潘廣旭，宮池玉，胡 軍，林國華，金新凱

（1.國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276800；2.國網(wǎng)山東省電力公司五蓮縣供電公司，山東 日照 276800；3.日照市光明電力服務有限責任公司，山東 日照 276800）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，各個領(lǐng)域的能源需求都在增加，環(huán)境問題日益嚴重。在這種形勢下，可再生能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)因其節(jié)能、環(huán)保、高效的特點，可以同時滿足電能、冷能和熱能的需求，成為節(jié)能減排和提高能源利用率的有效途徑之一。

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的能源利用率低、用戶能量品質(zhì)需求與供應之間不匹配、不均衡問題顯著，冷熱電聯(lián)供技術(shù)是解決該問題的重要途徑。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設計一直是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究的熱點問題。文獻［1］設計了一種基于可再生能源和非可再生能源的冷熱電聯(lián)供（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)模型；文獻［2］針對微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)提出了一種兩階段優(yōu)化設計方案；文獻［3］利用經(jīng)濟學方法分析了雙燃料冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學性能和成本分配；文獻［4］建立了生物質(zhì)與地熱能耦合的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的分析和成本分析數(shù)學模型；文獻［5］采用免疫粒子群算法自動對優(yōu)化目標賦予權(quán)重并進行優(yōu)化求解，實現(xiàn)多目標的協(xié)調(diào)優(yōu)化；文獻［6］采用遺傳算法對系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的能源節(jié)約率；文獻［7］采用粒子群算法對含有太陽能的聯(lián)供系統(tǒng)進行優(yōu)化配置；文獻［8］在系統(tǒng)經(jīng)濟性模型中考慮了碳交易問題，并運用布谷鳥搜索算法進行求解；文獻［9］對比新能源驅(qū)動的CCHP與天然氣驅(qū)動的CCHP 系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明前者具有更好的運行性能。但是以上針對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式，多采用單一的“以電定熱”模式，導致過渡季能源的浪費；并且以上聯(lián)供系統(tǒng)的評價指標主要集中在能源減排、二氧化碳減排和成本節(jié)約方面等，優(yōu)化目標不夠全面。

綜合考慮用戶行為規(guī)律，采用冬季、夏季“以電定熱”，過渡季“以熱定電”的運行模式，減少了過渡季能源的損耗；同時，在考慮熱能利用的基礎(chǔ)上，將效率提高率作為分析能量轉(zhuǎn)換率指標，更全面分析了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能。

1 問題描述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)中，內(nèi)燃機為主要的發(fā)電設備，太陽能光伏電池為輔助的發(fā)電設備為用戶提供電能。內(nèi)燃機的缸套水和煙氣余熱為用戶提供所需的熱能。燃燒天然氣的鍋爐和電網(wǎng)分別作為熱能和電能的備用能源。電制冷機和吸收式制冷機聯(lián)合為用戶提供所需的冷量。

圖1 RES-CCHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量流

傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)配置如圖2 所示。該系統(tǒng)中，用戶從電網(wǎng)獲取所需電負荷，并從電制冷機中獲取所需冷量，天然氣鍋爐作為熱能的能量來源。

圖2 分供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量流

1.2 系統(tǒng)數(shù)學模型

內(nèi)燃發(fā)電機組是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的重要設備，只有對內(nèi)燃發(fā)電機組進行全工況的分析，并建立合適的模型，才能掌握系統(tǒng)的實際運行特性［10］。主要考慮內(nèi)燃機的整體發(fā)電效率和能量消耗，以小型內(nèi)燃機組標準特性參數(shù)為依據(jù)建立內(nèi)燃發(fā)電機組變工況特性的全工況建模［11］并得到其擬合曲線公式。

內(nèi)燃機在不同負載率下的發(fā)電效率和熱系數(shù)如式（1）所示。

式中：r(t)為t時刻的負載率；ηig為內(nèi)燃機發(fā)電效率；fe(t)為t時刻煙氣熱系數(shù)；fj(t)為t時刻缸套水熱系數(shù)。

要想研究系統(tǒng)的能量特性，就需要分析系統(tǒng)的能量流動關(guān)系［12］。內(nèi)燃發(fā)電機的輸出電功率和輸入功率關(guān)系如式（2）所示。

式中：Eice(t)為t時刻內(nèi)燃機輸出電功率；Gice(t)為t時刻內(nèi)燃機輸入功率。

內(nèi)燃發(fā)電機輸出余熱功率與輸入功率關(guān)系如式（3）所示。

式中：Hre(t)為t時刻內(nèi)燃機輸出余熱功率；ηjw為缸套水換熱器效率；ηexh為煙氣換熱器效率。

忽略溫度的影響，太陽能光伏電池輸出功率和輸入光照強度關(guān)系為

式中：Epv(t)為t時刻太陽能電池輸出功率；Wsolar(t)為t時刻輸入光照強度；ηpv為太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率；Npv為太陽能光伏電池數(shù)量；Spv為單個太陽能光伏電池占地面積。

