì)該辦公樓經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性的影響規(guī)律。同時(shí)運(yùn)用多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)系統(tǒng)不同裝機(jī)容量和運(yùn)行策略下的收益綜合評(píng)估，并引入了混沌粒子群優(yōu)化算法來(lái)找到系統(tǒng)最大的綜合收益，結(jié)果表明，該辦公樓應(yīng)用CHP系統(tǒng)后全年的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性較傳統(tǒng)的單一功能模式分別提高了22.85%、17.45%、25.06%。

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；負(fù)荷特征；系統(tǒng)構(gòu)型；容量?jī)?yōu)化；粒子群算法

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、環(huán)境問(wèn)題改善、節(jié)能減排以及提高供電安全性已經(jīng)成為我國(guó)能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。

分布式熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heating and power，CHP）系統(tǒng)作為一項(xiàng)新型節(jié)能減排技術(shù)，可同時(shí)滿足用戶熱電負(fù)荷，系統(tǒng)具有小而靈活的特點(diǎn)，可變換不同構(gòu)型，同時(shí)也易與可再生能源等多種能源耦合，具有較大的發(fā)展?jié)摿3-5]。

然而，用戶的冷熱電負(fù)荷需求屬于三維波動(dòng)，且三者之間無(wú)內(nèi)在聯(lián)系，而CHP系統(tǒng)的冷熱電負(fù)荷按一定比例輸出，屬于一維變化；用戶負(fù)荷的三維變化與系統(tǒng)一維輸出間往往會(huì)造成負(fù)荷的供需不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)能性下降[6-10]，因而系統(tǒng)輸出和用戶需求之間的匹配關(guān)系是配置系統(tǒng)的重要參考。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，影響匹配關(guān)系的主要因素有3個(gè)：系統(tǒng)構(gòu)型（設(shè)備選型及裝機(jī)容量）[12,25]、氣候和用戶類型[13,26]、運(yùn)行策略[16,27]。

用戶的冷熱電負(fù)荷需求特征對(duì)于系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和碳排放有重要的影響。然而，不同類型用戶在不同地區(qū)則表現(xiàn)出不同的負(fù)荷需求特征。其中公共建筑能耗較大，具有較大的節(jié)能潛力，CHP系統(tǒng)在該類型建筑中的應(yīng)用也得到廣泛關(guān)注。公共建筑的負(fù)荷波動(dòng)性大，隨機(jī)性強(qiáng)，且不同季節(jié)有一定的差異。歐美國(guó)家根據(jù)用戶在不同的氣候區(qū)域?qū)τ脩暨M(jìn)行了分區(qū)，例如美國(guó)將用戶所在區(qū)域分為7個(gè)氣候區(qū)[29]；而我國(guó)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中也把我國(guó)建筑劃分為5個(gè)不同的氣候區(qū)（嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)）[13]。其中，ZHANG等[2]以寒冷地區(qū)的一座辦公樓為案例，通過(guò)對(duì)該建筑的供電和供熱系統(tǒng)進(jìn)行集成來(lái)為電網(wǎng)提供靈活性，最后確定了最優(yōu)的設(shè)備容量和運(yùn)行方式；因此，寒冷地域用戶應(yīng)用分布式系統(tǒng)的潛力還有待進(jìn)一步研究。

微燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)是分布式系統(tǒng)的兩大核心設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)性能起關(guān)鍵作用。JING等[4]研究了微燃機(jī)、燃機(jī)和燃料電池為動(dòng)力單元的分布式能源系統(tǒng)在中國(guó)不同氣候區(qū)的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性。MOUSSAWI等[5]對(duì)比了微燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃機(jī)和汽輪機(jī)等不同動(dòng)力設(shè)備在分布式能源系統(tǒng)上的應(yīng)用，并通過(guò)案例分析研究了分布式多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng) 構(gòu)型。

