燃气内燃机智慧能源系统优化设计软件研发

刘义达，祁金胜，尹晓东，李官鹏，胡训栋，韩吉田

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

智慧能源是通过技术创新和制度变革，将人类智慧融汇到能源开发利用、生产消费的全过程，从而建立的符合生态文明和可持续发展要求的一种全新能源技术和制度体系。智慧能源具有自组织、自检查、自平衡、自优化等人类大脑功能，可以满足系统、安全、清洁和经济等要求，为解决日益严峻的能源短缺和环境污染难题、实现能源的安全、稳定、清洁和可持续利用开辟了新思路［1］。

由燃气内燃机动力装置、制冷系统、余热回收系统、供热系统等组成的燃气内燃机冷热电联供系统，已成为智慧能源和分布式供能系统的重要发展方向之一［2］。由于该多联供系统涉及多个不同能量转换利用系统和装置的耦合集成，其优化设计包括设备选型、容量配置和参数匹配等诸多环节、不同约束条件和优化目标，是一个典型的非线性多目标优化问题［3-8］。目前其优化设计工作主要由人工进行，设计方案依赖设计者的水平和经验，而且设计周期长，难以得到系统的最优方案。因此，开发一套智能化的多联供系统优化设计软件具有至关重要的理论意义和工程应用价值［9-10］。

以燃气内燃机多联供系统为优化设计对象［11］，自主研发了燃气内燃机智慧能源系统优化设计软件，包括单机版和网络版两个版本，其中网络版软件可远程授权目标用户通过网络远程登录使用。根据用户负荷和设计要求，设计者可在软件界面中选择系统方案，优选所需的设备品牌及型号，以年最小费用为最优化目标得到优化方案。软件操作简单快捷，可显著提高设计效率、降低成本，具有良好的推广应用前景。

1 软件组成

在建立智慧能源系统的优化模型和构建其可供选择的设备数据库基础上，利用LPSolve 软件建立了以年最小费用为目标函数的混合整数线性规划算法［12］，并用python 语言开发了系统优化设计平台的用户界面。该软件可根据用户的冷热电负荷等参数，快速实现系统的优化设计、设备选型及其实时运行工况分析，可为智慧能源系统的优化设计提供方便高效准确的软件工具平台。

该智慧能源系统优化设计软件主要由下述功能模块组成，其流程如图1 所示。

图1 软件流程

1）设备数据库。设备数据库模块包含燃气内燃机、吸收式制冷（溴化锂机组）、余热锅炉、燃气锅炉、电制冷机组（冷水机组）等国内外不同厂家不同型号的设备参数等信息，用于实现数据库的构建与管理。用户可根据需求手动或自动选择厂家，可以在线添加并修改设备型号与参数，软件也可对已经选择的设备进行优化。通过数据库IP 地址和名称的设置保证数据库安全可靠，通过数据库连接状态测试保证数据库稳定可靠。

2）方案选择。根据实际工程设计需要，可从烟气热水型溴化锂制冷系统、蒸汽型余热锅炉系统和热水型余热锅炉系统中选择合适的多联供系统方案。

3）优化设计。系统优化设计包括设备选型、设备匹配、参数优化和经济分析等。用户选择方案后，可以导入用户端冷热电负荷，调用数据库中设备参数，输入能源价格，以系统最小总费用为优化目标，通过优化算法对系统进行优化，从而获得系统最优容量配置、设备型号及各设备实时运行工况参数。

4）后台管理。后台管理包括用户管理、管理用户权限等。软件运行后需要用户登录，登录需要从数据库中获取密码，软件管理员可设置用户的访问权限。

5） 评估报告。评估报告是按照系统预设的模板输出Word 格式的多联供系统寻优方案报告。寻优方案评估报告包括设备选型结果、设备运行工况分析、系统费用、经济性指标和典型日系统运行图等。

6）软件安全。软件安全包括数据安全，网络接入安全等。数据库的访问、修改等操作需要先验证数据库IP、密码等信息，以保证数据库的安全。用户在使用软件之前需要获得授权后才能登录系统，以保证软件安全。

2 设计案例

利用该软件平台对多个实际燃气内燃机冷热电联供系统项目进行优化设计，得到了系统的优化设计方案，验证了该软件平台的高效性和准确可靠性。以济南市某燃气内燃机冷热电联供系统优化设计项目为例，选择烟气热水型溴化锂吸收式制冷系统方案（如图2 所示），输入相应计算参数，选择设备的厂家和型号等参数，利用该软件平台获得该联供系统的最优设计方案。