溴化鋰吸收式制冷機輸出功率和輸入熱能關(guān)系如式（5）所示。

式中：Cac(t)為t時刻溴化鋰吸收式制冷機輸出冷量；Hac(t)為t時刻溴化鋰吸收式制冷機輸入熱量；ηCOP，ac為溴化鋰吸收式制冷機的制冷系數(shù)。

電制冷機的輸出功率和輸入電能關(guān)系為

式中：Cec(t)為t時刻電制冷機輸出冷量；Eec(t)為t時刻電制冷機輸入電量；ηCOP，ec為電制冷機的制冷系數(shù)。

燃氣鍋爐的輸出功率和輸入熱功率關(guān)系為

式中：Hboil(t)為t時刻燃氣鍋爐輸出熱功率；Gboil(t)為t時刻天然氣燃燒輸入熱功率；ηb為燃氣鍋爐的熱效率。

2 RES-CCHP系統(tǒng)優(yōu)化目標函數(shù)

在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，從經(jīng)濟性、節(jié)能性、減排性以及?效率等4 個方面，提出4 個不同的目標函數(shù)。所有目標函數(shù)的定義均以傳統(tǒng)分供系統(tǒng)為對照，其中分供系統(tǒng)中包含鍋爐、電制冷機和電網(wǎng)。為每一個目標函數(shù)賦予不同的權(quán)重，最后再將4 個目標函數(shù)優(yōu)化的結(jié)果通過權(quán)重系數(shù)變換法整合在一起，即有：

式中：IAOC，year為聯(lián)供系統(tǒng)運行成本年節(jié)約率；IPE，year為聯(lián)供系統(tǒng)一次能源節(jié)約率；ICRE，year為聯(lián)供系統(tǒng)二氧化碳減排率；INEX，year為聯(lián)供系統(tǒng)?效率提高率；ω1，ω2，ω3，ω4為獨立目標函數(shù)權(quán)重。權(quán)重系數(shù)代表著各目標在優(yōu)化求解中所占的權(quán)重，各目標權(quán)重系數(shù)的取值對優(yōu)化運行的結(jié)果有重要影響。RES-CCHP系統(tǒng)的環(huán)保、節(jié)能潛力更應該被關(guān)注，系統(tǒng)投資成本偏高等經(jīng)濟問題可通過產(chǎn)業(yè)規(guī)?；仁袌鍪侄谓鉀Q，故將ω1和ω3設置為較低的0.2，將ω2和ω4設置為較高的0.3。

2.1 聯(lián)供系統(tǒng)年運行成本節(jié)約率

第1個目標函數(shù)是年運行成本節(jié)約率，定義為：

式中：CCCHP，year為聯(lián)供系統(tǒng)年運行成本；CSP，year為參考分供系統(tǒng)年運行成本；為聯(lián)供系統(tǒng)的設備購買和運行維護成本；為聯(lián)供系統(tǒng)電網(wǎng)交互成本；為聯(lián)供系統(tǒng)天然氣燃料成本；T為時間間隔，取1h；R為系統(tǒng)投資回報系數(shù)；為系統(tǒng)主要設備投資成本；σ為系統(tǒng)運行和維護費用系數(shù)；Pgb(t)為時刻t電費價格；(t)為時刻t系統(tǒng)向電網(wǎng)購電功率；Pgs(t)為時刻t售電價格；為時刻t系統(tǒng)向電網(wǎng)售電功率；μgas為天然氣價格；為內(nèi)燃機輸入功率；（t）為t時刻的燃氣鍋爐輸入功率；為分供系統(tǒng)的設備購買和運行維護成本；為分供系統(tǒng)主要設備投資成本；為分供系統(tǒng)電網(wǎng)交互成本；(t)為時刻t分供系統(tǒng)向電網(wǎng)購電功率；為分供系統(tǒng)天然氣燃料成本；(t)為分供系統(tǒng)燃氣鍋爐輸入功率。

2.2 聯(lián)供系統(tǒng)一次能源節(jié)約率

第2 個目標函數(shù)用來評估冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相較于參照分供系統(tǒng)的能源消耗，如式（14）所示。

式中：FSP，year為參考分供系統(tǒng)年一次能源消耗量；FCCHP，year為聯(lián)供系統(tǒng)年一次能源消耗量；為聯(lián)供系統(tǒng)消耗的一次能源；為電網(wǎng)系統(tǒng)消耗的一次能源；v為標準煤折算系數(shù)，本文取8.13 kWh/kg［13］；ηtp為電廠的發(fā)電效率；ηgrid為電網(wǎng)傳輸效率；為分供系統(tǒng)鍋爐的運行過程中要消耗的一次能源；為分供系統(tǒng)電網(wǎng)運行過程消耗的煤。

