基于燃氣輪機冷熱電聯產系統運行策略優化

李天超,李志斌(上海電力學院　自動化工程學院,上海　200090)

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基于燃氣輪機冷熱電聯產系統運行策略優化

李天超,李志斌
(上海電力學院自動化工程學院,上海200090)

摘 要：本文提出了燃氣輪機冷熱電聯產系統的最優運行策略，根據某一地區的冷熱電負荷以及滿足該地區冷熱電負荷需求的聯產系統和分產系統的模型配置，任意選定該地區一個時間的冷熱電負荷，基于多目標評價指標下，得到并且比較不同運行策略的多目標值PCA的大小，比較以電定熱和以熱定電兩種運行方式在燃氣輪機冷熱電聯產系統中哪個更優。

關鍵詞：冷熱電分產；冷熱電聯產；以電定熱；以熱定電；多目標評價指標

0　引言

長期以來，我國一次能源儲備中煤炭最為豐富，石油和天然氣相對較少，因此，我國電力行業以傳統火電為主，傳統的能源的結構特點是大型化，集中化，輸配電比較復雜，可靠性弱，適應性不強[1]，煤炭和石油在燃燒過程中產生氮氧化合物，碳氧化合物，而天然氣在燃燒過程中很少產生這些物質。隨著《能源發展“十二五”規劃》，分布式能源被提出，天然氣冷熱電聯產得到了大力的發展[2].鑒于此，國內外許多學者對冷熱電聯產系統有了大量的研究。目前，對CCHP系統評價指標比較單一，基本以單一的評價指標評價聯產系統，但是對不同指標差異性分析比較少，馮志兵等人對幾種評價指標做了比較詳細的比較[3]。

在以上基礎上，以南方某地區某燃氣輪機冷熱電聯產系統為依托，綜合考慮一次能源節約率，二氧化碳減排率，費用節約率等因素，選取該南方地區某時刻的冷，熱，電負荷，計算在多目標指標下，以電定熱[1]和以熱定電兩種運行方式下的多目標指標PCA，比較得出該時刻針對該地區的最優運行策略。

1　燃氣輪機冷熱電聯產系統基本原理

燃氣輪機冷熱電三聯供系統主要包括燃氣輪機，帶補燃的余熱鍋爐，溴化鋰制冷機組，熱交換設備。燃氣輪機冷熱電聯產系統的原理如圖1所示[4]。

圖1　燃氣輪機冷熱電聯產系統原理

天然氣在燃氣輪機燃燒室中燃燒，燃氣進入透平做工，帶動發電機發電，電量提供用戶電負荷。做工后的高溫蒸汽進入余熱鍋爐加熱鍋爐給水，從而產生飽和蒸汽。飽和蒸汽一方面通過熱點換設備向用戶供熱，滿足用戶熱負荷，另一方面驅動溴化鋰吸收式制冷機制冷，滿足用戶冷負荷。冷凝水返回余熱鍋爐繼續吸收。整個系統中發電機發電滿足用戶電負荷，不夠的通過電網購買，余熱鍋爐的高溫蒸汽不夠滿足用戶冷熱負荷的，通過對余熱鍋爐補燃來滿足。

2　冷熱電分產系統原理

冷熱電分產系統由燃氣鍋爐，熱交換設備，離心式制冷機組成，系統流程圖如圖2所示。

圖2　冷熱電分產系統流程圖

用戶所需要的冷負荷由離心式制冷機提供，離心式制冷機消耗的電量和滿足用戶電負荷的電量由電網提供。用戶所需熱負荷由燃氣輪機通過燃燒天然氣，再通過熱交換設備提供。

3　聯產系統和分產系統設備數學模型及優化模型建立

在傳統的分產系統的基礎上，多目標指標模型下，比較冷熱電聯產系統相對于分產系統的優劣。本文選取夏季典型日某一時間段內，南方某地區的冷熱電負荷。通過模型建立，求出“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行策略的多目標值PCA，比較兩種運行方式的PCA的大小以確定該時間段的最優運行策略。

本文中聯產系統和分產系統模型中設計的設備性能參數見表1和表2。

3.1聯產系統設備數學模型的建立

3.1.1燃氣輪機的發電功率和余熱量與燃料量成正比關系[5]

表1　冷熱電聯產系統配置及設備性能參數

表2　傳統分產系統配置及設備性能參數

式（1）中E指燃氣輪機實際發電功率，Kw; Q是燃氣輪機排氣可利用熱量，kW；F是輸入燃氣輪機的天然氣熱量，kW；Emax0指設計工況下，燃氣輪機的額定發電功率，kW；Emax，Emin指燃氣輪機實際最大，最小發電功率kW；t0設計工況溫度，t0=15℃，t1實際環境溫度；a，b，c，d，e是與燃氣輪機容量以及工況有關的系數。

3.1.2補燃余熱鍋爐數學模型

余熱鍋爐補燃供熱量與余熱鍋爐補燃消耗的熱量成正比關系[6]