2.1 能源价格及负荷参数

表1 给出了济南市不同时段的电价。天然气的价格为2.6 元／m3，其热值为37.8 mJ／m3。

图2 燃气内燃机冷热电联供系统

表1 不同时段电价

取1 年内4 天的典型日负荷分别代表春夏秋冬四季的冷热电负荷，可得到该建筑的冷热电负荷曲线分别如图3—图6 所示。

由图3、图5 和图6 可知，春秋和冬三个季节有热和电负荷，没有制冷负荷，且热电负荷在一个典型日的24 h 内是随时间变化的。与春秋冬季不同，夏季有冷热电三种负荷，且冷热电三种负荷在一个典型日的24 h 内也是随时间变化的。

2.2 设备选择

1）燃气内燃机。如表2 所示，从设备数据库中选择GE 公司的颜巴赫（Jenbacher）燃气内燃机。

2）燃气锅炉。如表3 所示，选择数据库中的中太锅炉。

3）电制冷机（冷水机组）。如表4 所示，选择数据库中的日立电制冷机。

图3 春季冷热电负荷

图4 夏季冷热电负荷

图5 秋季冷热电负荷

图6 冬季冷热电负荷

表2 燃气发动机（GE 颜巴赫）

表3 燃气锅炉（中太锅炉）参数

表4 日立冷水机组参数

4）溴化锂吸收式制冷机组。如表5 所示，选择数据库中的双良燃气热水型溴化锂吸收式制冷机组。

表5 双良溴化锂吸收式制冷机组参数

2.3 优化结果

在软件平台用户操作界面中点击“优化计算”按钮，可得到该案例的自动寻优结果，设备选型和系统费用的优化结果分别如表6 和表7 所示。

利用软件平台得到的多联供系统优化运行策略分别如图7—图15 所示。

1）电负荷。

春夏秋冬的用电负荷分布如图7—图9 所示。该项目的夏季电负荷较大，故以夏季设备运行策略为例进行分析。如图8 所示，电负荷主要由型号为J316GS 的颜巴赫燃气内燃发电机组和电网购电提供。在00∶00—07∶00（电价谷段），主要由电网购电满足用户的电负荷需求。在其他时段3 台燃气发电机组都满负荷运行，其输出的最大电功率为2 505 kW，不足的用户电负荷再由电网购电满足。

表6 设备选型结果

表7 系统费用 万元

图7 春季电负荷随时间的变化曲线

图8 夏季电负荷随时间的变化曲线

图9 秋季电负荷随时间的变化曲线

图10 冬季电负荷随时间的变化曲线

2）热负荷。

春夏秋冬的热负荷随时间的变化如图11—图14所示。该项目冬季热负荷较大，故以冬季为例分析系统的运行策略。如图14 所示，热负荷主要由溴化锂吸收式制冷机组、换热器以及中太锅炉机组满足。由于溴化锂吸收式制冷机的驱动热源是燃气内燃机的排气和缸套水余热，溴化锂吸收式制冷机最多可提供1 000 kW 左右的热负荷，不足部分的热负荷由换热器和型号为cwns7-95／70-YQ、额定功率为7 000 kW 的中太锅炉一起提供。

图11 春季制热量随时间的变化曲线

图12 夏季制热量随时间的变化曲线

图13 秋季制热量随时间的变化曲线

图14 冬季制热量随时间的变化曲线

3）制冷量。

只有夏季有制冷负荷需求，其他季节不需要制冷负荷。如图15 所示，夏季制冷负荷主要由溴化锂吸收式制冷机组和日立电制冷机组满足。在00∶00—07∶00 （电价谷段），全部冷负荷由型号为HCF900GSG、额定功率为3 165 kW 的日立电制冷机组满足。在其他时段（非电价谷段），溴化锂吸收式制冷机组可提供2 500 kW 左右的制冷量，剩余部分的制冷负荷由日立电制冷机组满足。

图15 夏季制冷量随时间的变化曲线

3 结语

研发了基于燃气内燃机的智慧能源系统优化设计软件，以济南市某燃气内燃机冷热电联供系统设计项目为算例验证了该软件的准确性和高效性。该软件界面友好，功能强，数据库设备及其参数齐全，操作简捷，计算速度快，一键即可导出优化结果、Word 版优化方案报告，可以满足燃气内燃机智慧能源系统优化设计的需要，为智慧能源系统的优化设计和运行策略分析提供了一种有效实用的软件平台。