冷热电联供系统的优化运行分析

1、文章编号：CAR233冷热电联供系统的优化运行分析胡燕飞 吴静怡 李胜（上海交通大学 制冷与低温工程研究所，上海 200030）摘 要 本文对一个基于燃气内燃机的冷热电三联供系统(CCHP)运行了进行策略分析。该系统由燃气内燃机、硅胶-水吸附式制冷机，电制冷机和燃气锅炉等部分组成。根据天然气与电力能源价格情况，在满足用户变冷热电负荷需求条件下，运用1混合整型(0-1)单目标规划方法，建立了联供系统的优化模型，得到了系统的最优运行策略。该模型的目标是运行费用最低，模型采用C+与Lingo9.0软件混合编程获得优化结果2。关键词 冷热电联供 运行策略 运行费用 优化OPTIMAL OPERATIO

2、N ANALYSIS OF COMBINED COOLINGHEATING AND POWER (CCHP) SYSTEMHu Yanfei Wu Jingyi Li Sheng(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200030, China)Abstract In this paper, the operation strategy of a gas engine based CCHP system is analyzedThe system is mainly

3、consisted of internal combustion gas engine，silica gel-water adsorption refrigerator, electric chiller and gas boiler, etc. According to the energy price situation, an optimization model of CCHP system is established by applying the mixed-integer (0-1) single-objective programming approach under the

4、 condition that the system satisfy the load of power，heating and cooling demands. By solving the model，the optimal operation strategy of the CCHP system is obtained1. The objective function of the model is the minimum of the operational costs，the optimal result is obtained by mixed programming with

5、C+ 6.0 and Lingo 9.0.2Keywords Combined cooling heating and power (CCHP) Operation strategy Operational costs Optimization世界能源危机的不断加剧，地球环境问题的日运行策略的优化相互耦合，系统的集成优化较为复益严峻，激励着人们不断寻找更有效的方法来合理杂。本文对优化过程进行简化，根据确定的系统配利用能量。在这一背景下，冷热电联供系统(CCHP)置，结合燃料价格与公共电网电价情况，在不同的对能量进行梯级利用，具有节能，环保等特点，在冷热电负荷条件下，对联供系统的运行策略进行优由

6、于存在多种能量输世界范围内受到广泛重视3。化。出，联供系统是一个复杂的能量系统。在一定的冷热电负荷下，系统可以有多种配置方式及运行策1 冷热电联供系统介绍 略。为了使系统更加经济地运行，必须根据用户的，对联供系统进行设本文介绍的冷热电联供系统由燃气内燃机(Gas 负荷情况（冷/热/电负荷水平）Engine)、余热驱动的硅胶-水吸附式制冷机备配置（主要设备的容量，数量选择等），并根据燃气设备配置情况进行运行策略的优化。系统各主要设(Adsorption Chiller)和电制冷机(Electric Chiller)，备的配置方案必然影响其运行策略；反之，运行策锅炉(Gas Boiler)，电热泵

7、(Electric Heat Pump)等设备略的选择直接影响系统的经济性，从而影响对系统构成，联供系统结构如图1所示。配置方案的评价4。因此，联供系统的设备配置与作者简介：吴静怡。联系电话Email:jywu图1 冷热电联供系统 Fig.1 CCHP system图中显示：系统能量来源于天然气和公共电网电力。其中，用户电负荷（机组自身耗电，照明等其他用电设备）可以来自燃气内燃机供电，也可以通过公网购电获得。用户冷负荷可以通过内燃机余热驱动的吸附式制冷机提供，也可以通过电制冷机提供，而电制冷机的电力来源既可以是内燃机发电，也可以从公共电网购电。用户热负荷可以通过热交

8、换器(Heat Exchanger)获得，也可以通过燃气锅炉获得，还可从电热泵制热获得。经济最优化模型中涉及三个优化变量：小型燃气内燃机的开关逻辑变量，输出电功率P和循环热水热量分配率w。开关逻辑变量表示小型燃气内燃机的开启(=1)/关闭(=0)状态；输出电功率P表示内燃机对外输出的电功率，变化范围为(016kW)；循环热水热量分配率w反映了系统循环热水在吸附式制冷机和热交换器之间的热量分配情况，其值等于进入吸附式制冷机的热水热量与热水总热量的比值，w=1时表明热水热量全部用来驱动吸附式制冷机用来制冷，w=0时表明热水全部进入热交换器用来供热5。2 数学模型微型冷热电联供系统经济最优化模型建立

9、的假设条件包括：(1) 联供系统产生余热被全部利用而没有浪费。 (2) 联供系统产生电力并网但不上网，即联供系统电力不足时可以从公共电网购电，但是不能将电输送到公共电网上。系统运行时联供系统所发出的电能要全部被利用。(3) 模型中用户的冷、热、电负荷需求采用无量纲形式输入，即取其实际数值与燃气内燃机发电机组额定发电功率的比值。如本文小型燃气内燃机发电机组的额定发电功率为16.0kW，如果冷负荷率为0.9，即指冷负荷的实际数值为16.0*0.9 =14.4kW。热负荷率和电负荷率也是如此。各主要设备的数学模型如下：2.1 燃气内燃机Electricity Output (kW)图2 内燃机天然气

