热电冷联产系统建模与优化研究48155.doc

1、热电冷联产系统建模与优化研究韦彬贵 （柳州职业技术学院 广西柳州 545006）中图分类号：TM611 文献标识码：B摘要：使用热电冷联产系统是降低能量消耗，提高能量综合利用率的有效方法。本文针对热电冷联产系统的工作原理进行的深入的研究，并对该系统的常用优化方法、策略进行了对比介绍，提出了实现热电冷联产系统技术最优运行模型。对热电冷联产系统中的脱机过程和联机过程的分别进行了优化研究，给出的优化的基本思路。最后对热电冷联产系统的优化过程进行了详细描述，通过对系统模型的主要参数、工作过程进行建模，并通过相互之间的约束关系分析，得到了模型的优化结果。关键词: 热冷电联产系统，建模，制冷，优化，参数

2、Research of modeling and optimized to the Combined Cooling Heating and Power SystemWeiBinGui（LiuZhou Vocational modelling, cooling; optimization, parameter1 前言随着经济的发展，人们对能源的消耗也越来越多，近年来，大量的研究表明能源的消耗与环境的恶化有着直接的联系。因为在日常使用的能源中，清洁能源只占很小的一部分，大部分的能源在制造和传输过程中都可能对环境带来污染。为了提高能源的利用率，降低对环境的破坏，同时也为了提高经济的效益，很多学者在

3、能源的循环利用、合理分配等方面开展了大量的研究。从目前的研究情况来分析，热电冷联产和电力网的一体化将会在未来的电力系统结构中占据重要地位。微型燃油汽轮机，光电发生器，燃料电池系统以及任何一种发电厂都可以做到热电冷联产。热电冷联产系统能够提高人们对能源的利用率，减少人们对能源的需求，从而实现对环境的保护。因此，对热电冷联产系统的工作原理开展研究，对热电冷联产系统的工作过程进行优化，提高热电冷联产系统的工作效率具有十分明显的现实意义。2 热电冷联产系统设计原理对 各 种 热 电 冷 联 产 系 统 的 能 量 监 控 方 法 有 很 多 ， 例 如 ， 在 只 进 行 热 电 联 产（ CHP）

4、的 小 型 发 电 设 备 中 ， 其 能 量 流 可 以 利 用 线 性 规 划 法 进 行 优 化 运 行 ， 该 线 性 规 划包 括 电 力 贮 能 元 件 ， 电 力 约 束 条 件 ， 热 能 约 束 条 件 。 而 对 于 热 电 冷 联 产 系 统 模 型 ， 则 可以 通 过 热 电 联 产 系 统 中 提 供 电 负 荷 的 电 输 出 ， 和 提 供 热 负 荷 的 热 输 出 来 实 现 该 模 型 在 数量 上 和 经 济 上 的 优 化 运 行 。 以 独 立 发 电 厂 的 形 式 运 作 的 工 业 电 力 系 统 ， 则 可 以 采 用 一 种基 于 供 需

5、关 系 的 混 合 整 数 线 性 规 划 的 动 态 搜 索 计 算 法 来 实 现 模 式 化 及 最 优 化 。 同 样 的 ，一 种 叫 做 哈 密 顿 量 的 算 法 可 以 用 于 优 化 燃 气 式 热 冷 电 联 产 系 统 ， 设 计 并 监 控 复 杂 的 系 统 。这 种 算 法 是 依 靠 的 是 对 动 态 系 统 的 研 究 。 结 果 证 明 ， 根 据 发 电 厂 和 发 电 设 备 投 资 的 目 标函 数 ， 可 以 对 热 电 冷 联 产 系 统 的 优 化 运 行 进 行 监 控 。 造 型 工 具 可 以 对 工 业 /商 业 设 备中 的 能 量 进

6、 行 管 理 。 对 于 采 用 燃 气 涡 轮 机 和 蒸 汽 涡 轮 机 的 热 电 冷 联 产 工 厂 ， 应 该 用 调 度工 具 辅 助 编 制 多 间 隔 可 移 动 负 荷 与 多 振 幅 负 荷 的 曲 线 。 一 个 基 于 最 优 化 编 程 技 术 的 多 目标 途 径 可 以 实 现 热 电 冷 联 产 系 统 在 发 射 约 束 下 的 经 济 运 行 。 为 了 缩 减 标 准 工 业 热 电 冷 联产 系 统 在 不 同 电 税 率 下 的 总 经 营 成 本 ， 一 个 通 用 的 多 期 非 线 性 柔 性 模 型 可 以 检 测 不 同 仪器 组 合 的 最

