黄德炼

(上海国际旅游度假区新能源有限公司，上海 201205)

1 问题的提出

冷热电联供系统是一种建立在能源梯级利用概念的基础上，将燃气、电力、制冷与蓄能等技术结合起来，集制冷、供热及发电过程为一体的多联供总能系统。冷热电联供系统与传统的单一能源供应系统不同，冷热电联供系统同时提供冷、热、电3种能量，实现多系统能源融合，其能源利用效率可达60%～80%，它具有节能减排、能量梯级利用、缓解电网压力等多方面优点[1]。冷热电联供系统将资源的利用效率发挥到最佳状态，以达到节能和经济效益最大化之目的。

近年来，冷热电联供技术由于其节能效益及经济收益较佳，成为分布式能源的一个发展方向[2]。随着该项技术的发展，我国在该领域取得了一些成果，并建设了一些冷热电联供项目，如广州大学城项目、上海黄浦中心医院项目[3]等。冷热电三联供(CCHP)系统与许多其他的能源供应系统一样，系统的主要目的是为了满足用户的需求，即保持能量的供需平衡[4-5]。然而，随着社会的快速发展，能源供应不再局限于单一的目标，CCHP系统在运行过程中，除了满足用户的能源需求外，还应考虑能源利用效率、经济性和环保等因素。为了达到这些目标，如何从系统设备选型、配置和运行等多方面进行优化，成为国内外学者研究的一个热点。

国内外的一些学者通过对多种因素分配一定的权重，以一个整体系统指标来表征多种因素，进而确定相应的优化方法，以实现CCHP系统全局性能的最优。如张蓓红采用最优化理论思想建立了冷热电联供系统(包涵了经济效益和节能要求)的综合优化模型[6]，深入分析了经济性和节能要求在总目标函数中权重对系统运行策略的影响。系统在正常生产运行过程中，需要考虑以下问题：一是经济性，二是能源利用效率。由于存在多种能源输出，联供系统是一个复杂的能量系统，在一定的冷热电负荷下，系统可以有多种配置方式与运行策略。经过多年的运行经验积累，CCHP系统采用以下2种操作模式以考虑系统的经济性与能源利用率：一种是以热定电；另一种是以电定热。对于2种模式而言，它只是一种定性分析下的操作经验，而CCHP系统本身具有很大的复杂性与不确定性。采用这种定性的分析方法，可用于指导实际操作，并保证系统在所有工况下都能实现最优。

为了解决上述问题，本文基于定量分析思路，建立CCHP系统的优化模型，提出一种兼顾能源利用率与经济成本的全工况优化运行策略。

2 系统概况与定量描述

典型的天然气冷热电三联供系统通常由燃气发电设备、制冷系统和供热系统3部分组成。天然气进入燃气轮机燃烧后提供电力，随后利用燃气轮机排出的高温烟气推动吸收式制冷机制冷，最后利用中温烟气加热生活热水。这3种设备可以有不同的组合方式以及不同的燃料补充结构，图1中显示的冷热电联供系统体现了能量梯级利用的基本思想。CCHP系统包含发电、制冷、制热3个子系统，其中发电系统主要依靠一次能源产生(如天燃气)。对于制冷与制热而言，则应根据CCHP系统能量梯级利用的思想，主要依靠余热，即一次能源燃烧所释放的热量。可见这3个子系统间相互影响、相互联系，存在一定的耦合性。

图1 冷热电联供系统

从图1中可以看出，发电量主要由一次能源天然气的消耗量决定，制冷量与供热量由天然气燃烧发电所附带产生的余热资源决定，而系统产生的余热量仍由天然气的消耗量直接决定。假设Q1，Q2,Q3分别为CCHP系统单位时间内实际生产的电量、供冷量与供热量，q0为CCHP系统单位时间内消耗的燃气量，Qwh为单位时间内系统所产生的余热量，Qgas为单位时间内消耗的天然气所对应的能量。那么根据过去学者的研究，可了解如下关系式[7]：

