基于Aspen Plus 和Excel VBA加載宏的分布式能源系統(tǒng)仿真優(yōu)化

袁興宇，馬銳鋒，梁俊宇，曾小松，王萬(wàn)山，殷捷，顧江其

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)能源投資有限責(zé)任公司，昆明 650217；3. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096；4. 南京瑞松信息科技有限公司，南京 210038)

隨著風(fēng)和光等可再生能源的利用，分布式能源系統(tǒng)在能源的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中將會(huì)越發(fā)重要[1-3]，分布式能源系統(tǒng)的高效優(yōu)化運(yùn)行是分布式能源系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，建立精準(zhǔn)可靠的模型是對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和研究的基礎(chǔ)。許多學(xué)者對(duì)分布式能源系統(tǒng)的設(shè)備建模[4]和運(yùn)行優(yōu)化[5]等方面進(jìn)行了研究。孫文[6]利用Simulink軟件，對(duì)于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)、靜態(tài)仿真，具有較高的仿真精度，然而某些輸入?yún)?shù)修改的過(guò)程復(fù)雜，人機(jī)交互體驗(yàn)較差。LIU 等[7]研究了在Aspen HYSYS中給出了三壓再熱燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)的一般建模思路和方法，并通過(guò)與GateCycle軟件對(duì)比，證實(shí)了Aspen HYSYS和Aspen Plus這類(lèi)通用建模軟件的優(yōu)越性。 WANG等[8]對(duì)利用EBSILON軟件搭建了太陽(yáng)能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，研究了環(huán)境溫度、大氣壓力等方面對(duì)于該系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，提出該聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況受溫度影響很大。張曉榮等[9]利用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的模擬，對(duì)于LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)中的壓氣機(jī)直接采用自帶模塊進(jìn)行模擬，忽略了壓氣機(jī)中存在的中間級(jí)抽氣，且最終得到的模擬系統(tǒng)表示界面較為繁雜。張曉烽[10]對(duì)Aspen Plus軟件進(jìn)行生物質(zhì)與太陽(yáng)能耦合建筑冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模擬，而對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化則采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，并未采用Aspen Plus中的模擬模型?？梢?jiàn)許多學(xué)者的研究針對(duì)于分布式能源系統(tǒng)的建模仿真和運(yùn)行優(yōu)化存在人機(jī)交互差、建模與優(yōu)化脫離等問(wèn)題。

本文對(duì)于分布式能源系統(tǒng)典型動(dòng)力、暖通和可再生設(shè)備進(jìn)行了建模，并給出了一般結(jié)構(gòu)的通用建模方法，并將復(fù)雜設(shè)備封裝為直觀的用戶模塊，在系統(tǒng)集成界面引入數(shù)據(jù)輸入結(jié)果展示界面，利用ActiveX接口，引入Excel VBA與Aspen Plus協(xié)同進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并基于某工業(yè)園自然和負(fù)荷情況進(jìn)行了仿真優(yōu)化計(jì)算。

1 分布式能源系統(tǒng)及Aspen Plus軟件介紹

分布式能源系統(tǒng)目前主要是指集成了可再生能源的分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，在研究過(guò)程中，很難直接采用實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行分析研究，往往采用模擬仿真的方法來(lái)體現(xiàn)其設(shè)備特性。

本文選擇典型的燃?xì)?光-儲(chǔ)互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)，構(gòu)建基于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的能源系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣，一方面做功發(fā)電，另一方面產(chǎn)生高溫?zé)煔狻８邷責(zé)煔庠谟酂徨仩t內(nèi)加熱水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽和低溫低壓蒸汽。高溫高壓蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)，在做功發(fā)電的同時(shí)可以以中間抽汽的形式滿足熱負(fù)荷需求。低溫低壓蒸汽可以作為補(bǔ)汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功發(fā)電，也可以用于驅(qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組制冷。公共電網(wǎng)作為重要補(bǔ)充和應(yīng)急措施來(lái)提供電能，燃?xì)忮仩t提供補(bǔ)燃滿足工業(yè)園熱負(fù)荷，電制冷機(jī)組用于輔助制冷。太陽(yáng)集熱器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸入燃?xì)廨啓C(jī)，由于太陽(yáng)能具有間歇性，在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)電裝置，削峰填谷，以有效實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同互補(bǔ)。采用Aspen Plus作為建立設(shè)備模型和進(jìn)行系統(tǒng)集成的平臺(tái)，采用模塊化建模的思想進(jìn)行建模。Aspen Plus是一款通用流程模擬軟件，發(fā)端于1981年完成的“先進(jìn)過(guò)程工程系統(tǒng)”(Advanced System for Process Engineering)，簡(jiǎn)稱Aspen，廣泛應(yīng)用于化工、石化和能源等領(lǐng)域。在能源領(lǐng)域中，常用的模塊是模擬換熱過(guò)程的換熱器、模擬燃燒等化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器、模擬壓縮膨脹過(guò)程的壓力變送設(shè)備三類(lèi)模塊，采用模塊化建模思想和序貫?zāi)K法進(jìn)行建模。分布式能源系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 分布式能源系統(tǒng)示意圖