7、 佳 操 作 方 案 ， 当 然 ， 这 个 非 线 性 模 型 必 须 包 含 有 热 电 冷 联 产 设 备 的 各 种 型 号 。而 仪 器 的 组 合 主 要 包 括 ： 蒸 汽 涡 轮 机 ， 燃 气 涡 轮 机 ， 柴 油 发 电 机 ， 蒸 汽 锅 炉 ， 废 热 回 收锅 炉 ， 分 汽 缸 配 置 以 及 栅 极 接 线 等 设 备 。 这 个 模 型 利 用 的 是 牛 顿 算 法 。 遗 传 算 法 可 以用 于 研 究 一 个 优 化 运 行 策 略 ， 增 加 热 电 冷 联 供 发 电 厂 在 电 力 市 场 的 竞 争 力 。 也 可 以 利 用经 济 调 度 算

8、 法 来 解 决 电 热 联 产 系 统 中 经 济 调 度 问 题 。 该 算 法 以 序 列 二 次 规 划 法 和 拉 格 朗日 松 弛 算 法 逻 辑 学 为 基 础 ， 序 列 二 次 规 划 法 是 用 来 解 决 非 线 性 最 优 化 的 问 题 ， 而 拉 格 朗日 松 弛 算 法 在 过 去 常 用 于 计 算 热 电 联 产 系 统 的 最 佳 进 度 表 。 另 外 还 有 一 种 方 法 可 以 用 于热 电 冷 联 产 系 统 的 优 化 运 行 ， 这 种 方 法 叫 做 粒 子 群 优 化 算 法 。 这 个 问 题 也 可 以 用 混 合 整数 非 线 性 优

9、 化 问 题 来 表 示 。 粒 子 群 优 化 算 法 可 以 很 容 易 的 深 化 用 于 解 决 混 合 整 数 非 线 性优 化 问 题 。 此 外 ， 也 可 优 化 工 业 设 施 ， 公 共 事 业 设 施 和 商 业 设 施 中 的 热 电 冷 联 产 系 统 中的 热 能 储 存 罐 。 电 力 系 统 中 最 佳 工 作 点 的 计 算 属 于 函 数 空 间 中 的 非 线 性 优 化 问 题 ， 即 使 在 小 规 模 的 电 力 系 统 中 ， 这 个 问 题 也 很 不 容 易 做 到 精 确 的 处 理 。 另 一 方 面 ， 电 力 市场 竞 争 的 出 现

10、使 得 具 有 暂 态 稳 定 约 束 特 点 的 理 想 电 力 潮 流 变 得 日 益 重 要 。 具 有 暂 态 稳 定约 束 特 点 的 理 想 电 力 潮 流 可 以 通 过 约 束 转 录 等 效 地 转 化 成 欧 氏 空 间 中 的 优 化 问 题 ， 这 个问 题 也 被 视 为 所 有 干 扰 的 初 值 问 题 ， 它 可 以 利 用 理 想 电 力 潮 流 中 的 任 何 一 种 标 准 的 非 线性 规 划 技 术 来 解 决 。 另 外 也 可 以 得 出 暂 态 稳 定 约 束 的 雅 克 比 矩 阵 ， 和 基 于 松 弛 格 式 的 两种 计 算 方 式 。

11、也 有 人 研 究 出 一 种 方 法 ， 用 于 制 定 配 电 系 统 中 分 布 式 电 源 及 其 供 电 可 靠 性的 优 化 运 行 策 略 。 在 判 断 分 布 式 电 源 是 否 应 该 用 于 调 节 高 峰 负 荷 或 者 作 为 备 用 电 源 时 ，就 需 要 利 用 供 电 可 靠 性 评 估 和 动 力 成 本 评 估 ， 采 取 这 种 方 法 ， 配 电 公 司 就 可 以 对 其 分 布式 电 源 制 定 优 化 运 行 策 略 。 对 于 拥 有 电 力 和 蒸 汽 管 网 的 大 型 工 业 中 心 的 多 个 工 厂 热 电 联产 系 统 ， 其 优

12、化 可 以 在 电 力 系 统 模 型 和 热 力 系 统 模 型 中 实 现 ， 该 电 力 系 统 模 型 中 要 包 括有 发 电 ， 送 电 ， 而 热 力 系 统 模 型 中 则 是 一 个 包 含 锅 炉 ， 涡 轮 机 ， 冷 凝 器 ， 泵 ， 储 存 罐 和网 内 联 络 系 统 等 设 施 的 独 立 发 电 厂 。 工 业 生 产 品 级 的 控 制 程 序 可 以 经 过 开 发 和 测 试 ， 用于 实 际 的 工 业 中 心 。 再 利 用 广 义 的 既 约 梯 度 法 可 以 用 来 解 决 较 激 烈 的 非 线 性 优 化 问 题 。数 学 模 型 的 目