2.3 聯(lián)供系統(tǒng)二氧化碳減排率

第3個目標函數(shù)是二氧化碳減排率，定義為：

式中：VSP，year為參照系統(tǒng)的二氧化碳排放量；VCCHP，year為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)二氧化碳排放量；μc為電網(wǎng)燃煤的二氧化碳排放系數(shù)；μn為天然氣的二氧化碳排放系數(shù)。

2.4 聯(lián)供系統(tǒng)?效率提高率

第4 個目標函數(shù)是聯(lián)供系統(tǒng)?效率提高率的優(yōu)化。該目標函數(shù)從熱經(jīng)濟角度比較冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和參考系統(tǒng)，?效率提高率定義為：

聯(lián)供系統(tǒng)的?流結(jié)構(gòu)如圖3所示。聯(lián)供系統(tǒng)輸入的?主要由天然氣燃料、太陽能、電廠消耗的煤、鍋爐內(nèi)燃機燃燒所需的空氣、制冷機制冷需要的水和燃氣內(nèi)燃機的缸套水的?組成；聯(lián)供系統(tǒng)輸出的?主要由建筑物電負荷、生活熱水、冷水的?組成。分供系統(tǒng)的?流結(jié)構(gòu)如圖4所示。與聯(lián)供系統(tǒng)相比，分供系統(tǒng)沒有輸入太陽能的?和燃氣內(nèi)燃機缸套水的?。

圖3 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的?流結(jié)構(gòu)

圖4 分供系統(tǒng)的?流結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)優(yōu)化求解

在選擇優(yōu)化配置變量的過程中，應選擇受其他設備影響較小的和相對獨立的設備容量作為優(yōu)化配置這部分的優(yōu)化變量［14］。選取燃氣內(nèi)燃機容量Npgu，燃氣內(nèi)燃機最低負載率a，光伏電池組數(shù)量Npv和吸收式制冷機和燃氣內(nèi)燃機容量比s為優(yōu)化變量。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)配置

為充分發(fā)揮系統(tǒng)能效，聯(lián)供系統(tǒng)主要的設備參數(shù)如表1所示［15］。

表1 系統(tǒng)主要設備參數(shù)

聯(lián)供系統(tǒng)主要的經(jīng)濟參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)主要經(jīng)濟參數(shù)

聯(lián)供系統(tǒng)主要環(huán)境參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)主要環(huán)境參數(shù)

系統(tǒng)在不同時段向電網(wǎng)售電價格和從電網(wǎng)購電價格如表4所示。

表4 系統(tǒng)售電及購電價格

通過分析典型場景下的用戶用能行為，得到用戶全年用能規(guī)律。經(jīng)過用戶用能分析后，調(diào)整的建筑物全年冷熱電負荷數(shù)據(jù)如圖5 所示。建筑物全年電負荷分布較為平均，冷熱負荷分布具有明顯的季節(jié)性。其中，冷負荷主要集中在夏季，熱負荷主要集中在冬季。

圖5 用能行為分析后建筑物全年負荷

3.2 遺傳算法

優(yōu)化配置采用遺傳算法對該系統(tǒng)中的設備容量和關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化。遺傳算法已成為求解最優(yōu)化問題的一種重要解決方法，是現(xiàn)代智能計算領(lǐng)域廣泛采用的關(guān)鍵技術(shù)之一［16］。遺傳算法的相關(guān)參數(shù)如表5所示。遺傳算法流程如圖6所示。

表5 遺傳算法相關(guān)參數(shù)

圖6 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的遺傳算法流程

表6給出了4個優(yōu)化變量的取值范圍。

表6 遺傳算法優(yōu)化變量

3.3 求解結(jié)果

聯(lián)供系統(tǒng)的主要設備容量優(yōu)化結(jié)果如表7所示。

表7 聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設備容量

將聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)進行對比，得到聯(lián)供系統(tǒng)的各評價指標如表8所示。

表8 聯(lián)供系統(tǒng)各評價指標 單位：%

從上述數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化設計后的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的年一次能源節(jié)約率為19.5%，年二氧化碳減排率為42.1%，聯(lián)供系統(tǒng)在環(huán)境、能源方面具有巨大優(yōu)勢。聯(lián)供系統(tǒng)熱力學指標為2.1%，相比于傳統(tǒng)的分供系統(tǒng)也有提高，說明該系統(tǒng)在熱能的利用方面具有優(yōu)勢。但由于聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，且前期系統(tǒng)設備的購買費用較高，投資較大，因此經(jīng)濟性能欠佳。

