王欣欣，董瀟健，沈佳妮，王保峰，賀益君

（1上海電力大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200090；2上海交通大學(xué)化學(xué)工程系，上海 200240）

引 言

由于冷、熱、電的分布式獨(dú)立供能系統(tǒng)往往存在能源利用率低、整體投資成本高等缺點(diǎn)，基于能量梯級(jí)利用原理的冷熱電聯(lián)供(combined cooling，heating and power，CCHP)系統(tǒng)獲得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-2]。

CCHP系統(tǒng)主要由發(fā)電設(shè)備、余熱利用設(shè)備和輔助設(shè)備組成，其構(gòu)建需要綜合考慮原動(dòng)機(jī)類(lèi)型、用能方式和地區(qū)偏好等因素[3-4]。該系統(tǒng)集發(fā)電、供熱和制冷過(guò)程于一體，具有尺寸配置靈活、電網(wǎng)依賴少、能源利用率高、能耗成本低等優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于住宅、辦公樓、校園、醫(yī)院和工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)景[5-9]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)CCHP系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行優(yōu)化、優(yōu)化模型等方面[10]。

CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化的實(shí)施，對(duì)提升能源綜合利用效率、降低年度總成本、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性等具有重要意義[11-12]。其中，設(shè)計(jì)優(yōu)化通常包括設(shè)備類(lèi)型優(yōu)選和最優(yōu)容量配置，而運(yùn)行優(yōu)化則涉及在滿足冷熱電負(fù)荷能量平衡下各設(shè)備的最優(yōu)操作條件[13-15]。多數(shù)情況下，研究者采用最大矩形法、能源管理法和多標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法確定系統(tǒng)核心設(shè)備容量，但通過(guò)上述方法得到的容量配置和運(yùn)行策略大多不合理，以致于CCHP系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中普遍存在負(fù)荷偏離理論值、經(jīng)濟(jì)效益差等問(wèn)題[16-18]。在CCHP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通常需要結(jié)合冷、熱、電歷史負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化，才有望獲得實(shí)際可行的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[19-20]。因此，有必要對(duì)CCHP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)施集成優(yōu)化，但其實(shí)施具有很大挑戰(zhàn)[21]。

CCHP系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)往往結(jié)合不同運(yùn)行策略構(gòu)建優(yōu)化模型。常用的運(yùn)行策略主要包括：以電定熱(following electric load，F(xiàn)EL)、以 熱 定 電(following thermal load，F(xiàn)TL)和混合熱電(following hybrid load，F(xiàn)HL)[22-24]。在FEL策略下，根據(jù)電負(fù)荷需求確定燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷率；在FTL策略下，燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷率根據(jù)冷、熱負(fù)荷需求確定；在FHL策略下，燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷率綜合考慮冷、熱、電負(fù)荷需求與運(yùn)行成本，實(shí)施優(yōu)化確定。

對(duì)于CCHP系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的求解，主要包括線性 規(guī) 劃（linear programming，LP）、非線性規(guī)劃（nonlinear programming，NLP）、混合整型線性規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）、混合整型非線性規(guī)劃（mixed integer nonlinear programming，MINLP）以及遺傳算法（genetic algorithm，GA）等方法[1,10]。總體來(lái)說(shuō)，優(yōu)化問(wèn)題可描述為線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃問(wèn)題，由于CCHP系統(tǒng)具有復(fù)雜性，多數(shù)研究仍傾向于采用線性化方法來(lái)求解[25-26]。例如，為模型簡(jiǎn)化考慮，將CCHP中關(guān)鍵設(shè)備，如燃?xì)廨啓C(jī)的電/熱效率設(shè)為固定值，建立LP模型[12,27-29]。由于燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率與電/熱效率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，直接采用固定效率所得設(shè)計(jì)方案往往實(shí)際不可行或非最優(yōu)[30]，因此，有必要考慮燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率與電/熱效率的非線性關(guān)系，構(gòu)建NLP模型[31-32]。此外，僅采用典型日的冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)，其所得設(shè)計(jì)方案也往往不可行或非最優(yōu)[22]。

