天然气冷热电联供系统的多目标优化
2023-01-31朱校圣蔡琼瑜回晓洋
朱校圣,王 强,蔡琼瑜,回晓洋,白 明
(1.山东建筑大学,山东 济南 250101;2.山东省碳中和技术创新中心,山东 济南 250101;3.河北科技大学,河北 石家庄 050091;4.齐鲁工业大学(山东省科学院) 生态研究所, 山东 济南 250101)
1 概述
传统供能系统的冷、热、电负荷分别由电制冷机、燃气锅炉、市政电网提供,一次能源利用率比较低。冷热电联供系统(CCHP)的一次能源利用率可达60%~80%[1],随着双碳目标的提出,冷热电联供系统必将实现快速发展。
以燃气内燃机发电机组(简称发电机组)作为核心的天然气冷热电联供系统(简称联供系统),电负荷、天然气价格、售电价格等均影响系统经济性。陶静等人[2]采用改进粒子群算法,面向多约束目标进行模型求解优化,兼顾了系统的经济性和环保性。祖航等人[3]、周家秀等人[4]利用线性模型对联供系统进行最优容量配置,提高了联供系统的能源利用效率。
本文以潍坊某酒店联供系统作为研究对象,以运行模式、发电机组额定发电功率为设计变量,建立联供系统综合性能指标优化模型,对运行模式、发电机组额定发电功率进行寻优。
2 研究对象
2.1 项目概况
潍坊某酒店总建筑面积为2.4×104m2,包括会议室、餐厅、客房。供冷期为6月15日至10月15日,供暖期为11月15日至次年3月15日,生活热水为常年需求。
采用DeST软件对酒店冷、热、电负荷进行模拟。酒店逐时冷热负荷见图1。在图1中,第1 h表示[0:00,1:00),第2 h表示[1:00,2:00),以此类推。酒店逐时电负荷见图2。酒店典型日逐时生活热水负荷见图3。由图1~3可知,酒店最大冷负荷为1 757.1 kW,最大热负荷为1 364.5 kW,最大电负荷为864.0 kW,最大生活热水负荷为59.7 kW。
该项目天然气价格为2.6 元/m3。分时电价见表1。
图1 酒店逐时冷热负荷
图2 酒店逐时电负荷
图3 酒店典型日逐时生活热水负荷
2.2 联供系统流程与设备参数
联供系统主要设备包含发电机组(燃气内燃机+发电机)、烟气-热水型吸收式冷水机组(简称吸收式冷水机组)、燃气锅炉、电驱动螺杆式冷水机组(简称电驱动冷水机组)等,联供系统流程见图4。本文为了阐述方便,将燃气锅炉、电驱动冷水机组纳入联供系统。
表1 分时电价
发电机组在发电的同时,产生高温烟气、缸套水作为供冷、供暖、生活热水的热源。
供冷期:关闭阀1、4、5、8。开启阀6、3,吸收式冷水机组利用烟气热量、缸套水热量制备冷水。当吸收式冷水机组无法满足用户需求时,开启阀9,启用电驱动冷水机组补充冷量。开启阀2,利用缸套水热量制备生活热水。当吸收式冷水机组、生活热水换热器无法消纳缸套水热量时,开启阀7,利用冷却塔冷却缸套水。
供暖期:关闭阀3、6、9,开启阀1、4、8,利用缸套水、烟气(优先利用)、燃气锅炉制备供暖热水。开启阀2、5,利用烟气、缸套水(优先利用)制备生活热水。当供暖热水换热器、生活热水换热器无法消纳缸套水热量时,开启阀7,利用冷却塔冷却缸套水。
联供系统设备参数见表2。发电机组单位发电功率成本为3 500 元/kW,吸收式冷水机组单位制冷量成本为800 元/kW,燃气锅炉单位热功率成本为100 元/kW,电驱动冷水机组单位制冷量成本为150 元/kW。为简化计算,烟气余热量按发电机组总余热量的80%考虑,缸套水余热量按20%考虑。
表2 联供系统设备参数
2.3 分供系统
分供系统由电驱动冷水机组、燃气锅炉组成。冷负荷由电驱动冷水机组承担,供暖热负荷、生活热水负荷由燃气锅炉承担,电负荷由市电网承担。分供系统设备参数见表3。
图4 联供系统流程
表3 分供系统设备参数
3 综合性能指标
3.1 能效指标
能效指标ηeff的计算式为:
式中ηeff——能效指标
ηdiv——分供系统一次能源利用率
ηcos——联供系统一次能源利用率
