燃氣內燃機智慧能源系統優化設計軟件研發

劉義達，祁金勝，尹曉東，李官鵬，胡訓棟，韓吉田

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

智慧能源是通過技術創新和制度變革，將人類智慧融匯到能源開發利用、生產消費的全過程，從而建立的符合生態文明和可持續發展要求的一種全新能源技術和制度體系。智慧能源具有自組織、自檢查、自平衡、自優化等人類大腦功能，可以滿足系統、安全、清潔和經濟等要求，為解決日益嚴峻的能源短缺和環境污染難題、實現能源的安全、穩定、清潔和可持續利用開辟了新思路［1］。

由燃氣內燃機動力裝置、制冷系統、余熱回收系統、供熱系統等組成的燃氣內燃機冷熱電聯供系統，已成為智慧能源和分布式供能系統的重要發展方向之一［2］。由于該多聯供系統涉及多個不同能量轉換利用系統和裝置的耦合集成，其優化設計包括設備選型、容量配置和參數匹配等諸多環節、不同約束條件和優化目標，是一個典型的非線性多目標優化問題［3-8］。目前其優化設計工作主要由人工進行，設計方案依賴設計者的水平和經驗，而且設計周期長，難以得到系統的最優方案。因此，開發一套智能化的多聯供系統優化設計軟件具有至關重要的理論意義和工程應用價值［9-10］。

以燃氣內燃機多聯供系統為優化設計對象［11］，自主研發了燃氣內燃機智慧能源系統優化設計軟件，包括單機版和網絡版兩個版本，其中網絡版軟件可遠程授權目標用戶通過網絡遠程登錄使用。根據用戶負荷和設計要求，設計者可在軟件界面中選擇系統方案，優選所需的設備品牌及型號，以年最小費用為最優化目標得到優化方案。軟件操作簡單快捷，可顯著提高設計效率、降低成本，具有良好的推廣應用前景。

1 軟件組成

在建立智慧能源系統的優化模型和構建其可供選擇的設備數據庫基礎上，利用LPSolve 軟件建立了以年最小費用為目標函數的混合整數線性規劃算法［12］，并用python 語言開發了系統優化設計平臺的用戶界面。該軟件可根據用戶的冷熱電負荷等參數，快速實現系統的優化設計、設備選型及其實時運行工況分析，可為智慧能源系統的優化設計提供方便高效準確的軟件工具平臺。

該智慧能源系統優化設計軟件主要由下述功能模塊組成，其流程如圖1 所示。

圖1 軟件流程

1）設備數據庫。設備數據庫模塊包含燃氣內燃機、吸收式制冷（溴化鋰機組）、余熱鍋爐、燃氣鍋爐、電制冷機組（冷水機組）等國內外不同廠家不同型號的設備參數等信息，用于實現數據庫的構建與管理。用戶可根據需求手動或自動選擇廠家，可以在線添加并修改設備型號與參數，軟件也可對已經選擇的設備進行優化。通過數據庫IP 地址和名稱的設置保證數據庫安全可靠，通過數據庫連接狀態測試保證數據庫穩定可靠。

2）方案選擇。根據實際工程設計需要，可從煙氣熱水型溴化鋰制冷系統、蒸汽型余熱鍋爐系統和熱水型余熱鍋爐系統中選擇合適的多聯供系統方案。

3）優化設計。系統優化設計包括設備選型、設備匹配、參數優化和經濟分析等。用戶選擇方案后，可以導入用戶端冷熱電負荷，調用數據庫中設備參數，輸入能源價格，以系統最小總費用為優化目標，通過優化算法對系統進行優化，從而獲得系統最優容量配置、設備型號及各設備實時運行工況參數。

4）后臺管理。后臺管理包括用戶管理、管理用戶權限等。軟件運行后需要用戶登錄，登錄需要從數據庫中獲取密碼，軟件管理員可設置用戶的訪問權限。

5） 評估報告。評估報告是按照系統預設的模板輸出Word 格式的多聯供系統尋優方案報告。尋優方案評估報告包括設備選型結果、設備運行工況分析、系統費用、經濟性指標和典型日系統運行圖等。

6）軟件安全。軟件安全包括數據安全，網絡接入安全等。數據庫的訪問、修改等操作需要先驗證數據庫IP、密碼等信息，以保證數據庫的安全。用戶在使用軟件之前需要獲得授權后才能登錄系統，以保證軟件安全。

2 設計案例

利用該軟件平臺對多個實際燃氣內燃機冷熱電聯供系統項目進行優化設計，得到了系統的優化設計方案，驗證了該軟件平臺的高效性和準確可靠性。以濟南市某燃氣內燃機冷熱電聯供系統優化設計項目為例，選擇煙氣熱水型溴化鋰吸收式制冷系統方案（如圖2 所示），輸入相應計算參數，選擇設備的廠家和型號等參數，利用該軟件平臺獲得該聯供系統的最優設計方案。