10、输入功率与输出电功率关系 Fig.3 Membership function of gas power input andelectricity power outputElectricity Output (kW)图3 内燃机余热输出功率与输出电功率关系 Fig.3 Membership function of recovery heat powerand electricity power output相对于微型燃气轮机，微型燃气内燃机的一次发电效率较高，并且具有较好的部分负荷效率。内燃机产生的余热包括缸套水和烟气余热两个部分，其中缸套水可回收余热占输人能耗的30%左右，可用于产生8095

11、热水;可回收烟气余热占输入能耗的10%30%，排烟温度通常在500左右，可用于产生低压蒸汽。本文分析中不考虑余热的品味问题，将缸套水余热与烟气余热的热量和直接作为可利用余热，对燃气内燃机的实验实测值进行拟合，得到燃气内燃机的工作性能曲线，如图2、图3所示。冷热电联供系统中燃气内燃机的天然气输入功率和可利用余热输出功率可由下式计算得出：P20.47442+1.21669×PGas,Engine+0.10891×P2Gas,Engine=1Gas_Input,E=0=0 （1）P16.77884+0.14061×P2Gas,Engine+0.07631×PG

12、as,Engine=1Heat_res=0=0（2）式(1),(2)中：PGas,Engine：燃气内燃机发电功率，kW；PGas_Input,E：燃气内燃机天然气输入功率，kW；PHeat_res：燃气内燃机可利用余热输出功率，kW。2.2 吸附式制冷机热交换器对燃气内燃机产生的缸套水余热及烟气余热进行回收，回收的热量一部分驱动硅胶-水吸附制冷机工作，制冷机的制冷功率由下式得到：CAds,chiller=w×PHeat_res×COPAds,chiller (3) 式中：CAds,chiller：吸收制冷机制冷功率，kW；w：循环热水热量分配率；COPAds,chille

13、r：吸附式制冷机性能系数。2.3 电制冷机CEle,chiller=MEle,chiller×COPEle,chiller (4)式中：CEle,chiller：电制冷机制冷功率，kW；MEle,chiller：电制冷机输入电功率，kW；COPEle,chiller：电制冷机性能系数。2.4电热泵QEle,H.P=MEle,H.P×COPEle,H.P (5)式中：QEle,H.P：电热泵制热功率，kW；MEle,H.P：电热泵输入电功率，kW；COPEle,H.P：电热泵性能系数。2.5 热交换器QHeat,ex=(1w)×PHeat_res×Heat

14、,ex (6)式中：QHeat,ex：热交换器传递的有效热量，kW；Heat,ex：热交换器效率。2.6 燃气锅炉QGas_boiler=PGas_Input,B×Gas_boiler (7)式中：QGas_boiler：燃气锅炉输出热量，kW；PGas_Input,B：燃气锅炉天然气输入功率，kW；Gas_boiler：燃气锅炉热效率。联供系统从公共电网购电量：MEle,Buy=MEle,Load+MEle,chillerPGas,Engine+MEle,H.P (8) 式中：MEle,Buy：从公共电网购电量，kW；MEle,Load：用电设备电负荷，kW。联供系统天然气耗量：V

15、3600×(PGas_Input,E+PGas_Input,B)Gas_Input=HV (9)Gas式中：VGas_Input：联供系统天然气耗量，Nm3/h。 系统运行费用包括天然气费用和公共电网购电费用两部分，表示为下式：RMBtotal=(PRGas×VGas_Input+PREle×MEle,Buy)×Time (10)式中：RMBTotal：联供系统运行总费用，元；PRGas：天然气价格，元/m3；PREle：公共电网电价，元/千瓦时；Time：运行时间，h。公式(10)即为联供系统经济最优化模型优化目标函数，考虑实际因素，联供系统模型需要加

16、上限制条件：0PGas,Engine16 ， 0w1 (11) VGas_Input,B0，MEle,chiller0 ，M(12) Ele,H.P0 MEle,Buy0(13)约束条件(11)保证求解的合理性，约束条件(12)保证燃气锅炉消耗天然气而不是产气；电制冷机消耗电力产生冷量，而不是反向产电；电热泵消耗电力产生热量，而不是反向产电。约束条件(13)保证联供系统从公共电网购买电而不向其输出电，即并网而不上网。模型中的参数值由下表给出：表1 参数表Table 1 Parameter TableHVGasCOPAds,chillCOPEle,chillerCOPEle,H.PHeat,ex

17、Gas_boiler35,2000.6 3 4 0.9 0.95(kJ/Nm3)3冷热电系统经济最优化模型求解求解冷热电联供系统模型时，首先研究在一定的用户负荷条件下，改变能源价格情况对联供系统最优运行状况的影响；其次，研究在能源价格情况一定的条件下，用户冷热电负荷条件的变工况对联供系统最优运行状况的影响。分析中引入一个带量纲的数值GECR来表示天然气价格与电力价格的比值。GECR由下式表示：GECR=PRGasPR (14) Ele式中：GECR：气电价格比，kWhm3。 GECR越大，代表购买天然气成本越高。模型分析时用户的电/冷/热负荷均采用无量纲量输入，即对应负荷与燃气内燃机额定电功率