從系統(tǒng)構(gòu)型的角度講，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的引入在緩解系統(tǒng)與用戶間負(fù)荷不匹配的同時(shí)，也可以減小系統(tǒng)裝機(jī)容量，可以保證系統(tǒng)始終以額定負(fù)荷高效運(yùn) 行[8-11]，總的來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)起到“減容增效，移峰填谷”的效果。而系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)容量的選擇則在一定程度上決定節(jié)能情況，容量過(guò)大則系統(tǒng)偏離額定工況運(yùn)行，運(yùn)行效率低，過(guò)小則需通過(guò)補(bǔ)燃措施補(bǔ)足。因此，合理的選擇系統(tǒng)裝機(jī)容量大小，對(duì)系統(tǒng)性能的提升起到至關(guān)重要作用。任洪波等[6]提出了CHP系統(tǒng)相對(duì)不同參考系統(tǒng)節(jié)能率的理論表達(dá)式。BARBIERI等[7]建立了一個(gè)帶儲(chǔ)熱裝置的CHP系統(tǒng)，評(píng)估了儲(chǔ)熱裝置帶來(lái)的節(jié)能性。SMITH等[8]在8種不同類型的公共建筑下配置帶儲(chǔ)熱的CHP系統(tǒng)，結(jié)果表明低熱電比的公共建筑配置帶儲(chǔ)熱的CHP系統(tǒng)收益較小。VERDA等[10]發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)熱裝置提高了CHP系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，減少了補(bǔ)燃量，提升了系統(tǒng)的節(jié)能率。WU等[16]研究發(fā)現(xiàn)微型CHP系統(tǒng)在熱負(fù)荷高于12 kW以后的節(jié)能性要高于分產(chǎn)系統(tǒng)。LAI等[18]討論了帶儲(chǔ)熱裝置的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)其子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系和容量選取。金紅光等[28]分析了補(bǔ)燃量和各設(shè)備性能對(duì)分布式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的影響，討論了蓄能裝置對(duì)系統(tǒng)變工況性能的改善。

在系統(tǒng)構(gòu)型一定前提下，系統(tǒng)運(yùn)行策略決定了系統(tǒng)不同的運(yùn)行方式，MAGO等[9,16]提出了FEL（以電定熱）和FTL（以熱定電）兩種運(yùn)行策略，而在這兩種運(yùn)行策略對(duì)應(yīng)不同的用戶則系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的節(jié)能性，因此，兩種運(yùn)行策略的選擇間接影響著系統(tǒng)的節(jié)能性。

因此，本研究基于某辦公樓實(shí)際的負(fù)荷數(shù)據(jù)為用戶研究對(duì)象，建立了適用于辦公樓用戶的CHP系統(tǒng)的不同構(gòu)型方案。同時(shí)，以年總成本節(jié)約率、一次能源節(jié)約率和二氧化碳減排量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入多目標(biāo)評(píng)價(jià)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的綜合收益，深入研究了系統(tǒng)裝機(jī)容量的設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)的運(yùn)行策略選擇。最后，采用混沌粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法得到系統(tǒng)綜合收益最高點(diǎn)下的系統(tǒng)構(gòu)型、裝機(jī)容量和運(yùn)行策略。

1 用戶負(fù)荷分析

本研究以美國(guó)某辦公樓實(shí)測(cè)的熱電負(fù)荷為研究對(duì)象，如圖1所示為2012年全年實(shí)測(cè)運(yùn)行的熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳎瑢⑵湄?fù)荷分為冬季負(fù)荷、夏季負(fù)荷和過(guò)渡季負(fù)荷，其中，冬季為1～4月和12月；夏季為7～9月；過(guò)渡季則為5月、6月、10月和11月。可以看出：每月電負(fù)荷需求均大于熱負(fù)荷，且電負(fù)荷波動(dòng)不大，維持在70000～85000 kW·h之間；熱負(fù)荷受季節(jié)性影響很大，冬季由于采暖，熱負(fù)荷需求最大，而夏季則幾乎為零；得益于氣候和良好的通風(fēng)條件，該辦公樓幾乎沒(méi)有冷負(fù)荷需求。