在式（2）中Q指余熱鍋爐補燃供熱量，kWh；Fsf余熱鍋爐補燃的燃料熱量，kWh；HRh，余熱實際運行熱效率；hHR0，余熱鍋爐額定熱效率，取0.8；HRb余熱鍋爐的負荷率。

3.1.3溴化鋰吸收式制冷機組數學模型

溴化鋰吸收式制冷機的制冷量與制冷所需的熱量成正比關系[7]

式（3）中Qc指制冷機的制冷量，kWh；QR指制冷機制冷所需熱量，kWh；COP指制冷機實際運行參數

3.2分產系統數學模型的建立

3.2.1燃氣鍋爐數學模型

燃氣鍋爐的供熱量和燃氣鍋爐的消耗的燃料熱量成正比

式（4）中：Qa指燃氣鍋爐供熱量，kWh；Fa指燃氣鍋爐消耗的天然氣熱量，kWh；gbh燃氣鍋爐的運行熱效率，取0.8；

3.2.2離心式制冷機數學模型

離心式制冷機的制冷量和離心式制冷機制冷所需要的電量成正比關系

式（5）中：Qc離心式制冷機的制冷量，kWh；Ec離心式制冷機制冷消耗的電量，kWh；COPc離心式制冷機實際運行性能系數，取4.0。

3.3系統目標函數的確定

本文主要將一次能源節約率P，二氧化碳減排率C，費用節約率A三個指標綜合起來作為評價指標。

3.3.1一次能源節約率

本文中將系統購電量和燃料量折合成一次能源。一次能源節約率（P）只滿足相同的冷熱電負荷情況下，聯產系統相對于分產系統的一次能源節約量與分產系統的一次能源消耗量的比值。其中電網輸電效率取0.92，電廠平均供電效率取0.377。

3.3.2二氧化碳減排率

二氧化碳減排率指聯產系統相對于分產系統的二氧化碳減排量與分產系統的二氧化碳排放量的比值。其中取外購電對應的二氧化碳排放量為877g/kWh，燃燒天然氣對應的二氧化碳排放量為220g/kWh。

3.3.3費用節約率

評價主要包括投資成本，維護費用和運行費用。用聯產系統相對于分產系統的總費用節約量與分產系統的總費用的比值表示費用節約率。其中年利率取7%，設備殘值率取0，設備的壽命年限取20。

3.3.4一次能源節約率，二氧化碳減排率和費用節省率（PCA）最小化

本文中綜合評價指標把一次能源節約率，二氧化碳減排率和費用節省率同等看待，取各自的權重為1/3.得到最終的評價指標。

4　系統優化結果分析

在以上的聯產系統和分產系統的數學模型下，多目標評價指標下，選取南方某地區一個小時的冷熱電負荷，此時環境溫度為25℃，用戶的電負荷為3000kWh，熱負荷為1000kWh，冷負荷為4000kWh。通過計算可以得到“以電定熱”運行策略下的多目標評價指標為PCA1=0.1847,“以熱定電”運行策略下的多目標評價指標PCA2=0.1709。

5　結論

本文在確定的冷熱電聯產系統和傳統分產系統模型下，采用多目標評價指標評價比較“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式，其中多目標評價指標包括三個方面，節能性，經濟性，環保性，且每個評價指標都采用聯產系統相對于分產系統的節約率，從以上結果可以看到，“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行方式下的PCA值都大于0，說明在多目標評價指標下聯產系統是優于分產系統的，在以上負荷下以電定熱的多目標值大于以熱定電的評價值，說明在上述負荷和環境下，采用以電定熱運行方式是優于以熱定電的運行方式的。在確定的聯產系統模型下，多目標指標評價下，通過比較兩種運行方式的多目標值有助于指導聯產系統采用最優的運行策略。

參考文獻：

[1]Alanne K,Saari A.Distributed energy generation and sustainable development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2006,10(06):539-558.

[2]國家發展和改革委員會.能源發展“十二五”規劃[M].北京,2013(01).

[3]馮志兵,金紅光.冷熱電聯產系統的評價準則[J].工程熱物理學報，2005,26(05):725-728.

[4]胡自勤,蔡睿賢.燃氣輪機熱電并供系統變工況性能[J].工程熱物理學報,1990,11(04):57-360.

[5]陸偉.城市（北京）能源環境中分布式功能系統優化配置研究[D].中國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2007.

[6]馮志兵，金紅光.燃氣輪機冷熱電聯產系統與蓄能變工況特性[J].中國電機工程學報,2006,26(04):25-30.

[7]LI H,Nalim R,Haldi P-A.Thermal Economic optimization of a distributed Multi-generation energy System-A case study of Beijing[J].Applied Thermal Engineering，2006,26:709-719

作者簡介：李天超（1990-），男，安徽滁州人，碩士，研究方向:檢測技術與自動化裝置，節能技術。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.056