一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu) 化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，具有相當(dāng)豐富的生物質(zhì)能資源，每年可用于生產(chǎn)生物質(zhì)氣的 資源約折合2. 5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能轉(zhuǎn)化當(dāng)量沼氣約1990億立方米，折合天然氣1200億立方 米，相當(dāng)于我國(guó)2011年天然氣消費(fèi)量1290億立方米的93%，按照2011年的能源消費(fèi)總量 (34.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）計(jì)算，生物質(zhì)氣發(fā)展將使中國(guó)氣體能源消費(fèi)的比重提高7%左右。而 沼氣作為一種典型的生物質(zhì)氣可再生能源，具有熱值高、燃燒污染小等優(yōu)點(diǎn)，1立方米沼氣 完全燃燒能產(chǎn)生相當(dāng)于〇. 7千克無(wú)煙煤提供的熱量，利用沼氣發(fā)電不僅可解決電力短缺問(wèn) 題，又能減少甲烷等溫室氣體的排放，凈化空氣環(huán)境。
[0003] 然而一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是，目前我國(guó)大量的生物質(zhì)資源未能實(shí)現(xiàn)合理高效的利用， 如農(nóng)村生物質(zhì)沼氣大多僅用于農(nóng)戶炊事，其余時(shí)間則處于閑置狀態(tài)，造成了設(shè)備、資金及資 源的極大浪費(fèi)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上的總能系統(tǒng)，其最 大特點(diǎn)是可對(duì)不同品位的熱能實(shí)現(xiàn)綜合梯級(jí)利用，同時(shí)完成發(fā)電、制冷及供熱（包括供暖 和熱水）三過(guò)程，就地滿足用戶的冷、熱、電需求，從而降低遠(yuǎn)距離供能的傳輸損失，極大的 提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及能源利用效率。尤其是數(shù)十千瓦級(jí)的生物質(zhì)氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)恰好適 合我國(guó)生物質(zhì)資源分散式、小規(guī)模應(yīng)用的需求，其發(fā)出的電力可滿足手工業(yè)、排灌以及邊遠(yuǎn) 地區(qū)的生活用電，同時(shí)還可極大的緩解農(nóng)村供熱難和局部環(huán)境污染的問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)結(jié) 構(gòu)調(diào)整及建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村具有重要意義。
[0004] 顯而易見(jiàn)，我國(guó)對(duì)數(shù)十千瓦級(jí)生物質(zhì)氣冷熱電聯(lián)供分布式供能系統(tǒng)的需求十分緊 迫，需求數(shù)量巨大。而聯(lián)供系統(tǒng)作為一種多聯(lián)產(chǎn)的復(fù)雜總能系統(tǒng)，組成結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式種類 繁多，同時(shí)還伴隨著建筑物負(fù)荷實(shí)時(shí)變化，從而使得其設(shè)計(jì)問(wèn)題變得極為復(fù)雜，一旦設(shè)計(jì)不 當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致效率低下及投資浪費(fèi)等諸多弊端。
[0005] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的公開(kāi)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，如公開(kāi)號(hào)為CN 1945472的專利以費(fèi)用和 能耗為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集中優(yōu)化控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端設(shè)備運(yùn) 行參數(shù)的控制；申請(qǐng)?zhí)枮?01010147996. 0的專利公開(kāi)了一種冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能效優(yōu)化調(diào) 度系統(tǒng)，以負(fù)荷預(yù)測(cè)及相關(guān)優(yōu)化計(jì)算為基礎(chǔ)優(yōu)化調(diào)度各能量單元的出力計(jì)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了 冷熱電能量的供需平衡。雖然上述方法均有效的改善了聯(lián)供系統(tǒng)性能，但同時(shí)也存在一定 不足：
[0006] 1)未涉及針對(duì)小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，尤其是以生物質(zhì)為能源的聯(lián)供系統(tǒng)工程優(yōu)化 設(shè)計(jì)。一方面，現(xiàn)有冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)大多仍以天然氣為主要能源，但由于天然氣屬于化石燃 料，故難以最大程度彰顯分布式供能系統(tǒng)節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。另一方面，隨著家用及小型商用 聯(lián)供系統(tǒng)日漸興起，數(shù)十千瓦級(jí)燃機(jī)愈發(fā)受人關(guān)注。而作為此類小型聯(lián)供系統(tǒng)的核心，其在 機(jī)組參數(shù)、效率及余熱量等方面與大中型機(jī)組均有所差別，進(jìn)而影響到后續(xù)與其相匹配設(shè) 備的選型與容量選擇，也就導(dǎo)致系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案也將不同以往。