圖1 某大樓2012年逐月熱電負(fù)荷需求

為方便分析該辦公樓的負(fù)荷特征，本研究以典型日為例。圖2分別給出了不同季節(jié)典型日熱電負(fù)荷逐時(shí)變化，由圖可知：夏季熱負(fù)荷幾乎為零，冬季和過(guò)渡季均有熱電負(fù)荷需求；3個(gè)季度電負(fù)荷需求大小穩(wěn)定，用電高峰期維持在190 kW左右，熱負(fù)荷變化較大，冬季尖峰熱負(fù)荷達(dá)到334 kW，過(guò)渡季尖峰熱負(fù)荷214 kW；熱電負(fù)荷有明顯的晝夜峰谷現(xiàn)象，3個(gè)季節(jié)用電高峰期均分布在8:00～19:00之間，而熱負(fù)荷則具有較大差異，冬季和過(guò)渡季熱負(fù)荷需求高峰期為7:00～18:00之間，7:00達(dá)到尖峰負(fù)荷；熱電高峰負(fù)荷出現(xiàn)和消失存在時(shí)間位差，由于存在提前暖房等措施，熱負(fù)荷高峰期往往早于電負(fù)荷。

圖2 不同季節(jié)典型日熱電負(fù)荷變化

2 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)描述及模型建立

2.1 系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

該辦公樓負(fù)荷主要為電和熱，因此所配置的CHP系統(tǒng)主要由發(fā)電單元和制熱單元組成。圖3為分別基于微燃機(jī)（micro-turbine，MT）和內(nèi)燃機(jī)（internal-combustion engine，ICE）的分布式供能系統(tǒng)流程圖、能流圖和熱流圖，其中圖3(a-1)和3(b-1)為流程簡(jiǎn)圖，圖3(a-2)和圖3(b-2)為能流圖，圖3(a-3)和圖3(b-3)為熱流圖。系統(tǒng)主要包括動(dòng)力單元（微燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)）和余熱回收單元（余熱鍋爐、補(bǔ)燃鍋爐和儲(chǔ)熱罐）兩部分組成。動(dòng)力單元發(fā)電提供給辦公樓，不足的電力由電網(wǎng)彌補(bǔ)；排氣余熱通過(guò)余熱鍋爐回收，并進(jìn)行供熱；當(dāng)機(jī)組供熱量大于熱需求時(shí)，多余的熱儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱罐，當(dāng)機(jī)組供熱量不足時(shí)，儲(chǔ)熱罐釋熱與機(jī)組一同供熱；如果儲(chǔ)熱罐與機(jī)組供熱仍不足，不足部分由補(bǔ)燃補(bǔ)足。

2.2 關(guān)鍵部件建模

采用文獻(xiàn)[20]提出的微燃機(jī)變工況模型，微燃機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的發(fā)電效率與設(shè)計(jì)效率有關(guān)，具體模型如式(1)所示

采用文獻(xiàn)[22,24]提出的內(nèi)燃機(jī)模型，通過(guò)式(2)～(4)的建?？梢缘玫轿⑷紮C(jī)在選定容量后的變工況性能，其中不同容量下內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)電效率ICE-e0和實(shí)設(shè)計(jì)余熱回收效率ICE-h0的計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示，具體模型如下文所述。

（4）

對(duì)補(bǔ)燃鍋爐：

對(duì)儲(chǔ)熱罐，當(dāng)余熱回收量（rec）大于熱負(fù)荷需求（req）時(shí)，此時(shí)為儲(chǔ)熱過(guò)程，即在原有儲(chǔ)熱（storage-old）的基礎(chǔ)上增加儲(chǔ)熱量，因此，新時(shí)刻的儲(chǔ)熱量（storage-new）如式(6)所示。

當(dāng)rec (req?rec)，則新時(shí)刻儲(chǔ)熱量由式(7)表示

若storage-old<(req?rec),則storage-new=0，補(bǔ)燃鍋爐補(bǔ)足的供熱量即為補(bǔ)燃量（boiler）。補(bǔ)燃量可由式(8)來(lái)表示

微燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)釋熱過(guò)程如圖3(a)、3(b)所示。其中內(nèi)燃機(jī)相比微燃機(jī)而言，余熱利用部分除了有尾氣余熱回收量（rec）外，還多了缸套水供熱量（jw）。