13、标 是 在 满 足 发 电 厂 的 区 域 供 热 和 工 业 蒸 汽 消 耗 的 同 时 来 减 小 生 产 成 本 。 最优 化 编 程 是 又 一 个 模 拟 热 电 冷 联 产 系 统 中 日 常 优 化 操 作 进 度 的 方 法 。过去的研究中，只指出了对电力和热能流的优化，在一些研究中，采用电能储备装置来代替热能储存罐，而本文中则采用了一个用来满足冷负荷的吸收式冷冻机和一个蓄热水池。提出了实现热电冷联产系统技术最优运行模型(TOOCS) 。在本研究中使用的 TOOCS 模型，以蓄热水池代替储电单元，并且包含一个吸收式冷冻机，之所以采用这个模型，其重要性和原因在于：首先，由于系统中

14、已含有一个公用电网，所以无需储电；其次，由于储电单元比大多数的储热单元的费用要贵，所以对于大规模的系统而言，增加资金投入尚可实现，但是对于独立的系统，一定要极有实力才能扩大投资。3 热电冷联产系统设计过程中优化方法本系统规模较小，包含三种类型的能量流：电能，热能，冷却，并且假设本系统已经与电力网相连接，对于其管理策略，仅从生产者的角度予以考虑。使用者有两种：一种是可以购买本系统所产全部电力的电力网，另一种则是局部负荷，局部负荷常被认为是局部邻域，可以购买其所需要的电能，热能和冷却。本系统要首先满足局部邻域的需要，当然，电网应该对所有供电储备进行补给，储电设备内部需要的电力可以忽略不计，内部需要

15、的热力由内部本身提供。本系统中，热电冷联产的各个组件如活塞式发动机，涡轮机，微型燃气轮机，光电发生器，燃料电池系统等，可以替代CHP（热电联产）系统，原因是能量流的类型，尽管本系统可以有其他类型的CHP系统，但本文所指的CHP是一种把活塞式发动机和一个可以同时生产电力及热水的发电机连接在一起的系统。本文设定组成CHP系统的所有管道，以及蓄热水池都经过高度曝晒，但是这些曝晒并未给CHP带来额外的热量。优化运行的要点在于实现科技经济化的运行。优化运行之所以很重要，是因为我们需要降低投资，节省资金，时间，燃料和环境资源，并且获得更多的效益和舒适度。优化运行的方法有两种：脱机优化运行方法和联机优化运行

16、方法。在脱机优化运行方法中，要预先设定一个负荷曲线图，这个图中记录的是年度中每一天系统操作前的相等时段的负荷量。 该系统必须根据事先优化的明确的程序进行操作。如果使用的系统比较简单，并且仅根据一个计划好的程序时间表，那么得到的负荷曲线图就非常准确，此时就可以并且应该考虑这个方法。如果是在复杂的系统中，如系统中含有无法预知的负荷，那么负荷曲线图就比较随机，此时考虑负荷曲线图的精确性，就应该采取其他方法。在联机优化运行方法中，负荷曲线图没有被限定，所以下一刻的负荷质量是无法预知的。因此，就需要测定系统运作中的负荷，理论上应该测定每时每刻的负荷，但实际操作时只能测定每个特定的较短的时短的负荷。这种负

17、荷存在于大多数复杂的系统中。这种方法需要先进的控制硬件和软件。系统在测定快速的负荷时要有快速的反应，但是由于系统含有非电力（加热，制冷）的部件，其热力学性质限制了系统的反应速度。这是联机优化运行方法的最主要的局限性问题，应该进行权衡。在本文采用脱机方法，从而每天都对TOOCS脱机模型分成24个时段进行优化。该模型优化了CHCP系统中的能量流，这个非线性模型主要用于并联型热电冷联产系统，当然，它也可以用于只有一些小型号的单机系统。由于电负荷，热负荷，冷负荷的变化性和不一致性，以及售出和购入能源的不同价格，有必要认真思考应该采用哪种能源资源来供给每个时段的负荷，从而把售出过剩能量获得的日常总收益最