綜上，CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化仍存在一些問(wèn)題沒(méi)有解決。首先，現(xiàn)有研究通常忽略系統(tǒng)配置和運(yùn)行策略的相互影響，對(duì)CCHP系統(tǒng)的集成優(yōu)化研究較少；其次，很少有研究在集成優(yōu)化中考慮CCHP系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)態(tài)電/熱效率；第三，為了降低求解難度，多數(shù)研究采用24 h或96 h負(fù)荷特性數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，然而，基于全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，才能得到更合理可靠的設(shè)計(jì)方案。鑒于此，本文在考慮燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)電/熱效率基礎(chǔ)上，結(jié)合全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，構(gòu)建了CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行集成優(yōu)化模型，并系統(tǒng)比較了FEL、FTL和FHL三類(lèi)運(yùn)行策略。

1 系統(tǒng)原理

典型CCHP系統(tǒng)主要由發(fā)電單元、余熱回收設(shè)備、余熱鍋爐、補(bǔ)燃鍋爐、吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)等設(shè)備組成[2]?；诘湫徒Y(jié)構(gòu)，本文采用燃?xì)廨啓C(jī)作為發(fā)電單元，在已有結(jié)構(gòu)上作了一些改進(jìn)。

如圖1所示，系統(tǒng)以天然氣為主要能源，天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔獠?dòng)透平膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。透平排出的煙氣可被余熱回收設(shè)備回收利用，用于驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)和余熱鍋爐產(chǎn)生冷氣和熱水。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)電量不足以滿足系統(tǒng)電需求時(shí)，將采取從電網(wǎng)買(mǎi)電的方式補(bǔ)充；當(dāng)系統(tǒng)制冷量和供熱量不足時(shí)，通過(guò)電制冷機(jī)和補(bǔ)燃鍋爐補(bǔ)充。值得注意的是，補(bǔ)燃鍋爐產(chǎn)生的熱量分為直供熱水和煙氣余熱兩部分。通過(guò)耦合上述多種能源設(shè)備，可有效保證系統(tǒng)冷熱電供給的可靠性，并提升系統(tǒng)供能的靈活性。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CCHP system

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮了CCHP系統(tǒng)的運(yùn)行成本和設(shè)備投資折舊成本，提出以系統(tǒng)年度總成本(annual total cost，ATC)最小化為優(yōu)化目標(biāo)，其具體表達(dá)如式(1)~式(4)所示：

式中，Cinv為年度設(shè)備投資折舊成本；Cop為年度運(yùn)行成本，包括天然氣燃料購(gòu)買(mǎi)和從電網(wǎng)買(mǎi)電的成本；Ecapi為第i種設(shè)備的額定容量，kW；Pi為第i種設(shè)備的單位容量?jī)r(jià)格，CNY/kW；R為設(shè)備的投資回收系數(shù)，與設(shè)備壽命(n)及利率(r)相關(guān)；Pgas和Pe分別為買(mǎi)氣價(jià)格和買(mǎi)電價(jià)格，CNY/kWh；Ftboiler和Ftgt分別為鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)t時(shí)刻消耗的燃料量，kW；Δt為運(yùn)行調(diào)度的單位時(shí)間，h。

2.2 約束條件

2.2.1 設(shè)備特性方程 燃?xì)廨啓C(jī)是CCHP系統(tǒng)常用的供電設(shè)備，其發(fā)電功率、余熱量及額定容量之間的關(guān)系表達(dá)式如式(5)~式(7)所示：

式中，Egt和Qgt分別為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率和余熱量，kW；Fgt為燃?xì)廨啓C(jī)所消耗的燃料量，kW；ηe和ηh分別為燃?xì)廨啓C(jī)的電效率和熱效率，fgt為燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷率；Ecapgt為燃?xì)廨啓C(jī)的額定容量，kW。

CCHP系統(tǒng)的供熱設(shè)備包括補(bǔ)燃鍋爐和余熱鍋爐，兩種設(shè)備的制熱功率可根據(jù)式(8)~式(10)計(jì)算：

式中，Qhrsg,out和Qboiler分別為余熱鍋爐和補(bǔ)燃鍋爐的制熱功率，kW；Qboiler_gas為補(bǔ)燃鍋爐中煙氣回收熱量，kW；ηhrsg和ηboiler分別為余熱鍋爐和補(bǔ)燃鍋爐的制熱效率；ηboiler_gas為補(bǔ)燃鍋爐中煙氣熱量回收效率；Qhrsg,in為余熱鍋爐產(chǎn)熱所需輸入熱量，kW；Fboiler為補(bǔ)燃鍋爐消耗的燃料量，kW。