微燃機(jī)：設(shè)計(jì)效率MT0=33%[20]，余熱回收前的損失率=5%，MT0為微燃機(jī)額定功率，MT為微燃機(jī)實(shí)際功率，MT為發(fā)電效率，為實(shí)際功率與額定功率的比值。MT為微燃機(jī)消耗的燃料量，kW；下標(biāo)0表示設(shè)計(jì)值。

內(nèi)燃機(jī)：ICE0表示內(nèi)燃機(jī)額定功率，ICE表示內(nèi)燃機(jī)實(shí)際功率，ICE-e表示發(fā)電效率，ICE-h表示余熱回收效率，ICE表示內(nèi)燃機(jī)消耗的燃料量，kW。

余熱回收單元：熱交換器效率rec=80%，補(bǔ)燃鍋爐效率boiler=90%。boiler表示補(bǔ)燃鍋爐消耗的燃料量，kW。

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文對(duì)CHP系統(tǒng)性能綜合評(píng)價(jià)從經(jīng)濟(jì)性（annual total cost saving，ATCS）、節(jié)能性（primary energy saving，PES）和環(huán)保性（CO2emission reduction，CO2ER）三個(gè)方面入手。為了更方便地評(píng)價(jià)分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能，本文將傳統(tǒng)單一供能模式定義為參考系統(tǒng)，即辦公樓電負(fù)荷來(lái)自外購(gòu)電，由補(bǔ)燃鍋爐供熱。

（1）年總成本節(jié)約率 ATCS 年總成本（annual total cost，ATC）是一種動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)方法，是指把不同時(shí)間內(nèi)資金的流入和流出換算成同一時(shí)間內(nèi)資金的價(jià)值。包括設(shè)備折舊費(fèi)（annual capital cost，ACC）和年運(yùn)行能量費(fèi)用（annual energy cost，AEC），即

設(shè)備折舊費(fèi)把總的設(shè)備投資成本在系統(tǒng)使用壽命年限內(nèi)各年均攤?？杀硎緸?/p>

式中，N為第個(gè)設(shè)備的額定功率，kW；C為第個(gè)設(shè)備的單位折舊費(fèi)用，元/kW，其中微燃機(jī)（包括熱回收系統(tǒng)）、內(nèi)燃機(jī)（包括熱回收系統(tǒng)）、儲(chǔ)熱罐、熱交換器、補(bǔ)燃鍋爐的單位折舊費(fèi)分別取值6800元/kW、4800元/kW、230元/kW、200元/kW、300元/kW[13,15]。折現(xiàn)率=8%，設(shè)備壽命年限=20[13,15]。

系統(tǒng)的年運(yùn)行能量費(fèi)用（annual energy cost，AEC）包括整個(gè)系統(tǒng)消耗的燃料費(fèi)用以及外購(gòu)電費(fèi)用?？杀硎緸?/p>

式中，表示三個(gè)季節(jié)，夏季、冬季和過(guò)渡季；T表示系統(tǒng)在該季節(jié)的運(yùn)行天數(shù)；外購(gòu)電價(jià)e在6:00～21:00為0.964元/(kW·h)，在22:00～5:00為0.435元/(kW·h)，天然氣價(jià)f=0.194元/(kW·h)[13,15]。

年總成本節(jié)約率ATCS由參考系統(tǒng)的年總成本ATCref與CHP系統(tǒng)的年總成本ATC表示，即

（2）一次能源節(jié)約率PES

一次能源消耗量（primary energy consumption，PEC）將電量和燃料量統(tǒng)一折算成的一次能源。參考系統(tǒng)的一次能源消耗量PECref，CHP系統(tǒng)的一次能源消耗量PEC以及PES可表示為

式中，電量折算系數(shù)PEC,e=3.546，燃料量折算系數(shù)PEC,f=1.092[8,11]。

（3）二氧化碳減排量CO2ER

將CO2排放量（CO2emission，CO2E）作為環(huán)保性評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考系統(tǒng)的CO2排放量CO2Eref，CHP系統(tǒng)的CO2排放量CO2E以及CO2ER可表示為

式中，單位外購(gòu)電消耗的CO2排放量e=768.9 g/(kW·h)，單位天然氣消耗的CO2排放量f=199.6 g/(kW·h)[8,11]。

2.4 多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)CHP系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保等多個(gè)方面，基于ATCS、PES和CO2ER等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相互結(jié)合的多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)（multi-objective evaluation index，MEI）可表示為[21]

