劉義達(dá)，祁金勝，尹曉東，李官鵬，胡訓(xùn)棟，韓吉田

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

智慧能源是通過技術(shù)創(chuàng)新和制度變革，將人類智慧融匯到能源開發(fā)利用、生產(chǎn)消費(fèi)的全過程，從而建立的符合生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展要求的一種全新能源技術(shù)和制度體系。智慧能源具有自組織、自檢查、自平衡、自優(yōu)化等人類大腦功能，可以滿足系統(tǒng)、安全、清潔和經(jīng)濟(jì)等要求，為解決日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染難題、實(shí)現(xiàn)能源的安全、穩(wěn)定、清潔和可持續(xù)利用開辟了新思路［1］。

由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置、制冷系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等組成的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，已成為智慧能源和分布式供能系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一［2］。由于該多聯(lián)供系統(tǒng)涉及多個(gè)不同能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)和裝置的耦合集成，其優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)備選型、容量配置和參數(shù)匹配等諸多環(huán)節(jié)、不同約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，是一個(gè)典型的非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題［3-8］。目前其優(yōu)化設(shè)計(jì)工作主要由人工進(jìn)行，設(shè)計(jì)方案依賴設(shè)計(jì)者的水平和經(jīng)驗(yàn)，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，難以得到系統(tǒng)的最優(yōu)方案。因此，開發(fā)一套智能化的多聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件具有至關(guān)重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值［9-10］。

以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)多聯(lián)供系統(tǒng)為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象［11］，自主研發(fā)了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，包括單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版兩個(gè)版本，其中網(wǎng)絡(luò)版軟件可遠(yuǎn)程授權(quán)目標(biāo)用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄使用。根據(jù)用戶負(fù)荷和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)者可在軟件界面中選擇系統(tǒng)方案，優(yōu)選所需的設(shè)備品牌及型號(hào)，以年最小費(fèi)用為最優(yōu)化目標(biāo)得到優(yōu)化方案。軟件操作簡(jiǎn)單快捷，可顯著提高設(shè)計(jì)效率、降低成本，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 軟件組成

在建立智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型和構(gòu)建其可供選擇的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，利用LPSolve 軟件建立了以年最小費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的混合整數(shù)線性規(guī)劃算法［12］，并用python 語(yǔ)言開發(fā)了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的用戶界面。該軟件可根據(jù)用戶的冷熱電負(fù)荷等參數(shù)，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及其實(shí)時(shí)運(yùn)行工況分析，可為智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方便高效準(zhǔn)確的軟件工具平臺(tái)。

該智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主要由下述功能模塊組成，其流程如圖1 所示。

圖1 軟件流程

1）設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包含燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、吸收式制冷（溴化鋰機(jī)組）、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)組（冷水機(jī)組）等國(guó)內(nèi)外不同廠家不同型號(hào)的設(shè)備參數(shù)等信息，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建與管理。用戶可根據(jù)需求手動(dòng)或自動(dòng)選擇廠家，可以在線添加并修改設(shè)備型號(hào)與參數(shù)，軟件也可對(duì)已經(jīng)選擇的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。通過數(shù)據(jù)庫(kù)IP 地址和名稱的設(shè)置保證數(shù)據(jù)庫(kù)安全可靠，通過數(shù)據(jù)庫(kù)連接狀態(tài)測(cè)試保證數(shù)據(jù)庫(kù)穩(wěn)定可靠。

2）方案選擇。根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要，可從煙氣熱水型溴化鋰制冷系統(tǒng)、蒸汽型余熱鍋爐系統(tǒng)和熱水型余熱鍋爐系統(tǒng)中選擇合適的多聯(lián)供系統(tǒng)方案。

3）優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)備選型、設(shè)備匹配、參數(shù)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)分析等。用戶選擇方案后，可以導(dǎo)入用戶端冷熱電負(fù)荷，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)備參數(shù)，輸入能源價(jià)格，以系統(tǒng)最小總費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得系統(tǒng)最優(yōu)容量配置、設(shè)備型號(hào)及各設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行工況參數(shù)。

4）后臺(tái)管理。后臺(tái)管理包括用戶管理、管理用戶權(quán)限等。軟件運(yùn)行后需要用戶登錄，登錄需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取密碼，軟件管理員可設(shè)置用戶的訪問權(quán)限。

5） 評(píng)估報(bào)告。評(píng)估報(bào)告是按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的模板輸出Word 格式的多聯(lián)供系統(tǒng)尋優(yōu)方案報(bào)告。尋優(yōu)方案評(píng)估報(bào)告包括設(shè)備選型結(jié)果、設(shè)備運(yùn)行工況分析、系統(tǒng)費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和典型日系統(tǒng)運(yùn)行圖等。

6）軟件安全。軟件安全包括數(shù)據(jù)安全，網(wǎng)絡(luò)接入安全等。數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問、修改等操作需要先驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)IP、密碼等信息，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全。用戶在使用軟件之前需要獲得授權(quán)后才能登錄系統(tǒng)，以保證軟件安全。

2 設(shè)計(jì)案例

利用該軟件平臺(tái)對(duì)多個(gè)實(shí)際燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證了該軟件平臺(tái)的高效性和準(zhǔn)確可靠性。以濟(jì)南市某燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，選擇煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)方案（如圖2 所示），輸入相應(yīng)計(jì)算參數(shù)，選擇設(shè)備的廠家和型號(hào)等參數(shù)，利用該軟件平臺(tái)獲得該聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 能源價(jià)格及負(fù)荷參數(shù)