18、大化。如果在较好规模的热电冷联产的电厂里，没有一个优化运行的策略，那么工厂的总体效率将下降，因此，资金和能源都将会被浪费。优化运行是CHCP系统中能源管理的重要部分。4 热电冷联产系统的优化过程热 电 冷 联 产 系 统 模 型 的 优 化 目 标 是 测 定 热 电 联 产 系 统 中 每 个 时 段 的 能 量 流 ， 从 而 实现 所 有 的 负 荷 需 求 ， 把 总 的 日 均 收 益 最 大 化 。 本 模 型 中 使 用 了 能 量 流 的 多 费 率 表 。 事 实上 ， 由 于 本 模 型 比 较 成 熟 ， 所 以 它 可 以 极 大 程 度 的 减 少 再 生 热 的 流

19、 失 。 对 优 化 过 程 进 行建 模 和 分 析 过 程 涉 及 的 主 要 符 号 及 含 义 如 下 ： Z 表 示 总 收 入 ， qk 表 示 在 时 间 段 k 内出 售 的 能 量 ， Xi,k 表 示 在 k 的 时 间 段 中 阶 段 i 的 热 量 ， 表 示 栅 极 接 线 在 i=5， 9 时的 能 量 转 换 为 电 力 的 系 数 ， Ci 为 时 间 段 i 中 制 冷 消 耗 的 能 量 ， DE 是 能 量 消 耗 ， DC是 能 量 消 耗 的 成 本 ， IPCC 整 个 需 要 的 电 费 成 本 ， pi 表 示 时 间 段 i 中 购 买 的 电

20、 量 ，LMC 为 负 载 管 理 成 本 ， 为 贮 热 槽 的 充 电 转 换 系 数 。 为 贮 槽 的 放 电 效 率 。 R2 为 热储 存 充 电 速 率 ， 为 每 个 时 间 段 的 持 续 时 间 ， 为 达 到 时 间 段 的 热 能 储 存 ，tKStok为 贮 热 槽 的 初 始 热 能 存 储 ， 为 贮 热 槽 的 损 耗 系 数 ， 为 贮 热 槽 的 最 小 热 能 储 存 ，int 0Y为 贮 热 槽 的 常 规 容 量 。 为 时 间 段 k 时 的 电 能 需 求 ， 为 功 率 因 数 ， 为 热tRkUpfLCO电 联 产 系 统 的 最 小 电 力

21、生 产 值 ， 为 热 电 联 产 系 统 的 最 大 电 力 生 产 值 ， 为 热HCOHE电 联 产 系 统 转 化 热 能 为 电 能 的 最 小 比 率 ， 为 热 电 联 产 系 统 转 化 热 能 为 电 能 的 最 大LE比 率 ， 为 辅 助 过 滤 的 最 小 产 热 值 ， 为 辅 助 锅 炉 的 最 大 产 热 值 ， 为 吸LABABLA收 式 冷 冻 机 的 最 小 制 冷 量 ， 吸 收 式 冷 冻 机 的 最 大 制 冷 量 ， 为 时 间 段 k 时 的k制 冷 需 求 。 5,1()nkkZqX出 售 无 功 电 力 给 局 部 网 的 收 入 为 ，从 电

22、 网 购 买 电 力 时 的 回 避 成 本 或 者1,p出 售 电 力 给 电 力 负 载 的 收 入 为 ，出 售 无 功 电 力 给 电 力 负 载 的 收 入,kr， 出 售 热 气 给 热 负 荷 的 收 入 为 ， 满 足 冷 负 荷 的 收2,6,1,()kkkhX 8,kcX入 为 ，需 要 的 电 费 成 本 为 ，内 部 电 力 消 耗 成 本 为 ，从 电354)DECIPC9,kp网 购 买 电 力 的 成 本 为 ， 从 电 网 购 买 无 效 电 力 的 成 本 为9,kprX，1,5,0.9(k使 用 热 电 联 产 系 统 发 电 的 成 本 为 ，回 收 热

23、电 联 产2,3,4,13,0.17()kkkXX系 统 余 热 的 成 本 为 ，使 用 辅 助 锅 炉 发 热 的 成 本 为6,0,0.273()k，使 用 吸 收 式 冷 冻 机 制 冷 的 成 本 为8,.7kX， 储 存 热 量 和 传 送 热 量 的 成 本 为3,10,1,2,04()kkk， 负 荷 管 理 的 成 本 为 。22,99kkLMCtU3,10,()kkXRt分 析 了 热 电 冷 联 产 系 统 模 型 各 主 要 参 数 的 表 示 形 式 后 ， 将 对 这 些 参 数 之 间 的 约 束 关系 进 行 分 析 。 建 立 约 束 关 系 时 ， 主 要