式中，、、表示ATCS、PES和CO2ER等評(píng)價(jià)指標(biāo)在MEI中的權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)由層次分析法求得。層次分析法將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上將定性分析和定量分析相結(jié)合，分解復(fù)雜的系統(tǒng)。WANG等[21]利用層次分析法得到了ATCS、PES和CO2ER在不同運(yùn)行策略下的權(quán)重系數(shù)，在以電定熱的運(yùn)行策略下，ATCS、PES和CO2ER等評(píng)價(jià)指標(biāo)在MEI中的權(quán)重系數(shù)可取0.362、0.321、0.317；在以熱定電的運(yùn)行策略下，ATCS、PES和CO2ER等評(píng)價(jià)指標(biāo)在MEI中的權(quán)重系數(shù)可取0.382、0.309、0.309[21]。

3 系統(tǒng)性能分析

CHP系統(tǒng)最典型的運(yùn)行策略有兩種：以熱定電（following the electric load，F(xiàn)EL）和以電定熱（following the thermal load，F(xiàn)TL）。同時(shí)，針對(duì)于本研究的辦公樓負(fù)荷特征系統(tǒng)也有兩種停開機(jī)狀態(tài)，即24 h連續(xù)運(yùn)行和早起晚停（7:00～19:00）。因此，本節(jié)將分析系統(tǒng)在不同裝機(jī)容量下兩種運(yùn)行策略和停開機(jī)狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律；同時(shí)也將對(duì)比分析儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)；最后，運(yùn)用混沌粒子群優(yōu)化方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

3.1 不同裝機(jī)容量對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律

本研究基于用戶的負(fù)荷特征，對(duì)峰谷負(fù)荷進(jìn)行劃分[17]：將負(fù)荷平均值ave以上的負(fù)荷定為峰負(fù)荷，反之為谷負(fù)荷。本研究根據(jù)冬季典型日的負(fù)荷特征，選取5個(gè)典型負(fù)荷作為裝機(jī)容量進(jìn)行計(jì)算，例如以電定熱時(shí)選最大電負(fù)荷max，電峰負(fù)荷平均值ave，75%電峰負(fù)荷平均值0.75ave，50%電峰負(fù)荷平均值0.5ave，25%電峰負(fù)荷平均值0.25ave。如圖4所示。

系統(tǒng)在以電定熱的運(yùn)行策略下，不同裝機(jī)容量不同停開機(jī)狀態(tài)及有無(wú)儲(chǔ)熱設(shè)備時(shí)的經(jīng)濟(jì)性（ATCS）、節(jié)能性（PES）和環(huán)保性（CO2ER）分別如圖5所示，其中儲(chǔ)變、儲(chǔ)定、無(wú)儲(chǔ)變分別是有儲(chǔ)熱裝置變工況運(yùn)行、有儲(chǔ)熱裝置額定工況運(yùn)行、無(wú)儲(chǔ)熱裝置變工況運(yùn)行的簡(jiǎn)寫?？梢钥闯鲈诓煌ｉ_機(jī)狀態(tài)下系統(tǒng)ATCS、PES和CO2ER均具有極大值，即存在最優(yōu)裝機(jī)容量，但其系統(tǒng)各項(xiàng)性能變化有所差異。對(duì)比系統(tǒng)兩種停開機(jī)狀態(tài)，從整體上可以看出系統(tǒng)在最優(yōu)裝機(jī)容量下24 h連續(xù)運(yùn)行性能優(yōu)于早起晚停（7:00～18:00運(yùn)行）。這是由于連續(xù)運(yùn)行較早起晚停避免系統(tǒng)晚間購(gòu)電的同時(shí)，也可將夜間多余的熱量通過(guò)儲(chǔ)熱設(shè)備遷移到白天使用，能量得到合理調(diào)度，系統(tǒng)整體性能較好。而對(duì)于系統(tǒng)不同的構(gòu)型及調(diào)控策略，可以看出配有儲(chǔ)熱設(shè)備的系統(tǒng)在變工況調(diào)控狀態(tài)下各項(xiàng)收益最高。究其原因，相較傳統(tǒng)加儲(chǔ)熱后系統(tǒng)以額定工況運(yùn)行方式，隨著用戶的電負(fù)荷需求進(jìn)行變工況運(yùn)行，減少購(gòu)電量或多余電產(chǎn)生的同時(shí)，也能最大限度避免多余熱量的產(chǎn)生。對(duì)比內(nèi)燃機(jī)和燃機(jī)兩種不同的動(dòng)力設(shè)備，其運(yùn)行方式和系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)系統(tǒng)性能表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，但燃機(jī)在節(jié)能性和碳排放當(dāng)面優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)。

