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基于燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化
燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。
摘要：本文提出了燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略，根據(jù)某一地區(qū)的冷熱電負(fù)荷以及滿(mǎn)足該地區(qū)冷熱電負(fù)荷需求的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的模型配置，任意選定該地區(qū)一個(gè)時(shí)間的冷熱電負(fù)荷，基于多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)下，得到并且比較不同運(yùn)行策略的多目標(biāo)值PCA的大小，比較以電定熱和以熱定電兩種運(yùn)行方式在燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中哪個(gè)更優(yōu)。
關(guān)鍵詞：冷熱電分產(chǎn);以電定熱;以熱定電;多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo);冷熱電聯(lián)產(chǎn)
引言
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)一次能源儲(chǔ)備中煤炭最為豐富，石油和天然氣相對(duì)較少，因此，我國(guó)電力行業(yè)以傳統(tǒng)火電為主，傳統(tǒng)的能源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是大型化，集中化，輸配電比較復(fù)雜，可靠性弱，適應(yīng)性不強(qiáng)[1]，煤炭和石油在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生氮氧化合物，碳氧化合物，而天然氣在燃燒過(guò)程中很少產(chǎn)生這些物質(zhì)。隨著《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，分布式能源被提出，天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)得到了大力的發(fā)展[2].鑒于此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有了大量的研究。目前，對(duì)CCHP系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)比較單一，基本以單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，但是對(duì)不同指標(biāo)差異性分析比較少，馮志兵等人對(duì)幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)做了比較詳細(xì)的比較[3]。
在以上基礎(chǔ)上，以南方某地區(qū)某燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為依托，綜合考慮一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率，費(fèi)用節(jié)約率等因素，選取該南方地區(qū)某時(shí)刻的冷，熱，電負(fù)荷，計(jì)算在多目標(biāo)指標(biāo)下，以電定熱[1]和以熱定電兩種運(yùn)行方式下的多目標(biāo)指標(biāo)PCA，比較得出該時(shí)刻針對(duì)該地區(qū)的最優(yōu)運(yùn)行策略。
一、燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基本原理
燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主要包括燃?xì)廨啓C(jī)，帶補(bǔ)燃的余熱鍋爐，溴化鋰制冷機(jī)組，熱交換設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的原理如圖1所示[4]。
天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中燃燒，燃?xì)膺M(jìn)入透平做工，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電量提供用戶(hù)電負(fù)荷。做工后的高溫蒸汽進(jìn)入余熱鍋爐加熱鍋爐給水，從而產(chǎn)生飽和蒸汽。飽和蒸汽一方面通過(guò)熱點(diǎn)換設(shè)備向用戶(hù)供熱，滿(mǎn)足用戶(hù)熱負(fù)荷，另一方面驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷，滿(mǎn)足用戶(hù)冷負(fù)荷。冷凝水返回余熱鍋爐繼續(xù)吸收。整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)發(fā)電滿(mǎn)足用戶(hù)電負(fù)荷，不夠的通過(guò)電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)，余熱鍋爐的高溫蒸汽不夠滿(mǎn)足用戶(hù)冷熱負(fù)荷的，通過(guò)對(duì)余熱鍋爐補(bǔ)燃來(lái)滿(mǎn)足。
二、冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)原理
冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t，熱交換設(shè)備，離心式制冷機(jī)組成，系統(tǒng)流程圖如圖2所示。
用戶(hù)所需要的冷負(fù)荷由離心式制冷機(jī)提供，離心式制冷機(jī)消耗的電量和滿(mǎn)足用戶(hù)電負(fù)荷的電量由電網(wǎng)提供。用戶(hù)所需熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)燃燒天然氣，再通過(guò)熱交換設(shè)備提供。
三、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化模型建立
在傳統(tǒng)的分產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，多目標(biāo)指標(biāo)模型下，比較冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)劣。本文選取夏季典型日某一時(shí)間段內(nèi)，南方某地區(qū)的冷熱電負(fù)荷。通過(guò)模型建立，求出“以電定熱”和“以熱定電”兩種運(yùn)行策略的多目標(biāo)值PCA，比較兩種運(yùn)行方式的PCA的大小以確定該時(shí)間段的最優(yōu)運(yùn)行策略。
本文中聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)模型中設(shè)計(jì)的設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表1和表2。
3.1 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立
3.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率和余熱量與燃料量成正比關(guān)系[5]
(1)
