天然氣冷熱電聯供系統的多目標優化

朱校圣，王 強，蔡瓊瑜，回曉洋，白 明

(1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.山東省碳中和技術創新中心，山東 濟南 250101；3.河北科技大學，河北 石家莊 050091；4.齊魯工業大學(山東省科學院) 生態研究所， 山東 濟南 250101)

1 概述

傳統供能系統的冷、熱、電負荷分別由電制冷機、燃氣鍋爐、市政電網提供，一次能源利用率比較低。冷熱電聯供系統(CCHP)的一次能源利用率可達60%～80%[1]，隨著雙碳目標的提出，冷熱電聯供系統必將實現快速發展。

以燃氣內燃機發電機組(簡稱發電機組)作為核心的天然氣冷熱電聯供系統(簡稱聯供系統)，電負荷、天然氣價格、售電價格等均影響系統經濟性。陶靜等人[2]采用改進粒子群算法，面向多約束目標進行模型求解優化，兼顧了系統的經濟性和環保性。祖航等人[3]、周家秀等人[4]利用線性模型對聯供系統進行最優容量配置，提高了聯供系統的能源利用效率。

本文以濰坊某酒店聯供系統作為研究對象，以運行模式、發電機組額定發電功率為設計變量，建立聯供系統綜合性能指標優化模型，對運行模式、發電機組額定發電功率進行尋優。

2 研究對象

2.1 項目概況

濰坊某酒店總建筑面積為2.4×104m2，包括會議室、餐廳、客房。供冷期為6月15日至10月15日，供暖期為11月15日至次年3月15日，生活熱水為常年需求。

采用DeST軟件對酒店冷、熱、電負荷進行模擬。酒店逐時冷熱負荷見圖1。在圖1中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。酒店逐時電負荷見圖2。酒店典型日逐時生活熱水負荷見圖3。由圖1～3可知，酒店最大冷負荷為1 757.1 kW，最大熱負荷為1 364.5 kW，最大電負荷為864.0 kW，最大生活熱水負荷為59.7 kW。

該項目天然氣價格為2.6 元/m3。分時電價見表1。

圖1 酒店逐時冷熱負荷

圖2 酒店逐時電負荷

圖3 酒店典型日逐時生活熱水負荷

2.2 聯供系統流程與設備參數

聯供系統主要設備包含發電機組(燃氣內燃機+發電機)、煙氣-熱水型吸收式冷水機組(簡稱吸收式冷水機組)、燃氣鍋爐、電驅動螺桿式冷水機組(簡稱電驅動冷水機組)等，聯供系統流程見圖4。本文為了闡述方便，將燃氣鍋爐、電驅動冷水機組納入聯供系統。

表1 分時電價

發電機組在發電的同時，產生高溫煙氣、缸套水作為供冷、供暖、生活熱水的熱源。

供冷期：關閉閥1、4、5、8。開啟閥6、3，吸收式冷水機組利用煙氣熱量、缸套水熱量制備冷水。當吸收式冷水機組無法滿足用戶需求時，開啟閥9，啟用電驅動冷水機組補充冷量。開啟閥2，利用缸套水熱量制備生活熱水。當吸收式冷水機組、生活熱水換熱器無法消納缸套水熱量時，開啟閥7，利用冷卻塔冷卻缸套水。

供暖期：關閉閥3、6、9，開啟閥1、4、8，利用缸套水、煙氣(優先利用)、燃氣鍋爐制備供暖熱水。開啟閥2、5，利用煙氣、缸套水(優先利用)制備生活熱水。當供暖熱水換熱器、生活熱水換熱器無法消納缸套水熱量時，開啟閥7，利用冷卻塔冷卻缸套水。

聯供系統設備參數見表2。發電機組單位發電功率成本為3 500 元/kW，吸收式冷水機組單位制冷量成本為800 元/kW，燃氣鍋爐單位熱功率成本為100 元/kW，電驅動冷水機組單位制冷量成本為150 元/kW。為簡化計算，煙氣余熱量按發電機組總余熱量的80%考慮，缸套水余熱量按20%考慮。