[0007] 2)聯(lián)供系統(tǒng)是由多個(gè)單元組成的復(fù)雜能源系統(tǒng)，其中各單元，特別是關(guān)鍵設(shè)備的 輸入輸出特性對(duì)系統(tǒng)整體性能具有舉足輕重的影響。然而由于各部件建模困難，工作量大 等原因?qū)е履壳俺Ｒ?guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法僅以能量流函數(shù)入手，未涉及各設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 綜合優(yōu)化方法，以分供系統(tǒng)為參照對(duì)象，能源節(jié)約率、成本回收率及ccy咸排率為綜合目標(biāo)， 建立了計(jì)及設(shè)備變工況特性的小型生物質(zhì)沼氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型，并 求解得到內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組容量、啟停系數(shù)及電制冷比重，實(shí)現(xiàn)了小型生物質(zhì)沼氣聯(lián)供系統(tǒng)的 優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] 一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一：針對(duì)可產(chǎn)沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷 需求，得到建筑全年冷熱電負(fù)荷曲線；
[0012] 步驟二：設(shè)計(jì)聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的變工況特性；
[0013] 步驟三：構(gòu)造設(shè)計(jì)小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；
[0014] 步驟四：確定小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化變量，包括：
[0015] 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的容量、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組啟停系數(shù)和電制冷比三個(gè)變量，其中電制冷 比審義為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：針對(duì)可產(chǎn)沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷需求， 得到建筑全年冷熱電負(fù)荷曲線； 步驟二：設(shè)計(jì)聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的變工況特性； 步驟三：構(gòu)造設(shè)計(jì)小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)； 步驟四：確定小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化變量，包括： 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的容量、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組啟停系數(shù)和電制冷比三個(gè)變量，其中電制冷比定 義為：
式中：Qdl和Qab分別表示電制冷機(jī)組的電制冷量和吸收式制冷機(jī)組的吸收式制冷量； 除內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組與制冷機(jī)組外，依據(jù)調(diào)研情況設(shè)定設(shè)備效率值、燃?xì)馀c電網(wǎng)發(fā)電的二 氧化碳排放系數(shù)、算法參數(shù)以及能源價(jià)格； 步驟五：確定優(yōu)化約束條件；建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以相對(duì)傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的節(jié)能率、 成本回收率及減排效益為綜合目標(biāo)；求解優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)得到所述步驟四中的優(yōu)化變 量，進(jìn)一步得到系統(tǒng)其它設(shè)備的最優(yōu)配置。
2. 如權(quán)利要求1所述一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是， 所述步驟二中，聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備包括內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、溴化鋰吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)； 聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的變工況特性設(shè)計(jì)的具體方法為：根據(jù)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組部分負(fù)荷率確 定各項(xiàng)效率參數(shù)；根據(jù)余熱回收產(chǎn)生的熱水溫度和冷卻水溫度確定溴化鋰吸收式制冷機(jī)最 大制冷量；依據(jù)設(shè)定冷凍水溫度和冷卻水溫度計(jì)算電制冷機(jī)最大制冷量；通過(guò)樣條插值法 擬合得到變工況特性曲線或面。