2 典型分布式能源設(shè)備建模

2.1 動(dòng)力設(shè)備

2.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)建模

燃?xì)廨啓C(jī)的通用結(jié)構(gòu)都有壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。該設(shè)備的一般建模方法為：采用PR-BM的物性方法，RGibbs模塊模擬燃燒室， Compr模塊模擬壓縮機(jī)和渦輪。本文以GE LM2500+G4設(shè)備為例，該設(shè)備內(nèi)存在中間抽汽，由于Aspen Plus自帶的Compr模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)中間抽氣功能，故而采用等效為三個(gè)壓氣機(jī)的處理辦法，對(duì)于抽氣采用分離器模塊分離。

在Aspen Plus中建立GE LM2500+G4設(shè)備仿真圖如圖2所示。

圖2 GE LM2500+G4設(shè)備仿真圖

2.1.2 蒸汽輪機(jī)建模

蒸汽輪機(jī)在Aspen Plus中的建模，由于存在中間抽汽和補(bǔ)汽進(jìn)入，單一的Compr模塊無(wú)法進(jìn)行有效模擬。本文采用三個(gè)Compr模塊模擬有中間抽汽和補(bǔ)汽的蒸汽輪機(jī)，根據(jù)抽汽或補(bǔ)汽的參數(shù)來(lái)決定Compr模塊的參數(shù)設(shè)置，由Fsplit模塊來(lái)表征抽汽量的多少或份額。在Aspen Plus中建立蒸汽輪機(jī)設(shè)備仿真圖如圖3所示。

圖3 蒸汽輪機(jī)設(shè)備仿真圖

2.2 暖通設(shè)備

2.2.1 余熱鍋爐建模

Aspen Plus中已經(jīng)內(nèi)置換熱器模塊，通過(guò)輸入不同部件的換熱面積和換熱系數(shù)，即可完成對(duì)于余熱鍋爐設(shè)備的模擬，煙氣側(cè)采用PR-BM物性方法，水汽側(cè)采用STEAMNBS物性方法，換熱器用HeatX模塊，分離器用Flash2模塊，泵用Pump模塊。參照該余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)。在Aspen Plus中建立雙壓余熱鍋爐設(shè)備仿真如圖4所示。

圖4 雙壓余熱鍋爐設(shè)備仿真圖

2.2.2 單效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組建模

采用ELECNRTL物性方法，發(fā)生器用Flash2模塊，冷凝器、吸收器和蒸發(fā)用HeatX模塊，節(jié)流閥用Valve2模塊，泵用Pump模塊。在Aspen Plus中建立單效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組設(shè)備仿真圖如圖5所示。

2.2.3 燃?xì)忮仩t建模

本文中設(shè)定燃?xì)忮仩t熱效率為92%，具體產(chǎn)生蒸汽量和蒸汽壓力根據(jù)具體需求設(shè)定，采用 RGibbs模塊模擬天然氣和空氣混合燃燒過(guò)程，HeatX模塊模擬煙氣和水之間的換熱過(guò)程。在Aspen Plus中建燃?xì)忮仩t設(shè)備仿真圖如圖6所示。