18、的比值，以提高优化模型的适用性。能源价格对联供系统运行性能的影响:在冷热电联供系统对能源价格情况的灵敏度分析中，根据用户负荷情况进行分类讨论。联供系统用户的典型负荷工况包括：夏季工况，冬季工况，春/秋季节工况。一般来讲，用户的电负荷随季节变化的波动较小，故以用户的电负荷为参照，各工况下的典型冷、热、电负荷比例情况如下：表2 联供系统典型负荷情况Table 2 Typical load situation of CCHP system 冬季 LoadEle:LoadCool:LoadHeat=1:0.4:2夏季 LoadEle:LoadCool:LoadHeat=1:2:0.5春秋LoadEle

19、:LoadCool:LoadHeat=1:1:1表2中：LoadEle：用户电负荷，kW；LoadCool：用户冷负荷，kW；LoadHeat：用户热负荷，kW。 用CL，HL，EL分别代表用户的冷、热、电负荷无量纲数，由下式给出：EL=LoadEleLoadCoolLoadHeatP,CL=,HL=P (17) RatePRateRate式中：PRate：燃气内燃机的额定功率，kW。 以下分别以三种典型负荷，分析能源价格对系统运行策略的影响。图4显示冬季联供系统动态输出特性：当用户电负荷无量纲数EL=0.9，改变气电价格比GECR，得到联供系统的运行情况变化曲线。由图中可知：当GECR小于3

20、.2时，气价相对较便宜，用户冷热电负荷全由燃气内燃机提供，系统向公共电网的购电量为零。内燃机的输出电功率保持在15.34kW不变，其中0.94kW的电量用于驱动电制冷机，满足用户部分冷负荷；其余的电功率供给用电设备，满足用户电负荷要求。循环热水热量分配率w维持在0.13附近，这一部分余热驱动吸附制冷机制冷，剩余余热用于满足用户热负荷。当GECR超过3.2，系统全部自产电的成本过高，燃气内燃机的输出电功率下降，联供系统开始向公共电网购电。由于内燃机输出电功率下降，产生的总余热量也下降，为满足用户热负荷要求，余热用于供暖的部分增加，w随之下降。吸附式制冷机的输入热量降低，用于驱动电制冷机的电功率相

21、应提高以满足冷负荷要求。当GECR达到3.42，燃气内燃机的输出功率停止下降，维持在13.23kW，系统向公共电网购电量为3.10kW。此时，w已下降为零，即吸附制冷机停止工作，用户的冷负荷全部由电制冷机工作来满足，内燃机的余热全部用来供暖，满足用户热负荷需求。当GECR由3.54上升至3.59时，燃气内燃机的输出功率略有下降，向公共电网的购电量也相应上升，而联供系统中的电热泵开始工作，以满足内燃机余热量下降引起的热负荷需求的不足。当GECR超过3.6时，因为天然气价格过高，联产系统经济性小于分产系统，燃气内燃机停止工作，系统的冷、热、电负荷全部由公共电网购电来满足。1.00.8)0.6Wk(

22、 rewoP0.40.2GECR0.0图4 冬季联供系统输出动态输出特性(EL=0.9)Fig.4 Dynamic output characteristics of CCHP systemin winter (EL = 0.9)Wk(tuptuO enignE2.82.93.03.13.23.33.43.53.63.7GECR图5 冬季内燃机输出动态特性(不同电负荷)Fig.5 Dynamic output characteristics of gas engine inwinter (varying EL)图5 所示为冬季在不同的用户电负荷情况下（EL从0.4递增至1.1，冷热电负荷比例保

23、持0.4:2:1不变），气电价格比GECR改变时，联供系统燃气内燃机的输出电功率变化曲线图。这里，我们引入临界价格比PRcr，即燃气内燃机处于开启/关闭临界点时气电价格比GECR的数值，来表征燃气内燃机开停状态对天然气价格浮动的敏感度。由图中可得，随着用户电负荷提高（亦即冷热电负荷同步提高），临界价格比PRcr也随之提高。当用户电负荷EL小于0.8时，随着GECR的增大，燃气内燃机的输出电功率在GECR达到临界价格比PRcr之前，只保持一个固定数值；当GECR超过PRcr时，燃气内燃机立刻关闭运行。而当EL大于等于0.8时，随着GECR的增大，燃气内燃机的输出电功率在GECR达到临界价格比PRcr之前，有一个输出功率减小过渡阶段，这说明系统在用户负荷水平较高时运行工况多变性增强。当EL大于0.9时，燃气内燃机的临界价格比PRcr维持在3.6不变。)Wk(tuptuO yticirtcelEGECR图6 夏季内燃机输出动态特性(不同电负荷)Fig.6 Dynamic output characteristics of gas engine insummer (varyin