联供系统一次能源利用率ηcos的计算式为:
式中Eel——发电机组年发电量,kW·h/a
Qh——系统年供热量,MJ/a
QL——系统年供冷量,MJ/a
V——联供系统年耗气量,m3/a
Hi——天然气低热值,MJ/m3,取35.21 MJ/m3
ηw——市电网平均供电效率,本文取0.35
ICOP——电驱动冷水机组制冷性能系数
分供系统一次能源利用率ηdiv的计算式为:
式中ηb——燃气锅炉热效率
3.2 经济指标
经济指标ηeco的计算式为:
式中ηeco——经济指标
ccos、cdiv——联供系统、分供系统年费用,元/a
ccos,pr、cdiv,pr——联供系统、分供系统年设备购置费,元/a
ccos,r、cdiv,r——联供系统、分供系统年运行费用,元/a
系统年设备购置费是将系统设备购置费分摊到系统寿命内,系统寿命取20 a。
3.3 碳排放指标
碳排放指标ηemi的计算式为:
式中ηemi——碳排放指标
mcos——联供系统年碳排放量,kg/a
mdiv——分供系统年碳排放量,kg/a
天然气碳排放因子取2.055 kg/m3,电网碳排放因子取0.860 6 kg/(kW·h)。
3.4 综合性能指标
采用权重分析法建立综合性能指标[5],综合性能指标越小,联供系统综合性能越好、越合理。权重分析法可以将多目标优化问题转化为单目标规划问题,本文按照系统实际运行情况分配权重因子。
综合性能指标ηPFL的计算式为:
ηPFL=ω1ηeff+ω2ηeco+ω3ηemi
式中ηPFL——综合性能指标
ω1、ω2、ω3——权重因子
权重因子按文献[6]确定。
4 约束条件与运行模式
4.1 约束条件
① 电负荷
电负荷约束条件为:
Pgrid+PGT-PEC=PLoad
式中Pgrid——市电功率,kW
PGT——发电机组发电功率,kW
PEC——电驱动冷水机组耗电功率,kW
PLoad——用户耗电功率,kW
② 热负荷
热负荷约束条件为:
ΦHA+ΦGB=ΦH,Load+ΦDHW
式中ΦHA——发电机组余热功率,kW
ΦGB——燃气锅炉热功率,kW
ΦH,Load——供暖热负荷,kW
ΦDHW——生活热水负荷,kW
③ 冷负荷
冷负荷约束条件为:
ΦEC+ΦAC=ΦC,Load
式中ΦEC——电驱动冷水机组制冷量,kW
ΦAC——吸收式冷水机组制冷量,kW
ΦC,Load——用户冷负荷,kW
④ 发电机组发电功率
发电机组发电功率约束条件为:
0.4PGT,r≤PGT≤PGT,r
式中PGT,r——发电机组额定发电功率,kW
优化模拟时,发电机组额定发电功率变化范围取300~2 000 kW。
4.2 运行模式
① 以热定电
以满足用户冷热负荷为前提,发电机组发电供给用户,不足部分由市电补充。当发电机组余热无法满足用户冷热负荷需求时,利用电驱动冷水机组、燃气锅炉补充。
② 以电定热
以满足用户电负荷为前提,发电机组余热用于提供冷热负荷,不足部分由电驱动冷水机组、燃气锅炉补充。当发电机组发电能力无法满足需求时,由市电补充。
③ 热电结合
根据用户逐时电负荷计算折算发电机组余热。当折算发电机组余热大于等于需求热量时,采用以热定电模式。当折算发电机组余热小于需求热量时,采用以电定热模式。
5 优化结果与分析
使用MATLAB的混合线性规划函数,对综合性能指标优化模型进行求解。3种运行模式下,联供系统综合性能指标随发电机组额定发电功率的变化见图5。
图5 3种运行模式下综合性能指标随发电机组额定发电功率的变化
由图5可知,3种运行模式下,综合性能指标均随发电机组额定发电功率增大而先减小后增大,存在最佳额定发电功率。对于该项目,以电定热的运行模式最优,发电机组最佳额定发电功率为550 kW。
6 结论
综合性能指标均随发电机组额定发电功率增大而先减小后增大,存在最佳额定发电功率。对于该项目,以电定热的运行模式最优,发电机组最佳额定发电功率为550 kW。