圖4 負(fù)荷劃分及典型負(fù)荷的選取

圖6 不同容量下儲(chǔ)熱對(duì)系統(tǒng)性能的影響

與此同時(shí)，圖6為綜合考慮系統(tǒng)的ATCS、PES和CO2ER的MEI指標(biāo)?？梢钥闯?，系統(tǒng)配有儲(chǔ)熱裝置后的MEI值要高于無(wú)儲(chǔ)熱設(shè)備，且連續(xù)運(yùn)行優(yōu)于早起晚停，這與上文原因分析一致。因此，對(duì)于本文所分析的辦公樓，系統(tǒng)建議采取以燃機(jī)為主要的動(dòng)力設(shè)備，且配備儲(chǔ)熱設(shè)備后以24 h連續(xù)運(yùn)行變工況的調(diào)控方式其收益最高。

3.2 不同運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律

與此同時(shí)，系統(tǒng)不同的運(yùn)行策略對(duì)動(dòng)力單元最優(yōu)容量的選擇也具有重要影響。圖7為系統(tǒng)采取儲(chǔ)變以電定熱和無(wú)儲(chǔ)以熱定電兩種運(yùn)行策略下動(dòng)力單元最優(yōu)裝機(jī)容量變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，微燃機(jī)早起晚停時(shí)在以電定熱模式下的最優(yōu)MEI要高于以熱定電，同時(shí)也高于內(nèi)燃機(jī)；連續(xù)運(yùn)行也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。因此，系統(tǒng)加儲(chǔ)熱時(shí)建議采取以電定熱的運(yùn)行策略。

圖7 不同方式下系統(tǒng)性能隨裝機(jī)容量的變化

3.3 混沌粒子群優(yōu)化模型

粒子群優(yōu)化算法不同于遺傳算法等優(yōu)化算法，它通過(guò)種群間的信息共享來(lái)完成尋優(yōu)。相比遺傳算法，沒(méi)有交叉和變異操作，粒子通過(guò)內(nèi)部速度來(lái)更新，調(diào)整參數(shù)少，優(yōu)化速度快，容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是容易陷入局部最優(yōu)。而混沌粒子群優(yōu)化算法改善了粒子陷入局部最優(yōu)的情況，提高了算法的收斂速度和精度。因此，為得到各個(gè)停開機(jī)狀態(tài)下動(dòng)力機(jī)組的最優(yōu)裝機(jī)容量。引入混沌粒子群優(yōu)化方法來(lái)尋求系統(tǒng)最優(yōu)裝機(jī)容量。具體優(yōu)化模型如下：設(shè)粒子的飛行速度和位置分別為v=(v,1,v,2, …,v,n)和x=(x,1,x,2, …,x,n)，粒子和種群的歷史最優(yōu)位置分別為p=(p,1,p,2, …,p,n)和g=(g,1,g,2, …,g,n)，在第次迭代過(guò)程中，粒子位置和速度更新方式為

式中，1、2為加速系數(shù)；為慣性權(quán)重，1和2是[0,1]的隨機(jī)數(shù)。

對(duì)粒子群的歷史最優(yōu)解進(jìn)行混沌處理。研究采用了混沌系統(tǒng)Logistic方程

式中，為控制參量。由任意初值0∈[0,1]，可迭代出一個(gè)確定的時(shí)間序列1,2,3,…。

利用混沌粒子群算法建立CHP系統(tǒng)的MEI模型，約束條件為設(shè)備容量，建立優(yōu)化模型如下

表1 FEL運(yùn)行策略下微燃機(jī)最優(yōu)裝機(jī)容量以及性能指標(biāo)

