劉　偉，　古云蛟

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

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基于線性規(guī)劃算法的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

劉偉，古云蛟

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

對上海某制造企業(yè)內(nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目進(jìn)行了運(yùn)行策略優(yōu)化研究。以運(yùn)行燃料費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮了能源價格、負(fù)荷特性、設(shè)備參數(shù)等影響因素，建立了系統(tǒng)的優(yōu)化模型，采用MATLAB軟件中線性規(guī)劃(LP)算法進(jìn)行求解，得到了企業(yè)冬季工作日和休息日最優(yōu)的運(yùn)行策略。

內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供； 線性規(guī)劃； 運(yùn)行策略優(yōu)化

以天然氣為燃料的分布式內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)將高品位的能量用來發(fā)電，將低品味的能量用來供熱或者制冷，同時將缸套水、中冷水用來供應(yīng)熱水負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)了能量的“梯級利用”[1]，是一種先進(jìn)的用能方式。內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供具有清潔、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，不過在我國市場經(jīng)濟(jì)的大背景下，影響內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供項(xiàng)目發(fā)展的主要因素仍是經(jīng)濟(jì)效益。為了幫助企業(yè)降低燃料成本、擴(kuò)大利潤，更好地指導(dǎo)三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本研究采用線性規(guī)劃(LP)算法，選取上海某制造企業(yè)內(nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目作為優(yōu)化對象，對內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行策略優(yōu)化。

1　系統(tǒng)介紹

分布式能源系統(tǒng)由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t組成，如圖1所示。系統(tǒng)的主要設(shè)備見表1。該系統(tǒng)能量來源于天然氣和電網(wǎng)，電負(fù)荷由內(nèi)燃機(jī)提供，不足部分通過電網(wǎng)來滿足；蒸汽負(fù)荷(通過蒸汽溴化鋰機(jī)組制冷，或者直接供熱)由余熱鍋爐產(chǎn)生，不足部分通過燃?xì)忮仩t來滿足；缸套水和中冷水預(yù)熱鍋爐給水，并滿足熱水負(fù)荷。在三聯(lián)供的基礎(chǔ)上，加入可再生能源，即光伏發(fā)電系統(tǒng)作為補(bǔ)充。

表1　系統(tǒng)主要設(shè)備

圖1　內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)圖

2　設(shè)備模型

2.1內(nèi)燃機(jī)

作為分布式能源系統(tǒng)中的重要動力設(shè)備，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在聯(lián)供系統(tǒng)中的主要性能參數(shù)有發(fā)電出力、相應(yīng)的燃料量，以及可回收熱量[2]。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)特性函數(shù)如下：

(1)

式中：Pic為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電出力，kW；E為單位時間進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃料熱量，kW；Qic為單位時間燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排出煙氣的可利用熱量(最終煙氣排放溫度為120 ℃),kW；Wic為單位時間缸套冷卻水的可利用熱量，kW；Hic為單位時間中冷水的可利用熱量，kW；Pmin和Pmax分別為內(nèi)燃機(jī)的最小、最大發(fā)電出力，kW；δic為內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時為1，停機(jī)時為0；aic、bic、cic、dic、eic、fic、gic、hic為常數(shù)。

經(jīng)擬合，1500kW內(nèi)燃機(jī)特性參數(shù)見表2，Pmax、Pmin分別取額定負(fù)荷和50%額定負(fù)荷。

表2　1500kW內(nèi)燃機(jī)特性參數(shù)

2.2余熱鍋爐

余熱鍋爐是重要的余熱利用設(shè)備，余熱鍋爐煙氣側(cè)為內(nèi)燃機(jī)排氣，產(chǎn)生1MPa的飽和蒸汽。內(nèi)燃機(jī)和余熱鍋爐按照“一拖一”方式運(yùn)行，余熱鍋爐運(yùn)行區(qū)間和內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行區(qū)間相同，在50%～100%區(qū)間運(yùn)行。余熱鍋爐特性函數(shù)如下：

Qhrsg=effhrsgQic

(2)

式中：Qhrsg為單位時間燃?xì)忮仩t供熱量，kW；effhrsg為余熱鍋爐煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)換熱因數(shù)。