式(1)中指燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際發(fā)電功率，Kw;是燃?xì)廨啓C(jī)排氣可利用熱量，kW;是輸入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣熱量，kW;指設(shè)計(jì)工況下，燃?xì)廨啓C(jī)的額定發(fā)電功率，kW;，指燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際最大，最小發(fā)電功率kW;設(shè)計(jì)工況溫度，=15℃，實(shí)際環(huán)境溫度;a，b，c，d，e是與燃?xì)廨啓C(jī)容量以及工況有關(guān)的系數(shù)。
3.1.2 補(bǔ)燃余熱鍋爐數(shù)學(xué)模型
余熱鍋爐補(bǔ)燃供熱量與余熱鍋爐補(bǔ)燃消耗的熱量成正比關(guān)系[6]
(2)
在式(2)中指余熱鍋爐補(bǔ)燃供熱量，kWh;余熱鍋爐補(bǔ)燃的燃料熱量，kWh;，余熱實(shí)際運(yùn)行熱效率;，余熱鍋爐額定熱效率，取0.8;余熱鍋爐的負(fù)荷率。
3.1.3 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型
溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷量與制冷所需的熱量成正比關(guān)系[7]
(3)
式(3)中指制冷機(jī)的制冷量，kWh;指制冷機(jī)制冷所需熱量，kWh;指制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)
3.2 分產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
3.2.1 燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型
燃?xì)忮仩t的供熱量和燃?xì)忮仩t的消耗的燃料熱量成正比
(4)
式(4)中：指燃?xì)忮仩t供熱量，kWh;指燃?xì)忮仩t消耗的天然氣熱量，kWh;燃?xì)忮仩t的運(yùn)行熱效率，取0.8;
3.2.2 離心式制冷機(jī)數(shù)學(xué)模型
離心式制冷機(jī)的制冷量和離心式制冷機(jī)制冷所需要的電量成正比關(guān)系
(5)
式(5)中：離心式制冷機(jī)的制冷量，kWh;離心式制冷機(jī)制冷消耗的電量，kWh;離心式制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能系數(shù)，取4.0。
3.3 系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的確定
本文主要將一次能源節(jié)約率P，二氧化碳減排率C，費(fèi)用節(jié)約率A三個(gè)指標(biāo)綜合起來(lái)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
3.3.1 一次能源節(jié)約率
本文中將系統(tǒng)購(gòu)電量和燃料量折合成一次能源。一次能源節(jié)約率(P)只滿(mǎn)足相同的冷熱電負(fù)荷情況下，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源節(jié)約量與分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源消耗量的比值。其中電網(wǎng)輸電效率取0.92，電廠平均供電效率取0.377。
(6)
3.3.2 二氧化碳減排率
二氧化碳減排率指聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的二氧化碳減排量與分產(chǎn)系統(tǒng)的二氧化碳排放量的比值。其中取外購(gòu)電對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量為877g/kWh，燃燒天然氣對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量為220g/kWh。
(7)
3.3.3 費(fèi)用節(jié)約率
評(píng)價(jià)主要包括投資成本，維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的總費(fèi)用節(jié)約量與分產(chǎn)系統(tǒng)的總費(fèi)用的比值表示費(fèi)用節(jié)約率。其中年利率取7%，設(shè)備殘值率取0，設(shè)備的壽命年限取20。
(8)
3.3.4 一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率和費(fèi)用節(jié)省率(PCA)最小化
本文中綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)把一次能源節(jié)約率，二氧化碳減排率和費(fèi)用節(jié)省率同等看待，取各自的權(quán)重為1/3.得到最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
(9)
四、系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果分析
在以上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型下，多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)下，選取南方某地區(qū)一個(gè)小時(shí)的冷熱電負(fù)荷，此時(shí)環(huán)境溫度為25℃，用戶(hù)的電負(fù)荷為3000kWh，熱負(fù)荷為1000kWh，冷負(fù)荷為4000kWh。通過(guò)計(jì)算可以得到“以電定熱”運(yùn)行策略下的多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)為PCA1=0.1847，“以熱定電”運(yùn)行策略下的多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)PCA2=0.1709。
五、結(jié)論
本文在確定的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)分產(chǎn)系統(tǒng)模型下，采用多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)比較“以電定熱”和“以熱定電”兩種運(yùn)行方式，其中多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括三個(gè)方面，節(jié)能性，經(jīng)濟(jì)性，環(huán)保性，且每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都采用聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)約率，從以上結(jié)果可以看到，“以電定熱”和“以熱定電”兩種運(yùn)行方式下的PCA值都大于0，說(shuō)明在多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)下聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是優(yōu)于分產(chǎn)系統(tǒng)的，在以上負(fù)荷下以電定熱的多目標(biāo)值大于以熱定電的評(píng)價(jià)值，說(shuō)明在上述負(fù)荷和環(huán)境下，采用以電定熱運(yùn)行方式是優(yōu)于以熱定電的運(yùn)行方式的。在確定的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型下，多目標(biāo)指標(biāo)評(píng)價(jià)下，通過(guò)比較兩種運(yùn)行方式的多目標(biāo)值有助于指導(dǎo)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用最優(yōu)的運(yùn)行策略。
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