式中，1為CHP系統(tǒng)的MEI，是裝機(jī)容量，1和1為常數(shù)，為時(shí)間步長(zhǎng)。設(shè)初始種群規(guī)模為50，最大進(jìn)化代數(shù)為200，加速因子1、2取默認(rèn)值2，慣性權(quán)重取定值0.5。如圖8所示。

優(yōu)化結(jié)果見表1。結(jié)果表明動(dòng)力單元選擇帶儲(chǔ)熱裝置的121 kW的微燃機(jī)，以電定熱24 h變工況連續(xù)運(yùn)行的運(yùn)行策略，CHP系統(tǒng)的綜合效益最好。此時(shí)系統(tǒng)在全年的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性較傳統(tǒng)的單一供能模式（參考系統(tǒng)）分別提高22.85%、17.45%、25.06%。

4 結(jié) 論

（1）本文構(gòu)建了以微燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力單元的兩種不同CHP系統(tǒng)構(gòu)型方案，同時(shí)建立了相應(yīng)的變工況能量平衡模型；

（2）基于某辦公樓實(shí)際的熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析了兩種構(gòu)型方案下的裝機(jī)容量和運(yùn)行策略對(duì)節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，對(duì)于冷負(fù)荷需求較少的用戶，系統(tǒng)動(dòng)力單元選擇微燃機(jī)要優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)，以電定熱運(yùn)行策略要優(yōu)于以熱定電；因此，對(duì)于本文所分析的辦公樓，系統(tǒng)建議采取以微燃機(jī)為主要的動(dòng)力設(shè)備，且配備儲(chǔ)熱設(shè)備后以24 h連續(xù)運(yùn)行變工況的調(diào)控方式其收益最高。

（3）引入混沌粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法，得到該辦公樓的24 h連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下最佳裝機(jī)容量為121 kW，最優(yōu)運(yùn)行策略為FEL。該辦公樓應(yīng)用CHP系統(tǒng)后全年的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性較傳統(tǒng)的單一供能模式了分別提高22.85%，17.45%和25.06%。

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Analysis of installed capacity and operation strategy for distributed combined heating and power systems

1,2,2,1,2,2,2

(1North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China;2Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

A distributed combined heating and power (CHP) system is an advanced energy system which is close to end users. The selection of system configuration, capacity and operation strategy has an important impact on energy saving, environmental protection and economics of the system. This research took a building as an example and analyzed the characteristics of the thermal and electric loads using real time data. At the same time, two different configurations were constructed for the CHP system using respectively a micro-turbine and an internal-combustion engine as the power source, and corresponding variable-condition energy balance models were established. Furthermore, the influence of the power unit capacity on the economics, energy saving and environmental protection of the office building was discussed under different operation strategies, such as Following Thermal Load and Following Electric Load, operating under varying operating conditions and rated operation, with and without heat storage, 24-hour continuous operation and early rising and late stopping. Meanwhile, a multi-objective evaluation index was used to evaluate the benefits of the system under different installed capacities and operation strategies, and a chaotic particle swarm optimization algorithm was introduced to find the maximum comprehensive benefits of the system. The results showed that the economic, energy-saving and environmental protection performance of the office building with the CHP system was better than the traditional single function model, and the enhancements were 22.85%, 17.45% and 25.06%, respectively.

distributed combined heating and power system; load character; configuration scheme; capacity optimization; particle swarm optimization algorithm

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0190

TM 611

A

2095-4239（2019）01-083-09

2018-09-13；

2018-10-18。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0903602），中國(guó)科學(xué)院潔凈能源先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目（XDA21070200），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-JSC023），中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局國(guó)際伙伴計(jì)劃項(xiàng)目（182211KYSB20170029）。

張健（1990—），男，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榉植际綗犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化。E-mail：jzhang211@163.com。

李斌，副教授，主要從事電站系統(tǒng)及分布式系統(tǒng)的研究工作，E-mail：libin@ncepu.edu.cn。