天然气冷热电联供系统的多目标优化

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。