2.1 能源價格及負荷參數

表1 給出了濟南市不同時段的電價。天然氣的價格為2.6 元／m3，其熱值為37.8 mJ／m3。

圖2 燃氣內燃機冷熱電聯供系統

表1 不同時段電價

取1 年內4 天的典型日負荷分別代表春夏秋冬四季的冷熱電負荷，可得到該建筑的冷熱電負荷曲線分別如圖3—圖6 所示。

由圖3、圖5 和圖6 可知，春秋和冬三個季節有熱和電負荷，沒有制冷負荷，且熱電負荷在一個典型日的24 h 內是隨時間變化的。與春秋冬季不同，夏季有冷熱電三種負荷，且冷熱電三種負荷在一個典型日的24 h 內也是隨時間變化的。

2.2 設備選擇

1）燃氣內燃機。如表2 所示，從設備數據庫中選擇GE 公司的顏巴赫（Jenbacher）燃氣內燃機。

2）燃氣鍋爐。如表3 所示，選擇數據庫中的中太鍋爐。

3）電制冷機（冷水機組）。如表4 所示，選擇數據庫中的日立電制冷機。

圖3 春季冷熱電負荷

圖4 夏季冷熱電負荷

圖5 秋季冷熱電負荷

圖6 冬季冷熱電負荷

表2 燃氣發動機（GE 顏巴赫）

表3 燃氣鍋爐（中太鍋爐）參數

表4 日立冷水機組參數

4）溴化鋰吸收式制冷機組。如表5 所示，選擇數據庫中的雙良燃氣熱水型溴化鋰吸收式制冷機組。

表5 雙良溴化鋰吸收式制冷機組參數

2.3 優化結果

在軟件平臺用戶操作界面中點擊“優化計算”按鈕，可得到該案例的自動尋優結果，設備選型和系統費用的優化結果分別如表6 和表7 所示。

利用軟件平臺得到的多聯供系統優化運行策略分別如圖7—圖15 所示。

1）電負荷。

春夏秋冬的用電負荷分布如圖7—圖9 所示。該項目的夏季電負荷較大，故以夏季設備運行策略為例進行分析。如圖8 所示，電負荷主要由型號為J316GS 的顏巴赫燃氣內燃發電機組和電網購電提供。在00∶00—07∶00（電價谷段），主要由電網購電滿足用戶的電負荷需求。在其他時段3 臺燃氣發電機組都滿負荷運行，其輸出的最大電功率為2 505 kW，不足的用戶電負荷再由電網購電滿足。

表6 設備選型結果

表7 系統費用 萬元

圖7 春季電負荷隨時間的變化曲線

圖8 夏季電負荷隨時間的變化曲線

圖9 秋季電負荷隨時間的變化曲線

圖10 冬季電負荷隨時間的變化曲線

2）熱負荷。

春夏秋冬的熱負荷隨時間的變化如圖11—圖14所示。該項目冬季熱負荷較大，故以冬季為例分析系統的運行策略。如圖14 所示，熱負荷主要由溴化鋰吸收式制冷機組、換熱器以及中太鍋爐機組滿足。由于溴化鋰吸收式制冷機的驅動熱源是燃氣內燃機的排氣和缸套水余熱，溴化鋰吸收式制冷機最多可提供1 000 kW 左右的熱負荷，不足部分的熱負荷由換熱器和型號為cwns7-95／70-YQ、額定功率為7 000 kW 的中太鍋爐一起提供。

圖11 春季制熱量隨時間的變化曲線

圖12 夏季制熱量隨時間的變化曲線

圖13 秋季制熱量隨時間的變化曲線

圖14 冬季制熱量隨時間的變化曲線

3）制冷量。

只有夏季有制冷負荷需求，其他季節不需要制冷負荷。如圖15 所示，夏季制冷負荷主要由溴化鋰吸收式制冷機組和日立電制冷機組滿足。在00∶00—07∶00 （電價谷段），全部冷負荷由型號為HCF900GSG、額定功率為3 165 kW 的日立電制冷機組滿足。在其他時段（非電價谷段），溴化鋰吸收式制冷機組可提供2 500 kW 左右的制冷量，剩余部分的制冷負荷由日立電制冷機組滿足。

圖15 夏季制冷量隨時間的變化曲線

3 結語

研發了基于燃氣內燃機的智慧能源系統優化設計軟件，以濟南市某燃氣內燃機冷熱電聯供系統設計項目為算例驗證了該軟件的準確性和高效性。該軟件界面友好，功能強，數據庫設備及其參數齊全，操作簡捷，計算速度快，一鍵即可導出優化結果、Word 版優化方案報告，可以滿足燃氣內燃機智慧能源系統優化設計的需要，為智慧能源系統的優化設計和運行策略分析提供了一種有效實用的軟件平臺。