冷热电联供系统的优化运行分析汇总

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 OPER

2、ATION ANALYSIS OF COMBINED COOLING HEATING AND POWER (CCHP) SYSTEM Hu Yanfei Wu Jin gyi Li She ng (In stitute of Refrigeratio n and Cryoge ni cs, Shan ghai Jiaot ong Uni versity, Sha nghai, 200030, Chi na) Abstract In this paper, the operation strategy of a gas engine based CCHP system is analyzed.

3、The system is mainly consisted of internal combustion gas engin，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 appl ying the mixed-i nteger (0-1) sin gle-objective program

4、 ming approach un der the con diti on that the system satisfy the load of powe，heati ng and cooli ng dema nds. 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 obtai

5、ned by mixed programming with C+ 6.0 and Lingo 9.0.2 Keywords Comb ined cooli ng heat ing and power (CCHP) Operati on strategy Operati onal costs Optimizatio n 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

6、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(Electri

7、c 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 (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: 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

8、，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换器(Heat Excha nger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 S输出电功率P和循环热水热量分配率 w。开关逻辑变量s表示小型燃气内燃机的开启(s =1)关闭(S =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

9、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 =1

10、4.4kW。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 Y -3D.4 T442+1 _21*M XUi.l 0S9i f O3S Power Input cxp） 甩ynomlaJ Fit es!1 Gj耳 Foww IflpJL（p） Electricity Output (kW) Fig.3 Membership fun cti on of gas 图2内燃机天然气输入功率与输出电功率关系 power in put and electricity power output Heas.；c*p!. * Hea_CK iwp He a nil |icpk 一呻

11、戸larHaJi F E Hgjp ad -* IO Electricity 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 power and 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8095C热水;可回收烟气余热占输 入能耗的10%30%,排烟温度通常在500E左右，可用于产生低压蒸汽。本文分 析中

12、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： P? 20.47442+1.21669 PGas,Engine+0.10891 FP2 Gas,Engine S =1Gas_lnput,E= ?0 S =0( 1) P? 16.77884+0.14061 昭 Gas,E ngin e+0.07631 PGas,E ngi ne S =1 Heat_res=? ?0 S =0 (2) 式(1),(2)

13、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 PKeat_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,chiller:吸附式制冷机性能系 数。 2.3电制冷机 CEIe,chiller=MEI

14、e,chiller COPEte,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 QEIe,H.P=M Ele,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; COPEIe,H.P:电热泵性能系数。 2.5热交换器 QHeat,ex=(1-w) PHeat_res n Heat,ex (6) 式中：QHeat,ex:热交换器传递的有效热量，kW; n Heat

15、,ex热交换器效率。 2.6燃气锅炉 QGas_boiler=PGas_lnput,B n 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; n 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+MEIe,chiller-PGas,Engine+MEIe,H.P (8)式中：MEIe,Buy: 从公共电网购电量，kW; MEIe,Load :用电设备电负荷，kW。 联供系统天然气耗量： V36OOX(PGas_l nput,E+PGas_I npu

16、t,B)Gas_I nput= HV (9) Gas 式中：VGas_lnput: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： RMBtotaI=(PRGas Gas_lnput+PREIe MEIe,Buy) ime (10) 式中：RMBTotal:联供系统运行总费用，元；PRGas：天然气价格，元/m3; PREIe：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 模型需要加上限制条件： 0 PGas,Engine ,160 w0 MEle,Buy 0

17、(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 Table HVGas COPAds,chillCOPEIe,chiller COPEIe,H.P n Heat,ex n Gas_boiler 35,200 0.6 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

18、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= PRGas PR (14) Ele 式中：GECR：气电价格比， kW?h m 3 。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

19、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:LoadCool:LoadHeat=1:1:1 表2中：LoadEle：用户电负

20、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) RatePRateRat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3.2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

21、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应提高以满足冷负荷要求。当GECR达 到3.42

22、，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。 E.nBnjV Dulpul ELD.9 EtaMSy

23、 Buy EWiric MMpu 呼 一一 EWK UhllJr OP - J - X r._., - rii 1.0 3 0.8 ) 0.6 Wk( rewoP0.4 0.2GECR 0.0 图4冬季联供系统输出动态输出特性(EL=0.9) Fig.4 Dyn amic output characteristics of CCHP system in win ter (EL = 0.9) ) Wk(tuptuO enign E2.8 2.93.03.13.23.33.43.53.63.7 GECR 图5冬季内燃机输出动态特性（不同电负荷） Fig.5 Dyn amic output char

24、acteristics of gas engine in win ter （vary ing 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 比例保持042:1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 Dyn amic output character