基于線性規劃算法的燃氣內燃機三聯供系統運行策略優化

劉　偉，　古云蛟

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

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基于線性規劃算法的燃氣內燃機三聯供系統運行策略優化

劉偉，古云蛟

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

對上海某制造企業內燃機冷熱電三聯供項目進行了運行策略優化研究。以運行燃料費用最低為優化目標，考慮了能源價格、負荷特性、設備參數等影響因素，建立了系統的優化模型，采用MATLAB軟件中線性規劃(LP)算法進行求解，得到了企業冬季工作日和休息日最優的運行策略。

內燃機三聯供； 線性規劃； 運行策略優化

以天然氣為燃料的分布式內燃機三聯供系統將高品位的能量用來發電，將低品味的能量用來供熱或者制冷，同時將缸套水、中冷水用來供應熱水負荷需求，實現了能量的“梯級利用”[1]，是一種先進的用能方式。內燃機三聯供具有清潔、環保、高效等優勢，不過在我國市場經濟的大背景下，影響內燃機三聯供項目發展的主要因素仍是經濟效益。為了幫助企業降低燃料成本、擴大利潤，更好地指導三聯供系統經濟運行，本研究采用線性規劃(LP)算法，選取上海某制造企業內燃機冷熱電三聯供項目作為優化對象，對內燃機三聯供系統進行運行策略優化。

1　系統介紹

分布式能源系統由內燃發電機組、余熱鍋爐、燃氣鍋爐組成，如圖1所示。系統的主要設備見表1。該系統能量來源于天然氣和電網，電負荷由內燃機提供，不足部分通過電網來滿足；蒸汽負荷(通過蒸汽溴化鋰機組制冷，或者直接供熱)由余熱鍋爐產生，不足部分通過燃氣鍋爐來滿足；缸套水和中冷水預熱鍋爐給水，并滿足熱水負荷。在三聯供的基礎上，加入可再生能源，即光伏發電系統作為補充。

表1　系統主要設備

圖1　內燃機三聯供系統圖

2　設備模型

2.1內燃機

作為分布式能源系統中的重要動力設備，燃氣內燃機在聯供系統中的主要性能參數有發電出力、相應的燃料量，以及可回收熱量[2]。燃氣內燃機特性函數如下：

(1)

式中：Pic為燃氣內燃機發電出力，kW；E為單位時間進入燃氣內燃機的燃料熱量，kW；Qic為單位時間燃氣內燃機排出煙氣的可利用熱量(最終煙氣排放溫度為120 ℃),kW；Wic為單位時間缸套冷卻水的可利用熱量，kW；Hic為單位時間中冷水的可利用熱量，kW；Pmin和Pmax分別為內燃機的最小、最大發電出力，kW；δic為內燃機的狀態參數，內燃機運行時為1，停機時為0；aic、bic、cic、dic、eic、fic、gic、hic為常數。

經擬合，1500kW內燃機特性參數見表2，Pmax、Pmin分別取額定負荷和50%額定負荷。

表2　1500kW內燃機特性參數

2.2余熱鍋爐

余熱鍋爐是重要的余熱利用設備，余熱鍋爐煙氣側為內燃機排氣，產生1MPa的飽和蒸汽。內燃機和余熱鍋爐按照“一拖一”方式運行，余熱鍋爐運行區間和內燃機運行區間相同，在50%～100%區間運行。余熱鍋爐特性函數如下：

Qhrsg=effhrsgQic

(2)

式中：Qhrsg為單位時間燃氣鍋爐供熱量，kW；effhrsg為余熱鍋爐煙氣側和工質側換熱因數。

2.3燃氣鍋爐

燃氣鍋爐是輔助制熱設備，用于產生1MPa的飽和蒸汽，其額定效率為0.92。為避免燃氣鍋爐在低負荷區域連續運行，假設燃氣鍋爐最小啟動負荷為30%，Qgb_max、Qgb_min分別取額定負荷和30%額定負荷，燃氣鍋爐特性如圖2所示。

圖2　燃氣鍋爐輸入、輸出功率特性曲線

燃氣鍋爐特性函數線性擬合如下：

(3)

式中：Qgb為單位時間燃氣鍋爐供熱量，kW；Egb為單位時間輸入燃料熱量，kW；δgb為單位時間燃氣鍋爐運行狀態參數，運行時為1，停運時為0。

2.4光伏板

由于光伏組件的出力受太陽輻照度、環境溫度影響，因此光伏組件的輸出功率一般以標準測試條件(太陽輻照度為1000W/m2，電池溫度為25 ℃)下的系統出力為標準進行修正，具體可表示為[3]：

(4)

式中：Ppv為光伏組件的實際輸出功率,kW；GING為實際太陽輻照度,W/m2；GSTC為標準測試條件下的太陽輻照度，取1000W/m2；PSTC為標準測試條件下光伏電池組件的輸出功率，kW；kpv為溫度系數，取0.03 K-1；Tr為環境溫度，℃；Tc為電池溫度，取25 ℃。