CCHP系統(tǒng)采用吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)進(jìn)行混合制冷。兩種設(shè)備的制冷功率分別由式(11)和式(12)表示：

式中，Qabc,out和Qec分別為兩種設(shè)備的制冷功率，kW；COPabc和COPec分別為兩種設(shè)備的制冷效率；Qabc,in和Eec分別為制冷所需輸入的熱量和電量，kW。

2.2.2 能量平衡方程 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，首先要滿足電力、供熱及制冷的能量需求平衡。根據(jù)系統(tǒng)的能流圖，不同能源需求的平衡表達(dá)式如式(13)~式(16)所示：

系統(tǒng)運(yùn)行策略的差異通過(guò)設(shè)定不同的能量平衡約束來(lái)體現(xiàn)。在FEL策略中，系統(tǒng)供電需求完全由燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)滿足，電網(wǎng)不參與系統(tǒng)運(yùn)行，所以該策略下電網(wǎng)供電功率Etgrid為0。在FTL策略中，系統(tǒng)冷、熱需求完全由燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)滿足，不需要電制冷機(jī)與補(bǔ)燃鍋爐輔助供能，所以該策略下兩種設(shè)備的功率和均為0。

2.2.3 設(shè)備容量約束 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的運(yùn)行功率應(yīng)滿足額定容量限制。各設(shè)備應(yīng)滿足的容量約束表達(dá)式如式(17)~式(21)所示：

2.3 效率特性

在不同負(fù)荷率下，燃?xì)廨啓C(jī)的電/熱效率差異顯著。燃?xì)廨啓C(jī)效率特性的準(zhǔn)確與否是影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略合理性的關(guān)鍵要素。本文采用如式(22)和式(23)所示的多項(xiàng)式模型，來(lái)描述燃?xì)廨啓C(jī)電/熱效率與負(fù)荷率的關(guān)系：

式中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2分別為描述燃?xì)廨啓C(jī)電/熱效率特性的相關(guān)系數(shù)，其具體數(shù)值如表1所示[33]。

基于上述多項(xiàng)式模型，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷特性曲線如圖2所示。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷率小于0.8時(shí)，電效率隨負(fù)荷率的增加而增加，當(dāng)負(fù)荷率大于0.8時(shí)，電效率隨負(fù)荷率的增加略有下降；燃?xì)廨啓C(jī)熱效率隨負(fù)荷率的增加持續(xù)下降。由于負(fù)荷率較低時(shí)，燃料燃燒產(chǎn)生的能量中，可供發(fā)電的能量比例較低，大部分能量作為余熱被回收，此時(shí)，機(jī)組熱效率最高，電效率最低；隨著負(fù)荷率增加，機(jī)組發(fā)電量增加，余熱量降低，熱效率隨之降低，電效率隨之升高，所以，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法同時(shí)達(dá)到最高電效率和最高熱效率。通過(guò)式(1)~式(23)，可構(gòu)建基于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)電/熱效率的NLP模型，用以求解CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行集成優(yōu)化問(wèn)題。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷特性曲線Fig.2 Load characteristic curves of gas turbine

3 案例描述

為了驗(yàn)證所提CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行集成優(yōu)化模型，本文運(yùn)用北京地區(qū)典型小型辦公樓建筑的用能案例，通過(guò)DeST軟件進(jìn)行了整年逐時(shí)負(fù)荷模擬，生成8760 h的冷、熱、電負(fù)荷分布如圖3所示。本案例中冷、熱負(fù)荷分布存在顯著季節(jié)性差異，而電力負(fù)荷在全年范圍內(nèi)差異性較小。本案例中天然氣和買(mǎi)電價(jià)格如表2所示。表3給出了系統(tǒng)主要設(shè)備的運(yùn)行效率和單位投資成本，其中，補(bǔ)燃鍋爐的效率分為直供熱水和煙氣余熱兩部分，其中通過(guò)直供熱水輸出的熱量占總輸入能量的80%，通過(guò)鍋爐高溫?zé)煔廨敵龅臒崃空伎傒斎肽芰康?%；其他設(shè)備效率數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[12]；設(shè)備投資成本來(lái)源于廠家數(shù)據(jù)。各設(shè)備使用壽命統(tǒng)一假設(shè)為10年，年利率為5%，系統(tǒng)單位調(diào)度時(shí)間為1 h。

