基于线性规划算法的燃气内燃机三联供系统运行策略优化

刘　伟，　古云蛟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院　上海　200070



基于线性规划算法的燃气内燃机三联供系统运行策略优化

刘伟，古云蛟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院上海200070

对上海某制造企业内燃机冷热电三联供项目进行了运行策略优化研究。以运行燃料费用最低为优化目标，考虑了能源价格、负荷特性、设备参数等影响因素，建立了系统的优化模型，采用MATLAB软件中线性规划(LP)算法进行求解，得到了企业冬季工作日和休息日最优的运行策略。

内燃机三联供； 线性规划； 运行策略优化

以天然气为燃料的分布式内燃机三联供系统将高品位的能量用来发电，将低品味的能量用来供热或者制冷，同时将缸套水、中冷水用来供应热水负荷需求，实现了能量的“梯级利用”[1]，是一种先进的用能方式。内燃机三联供具有清洁、环保、高效等优势，不过在我国市场经济的大背景下，影响内燃机三联供项目发展的主要因素仍是经济效益。为了帮助企业降低燃料成本、扩大利润，更好地指导三联供系统经济运行，本研究采用线性规划(LP)算法，选取上海某制造企业内燃机冷热电三联供项目作为优化对象，对内燃机三联供系统进行运行策略优化。

1　系统介绍

分布式能源系统由内燃发电机组、余热锅炉、燃气锅炉组成，如图1所示。系统的主要设备见表1。该系统能量来源于天然气和电网，电负荷由内燃机提供，不足部分通过电网来满足；蒸汽负荷(通过蒸汽溴化锂机组制冷，或者直接供热)由余热锅炉产生，不足部分通过燃气锅炉来满足；缸套水和中冷水预热锅炉给水，并满足热水负荷。在三联供的基础上，加入可再生能源，即光伏发电系统作为补充。

表1　系统主要设备

图1　内燃机三联供系统图

2　设备模型

2.1内燃机

作为分布式能源系统中的重要动力设备，燃气内燃机在联供系统中的主要性能参数有发电出力、相应的燃料量，以及可回收热量[2]。燃气内燃机特性函数如下：

(1)

式中：Pic为燃气内燃机发电出力，kW；E为单位时间进入燃气内燃机的燃料热量，kW；Qic为单位时间燃气内燃机排出烟气的可利用热量(最终烟气排放温度为120 ℃),kW；Wic为单位时间缸套冷却水的可利用热量，kW；Hic为单位时间中冷水的可利用热量，kW；Pmin和Pmax分别为内燃机的最小、最大发电出力，kW；δic为内燃机的状态参数，内燃机运行时为1，停机时为0；aic、bic、cic、dic、eic、fic、gic、hic为常数。

经拟合，1500kW内燃机特性参数见表2，Pmax、Pmin分别取额定负荷和50%额定负荷。

表2　1500kW内燃机特性参数

2.2余热锅炉

余热锅炉是重要的余热利用设备，余热锅炉烟气侧为内燃机排气，产生1MPa的饱和蒸汽。内燃机和余热锅炉按照“一拖一”方式运行，余热锅炉运行区间和内燃机运行区间相同，在50%～100%区间运行。余热锅炉特性函数如下：

Qhrsg=effhrsgQic

(2)

式中：Qhrsg为单位时间燃气锅炉供热量，kW；effhrsg为余热锅炉烟气侧和工质侧换热因数。

2.3燃气锅炉

燃气锅炉是辅助制热设备，用于产生1MPa的饱和蒸汽，其额定效率为0.92。为避免燃气锅炉在低负荷区域连续运行，假设燃气锅炉最小启动负荷为30%，Qgb_max、Qgb_min分别取额定负荷和30%额定负荷，燃气锅炉特性如图2所示。

图2　燃气锅炉输入、输出功率特性曲线

燃气锅炉特性函数线性拟合如下：

(3)

式中：Qgb为单位时间燃气锅炉供热量，kW；Egb为单位时间输入燃料热量，kW；δgb为单位时间燃气锅炉运行状态参数，运行时为1，停运时为0。

2.4光伏板

由于光伏组件的出力受太阳辐照度、环境温度影响，因此光伏组件的输出功率一般以标准测试条件(太阳辐照度为1000W/m2，电池温度为25 ℃)下的系统出力为标准进行修正，具体可表示为[3]：

(4)

式中：Ppv为光伏组件的实际输出功率,kW；GING为实际太阳辐照度,W/m2；GSTC为标准测试条件下的太阳辐照度，取1000W/m2；PSTC为标准测试条件下光伏电池组件的输出功率，kW；kpv为温度系数，取0.03 K-1；Tr为环境温度，℃；Tc为电池温度，取25 ℃。

3　运行策略优化的数学模型

运行策略优化的目标是使典型日中每一时段分布式供能系统运行燃料费用(包括天然气、网购电、余热锅炉、燃气锅炉给水费用)最低，不考虑售电情况，如式(5)所示。约束包括两部分： 需求约束，满足每一时段系统电、蒸汽、热水负荷要求，如式(6)所示；设备特性约束，见式(1)～(4)。

mineexpen=3.6(∑Eic+∑Egb)Pgas/hgas

+NelecPe+DwPw

(5)