表2 聯供系統設備參數

2.3 分供系統

分供系統由電驅動冷水機組、燃氣鍋爐組成。冷負荷由電驅動冷水機組承擔，供暖熱負荷、生活熱水負荷由燃氣鍋爐承擔，電負荷由市電網承擔。分供系統設備參數見表3。

圖4 聯供系統流程

表3 分供系統設備參數

3 綜合性能指標

3.1 能效指標

能效指標ηeff的計算式為：

式中ηeff——能效指標

ηdiv——分供系統一次能源利用率

ηcos——聯供系統一次能源利用率

聯供系統一次能源利用率ηcos的計算式為：

式中Eel——發電機組年發電量，kW·h/a

Qh——系統年供熱量，MJ/a

QL——系統年供冷量，MJ/a

V——聯供系統年耗氣量，m3/a

Hi——天然氣低熱值，MJ/m3，取35.21 MJ/m3

ηw——市電網平均供電效率，本文取0.35

ICOP——電驅動冷水機組制冷性能系數

分供系統一次能源利用率ηdiv的計算式為：

式中ηb——燃氣鍋爐熱效率

3.2 經濟指標

經濟指標ηeco的計算式為：

式中ηeco——經濟指標

ccos、cdiv——聯供系統、分供系統年費用，元/a

ccos,pr、cdiv,pr——聯供系統、分供系統年設備購置費，元/a

ccos,r、cdiv,r——聯供系統、分供系統年運行費用，元/a

系統年設備購置費是將系統設備購置費分攤到系統壽命內，系統壽命取20 a。

3.3 碳排放指標

碳排放指標ηemi的計算式為：

式中ηemi——碳排放指標

mcos——聯供系統年碳排放量，kg/a

mdiv——分供系統年碳排放量，kg/a

天然氣碳排放因子取2.055 kg/m3，電網碳排放因子取0.860 6 kg/(kW·h)。

3.4 綜合性能指標

采用權重分析法建立綜合性能指標[5]，綜合性能指標越小，聯供系統綜合性能越好、越合理。權重分析法可以將多目標優化問題轉化為單目標規劃問題，本文按照系統實際運行情況分配權重因子。

綜合性能指標ηPFL的計算式為：

ηPFL=ω1ηeff+ω2ηeco+ω3ηemi

式中ηPFL——綜合性能指標

ω1、ω2、ω3——權重因子

權重因子按文獻[6]確定。

4 約束條件與運行模式

4.1 約束條件

① 電負荷

電負荷約束條件為：

Pgrid+PGT-PEC=PLoad

式中Pgrid——市電功率，kW

PGT——發電機組發電功率，kW

PEC——電驅動冷水機組耗電功率，kW

PLoad——用戶耗電功率，kW

② 熱負荷

熱負荷約束條件為：

ΦHA+ΦGB=ΦH,Load+ΦDHW

式中ΦHA——發電機組余熱功率，kW

ΦGB——燃氣鍋爐熱功率，kW

ΦH,Load——供暖熱負荷，kW

ΦDHW——生活熱水負荷，kW

③ 冷負荷

冷負荷約束條件為：

ΦEC+ΦAC=ΦC,Load

式中ΦEC——電驅動冷水機組制冷量，kW

ΦAC——吸收式冷水機組制冷量，kW

ΦC,Load——用戶冷負荷，kW

④ 發電機組發電功率

發電機組發電功率約束條件為：

0.4PGT,r≤PGT≤PGT,r

式中PGT,r——發電機組額定發電功率，kW

優化模擬時，發電機組額定發電功率變化范圍取300～2 000 kW。

4.2 運行模式

① 以熱定電

以滿足用戶冷熱負荷為前提，發電機組發電供給用戶，不足部分由市電補充。當發電機組余熱無法滿足用戶冷熱負荷需求時，利用電驅動冷水機組、燃氣鍋爐補充。

② 以電定熱

以滿足用戶電負荷為前提，發電機組余熱用于提供冷熱負荷，不足部分由電驅動冷水機組、燃氣鍋爐補充。當發電機組發電能力無法滿足需求時，由市電補充。

③ 熱電結合

根據用戶逐時電負荷計算折算發電機組余熱。當折算發電機組余熱大于等于需求熱量時，采用以熱定電模式。當折算發電機組余熱小于需求熱量時，采用以電定熱模式。

5 優化結果與分析

使用MATLAB的混合線性規劃函數，對綜合性能指標優化模型進行求解。3種運行模式下，聯供系統綜合性能指標隨發電機組額定發電功率的變化見圖5。

圖5 3種運行模式下綜合性能指標隨發電機組額定發電功率的變化

由圖5可知，3種運行模式下，綜合性能指標均隨發電機組額定發電功率增大而先減小后增大，存在最佳額定發電功率。對于該項目，以電定熱的運行模式最優，發電機組最佳額定發電功率為550 kW。

6 結論

綜合性能指標均隨發電機組額定發電功率增大而先減小后增大，存在最佳額定發電功率。對于該項目，以電定熱的運行模式最優，發電機組最佳額定發電功率為550 kW。