表2 天然氣及買(mǎi)電價(jià)格Table 2 Unit prices of natural gas and electricity from grid

表3 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)Table 3 Main equipment parameters of the system

圖3 全年逐時(shí)負(fù)荷分布Fig.3 Hourly load profile of one year

為了比較計(jì)及燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)效率與固定效率的系統(tǒng)在集成優(yōu)化結(jié)果方面的差異，采用式(1)~式(21)，構(gòu)建了基于固定效率的LP模型。如表4所示，LP1~LP5模型所選用的電/熱效率值，分別為圖2燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷特性曲線中不同負(fù)荷率下(0.2，0.4，0.6，0.8和1.0)的效率值。

表4 不同模型電/熱效率參數(shù)值Table 4 Parameter values of electrical/thermal efficiency for different models

此外，針對(duì)基于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)效率的NLP模型，考慮全年8760 h和典型日96 h兩類(lèi)不同負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，比較其優(yōu)化結(jié)果之間的差異。其中，96 h負(fù)荷數(shù)據(jù)涵蓋春夏秋冬四個(gè)季節(jié)各24 h的典型負(fù)荷數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)是將相同季度下每天同一時(shí)刻的負(fù)荷數(shù)據(jù)平均所獲得。所有LP和NLP模型過(guò)程均在Python-Pyomo平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用BARON優(yōu)化算法進(jìn)行求解[34]。

4 結(jié)果討論與分析

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果分析

基于NLP模型，對(duì)FEL、FTL和FHL三種策略下，CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行集成優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較分析。FEL、FTL和FHL策略下系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備容量配置及年度總成本結(jié)果分別在圖4(a)和圖4(b)中給出。如圖4(a)所示，在FEL策略中，根據(jù)電負(fù)荷需求，燃?xì)廨啓C(jī)容量為整年時(shí)段內(nèi)電力峰值負(fù)荷；在FTL策略中，根據(jù)冷熱負(fù)荷需求，余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)容量為整年時(shí)段內(nèi)熱、冷峰值負(fù)荷；在FHL策略中，系統(tǒng)運(yùn)行采用復(fù)合供能方式，燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)和余熱鍋爐的配置容量降低，輔助設(shè)備容量略有升高，由于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的能量轉(zhuǎn)化效率、單位投資成本、能量來(lái)源不盡相同，當(dāng)主要設(shè)備的配置容量降低，不一定需要等容量的輔助設(shè)備代替，所以主要設(shè)備和輔助設(shè)備容量的變化幅度不一致。如圖4(b)所示，F(xiàn)EL、FTL和FHL策略下年度總成本分別為256.2萬(wàn)元、242.7萬(wàn)元和213.2萬(wàn)元，F(xiàn)HL策略下的年度總成本分別較FEL和FTL策略降低12.1%和16.8%。綜上可得，由于FHL策略在滿足電、冷和熱負(fù)荷需求時(shí)，采用復(fù)合供能方式，大幅降低了系統(tǒng)的投資成本和燃料成本，因此，F(xiàn)HL策略的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)于FEL和FTL兩種策略。

圖4 三種不同運(yùn)行策略優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results based on three different strategies

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略分析

系統(tǒng)運(yùn)行策略反映了各設(shè)備的出力情況及設(shè)備間的能流流向，是進(jìn)一步了解系統(tǒng)供能特性與負(fù)荷需求關(guān)系的重要手段?；贜LP模型優(yōu)化結(jié)果，圖5統(tǒng)計(jì)了FEL、FTL和FHL策略下系統(tǒng)各設(shè)備每月的總出力情況。