(1)

(2)

式中：Qgas=Hvgasq0，Hvgas为天然气的热值系数；Hvgas=36 500 kJ/m3。

系统燃烧过程中产生的余热Qwh，一部分用于制冷，一部分用于供热。假设采用a表示余热分配率，当a=1时表示余热量Qwh全部用于驱动制冷机，当a=0时表示余热量Qwh全部用于热交换器用于供暖。ηcold为制冷机效率，ηheat为热交换效率，那么

Q2=aQwhηcold,

(3)

Q3=(1-a)Qwhηheat。

(4)

综上所述，式(1)～式(4)分别给出了Q1,Q2,Q3与q0,a之间的相互关系，从而为下面章节进行的各种分析奠定了理论基础。

3 系统运行目标分析

简单来看，一般的能源生产系统首要目标就是供给足量的能源，以满足用户的需求[8-11]。然而随着资源(能源)的日益枯竭，环境问题日益恶化，CCHP系统不能仅追求能源的供需平衡，而更应考虑系统经济性、能源利用率和环保等因素。因此，本文着重从能源供需平衡、能源利用率与经济性3个目标入手，对其进行定量分析。

3.1 能源供需平衡

能源的供需平衡即CCHP系统供给的发电量、制冷量和供热量满足用户对3种能源的需求。

由于季节、用电习惯等因素，用户对冷热电的需求具有各自的特点，并呈现一定的规律。例如，从季节上来看，对于夏季工况，制冷负荷和电负荷需求量大，热负荷需求量小；对于冬季工况，制热负荷和电负荷需求量大，冷负荷需求量小；对于春秋季工况，主要是电负荷需求。从运行时段上看，白天用电需求量大，夜晚用电需求量少。

(5)

3.2 经济性

对一个生产系统，分析其经济性，一般需要考虑2个方面，即成本与收益。对于CCHP系统而言，收益来源于系统外送的发电量、供冷量与供热量；而成本主要来源于天然气的消耗。对于CCHP系统的经济性来说，可用其利润来衡量，即收益与成本的差值。

假设p1，p2，p3分别为单位电量、冷量与热量的售价，那么，收益可用如下公式进行计算：

R=Q1p1+Q2p2+Q3p3。

(6)

则相应的成本计算公式为

C=p0q0,

(7)

式中：p0为单位天然气的市场价格。

那么，CCHP系统的利润为

F1=Q1p1+Q2p2+Q3p3-p0q0。

(8)

在实际生产过程中，p1,p2,p3与p0是已知量，q0不仅直接决定Q1，而且与可利用的余热量Qwh存在直接关系，进而间接决定了Q2和Q3。因此，要追求CCHP系统的经济性，也就是要寻找一组q0和a值，使F1获得最大值。

3.3 能源利用率

CCHP系统主要基于能源梯级利用的思想，实现能源利用率的提高。在实际生产过程中，提高能源利用率，就是要充分利用一次能源燃烧时产生的余热资源，即尽可能回收更多的余热资源以进行制冷与供暖。参照前面的数学描述，CCHP系统的能源利用率如式(9)所示。显然，要提高能源利用率，就是要寻找一组q0和a的值，使F2获得最大值。

(9)

3.4 多目标综合分析

在实际运行过程中，无论是考虑经济性，还是考虑能源利用率等目标，能源的供需平衡，都是CCHP系统所不能忽视的一个重要目标。单纯地追求经济性与能源利用率，而不考虑能源的供需平衡，那么，系统将不具有任何的社会效益。如果只追求供需平衡，就必然影响系统的经济性与能源利用率的提高。因此，本节将对3个目标之间的关系进行深入分析。

