供系统设备容量与运行策略集成优化研究16970.docx

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1、楼宇三联供系统设备容量与运行策略集成优化研究霍小亮摘要：研究一套联供系统的最佳设备容量与最优运行策略。该联供系统包括燃气内燃机、双效溴化锂吸收式制冷机及燃气锅炉。考虑到经济性、节能性、环保性这三个联供系统性能评价指标，建立了以年运行费用最小为目标函数的非线性最优化模型。并以上海某宾馆为例，应用该优化模型，运用LINGO专业优化软件进行求解，得到了适合于该宾馆的三联供系统的最佳设备容量与最优运行策略。结果表明，该优化模型具有很好的经济性、节能性和环保性。关键词：冷冷热电三三联供；最优化化；吸收收式制冷冷机；运运行策略略；燃气气内燃机机楼宇分布式式供能系系统（BBCHPP）是一一种日益益重要的的建

2、筑供供能方式式，它可可以在发发电的同同时利用用废热，达达到能源源的梯级级利用，提提高总的的能源利利用效率率。由于楼宇建建筑能耗耗特性比比较复杂杂，冷热热电负荷荷随时间间变化波波动比较较大，这这使得三三联供系系统在确确定设备备容量和和运行策策略时比比较困难难。文献献1，2等研究究了联供供系统的的设备配配置与运运行优化化方法。然然而大部部分研究究成果都都没有考考虑CHHP设备备在部分分负荷下下的运行行状况，且且只考虑虑经济性性因素的的居多。部部分文献献也谈到到了节能能性和环环保性，但但都没有有把这些些指标体体现在优优化模型型中，只只是在整整体上说说明，不不能很好好的体现现三联供供的优越越性。本本文

3、建立立了以年年运行费费用最小小为优化化目标的的联供系系统非线线性优化化模型。该该模型充充分考虑虑了经济济性、节节能性和和环保性性评价指指标，以以及燃气气内燃机机的部分分负荷特特性。并并把该模模型应用用到上海海某宾馆馆建筑，应应用LIINGOO专业优优化软件件进行求求解，得得到了最最优的系系统设备备容量和和最优运运行策略略。具有有较好的的经济性性、节能能性和环环保性。1. BCHP系系统结构构本文研究的的三联供供系统（如如图1）由由燃气内内燃机、双双效溴化化锂吸收收式制冷冷机和燃燃气锅炉炉等设备备构成。燃燃气内燃燃机作为为系统原原动机不不但启动动快、启启动能耗耗小、部部分负荷荷性能好好,而且且规

4、格齐齐全、价价格低廉廉、安全全可靠。吸吸收式制制冷机、空空调热负负荷和热热水负荷荷可采用用从燃气气内燃机机回收的的低品位位热源作作为驱动动源,不不足负荷荷用燃气气锅炉来来驱动。空空调热负负荷与热热水负荷荷通过换换热器来来获得热热量，为为了体现现节能性性和环保保性指标标，假定定公用电电网由燃燃气电厂厂供电。分分供系统统(如图图2)的的电负荷荷完全由由公用电电网供给给，空调调冷负荷荷也由吸吸收式制制冷机供供给。热热水负荷荷和空调调热负荷荷由燃气气锅炉通通过换热热器热交交换供给给，吸收收式制冷冷机由燃燃气锅炉炉驱动。图1 联供供系统供供能方式式图2 分供供系统供能能方式2. 优化模型本优化模型型所涉

5、及及到的待待优化变变量如表表1，同同时为了了便于分分析，做做以下假假设：（1）可选选择的系系统设备备容量连连续，且且无故障障运行；（2）燃气气内燃机机热电比比在部分分负荷区区不变3 ；（3）吸收收式制冷冷机COOP和燃燃气锅炉炉效率在在运行期期间保持持不变；（4）换热热器1与与换热器器2的换换热效率率相同；表1 待优优化变量量优化变量变量符号燃气内燃机机逐时发发电量/kwhh燃气内燃机机逐时发发电效率率燃气内燃机机逐时余余热利用用量/kkwh燃气锅炉逐逐时供热热量/kkwh逐时电网购购电量/kwhh燃气内燃机机容量/kw燃气锅炉容容量/kkw吸收式制冷冷机容量量/kww2.1目标标函数以年运行