圖5 單效吸收式溴化鋰制冷機(jī)組設(shè)備仿真圖

圖6 燃?xì)忮仩t設(shè)備仿真圖

2.3 可再生能源設(shè)備

2.3.1 太陽(yáng)能集熱器建模

選擇Pump模塊模擬泵，Heater模塊模擬預(yù)熱蒸發(fā)段和過(guò)熱段，Sep模塊模擬汽水分離器，Mix模塊模擬混合器。

在Aspen Plus 中建立太陽(yáng)能集熱器設(shè)備仿真圖如圖7所示。

圖7 太陽(yáng)能集熱器設(shè)備仿真圖

2.3.2 儲(chǔ)能設(shè)備建模

常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)有物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三大類(lèi)，其基本流程大多均為物質(zhì)的A和B兩種狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換或者甲和乙兩種物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)換，依照這樣的思想，在Aspen Plus中建立儲(chǔ)電裝置的簡(jiǎn)化模型，即儲(chǔ)能過(guò)程每輸出0.1 kg/s某載能體EC，需消耗的電功率為60 kW；放電過(guò)程每消耗0.1 kg/s載能體EC，釋放電功率為60 kW。本文雖然模擬上忽略輸入輸出差異以及儲(chǔ)存損耗，將輸入輸出差異和儲(chǔ)存損耗納入到運(yùn)行成本中。儲(chǔ)能設(shè)備仿真圖如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)放電過(guò)程仿真圖

圖中CASEC HIERARCHY模塊即為儲(chǔ)電裝置的儲(chǔ)電過(guò)程，CASED HIERARCHY模塊即為儲(chǔ)電裝置的放電過(guò)程，物料ECO為儲(chǔ)能過(guò)程產(chǎn)生的載能體，物料ECI為放電過(guò)程消耗的載能體；能流W1、W2分別為儲(chǔ)電過(guò)程的耗電功率和放電過(guò)程的輸出電功率。

3 能源系統(tǒng)集成及人機(jī)交互優(yōu)化

圖2比較完整地展示了燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)能量關(guān)系，然而當(dāng)它集成到能源系統(tǒng)中時(shí)，人們關(guān)注的焦點(diǎn)往往在特定氣溫條件下，不同的燃料輸入情況對(duì)應(yīng)的輸出功率及其排煙參數(shù)，故本文將其封裝為一個(gè)新的用戶模型，使之便于與其它設(shè)備集成，提高其可移植性和用戶友好度。

在Aspen中將該設(shè)備模型封裝為如圖9的用戶模型。

圖9 LM2500+G4設(shè)備封裝用戶模型示意圖

圖中LM2500G4 HIERARCHY模塊即為L(zhǎng)M2500+G4設(shè)備模型，物料FUEL和AIR為該設(shè)備工作所需的燃料和空氣，物料EG為低壓渦輪的排氣，能流WORK為低壓渦輪的對(duì)外輸出功。

此外，還可以利用插入自定義表格，如圖10所示，通過(guò)變量關(guān)聯(lián)的方法，在表格內(nèi)直接輸入所研究的輸入變量的參數(shù)，在表格中直接輸出所關(guān)注輸出變量的參數(shù)結(jié)果，這樣一方面簡(jiǎn)化了改變輸入、查看輸出的工作，另一方面可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于“所見(jiàn)即所得”的效果，提高人機(jī)交互體驗(yàn)。

圖10 輸入輸出界面

4 Excel VBA與Aspen Plus結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

在VBA中可以借助類(lèi)比于定義變量的方法定義Aspen Plus的模擬文件作為一個(gè)IHapp對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，這種方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，也可以利用Aspen Plus的Excel加載項(xiàng)Aspen Simulation Workbook實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，本文選擇定義IHapp對(duì)象的方法，該方法在Aspen的說(shuō)明書(shū)及很多文獻(xiàn)中均有詳盡說(shuō)明。利用ActiveX接口實(shí)現(xiàn)Excel與Aspen Plus之間的交互示意圖如圖11所示。

圖11 利用ActiveX接口實(shí)現(xiàn)Excel與Aspen Plus之間的交互示意圖

以遺傳算法為例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)Excel的VBA加載宏與Aspen Plus結(jié)合，首先將Excel中的設(shè)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Aspen Plus中去，并基于導(dǎo)入數(shù)據(jù)運(yùn)行模擬過(guò)程，而后將Aspen Plus中的模擬結(jié)果中的參數(shù)導(dǎo)入到Excel中，最后計(jì)算模擬結(jié)果參數(shù)的適應(yīng)度。Excel與Aspen Plus結(jié)合的遺傳算法流程如圖12所示。