(6)式中：eexpen为某时段运行燃料费用，元；hgas为天然气热值，MJ/m3；Eic为单位时间内燃机消耗的天然气热量，kW；Egb为单位时间燃气锅炉消耗的天然气热量，kW；Pgas为天然气价格，元/m3；Nelec为购、售电量，售电为负，kWh；Pe为购、售电价格，元/(kWh)；Dw为蒸汽流量，kg/s；Pw为水价格,元/t；Nv为光伏发电量,kWh；Lelec为电量，kWh；Qhrsg为单位时间余热锅炉提供的蒸汽热量，kW；Qgb为单位时间燃气锅炉提供的蒸汽热量，kW；hout为给水预热出口焓，kJ/kg；hin为给水预热入口焓，kJ/kg；hsteam为蒸汽焓，kJ/kg；Lwater为热水热量，kWh。

联立式(1)～(6)可知，内燃机三联供系统运行策略优化问题是一个典型的混合整数线性规划问题，涉及{0，1}机组启停。求解思路是： 在每一时段内，枚举所有设备的启停区域，对于每一种启停区域采用线性规划进行求解，并比较、选出经济性最好的启停区域和相应的运行策略。

4　优化实例

以企业冬季工作日和休息日为例进行优化，能源价格见表3。其中，峰段电价时间段为8：00～11：00、18：00～21：00，平段电价时间段为6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段电价时间段为22：00～次日6：00。系统的负荷特性如图3～图5所示。

表3　能源价格

图3　冬季电负荷特性

图4　冬季蒸汽负荷特性

图5　冬季热水负荷特性

4.1冬季工作代表日

冬季工作日费用为17.1万元/天。冬季工作日运行策略如图6～图8所示。

图6　冬季工作代表日电负荷供应图

图7　冬季工作代表日蒸汽负荷供应图

图8　冬季工作代表日热水负荷供应图

(1) 在谷段电价时段(22：00～次日6：00)，停运一台内燃机，另一台内燃机降负荷运行，电量和蒸汽负荷不足部分分别通过网购电和燃气锅炉补充。此时段内，热水负荷供需平衡。

(2) 在峰、平电价时段(7：00～22：00)，两台内燃机满负荷工作，光伏发电根据环境变化出力发生变化，电量不足部分通过网购电来满足。蒸汽不足部分通过燃气锅炉来补充，在最高负荷处两台燃气锅炉运行。缸套水和中冷水提供热量，热量一部分预热锅炉给水，一部分满足热水需求。此时，还多余一部分热量，这部分热量可以供给其它热用户(如浴室、游泳馆等)。

4.2冬季休息代表日

冬季休息日费用为5.667万元/天。冬季休息日运行策略如图9～图11所示。

图9　冬季休息代表日电负荷供应图

图10　冬季休息代表日蒸汽负荷供应图

图11　冬季休息代表日热水负荷供应图

(1) 在谷段电价时段(22：00～次日6：00)，停运一台内燃机，另一台内燃机降负荷运行，电量和蒸

汽负荷不足部分分别通过网购电和燃气锅炉补充。此时段内，热水负荷供需平衡。

(2) 在峰、平电价时段(7：00～22：00)，两台内燃机出力随负荷变化而变化，光伏发电根据环境变化出力发生变化，由于电力负荷较低，该时段系统不用从电网购电。蒸汽不足部分通过燃气锅炉补充，由于蒸汽负荷相对较低，在最高负荷处只启动一台燃气锅炉运行。缸套水和中冷水提供热量，热量一部分预热锅炉给水，一部分满足热水需求。此时，还多余一部分热量，这部分热量可以供给其它热用户(如浴室、游泳馆等)。

5　结论

采用线性规划算法对内燃机三联供系统进行运行策略优化，通过对上海某制造企业内燃机冷热电三联供项目冬季工作日和休息日的实例进行优化，得出以下结论。

(1) 在谷段电价时段(22：00～次日6：00)，冬季工作日和休息日均停运一台内燃机，另一台内燃机降负荷运行，电量和蒸汽负荷不足部分分别通过网购电和燃气锅炉来补充，此时段内，热水负荷供需平衡。

(2) 在峰、平电价时段(7：00～22：00)，工作日两台内燃机满负荷工作，电量不足部分通过网购电满足，热负荷高峰时段启动两台燃气锅炉。休息日两台内燃机出力随负荷变化而变化，系统不从电网购电，热负荷高峰时段启动一台燃气锅炉。

(3) 工作日和休息日的峰、平电价时段(7：00～22：00)，缸套水和中冷水提供热量，热量一部分预热锅炉给水，一部分满足热水需求。此时，还多余一部分热量，这部分热量可以供给其它热用户(如浴室、游泳馆等)。

[1] 陆伟.城市能源环境中分布式供能系统优化配置研究[D].北京： 中国科学院研究生院，2007.

[2] 刘爱国.我国南方地区燃气轮机分布式供能系统的研究[D].北京： 中国科学院研究生院，2009.

[3] 张颖媛.微网系统的运行优化与能量管理研究[D].合肥： 合肥工业大学，2011.

The operation strategy was optimized for a gas engine CCHP project carried out by a manufacturer in Shanghai. Focusing on minimum fuel cost it took into account the contributing factors such as energy prices, load bearing characteristic and device parameters to build optimization model for the system and use MATLAB software LP algorithm for solving to get optimal operation strategy for working days and non-working days in winter.

Gas Engine CCHP; Linear Program; Optimization of Operation Strategy

2015年9月

刘伟(1985—)男，硕士研究生，工程师，主要从事分布式能源系统仿真与规划设计研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM611

A

1674-540X(2016)01-009-05