6、费费用最少少作为三三联供系系统优化化配置的的目标函函数如公公式（11）。三三联供系系统的运运行费用用主要包包括燃料料费、设设备维护护费和设设备投资资费用三三部分。目目前小型型热电联联产发电电在我国国尚不能能上网，故故年运行行费用中中将不计计入由联联供系统统生产电电量收入入。 （1）公用电网年年购电量量计算方方法由式式（2）表表示，燃燃气内燃燃机、燃燃气锅炉炉、吸收收式制冷冷机的年年运行费费用分别别由式（33）、式式（4）、式式（5）给给出。 （2） （3） （44） （55）文献3研究了了燃气内内燃机发发电效率率与负荷荷系数的的关系，得得到了燃燃气内燃燃机发电电效率的的计算方方法（如如式（66

7、），其其中负荷荷系数=/。 （66）联供系统各各设备的的年投资资成本计计算方法法由式（77）（99）给出出，其中中式表示示等额资资本回收收系数。 （77） （88） （99）2.2 约约束条件件2.2.11能量平平衡条件件为保证每小小时的供供电需求求，从电电网购电电量与内内燃机发发电量的的和应该该大于等等于电负负荷需求求，联供供系统多多余发电电量不上上网，式式（100）为第第i小时时电平衡衡关系式式。 （100）同理，第ii小时热热平衡关关系式由由式（111）表表示。 （111）其中，总热热负荷计计算方法法如式（112）。 （112）2.2.22设备工工作性能能条件在第i小时时，燃气气内燃机机

8、设备容容量（即即最大发发电量）与与其发电电量的关关系由式式（133）表示示，燃气气内燃机机的热输输出和电电输出关关系由式式（144）表示示。 （113） （114）第i小时燃燃气锅炉炉容量（即即最大供供热量）与与其供热热量的关关系由式式（155）表示示。 （115）第i小时制制冷机供供冷量与与设备容容量（即即制冷机机最大供供冷量）的的关系由由式（116）表表示。 （166）2.2.33评价指指标约束束条件联供系统性性能评价价指标主主要包括括经济性性、节能能性和环环保性。本本文以年年运行费费用最低低为目标标建立的的优化函函数，把把节能性性和环保保性指标标大于零零作为其其中的约约束条件件，这种种优

9、化方方法更能能体现BBCHPP系统的的优越性性。节能率（FFuell ennerggy ssaviing rattio）是是评价BBCHPP系统节节能性的的重要指指标。式式（177）为第第i小时时节能性性约束条条件。 （117）CO2减排排率（CCO2 reeducctioon rratiio）是是评价BBCHPP系统环环保性的的重要指指标，式式（188）为第第i小时时环保性性约束条条件。 （118）由于与均大大于零，因因此，约约束条件件（177）和（118）可可以合并并为由（119）表表示。 （199）2.3 求求解方法法该模型采用用LINNGO软软件对目目标函数数进行求求解，LLINGGO

10、软件件是由美美国Liindoo Syysteems有有限公司司开发专专门求解解非线性性规划的的数学模模型44。首首先，需需要将模模型转化化成LIINGOO求解程程序主要要的4个个部分：数据集集(daatasset)，用于于定义变变量；目目标函数数(obbjecctivve)，用用于表达达模型的的目标函函数；约约束条件件(reestrricttionn)，用用于表述述模型的的约束条条件;数数据传输输(daata)，用于于实现LLINGGO与其其它数据据源的数数据交换换；在将将模型转转化完毕毕后，就就可以运运行该软软件，LLINGGO根据据模型的的特点选选择一种种合适的的内置算算法对模模型进行行求

11、解。3. 实例分析3.1 负荷特征以上海某宾宾馆为例例，运用用eQUUESTT能耗模模拟软件件模拟得得到宾馆馆的全年年逐时负负荷，逐逐时负荷荷包括空空调冷负负荷、空空调热负负荷、电电负荷和和热水负负荷。图图3为冬冬季、夏夏季、过过渡季的的典型日日负荷曲曲线。图3典型日日逐时负负荷曲线线上海市电价价销售采采用分季季节分时时段电价价标准，夏夏季高峰峰时段88111时和118221时电电价为11.0114元/kwhh，低谷谷时段222时次日66时电价价为0.2322元/kkwh，剩剩余时间间段为平平谷，电电价为00.6997元/kwhh；其它它季节时时段划分分与夏季季相同，高高峰时段段价格为为1.0