2.3燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t是輔助制熱設(shè)備，用于產(chǎn)生1MPa的飽和蒸汽，其額定效率為0.92。為避免燃?xì)忮仩t在低負(fù)荷區(qū)域連續(xù)運(yùn)行，假設(shè)燃?xì)忮仩t最小啟動負(fù)荷為30%，Qgb_max、Qgb_min分別取額定負(fù)荷和30%額定負(fù)荷，燃?xì)忮仩t特性如圖2所示。

圖2　燃?xì)忮仩t輸入、輸出功率特性曲線

燃?xì)忮仩t特性函數(shù)線性擬合如下：

(3)

式中：Qgb為單位時間燃?xì)忮仩t供熱量，kW；Egb為單位時間輸入燃料熱量，kW；δgb為單位時間燃?xì)忮仩t運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，運(yùn)行時為1，停運(yùn)時為0。

2.4光伏板

由于光伏組件的出力受太陽輻照度、環(huán)境溫度影響，因此光伏組件的輸出功率一般以標(biāo)準(zhǔn)測試條件(太陽輻照度為1000W/m2，電池溫度為25 ℃)下的系統(tǒng)出力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，具體可表示為[3]：

(4)

式中：Ppv為光伏組件的實(shí)際輸出功率,kW；GING為實(shí)際太陽輻照度,W/m2；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的太陽輻照度，取1000W/m2；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏電池組件的輸出功率，kW；kpv為溫度系數(shù)，取0.03 K-1；Tr為環(huán)境溫度，℃；Tc為電池溫度，取25 ℃。

3　運(yùn)行策略優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

運(yùn)行策略優(yōu)化的目標(biāo)是使典型日中每一時段分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行燃料費(fèi)用(包括天然氣、網(wǎng)購電、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t給水費(fèi)用)最低，不考慮售電情況，如式(5)所示。約束包括兩部分： 需求約束，滿足每一時段系統(tǒng)電、蒸汽、熱水負(fù)荷要求，如式(6)所示；設(shè)備特性約束，見式(1)～(4)。

mineexpen=3.6(∑Eic+∑Egb)Pgas/hgas

+NelecPe+DwPw

(5)

(6)式中：eexpen為某時段運(yùn)行燃料費(fèi)用，元；hgas為天然氣熱值，MJ/m3；Eic為單位時間內(nèi)燃機(jī)消耗的天然氣熱量，kW；Egb為單位時間燃?xì)忮仩t消耗的天然氣熱量，kW；Pgas為天然氣價格，元/m3；Nelec為購、售電量，售電為負(fù)，kWh；Pe為購、售電價格，元/(kWh)；Dw為蒸汽流量，kg/s；Pw為水價格,元/t；Nv為光伏發(fā)電量,kWh；Lelec為電量，kWh；Qhrsg為單位時間余熱鍋爐提供的蒸汽熱量，kW；Qgb為單位時間燃?xì)忮仩t提供的蒸汽熱量，kW；hout為給水預(yù)熱出口焓，kJ/kg；hin為給水預(yù)熱入口焓，kJ/kg；hsteam為蒸汽焓，kJ/kg；Lwater為熱水熱量，kWh。

聯(lián)立式(1)～(6)可知，內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化問題是一個典型的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，涉及{0，1}機(jī)組啟停。求解思路是： 在每一時段內(nèi)，枚舉所有設(shè)備的啟停區(qū)域，對于每一種啟停區(qū)域采用線性規(guī)劃進(jìn)行求解，并比較、選出經(jīng)濟(jì)性最好的啟停區(qū)域和相應(yīng)的運(yùn)行策略。

4　優(yōu)化實(shí)例

以企業(yè)冬季工作日和休息日為例進(jìn)行優(yōu)化，能源價格見表3。其中，峰段電價時間段為8：00～11：00、18：00～21：00，平段電價時間段為6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段電價時間段為22：00～次日6：00。系統(tǒng)的負(fù)荷特性如圖3～圖5所示。