3　運行策略優化的數學模型

運行策略優化的目標是使典型日中每一時段分布式供能系統運行燃料費用(包括天然氣、網購電、余熱鍋爐、燃氣鍋爐給水費用)最低，不考慮售電情況，如式(5)所示。約束包括兩部分： 需求約束，滿足每一時段系統電、蒸汽、熱水負荷要求，如式(6)所示；設備特性約束，見式(1)～(4)。

mineexpen=3.6(∑Eic+∑Egb)Pgas/hgas

+NelecPe+DwPw

(5)

(6)式中：eexpen為某時段運行燃料費用，元；hgas為天然氣熱值，MJ/m3；Eic為單位時間內燃機消耗的天然氣熱量，kW；Egb為單位時間燃氣鍋爐消耗的天然氣熱量，kW；Pgas為天然氣價格，元/m3；Nelec為購、售電量，售電為負，kWh；Pe為購、售電價格，元/(kWh)；Dw為蒸汽流量，kg/s；Pw為水價格,元/t；Nv為光伏發電量,kWh；Lelec為電量，kWh；Qhrsg為單位時間余熱鍋爐提供的蒸汽熱量，kW；Qgb為單位時間燃氣鍋爐提供的蒸汽熱量，kW；hout為給水預熱出口焓，kJ/kg；hin為給水預熱入口焓，kJ/kg；hsteam為蒸汽焓，kJ/kg；Lwater為熱水熱量，kWh。

聯立式(1)～(6)可知，內燃機三聯供系統運行策略優化問題是一個典型的混合整數線性規劃問題，涉及{0，1}機組啟停。求解思路是： 在每一時段內，枚舉所有設備的啟停區域，對于每一種啟停區域采用線性規劃進行求解，并比較、選出經濟性最好的啟停區域和相應的運行策略。

4　優化實例

以企業冬季工作日和休息日為例進行優化，能源價格見表3。其中，峰段電價時間段為8：00～11：00、18：00～21：00，平段電價時間段為6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段電價時間段為22：00～次日6：00。系統的負荷特性如圖3～圖5所示。

表3　能源價格

圖3　冬季電負荷特性

圖4　冬季蒸汽負荷特性

圖5　冬季熱水負荷特性

4.1冬季工作代表日

冬季工作日費用為17.1萬元/天。冬季工作日運行策略如圖6～圖8所示。

圖6　冬季工作代表日電負荷供應圖

圖7　冬季工作代表日蒸汽負荷供應圖

圖8　冬季工作代表日熱水負荷供應圖

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，停運一臺內燃機，另一臺內燃機降負荷運行，電量和蒸汽負荷不足部分分別通過網購電和燃氣鍋爐補充。此時段內，熱水負荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，兩臺內燃機滿負荷工作，光伏發電根據環境變化出力發生變化，電量不足部分通過網購電來滿足。蒸汽不足部分通過燃氣鍋爐來補充，在最高負荷處兩臺燃氣鍋爐運行。缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

4.2冬季休息代表日

冬季休息日費用為5.667萬元/天。冬季休息日運行策略如圖9～圖11所示。

圖9　冬季休息代表日電負荷供應圖

圖10　冬季休息代表日蒸汽負荷供應圖

圖11　冬季休息代表日熱水負荷供應圖

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，停運一臺內燃機，另一臺內燃機降負荷運行，電量和蒸

汽負荷不足部分分別通過網購電和燃氣鍋爐補充。此時段內，熱水負荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，兩臺內燃機出力隨負荷變化而變化，光伏發電根據環境變化出力發生變化，由于電力負荷較低，該時段系統不用從電網購電。蒸汽不足部分通過燃氣鍋爐補充，由于蒸汽負荷相對較低，在最高負荷處只啟動一臺燃氣鍋爐運行。缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

5　結論

采用線性規劃算法對內燃機三聯供系統進行運行策略優化，通過對上海某制造企業內燃機冷熱電三聯供項目冬季工作日和休息日的實例進行優化，得出以下結論。

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，冬季工作日和休息日均停運一臺內燃機，另一臺內燃機降負荷運行，電量和蒸汽負荷不足部分分別通過網購電和燃氣鍋爐來補充，此時段內，熱水負荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，工作日兩臺內燃機滿負荷工作，電量不足部分通過網購電滿足，熱負荷高峰時段啟動兩臺燃氣鍋爐。休息日兩臺內燃機出力隨負荷變化而變化，系統不從電網購電，熱負荷高峰時段啟動一臺燃氣鍋爐。

(3) 工作日和休息日的峰、平電價時段(7：00～22：00)，缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

[1] 陸偉.城市能源環境中分布式供能系統優化配置研究[D].北京： 中國科學院研究生院，2007.

[2] 劉愛國.我國南方地區燃氣輪機分布式供能系統的研究[D].北京： 中國科學院研究生院，2009.

[3] 張穎媛.微網系統的運行優化與能量管理研究[D].合肥： 合肥工業大學，2011.

The operation strategy was optimized for a gas engine CCHP project carried out by a manufacturer in Shanghai. Focusing on minimum fuel cost it took into account the contributing factors such as energy prices, load bearing characteristic and device parameters to build optimization model for the system and use MATLAB software LP algorithm for solving to get optimal operation strategy for working days and non-working days in winter.

Gas Engine CCHP; Linear Program; Optimization of Operation Strategy

2015年9月

劉偉(1985—)男，碩士研究生，工程師，主要從事分布式能源系統仿真與規劃設計研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM611

A

1674-540X(2016)01-009-05