表1 給出了濟(jì)南市不同時(shí)段的電價(jià)。天然氣的價(jià)格為2.6 元／m3，其熱值為37.8 mJ／m3。

圖2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

表1 不同時(shí)段電價(jià)

取1 年內(nèi)4 天的典型日負(fù)荷分別代表春夏秋冬四季的冷熱電負(fù)荷，可得到該建筑的冷熱電負(fù)荷曲線分別如圖3—圖6 所示。

由圖3、圖5 和圖6 可知，春秋和冬三個(gè)季節(jié)有熱和電負(fù)荷，沒有制冷負(fù)荷，且熱電負(fù)荷在一個(gè)典型日的24 h 內(nèi)是隨時(shí)間變化的。與春秋冬季不同，夏季有冷熱電三種負(fù)荷，且冷熱電三種負(fù)荷在一個(gè)典型日的24 h 內(nèi)也是隨時(shí)間變化的。

2.2 設(shè)備選擇

1）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。如表2 所示，從設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇GE 公司的顏巴赫（Jenbacher）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。

2）燃?xì)忮仩t。如表3 所示，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的中太鍋爐。

3）電制冷機(jī)（冷水機(jī)組）。如表4 所示，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的日立電制冷機(jī)。

圖3 春季冷熱電負(fù)荷

圖4 夏季冷熱電負(fù)荷

圖5 秋季冷熱電負(fù)荷

圖6 冬季冷熱電負(fù)荷

表2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)（GE 顏巴赫）

表3 燃?xì)忮仩t（中太鍋爐）參數(shù)

表4 日立冷水機(jī)組參數(shù)

4）溴化鋰吸收式制冷機(jī)組。如表5 所示，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的雙良燃?xì)鉄崴弯寤囄帐街评錂C(jī)組。

表5 雙良溴化鋰吸收式制冷機(jī)組參數(shù)

2.3 優(yōu)化結(jié)果

在軟件平臺(tái)用戶操作界面中點(diǎn)擊“優(yōu)化計(jì)算”按鈕，可得到該案例的自動(dòng)尋優(yōu)結(jié)果，設(shè)備選型和系統(tǒng)費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果分別如表6 和表7 所示。

利用軟件平臺(tái)得到的多聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略分別如圖7—圖15 所示。

1）電負(fù)荷。

春夏秋冬的用電負(fù)荷分布如圖7—圖9 所示。該項(xiàng)目的夏季電負(fù)荷較大，故以夏季設(shè)備運(yùn)行策略為例進(jìn)行分析。如圖8 所示，電負(fù)荷主要由型號(hào)為J316GS 的顏巴赫燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)購(gòu)電提供。在00∶00—07∶00（電價(jià)谷段），主要由電網(wǎng)購(gòu)電滿足用戶的電負(fù)荷需求。在其他時(shí)段3 臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組都滿負(fù)荷運(yùn)行，其輸出的最大電功率為2 505 kW，不足的用戶電負(fù)荷再由電網(wǎng)購(gòu)電滿足。

表6 設(shè)備選型結(jié)果

表7 系統(tǒng)費(fèi)用 萬元

圖7 春季電負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

圖8 夏季電負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

圖9 秋季電負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

圖10 冬季電負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線

2）熱負(fù)荷。

春夏秋冬的熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化如圖11—圖14所示。該項(xiàng)目冬季熱負(fù)荷較大，故以冬季為例分析系統(tǒng)的運(yùn)行策略。如圖14 所示，熱負(fù)荷主要由溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、換熱器以及中太鍋爐機(jī)組滿足。由于溴化鋰吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排氣和缸套水余熱，溴化鋰吸收式制冷機(jī)最多可提供1 000 kW 左右的熱負(fù)荷，不足部分的熱負(fù)荷由換熱器和型號(hào)為cwns7-95／70-YQ、額定功率為7 000 kW 的中太鍋爐一起提供。

圖11 春季制熱量隨時(shí)間的變化曲線

圖12 夏季制熱量隨時(shí)間的變化曲線

圖13 秋季制熱量隨時(shí)間的變化曲線

圖14 冬季制熱量隨時(shí)間的變化曲線

3）制冷量。

只有夏季有制冷負(fù)荷需求，其他季節(jié)不需要制冷負(fù)荷。如圖15 所示，夏季制冷負(fù)荷主要由溴化鋰吸收式制冷機(jī)組和日立電制冷機(jī)組滿足。在00∶00—07∶00 （電價(jià)谷段），全部冷負(fù)荷由型號(hào)為HCF900GSG、額定功率為3 165 kW 的日立電制冷機(jī)組滿足。在其他時(shí)段（非電價(jià)谷段），溴化鋰吸收式制冷機(jī)組可提供2 500 kW 左右的制冷量，剩余部分的制冷負(fù)荷由日立電制冷機(jī)組滿足。

圖15 夏季制冷量隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

研發(fā)了基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，以濟(jì)南市某燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為算例驗(yàn)證了該軟件的準(zhǔn)確性和高效性。該軟件界面友好，功能強(qiáng)，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)備及其參數(shù)齊全，操作簡(jiǎn)捷，計(jì)算速度快，一鍵即可導(dǎo)出優(yōu)化結(jié)果、Word 版優(yōu)化方案報(bào)告，可以滿足燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)智慧能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要，為智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略分析提供了一種有效實(shí)用的軟件平臺(tái)。