圖12 Excel與Aspen Plus結(jié)合的遺傳算法流程

本文編寫(xiě)了遺傳算法的Excel的VBA程序，在Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始賦值與給定，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至調(diào)用Aspen Plus進(jìn)行模擬，得到模擬結(jié)果導(dǎo)入回Excel，通過(guò)遺傳算法的VBA程序，不斷地尋優(yōu)，最終得到滿足適應(yīng)度要求的運(yùn)行策略。

5 仿真優(yōu)化示例

本文選擇某工業(yè)園的一個(gè)典型日的12:00為一個(gè)日間工作點(diǎn)，該點(diǎn)光照最強(qiáng)，14:00為另一個(gè)日間工作點(diǎn)，該點(diǎn)氣溫最高，對(duì)于基于遺傳算法的最優(yōu)運(yùn)行方式(GAO)與以電定熱模式(FEL)、以熱定電模式(FTL)進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)于典型時(shí)刻12:00，該點(diǎn)的特征為氣溫較高，光照最強(qiáng)，冷熱電負(fù)荷較高，熱電比最低。針對(duì)該情況制定優(yōu)化運(yùn)行策略。該工業(yè)園自然條件及負(fù)荷情況見(jiàn)表1。

表 1 該工業(yè)園自然條件及負(fù)荷情況

針對(duì)該情況制定優(yōu)化運(yùn)行策略得到?jīng)Q策變量取值與運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 制定優(yōu)化運(yùn)行策略得到?jīng)Q策變量取值與運(yùn)行結(jié)果

該種情況下，由于光照強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生了大量的高壓蒸汽，可以用于發(fā)電和抽汽，所以即使負(fù)荷較高，燃?xì)廨啓C(jī)依然非滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，抽汽份額由進(jìn)汽量決定，抽汽用于滿足熱負(fù)荷，鍋爐的低壓蒸汽全部用于驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組。汽輪機(jī)抽汽尚未到最大抽汽份額，故不需要燃?xì)忮仩t補(bǔ)燃滿足熱負(fù)荷。蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電量足以供應(yīng)工業(yè)園的電負(fù)荷，故不需要從公共電網(wǎng)購(gòu)電。

對(duì)于典型時(shí)刻14:00，該工業(yè)園自然條件及負(fù)荷見(jiàn)表3。

表3 該工業(yè)園自然條件及負(fù)荷

該點(diǎn)的特征為氣溫最高，光照較強(qiáng)，冷熱電負(fù)荷較高，熱電比較低。針對(duì)該情況制定優(yōu)化運(yùn)行策略得到?jīng)Q策變量取值與運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 制定優(yōu)化運(yùn)行策略得到?jīng)Q策變量取值與運(yùn)行結(jié)果

該種情況下，由于光照較強(qiáng)，太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生了大量的高壓蒸汽，可以用于發(fā)電和抽汽，所以即使負(fù)荷較高，燃?xì)廨啓C(jī)依然非滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，抽汽份額由進(jìn)汽量決定，抽汽用于滿足熱負(fù)荷，鍋爐的低壓蒸汽全部用于驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組，剩余冷負(fù)荷由電制冷機(jī)組滿足。汽輪機(jī)抽汽尚未到最大抽汽份額，故不需要燃?xì)忮仩t補(bǔ)燃滿足熱負(fù)荷。蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電量足以供應(yīng)工業(yè)園的電負(fù)荷，故不需要從公共電網(wǎng)購(gòu)電。

綜上，采用Excel VBA和Aspen Plus結(jié)合運(yùn)用遺傳算法的最優(yōu)運(yùn)行方式可行，且優(yōu)于常規(guī)的以熱定電或者以電定熱模式。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于分布式能源系統(tǒng)典型動(dòng)力、暖通、可再生設(shè)備進(jìn)行了建模，提出了設(shè)備的一般組成結(jié)構(gòu)的通用建模方法，并將復(fù)雜設(shè)備封裝為直觀的用戶模塊，在系統(tǒng)集成界面引入數(shù)據(jù)輸入結(jié)果展示界面，提高了系統(tǒng)仿真的人機(jī)交互度，利用ActiveX接口，通過(guò) Excel VBA與Aspen Plus的協(xié)同進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基于某工業(yè)園自然、負(fù)荷情況以遺傳算法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)與以電定熱和以熱定電方式對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性和優(yōu)越性。