24、需 从 以 下 几 个 方 面 考 虑 ： 能 量 生 产 部 件 中 应 考 虑 所有 的 生 产 界 限 ； 热 能 储 备 的 局 限 ， 以 及 从 热 能 储 备 罐 中 提 取 热 能 的 局 限 是 不 可 避 免 的 ；必 须 考 虑 热 电 比 ， 且 各 种 能 源 需 求 必 须 包 括 在 内 ； 如 果 电 负 荷 低 于 CHP 最 小 能 量 输出 ， 而 且 电 力 的 价 格 也 很 低 ， 热 电 联 产 系 统 的 组 件 必 须 关 闭 ； 如 果 热 负 荷 低 于 锅 炉 的 最小 热 能 输 出 ， 而 且 不 需 要 制 冷 时 ， 辅 助 锅

25、炉 组 件 必 须 关 闭 ； 根 据 这 些 约 束 关 系 ， 建 立 了如 下 关 系 式 ：1,2,()kkXRt,1,12,3,10jkjjjkk jintSto 且 ， ，0YtiinY，式中 ，1,9,kkXU1,(/)kXrpf， ， 5,(1/)rpf9,1k2,6,1,kkXH1,5,kLXCOt,H如 果 ,那么 kUt1,5,0kX如 果 ，那 么 ()0tRSo3,如 果 ，那 么 k1,ktSoR2,3,4,3, 1,5,()kkkHXE,1, ,kLXX6,7,0,kABt,1,kH如 果 并 且kLt0kC那 么 6,7,10,kX8,kt,HA如 果 ，那么

26、kLCt8,0kX如 果 那 么 ,C4,7,12,()kkkX本 模 型 一 个 最 主 要 的 目 的 是 尽 可 能 的 减 少 热 损 失 ， 内 部 目 的 是 增 加 贮 热 水 箱 的 规则 。事 实 上 ， 发 电 机 产 生 电 力 的 最 低 限 度 是 由 发 电 机 的 型 号 和 规 模 决 定 的 特 别 数 值 。本 模 型 为 发 电 机 提 供 了 一 个 生 产 限 度 ： COL COH， 并 且 忽 略 那 些 低 于 最 小 水 平 的 产电 数 量 ， 将 这 些 数 量 值 设 置 为 零 （ 关 掉 热 电 联 产 系 统 。 ）本 文 假 设

27、中 心 电 站 拥 有 足 够 的 能 力 去 购 买 该 模 型 所 判 定 的 过 剩 电 力 。 栅 极 接 线 装置 的 约 束 被 看 作 是 他 们 的 总 效 率 （ ） ， 本 模 型 不 包 括 系 统 外 的 网 格 线 约 束 。 中 心 电站 的 含 义 是 指 ： 和 所 有 发 电 厂 都 连 接 的 架 空 电 力 网 络 ， 本 文 所 使 用 的 系 统 就 是 一 个 与 这种 电 力 网 络 相 连 接 在 一 起 的 。损 耗 通 常 是 由 于 效 率 或 者 散 热 器 引 起 的 ， 而 本 模 型 能 够 减 少 那 些 可 避 免 的 损 耗

28、。值 得 一 提 的 是 ， 该 模 型 通 过 增 加 能 量 的 产 量 来 减 少 损 耗 。 如 果 知 道 绝 缘 体 的 型 号 ， 那 么就 可 以 计 算 出 蓄 热 水 池 的 损 耗 系 数 。由 于 优 化 的 总 持 续 时 间 是 24 小 时 ， 一 些 参 数 ， 如 有 效 系 数 等 ， 可 能 会 随 着 境 温度 或 者 其 他 因 素 而 变 化 ， 在 优 化 过 程 中 应 该 给 予 调 整 。吸 收 式 冷 冻 机 的 技 术 效 率 理 论 上 应 该 是 规 范 的 ， 然 而 在 大 多 数 环 境 下 ， 技 术 效 率可 能 会 发 生

29、 变 化 ， 因 此 也 可 以 使 用 实 际 效 率 ， 这 些 实 际 效 率 取 决 于 吸 收 式 冷 冻 机 的 位 置 ，气 候 ， 海 拔 高 度 等 因 素 。5 总结热电冷联产系统在今后的能源利用领域中有着十分重要的应用前景，对热电冷联产系统的优化主要是根据能源消耗的代价，对系统中的电负荷，热负荷，冷负荷三者进行合理调节，以达到更高的综合能源利用率，本文的研究贡献主要是对热电冷联产系统的工作原理和优化过程进行了详细的分析，为热电冷联产系统的实际应用系统性能的提高奠定了基础。参考文献：1吴大为,王如竹,吴静怡等. 分布式冷热电联产优化设计研究A.制冷空调新技术进展第四届全国制

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