寒冷地区天然气冷热电联供系统的优化配置

张 雯 赵婉月 李法庭 介鹏飞

(1.青岛大学后勤管理处，山东 青岛 266071; 2.北京石油化工学院，北京 102617)

目前，我国的能源消费总量约为46.8亿t标准煤[1]，但我国的能源资源还相对短缺，而且对能源的利用率较低。天然气冷热电联供是一种基于能源梯级利用的分布式能源系统，通过利用发电产生的余热为建筑物提供需要的冷、热负荷，即同时供应电、冷、热负荷，大大提高了能源的利用率。为了充分发挥系统在节约成本、节能减排等方面的优势，对系统进行优化配置是非常有必要的。

1 天然气冷热电联供系统的研究现状

巴林[2]研究了冷热电联供系统中的燃气轮机、双效吸收式机组和蓄能装置的优化配置。通过分析燃气轮机单位容量成本与外功率的关系、发电效率和制热效率与负载率的关系、储能装置与双效吸收式机组能量转化规律，结合运行模式对系统进行优化。最后以经济性最优为目标，采用混沌粒子群优化算法来得出优化结果，并指出储能装置对系统的运行成本和调节冷热平衡具有积极的作用。郑拓[3]针对分布式冷热电联供系统进行了研究，在考虑经济、节能和环保的情况下，先对系统进行建模，之后确定了经济、能耗、环境的各项指标，并建立了针对运行策略和设备安装容量的评价体系，最后采用模式搜索算法对系统的运行策略进行了优化，从设备初始投资年值、年维护费用、年运行费用的经济指标，一次能源利用率、一次能源节约率、火用效率的能耗指标，以及各污染物的二氧化碳当量的环境指标进行分析，得出了最优的运行策略，并确定了设备的安装容量。同时还针对新旧运行策略进行对比，验证了新运行策略的优越性。王开杰[4]对不同应用场景的夏季供冷、冬季供暖以及生活热水等需求进行研究，通过对纯用电的供热、供冷方式与天然气冷热电联供系统的供热、供冷方式的比较，得出纯用电的方式成本较高，而且季节性的用电会对电网产生不利的影响；天然气冷热电联供系统既能为建筑提供用电，还能充分利用发电过程的余热为建筑提供热量、冷量以及生活热水。吴佳桐[5]通过对含有热网的综合能源系统和计及可再生能源消纳的综合能源系统进行优化研究，得出了计及可再生能源的消纳能使系统的光伏发电单元消耗率上升。同时还对热网运行带来的经济效益、热网运行工况以及燃气价格对系统成本的影响进行了分析，验证了热网的三联供系统的合理性。王浩[6]研究了长沙市某医院的天然气冷热电联供系统，计算了系统最优时的20年期的年度化费用值，并对系统进行综合评价分析，得出了系统的优化方案。同时对优化后的系统进行单因素敏感性分析，发现能源价格对系统的经济性影响较大。Rujing Yan等[7]以磷酸燃料电池为原动力以及太阳能为辅助对天然气冷热电联供系统进行了优化。通过建模和仿真，计算系统的热力学性能，对比分析系统的能源效率和火用效率，得出天然气冷热电联供系统在太阳能的辅助作用下，提高重整温度和磷酸燃料电池中氢的浓度，能使火用效率增大，但重整温度高于1 073.15 K时，其影响将会变慢。

2 寒冷地区天然气冷热电联供系统研究的必要性

图1描述了我国2019年6月～2020年6月的天然气产量月度变化情况[8]。从图1可以发现，天然气的日均产量处于增长趋势，发展利用空间很大。天然气与煤炭相比，污染性更小，使用范围更为广阔。因此，将天然气作为冷热电联供系统的能源供应是比较有优势的。我国的寒冷地区主要指北京、天津、河北、山东、陕西部分地区、辽宁部分地区等，这些地区的典型气候特征是最冷月平均温度在-10 ℃～0 ℃，全年日平均温度低于5 ℃的时间长达3个月～5个月，并且采暖度日数2 000≤HDD<3 800[9]。因此，寒冷地区需要供暖时间较长，并且在夏季也有一定的供冷需求。在寒冷地区，天然气冷热电联供系统的运用可以有效地解决供热、供冷和供电问题。目前，我国在天然气冷热电联系统优化、装备容量配置、运营管理等领域的研究尚不够深入。因此，对寒冷地区天然气的冷热电联系统的优化配置，是非常必要的。

3 寒冷地区天然气冷热电联供系统的优化配置

冷热电联供系统是解决能源问题的可靠方案，其中天然气冷热电联供系统具有很大的发展潜力。天然气冷热电联供系统由发电装置、制热装置、制冷装置组成。通过优化系统能使发电率、制热率与发电机功率之间的关系达到最优，使系统的能量利用率最大化。由于系统的性能受设备配置、运行策略和其他因素的影响，为了提高系统的性能，需要考虑设备配置、运行策略、设备价格、气候类型、建筑类型等因素。为了更加全面分析与优化天然气冷热电联供系统在寒冷地区的应用，可以在系统中加入电制冷设备，由吸收式制冷机和电制冷共同承担建筑物所需的冷负荷，建议寒冷地区的天然气冷热电联供系统的优化配置可以从经济、能源、环境的角度出发，对系统的设备配置、额定容量、运行策略进行优化，从而得到最佳设备参数来达到高效节能的目的。

系统中使用的典型优化算法通常分为线性规划和非线性规划。线性规划很容易应用于系统优化。混合整数非线性规划是另一种常见的优化方法，它考虑了非线性特征并解决了非线性问题。除此之外还有其他优化方法，例如,二次规划，单纯形算法，遗传算法。其中，遗传算法可以通过模仿自然的选择和遗传机制来找到最佳解决方案。其具有三个基本运算符：选择、交叉和变异。解决该问题的主要手段是迭代计算。一般的迭代方法容易陷入局部极小陷阱而出现“死亡周期”现象，因此迭代无法继续进行。遗传算法克服了这一缺点，是一种全局最优算法，因此得到了广泛的应用。与传统优化相比，遗传算法基于生物进化，具有很好的收敛性。因此可以采用遗传优化算法把电制冷提供冷负荷占比、发电装置、补燃锅炉等设备的容量作为优化变量。把年度总成本、年度可再生能源消耗、年度二氧化碳排放作为目标函数，在对系统在不同运行策略(以电定热、以热定电、混合策略)下的配置进行优化和确定后，得到系统在经济、能源、环境下各目标函数的最优值。

4 结语

本文提出针对寒冷地区的天然气冷热电联供系统的优化配置，从经济、能源、环境的角度出发，对系统的设备配置、最佳额定容量、运行策略进行了优化，从而得到最佳设备参数和运行策略，使得系统的综合性能得到了提升。同时，在系统中加入了电制冷设备并把电制冷提供冷负荷占总冷负荷比、发电装置、补燃锅炉等设备容量作为优化变量，在运行策略上研究了系统在以电定热、以热定电、混合策略下的性能，通过利用遗传算法优化得到了系统在经济、能源、环境下获得最大效益时的最佳设备配置和运行策略。