如圖5所示，在FEL策略下，用戶電力負(fù)荷需求由燃?xì)廨啓C(jī)全部承擔(dān)，在冷熱負(fù)荷需求較高的時(shí)刻，燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱可以充分回收，冷熱需求不滿足的部分由補(bǔ)燃鍋爐和電制冷機(jī)補(bǔ)充，混合制熱主要發(fā)生在11月到次年3月，其中補(bǔ)燃鍋爐占系統(tǒng)總供熱的比例為0~40.4%；混合制冷發(fā)生在6月到8月，電制冷機(jī)的供冷比例最高為25.2%。在FTL策略下，由于系統(tǒng)缺少必要的輔助設(shè)備，系統(tǒng)冷熱負(fù)荷均由余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)滿足，燃?xì)廨啓C(jī)供電不足的部分通過(guò)向電網(wǎng)買(mǎi)電補(bǔ)充，電網(wǎng)供電比例在2.9%~55.4%之間，能源損失主要集中在燃?xì)廨啓C(jī)部分，即燃?xì)廨啓C(jī)部分發(fā)電量未被利用而浪費(fèi)。相比于FEL和FTL，F(xiàn)HL策略下的系統(tǒng)運(yùn)行更為靈活，其中，燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)的供能比例范圍分別為31.8%~55%、42.7%~51.6%和33.1%~69.1%，該策略下主要設(shè)備參與供能的比例較高，設(shè)備使用率較高，輔助設(shè)備存在使得系統(tǒng)負(fù)荷匹配情況更加良好，并有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行和操作的靈活性。從圖5(a)、(b)中可以看出，由于FEL和FTL策略運(yùn)行模式單一，部分輔助設(shè)備不參與運(yùn)行，某些月份下系統(tǒng)設(shè)備的能量輸出高于用戶負(fù)荷需求的工況，產(chǎn)生多余的能量。

圖5 不同策略設(shè)備出力情況Fig.5 Comparison of equipment output power under different operation strategies

4.3 燃?xì)廨啓C(jī)效率對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響分析

4.3.1 不同固定電/熱效率下優(yōu)化結(jié)果比較 燃?xì)廨啓C(jī)的電/熱效率是影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的關(guān)鍵因素。基于LP1~LP5模型，比較分析了燃?xì)廨啓C(jī)固定電/熱效率對(duì)CCHP系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行結(jié)果的影響。從LP1到LP5模型，燃?xì)廨啓C(jī)電效率呈整體上升趨勢(shì)，熱效率呈整體下降趨勢(shì)。

如圖6所示，針對(duì)5個(gè)LP模型，F(xiàn)EL、FTL和FHL三種運(yùn)行策略所對(duì)應(yīng)的年度總成本最小值分別為256.2萬(wàn)元、268.2萬(wàn)元和224.7萬(wàn)元。其中，F(xiàn)EL策略下的年度總成本對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率變化的敏感性較強(qiáng)，年度總成本隨電效率的增加而降低了38.2%。這是由于該策略下系統(tǒng)運(yùn)行以燃?xì)廨啓C(jī)為核心，提高運(yùn)行效率能夠有效提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。FTL策略下，隨著燃?xì)廨啓C(jī)熱效率逐漸降低，系統(tǒng)年度總成本增加8.1%。該策略下為了提供足夠的余熱量，必須提高燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)容量，所以投資成本和燃料成本隨熱效率減少而不斷增加。FHL策略下的優(yōu)化結(jié)果表明，隨著燃?xì)廨啓C(jī)電效率的提升，系統(tǒng)投資成本幾乎不變，年度總成本僅降低了4.7%，燃?xì)廨啓C(jī)的效率對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益影響不明顯。這是由于在該策略下，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的電、熱效率明顯變化導(dǎo)致某種能源供應(yīng)不足時(shí)，可以通過(guò)合理的調(diào)度運(yùn)行其他輔助設(shè)備來(lái)及時(shí)填補(bǔ)相應(yīng)的能源缺口，無(wú)須大幅增加燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)容量，使得系統(tǒng)的整體成本穩(wěn)定可控。綜上，相比FEL和FTL策略，F(xiàn)HL策略下系統(tǒng)總成本受燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響相對(duì)較小?？梢灶A(yù)見(jiàn)，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中因故障造成電/熱效率波動(dòng)時(shí)，F(xiàn)HL策略仍能夠保障CCHP系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，滿足系統(tǒng)的冷熱電負(fù)荷需求。

圖6 不同固定電/熱效率下優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results under different fixed electrical/thermal efficiencies

4.3.2 固定和動(dòng)態(tài)電/熱效率下優(yōu)化結(jié)果比較 基于96 h典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)的NLP模型，得到CCHP系統(tǒng)最優(yōu)容量配置結(jié)果，之后綜合考慮8760 h冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)和燃?xì)廨啓C(jī)特性數(shù)據(jù)，采用FEL、FTL和FHL三種策略實(shí)施運(yùn)行分析。結(jié)果表明，基于典型日的最優(yōu)配置結(jié)果，三種策略均找不到可行解，這是由于96 h典型日負(fù)荷采用整年平均數(shù)據(jù)，導(dǎo)致優(yōu)化得到的設(shè)備額定容量偏小，在全年8760 h實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法滿足能量約束。