3.4 仿真驗證

為了進一步驗證優(yōu)化系統(tǒng)的可行性。圖7 和圖8 分別給出了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以月為單位的全年供電和供熱情況。建筑物自身電負荷和電制冷機輸入電功率組成了電負荷需求；建筑物自身熱負荷和吸收式制冷機輸入熱功率組成了熱負荷需求。

圖7 聯(lián)供系統(tǒng)全年電負荷供求關(guān)系

由圖7 可知，聯(lián)供系統(tǒng)的電負荷供應量始終多于建筑物的電負荷需求量；由圖8 可知，聯(lián)供系統(tǒng)的熱負荷供應量始終多于建筑物的熱負荷需求量。因此，系統(tǒng)可以滿足建筑物的冷、熱、電負荷需求。

圖8 聯(lián)供系統(tǒng)全年熱負荷供求關(guān)系

為了進一步分析聯(lián)供系統(tǒng)各設備在不同時段的出力情況和聯(lián)供系統(tǒng)與電網(wǎng)的電能交互情況，分別選取夏季、冬季和過渡季的典型日（工作日和非工作日）進行聯(lián)供系統(tǒng)的負荷分析。

夏季系統(tǒng)工作在“以電定熱”模式，圖9—圖12為夏季典型日聯(lián)供系統(tǒng)負荷組成。

圖9 夏季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖10 夏季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖11 夏季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

圖12 夏季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

夜間電負荷需求較小且無太陽能，夜間負荷全部由電網(wǎng)供應。工作日白天電負荷需求較大，光伏輸出的電能無法滿足電負荷需求，內(nèi)燃發(fā)電機啟動為建筑物提供電能。

非工作日電負荷需求較低，光伏輸出的電能足以供應白天建筑物所需電負荷，內(nèi)燃發(fā)電機不啟動，太陽能板產(chǎn)生的多余電能向電網(wǎng)售出。

工作日白天內(nèi)燃機啟動后產(chǎn)生的余熱基本可以滿足建筑的熱負荷需求，系統(tǒng)多余的熱能以廢氣的形式排出。夜間因內(nèi)燃機不啟動，補燃鍋爐啟動提供所需熱負荷。

因電負荷較小內(nèi)燃發(fā)電機不啟動，由補燃鍋爐提供全天熱負荷。

冬季系統(tǒng)工作在“以電定熱”模式，圖13—圖16為冬季典型日聯(lián)供系統(tǒng)負荷組成。

圖13 冬季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖14 冬季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖15 冬季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

圖16 冬季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

夜間負荷全部由電網(wǎng)供應；冬季工作日白天電負荷需求較大，太陽能和內(nèi)燃發(fā)電機共同為建筑物提供電能。然而冬季日照時間較短，白天太陽能輸出功率較小，僅可為建筑物提供約8%的電能。

典型冬季非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成情況與典型夏季非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成類似。

典型冬季聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成情況與典型夏季工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成類似。

過渡季系統(tǒng)工作在“以熱定電”模式，圖17—圖20為過渡季典型日聯(lián)供系統(tǒng)負荷組成。

圖17 過渡季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖18 過渡季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成

圖19 過渡季典型工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

圖20 過渡季典型非工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成

夜間負荷組成與冬夏季無異；工作日白天電負荷需求較大，且遠超于內(nèi)燃發(fā)電機額定功率，較冬夏季，聯(lián)供系統(tǒng)在過渡季典型工作日從電網(wǎng)購買的電量明顯增大。

典型過渡季非工作日聯(lián)供系統(tǒng)電負荷組成，其組成情況與冬夏季非工作日大致相同。

系統(tǒng)優(yōu)先使用燃氣內(nèi)燃機余熱通過換熱器以生活用水等形式向建筑提供熱能，不足的部分由燃氣鍋爐補足，多余的熱量將以廢氣的形式排出。

典型過渡季非工作日聯(lián)供系統(tǒng)熱負荷組成，其組成情況與冬夏季基本相同。

4 結(jié)語

通過綜合考慮用戶行為規(guī)律，深度挖掘需求側(cè)負荷的節(jié)能潛力，提出了一種結(jié)合天然氣和太陽能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)配置，通過與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)相比較，基于經(jīng)濟、環(huán)境、能源、熱力學評價指標對該系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。經(jīng)驗證，與分供系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的CO2排放和一次能源的消耗顯著減少，系統(tǒng)?效率有所提高。根據(jù)聯(lián)供系統(tǒng)仿真結(jié)果按月分析電熱負荷供求關(guān)系，分析了冬夏和過渡季典型日電熱負荷組成，驗證該聯(lián)供系統(tǒng)的可行性。本文的設計優(yōu)化模型采用了“以電定熱”的傳統(tǒng)運行模式，運行經(jīng)濟性有待進一步提高，本研究將在下一步研究計劃中，將系統(tǒng)設計與運行優(yōu)化結(jié)合，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。