3. 如權(quán)利要求1所述一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是， 所述步驟三中，小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括沼氣預(yù)處理設(shè)備、儲(chǔ)氣罐、內(nèi)燃發(fā)電機(jī) 組、換熱器、輔助鍋爐、吸收式制冷機(jī)組、電制冷機(jī)組及大電網(wǎng)供電系統(tǒng)； 生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)沼氣凈化設(shè)備后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā) 電，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組輸出電能供給用戶、電制冷機(jī)、冷卻塔及其他設(shè)備用電，同時(shí)以大電網(wǎng)系 統(tǒng)為輔助供電電源；采用換熱器水循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)方式充分回收煙氣余熱和缸套水余熱；回 收熱量適用于驅(qū)動(dòng)小容量的單效吸收式制冷機(jī)；所述輔助鍋爐也以沼氣為燃料，用于補(bǔ)充 系統(tǒng)的熱需求缺額；所述電制冷機(jī)組配合吸收式制冷機(jī)為用戶供冷。
4. 如權(quán)利要求1所述一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是， 所述步驟五中， 優(yōu)化約束條件的確定方法為：在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中，保證系統(tǒng)內(nèi)部冷熱電能量的平衡，并 設(shè)定優(yōu)化變量的上下限，符合設(shè)備的變工況特性。
5. 如權(quán)利要求1所述一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是， 所述步驟五中， 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)為： max V = ω ^ESR+ ω 2ACR+ ω 3C02ERR 其中
式中PESR為聯(lián)供系統(tǒng)能源節(jié)約率；ACR為聯(lián)供系統(tǒng)通過(guò)節(jié)約能源費(fèi)用以回收增加的設(shè) 備購(gòu)置成本所需年限，即年度成本回收率；CO2ERR為聯(lián)供系統(tǒng)的二氧化碳減排率；ω2、 ? 3分別代表PESR、ACR、C02EER的權(quán)重系數(shù)，并滿足0彡ω1Ν ω2、ω3< 1，且ω i+c^+c^ = I ;max V表示綜合目標(biāo)函數(shù)最大化；Gran^Gsp分別表示為聯(lián)供系統(tǒng)和分供系統(tǒng)全年總能源消 耗量，CO2Eraip為聯(lián)供系統(tǒng)年二氧化碳排放量，CO 2ESP表示分供系統(tǒng)的年二氧化碳排放量；G gas 表示聯(lián)供系統(tǒng)所消耗的總?cè)細(xì)饽芰浚珽#id為聯(lián)供系統(tǒng)來(lái)自大電網(wǎng)的購(gòu)電量；R OTP、Rsp分別表 示聯(lián)供系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的設(shè)備投資成本；Esp則為分供系統(tǒng)的耗電量；i和j分別表示日和 小時(shí)；Pu為j時(shí)刻的分時(shí)電價(jià)、P肩為燃料價(jià)格。
6.如權(quán)利要求1所述一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，其特征是， 根據(jù)所述步驟四中得到的優(yōu)化變量，進(jìn)一步結(jié)合用戶負(fù)荷確定吸收式制冷機(jī)組、換熱器、輔 助鍋爐及電制冷機(jī)的容量，對(duì)比本小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與天然氣聯(lián)供系統(tǒng)在全 年耗氣量、能源成本與CO 2排放量方面的差別。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法，針對(duì)可產(chǎn)沼氣的給定用戶，模擬其在典型氣象年的全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷需求，得到建筑全年冷熱電負(fù)荷曲線；設(shè)計(jì)聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備的變工況特性；構(gòu)造設(shè)計(jì)小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；確定小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化變量，以相對(duì)傳統(tǒng)分供系統(tǒng)的節(jié)能率、成本回收率及減排效益為綜合目標(biāo)，并設(shè)定小型生物質(zhì)沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中其他設(shè)備的參數(shù)；確定優(yōu)化約束條件；建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)；求解優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)得到優(yōu)化變量，進(jìn)一步得到系統(tǒng)其它設(shè)備的最優(yōu)配置。該方法簡(jiǎn)便易行，結(jié)合建筑物能耗分析理論，可適用于不同種類的小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【IPC分類】G06Q10-04, G06Q50-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104766133
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510102047
【發(fā)明人】張承慧, 魏大鈞, 孫波, 沙琮田
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日