12、014元元/kwwh,低低谷时段段价格为为0.3302元元/kwwh，剩剩余时段段价格为为0.6691元元/kwwh。天天然气热热电联产产价格为为2.005元/Nm33,商业业气价44111月为33.3元元/ NNm3，其它它月份气气价为33.6元元/ NNm3，天然然气热值值取355.2MMJ/ Nm33，COO2排放标标准取11.8556kgg/m33 55。3.2 设备性能根据文献6 7中的数数据，给给出优化化模型涉涉及的设设备性能能参数如如表2，银银行利率率取0.2。表2 设备备性能参参数 设备性能符号参数公用电力发电效率/%42.5燃气内燃机机热电比1.5生命周期/年20投资费率/元

13、/kkw496400运行维护费费率/元元/kwwh0.07668燃气锅炉效率/%80生命周期/年20投资费率/元/kkw800运行维护费费率/元元/kwwh0.002216吸收式制冷冷机制冷效率COP1.2生命周期/年20投资费率/元/kkw1840运行维护费费率/元元/kwwh0.00008换热器1、22效率/%95从优化运行行结果来来看，以以夏季典典型日为为例（如如图4），原原模型优优化得到到燃气内内燃机夜夜间处于于停机状状态，此此时节能能率和CCO2减排率率均为零零，而修修正模型型优化得得到燃气气内燃机机在部分分负荷下下运行，节节能率和和CO22减排率率均大于于零，可可见修正正模型具具有

14、更好好的节能能性和环环保性。同同时，由由于受燃燃气价格格、电价价以及CCHP设设备投资资等影响响，在高高电价、低低气价和和低的CCHP设设备投资资费用状状况下，修修正模型型的节能能性与环环保性优优势将更更加明显显。图4 典型型日燃气气内燃机机优化运运行状况况对比4 结论本文从联供供系统性性能评价价的角度度入手，建建立了联联供系统统最佳设设备容量量和最优优运行策策略的集集成优化化模型。模模型基于于经济性性、节能能性和环环保性指指标，以以及BCCHP设设备动态态性能和和能量平平衡，以以年运行行费用最最低为目目标，建建立了非非线性集集成优化化模型，运运用LIINGOO专业优优化软件件求解优优化模型型

15、，得到到了最佳佳的BCCHP系系统设备备容量和和最优年年运行策策略，具具有很好好的节能能性、环环保性和和经济性性，该模模型不仅仅对该本本论文采采用的设设备配置置方式适适用，而而且对其其它联供供系统也也有一定定的参考考价值。符号表 FESSR 节能率率 CRRR 二氧化化碳减排排率ex 排排放系数数，kgg/kwwh Q 总能耗耗,kwwhE 耗电电量，kkwh HH 耗耗热量，kkwhEX 排排放量，kkg L 负荷，kkwhP 价格格，元/kwhh II 利利率C 年运运行费用用，元 CCp 设备容容量，kkwc 设设备维护护费率，元元/kwwh Ccc 设设备投资资费率，元元/kwwHR

16、热热值，kkwh/m3 COPP 制制冷系数数希腊字母 燃气气锅炉效效率 燃燃气内燃燃机发电电效率 热电电比 负荷系系数 换热器器效率上下标conv 传统统供能方方式 BCCHP 三联联供啊我我系统Abs 吸收式式制冷机机 gass 天天然气gb 燃燃气锅炉炉 GEE 三三联供发发电设备备Utiliity 公用用电网 Booileer 燃气锅锅炉pur 购买 ruun 运行inv 投资 tottal heaat 总热负负荷ele 电 tt 运运行总小小时数参考文献献1丁水水汀，段伦，韩树军军等.冷热热电联供供系统运运行模式式优化J. 热科科学与技技术，220077(022) .2黄兴兴华, 李

17、赟. 联供供系统设设备配置置与运行行策略集集成优化化研究J. 太阳阳能学报报, 220088(011).3Reen HHonggbo, Gaao WWeijjun, Ruuan Yinngjuun. Opttimaal ssiziing forr reesiddenttiall CHHP ssysttemJ.Appplieed TTherrmall Ennginneerringg, 220088, 228(33): 5144-5223.4 LLinggo UUserrs Guiide M. UUSA: LIINDOO Syysteems Incc, 220055.5中国国价格信信网 nna ppricce/ffreee/inndexx.httm EB/OL.6H.I. Onoovwiionaa, VV.I. Uggurssal. Reesiddenttiall coogenneraatioon ssysttemss: rreviiew of thee cuurreent tecchnoologgyJJ. Rennewaablee annd SSusttainnablle EEnerrgy Revviewws, 20006, 10(5): 3889-4431.7陆伟伟.城市市能源环环境中分分布式供供能系统统优化配配置研究究D.北京京：中国国科学院院研究生生院，220077.