3.4.1 经济性与能源供需平衡

3.4.2 能源利用率与能源供需平衡

CCHP系统的主题思想是利用能源梯级，用发电过程中产生的余热去制冷或制热。若单纯考虑CCHP系统的能源利用，就是要寻找最优的q0与a，从而获得最大的能源利用率F2max。而在某些时候，用户用电需求量大，而冷热需求则较小。若CCHP系统按照能源利用率最大化的模式运行，必然很难满足用户负荷需求，若满足用户的能源需求，则必然浪费大量的余热资源，能源利用率大大降低。可见在不同的负荷需求工况下，必须对能源利用率与能源需求进行综合考虑。

3.4.3 经济性与能源利用率

在前面章节中，分析了经济性F1与能源利用率F2的关系，而未知量q0和a函数是复杂的非线性关系。因此，经济性与能源利用率并不存在绝对的同向关系，即较高的经济性，不代表较高的能源利率；而较低的能源利用率，也不一定代表较低的经济性。

综上所述，能源供需平衡、经济性与能源利用率三者之间关系复杂，不存在简单的同向或反向关系，需要对其进行优化协调。因此，本文通过分析各种目标的具体特点，并建立相应的数学模型，提出一种优化方法，寻求一种追求多目标的运行方式。

4 优化模型研究

前面分别分析了CCHP系统运行的3个目标，即能源供需平衡、经济性与能源利用率。在实际运行过程中，针对某一个单独目标，很容易进行操作。如果同时考虑多个目标，由于优化目标的增多，必然提高问题的复杂度，给运行人员带来巨大的挑战，因此，需要找到一套行之有效的方法以协调三者之间的矛盾，寻求能源供需平衡、经济性与能源利用率之间的平衡。本文针对这一问题，提出了一种面向多目标的优化模型，以指导CCHP系统的运行操作。

该模型基于如下思想：主要用于实现高的利润与能源利用率，尽可能满足用户的能源供需平衡。因此，目标函数为

Fmax=ωF1+(1-ω)F2，

(10)

式中：ω为加权因子，范围为(0，1)，用于定量描述该模型考虑的侧重点，若ω=1则只考虑经济性，若ω=0则只考虑能源利用率。可见该目标函数根据用户的需求调节加权因子ω的大小，实现系统的经济性与能源利用率的协调优化。

此外，为了尽可能满足用户的能源供需平衡，增加式(11)表达的能源供需平衡关系。

式中：ε用于表征能源供需偏差的最大量，该数值可由用户根据运行工况进行指定。假设Q0为燃气轮机单位时间的最大发电量，该模型对应的其他的约束条件为

F2=Q1p1+Q2p2+Q3p3-p0q0。

(12)

Qgas=Hvgasq0,

(13)

(14)

(15)

Q2=aQwhηcold,

(16)

Q3=(1-a)Qwhηheat，

(17)

0≤a≤1，q0≥0，0≤Q2≤Q0。

(18)

在上述模型中，q0和a为需要优化的变量，其他均为常数，如表1定义了Hvgas等与CCHP系统有关的参数值，表2定义了p1等与销售价格有关的参数值。

表1 CCHP系统参数

表2 销售价格

从上述公式中可以看出，目标函数与约束条件中存在非线性函数，则该优化模型是一个典型的非线性规划问题。针对这种复杂的非线性规划问题，通常可以采用一些启发式的搜索算法(如遗传算法)来进行求解。而目前的一些优化编程工具(如Matlab和lingo)都提供了相应的非线性规划求解包，用户只需将目标函数与约束条件输入后，就可自动计算出相应的优化结果。

5 结论

本文介绍了大型分布式冷热电能源联供系统，基于能源梯级利用的思想，与以往的单供系统相比，极大地提高了能源利用率，降低了一次能源的消耗，减少了能源成本。在此基础上，本文所提出的一种面向多目标的协调优化方法，使系统实现能源供需平衡，综合考虑了CCHP系统的经济性与能源利用率。该方法以提高经济性与能源利用率为目标，应尽可能满足用户的冷、热、电需求，能有效适应CCHP系统各种不同类型的工况，为系统的优化运行提供了参考范例。

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