表3　能源價格

圖3　冬季電負(fù)荷特性

圖4　冬季蒸汽負(fù)荷特性

圖5　冬季熱水負(fù)荷特性

4.1冬季工作代表日

冬季工作日費(fèi)用為17.1萬元/天。冬季工作日運(yùn)行策略如圖6～圖8所示。

圖6　冬季工作代表日電負(fù)荷供應(yīng)圖

圖7　冬季工作代表日蒸汽負(fù)荷供應(yīng)圖

圖8　冬季工作代表日熱水負(fù)荷供應(yīng)圖

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，停運(yùn)一臺內(nèi)燃機(jī)，另一臺內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行，電量和蒸汽負(fù)荷不足部分分別通過網(wǎng)購電和燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。此時段內(nèi)，熱水負(fù)荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，兩臺內(nèi)燃機(jī)滿負(fù)荷工作，光伏發(fā)電根據(jù)環(huán)境變化出力發(fā)生變化，電量不足部分通過網(wǎng)購電來滿足。蒸汽不足部分通過燃?xì)忮仩t來補(bǔ)充，在最高負(fù)荷處兩臺燃?xì)忮仩t運(yùn)行。缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預(yù)熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

4.2冬季休息代表日

冬季休息日費(fèi)用為5.667萬元/天。冬季休息日運(yùn)行策略如圖9～圖11所示。

圖9　冬季休息代表日電負(fù)荷供應(yīng)圖

圖10　冬季休息代表日蒸汽負(fù)荷供應(yīng)圖

圖11　冬季休息代表日熱水負(fù)荷供應(yīng)圖

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，停運(yùn)一臺內(nèi)燃機(jī)，另一臺內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行，電量和蒸

汽負(fù)荷不足部分分別通過網(wǎng)購電和燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。此時段內(nèi)，熱水負(fù)荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，兩臺內(nèi)燃機(jī)出力隨負(fù)荷變化而變化，光伏發(fā)電根據(jù)環(huán)境變化出力發(fā)生變化，由于電力負(fù)荷較低，該時段系統(tǒng)不用從電網(wǎng)購電。蒸汽不足部分通過燃?xì)忮仩t補(bǔ)充，由于蒸汽負(fù)荷相對較低，在最高負(fù)荷處只啟動一臺燃?xì)忮仩t運(yùn)行。缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預(yù)熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

5　結(jié)論

采用線性規(guī)劃算法對內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行策略優(yōu)化，通過對上海某制造企業(yè)內(nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目冬季工作日和休息日的實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

(1) 在谷段電價時段(22：00～次日6：00)，冬季工作日和休息日均停運(yùn)一臺內(nèi)燃機(jī)，另一臺內(nèi)燃機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行，電量和蒸汽負(fù)荷不足部分分別通過網(wǎng)購電和燃?xì)忮仩t來補(bǔ)充，此時段內(nèi)，熱水負(fù)荷供需平衡。

(2) 在峰、平電價時段(7：00～22：00)，工作日兩臺內(nèi)燃機(jī)滿負(fù)荷工作，電量不足部分通過網(wǎng)購電滿足，熱負(fù)荷高峰時段啟動兩臺燃?xì)忮仩t。休息日兩臺內(nèi)燃機(jī)出力隨負(fù)荷變化而變化，系統(tǒng)不從電網(wǎng)購電，熱負(fù)荷高峰時段啟動一臺燃?xì)忮仩t。

(3) 工作日和休息日的峰、平電價時段(7：00～22：00)，缸套水和中冷水提供熱量，熱量一部分預(yù)熱鍋爐給水，一部分滿足熱水需求。此時，還多余一部分熱量，這部分熱量可以供給其它熱用戶(如浴室、游泳館等)。

[1] 陸偉.城市能源環(huán)境中分布式供能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究[D].北京： 中國科學(xué)院研究生院，2007.

[2] 劉愛國.我國南方地區(qū)燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)的研究[D].北京： 中國科學(xué)院研究生院，2009.

[3] 張穎媛.微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化與能量管理研究[D].合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)，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

劉偉(1985—)男，碩士研究生，工程師，主要從事分布式能源系統(tǒng)仿真與規(guī)劃設(shè)計研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM611

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