此外，基于相同處理方式，比較了固定電/熱效率和動(dòng)態(tài)電/熱效率下CCHP系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的差異。從表5中可以看出，F(xiàn)EL策略下的LP1~LP3、LP5，和FHL策略下的LP5模型均沒(méi)有找到可行解。在FEL、FTL和FHL策略下，基于LP1~LP5模型得到的年度總成本的最低值分別為355.1萬(wàn)元、456.8萬(wàn)元和278.5萬(wàn)元，相比NLP模型分別高出38.6%、88.2%、30.6%。從中可得，燃?xì)廨啓C(jī)電/熱效率以及負(fù)荷數(shù)據(jù)的選取對(duì)CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略的合理性、經(jīng)濟(jì)性有較大影響，基于LP模型和典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)獲得的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際運(yùn)行條件下不可行或非最優(yōu)。因此，考慮燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)電/熱效率，并結(jié)合全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，構(gòu)建CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行集成優(yōu)化模型，才有望獲得合理可行的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

表5 不同方案下系統(tǒng)年度總成本優(yōu)化結(jié)果Table 5 Optimization results of the ATC of the system under different cases

5 結(jié) 論

本文考慮了CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行策略的相互耦合作用，構(gòu)建了CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行集成優(yōu)化模型。本模型考慮了燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)電/熱效率，結(jié)合全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，研究了不同運(yùn)行策略下系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行策略，得到如下結(jié)論。

（1）基于燃?xì)廨啓C(jī)固定電/熱效率和96 h典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)獲得的CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際運(yùn)行條件下往往不可行或非最優(yōu)，表明為了獲得合理的CCHP系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，需要考慮燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)電/熱效率和全年冷熱電負(fù)荷特性。

（2）無(wú)論采用固定電/熱效率或動(dòng)態(tài)電/熱效率，相比FEL、FTL運(yùn)行策略，F(xiàn)HL運(yùn)行策略下的CCHP系統(tǒng)年度總成本最低，關(guān)鍵設(shè)備的供能比例范圍較大，系統(tǒng)靈活性更好。

綜上，F(xiàn)HL策略、動(dòng)態(tài)電/熱效率和全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)對(duì)CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行集成優(yōu)化至關(guān)重要。由于FHL策略包含了FEL和FTL兩種特殊運(yùn)行方式，是一種具有普適性、可優(yōu)化的運(yùn)行策略；動(dòng)態(tài)電/熱效率和全年負(fù)荷特性數(shù)據(jù)更符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特性和場(chǎng)景，所以本文結(jié)論在應(yīng)用于不同負(fù)荷特性的場(chǎng)景時(shí)，具有原理上的普適性。

本文研究的不足之處在于，文中所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且僅考慮了發(fā)電單元的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)?；诒疚哪Ｐ停乱徊焦ぷ鲗⒕C合考慮設(shè)備啟停、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性以及余熱利用設(shè)備負(fù)荷特性等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化分析的同時(shí)考慮環(huán)境、能耗等因素，結(jié)合多目標(biāo)對(duì)CCHP系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。

符號(hào)說(shuō)明

ATC——年度總成本，CNY

a,b,c,d——多項(xiàng)式方程系數(shù)

C——成本，CNY

CCHP——冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

COP——能效系數(shù)

F——燃?xì)庀牧?kW

FEL——以電定熱策略

FHL——混合熱電策略

FTL——以熱定電策略

L——負(fù)荷需求，kW

n——設(shè)備壽命，a

P——價(jià)格，CNY

Q——熱量，kW

R——投資回收系數(shù)

r——利率

T——調(diào)度時(shí)間，h

η——效率

上角標(biāo)

cap——額定容量

t——時(shí)間

下角標(biāo)

C——冷負(fù)荷需求

abc——吸收式制冷機(jī)

boiler——補(bǔ)燃鍋爐

boiler_gas——補(bǔ)燃鍋爐煙氣

E——電負(fù)荷需求

e——電力

ec——電制冷機(jī)

gas——天然氣

grid——電網(wǎng)

gt——燃?xì)廨啓C(jī)

H——熱負(fù)荷需求

h——余熱回收

hrsg——余熱鍋爐

i——設(shè)備類(lèi)型

in——入口

inv——投資成本

op——運(yùn)行成本

out——出口