寒冷地區天然氣冷熱電聯供系統的優化配置

張 雯 趙婉月 李法庭 介鵬飛

(1.青島大學后勤管理處，山東 青島 266071; 2.北京石油化工學院，北京 102617)

目前，我國的能源消費總量約為46.8億t標準煤[1]，但我國的能源資源還相對短缺，而且對能源的利用率較低。天然氣冷熱電聯供是一種基于能源梯級利用的分布式能源系統，通過利用發電產生的余熱為建筑物提供需要的冷、熱負荷，即同時供應電、冷、熱負荷，大大提高了能源的利用率。為了充分發揮系統在節約成本、節能減排等方面的優勢，對系統進行優化配置是非常有必要的。

1 天然氣冷熱電聯供系統的研究現狀

巴林[2]研究了冷熱電聯供系統中的燃氣輪機、雙效吸收式機組和蓄能裝置的優化配置。通過分析燃氣輪機單位容量成本與外功率的關系、發電效率和制熱效率與負載率的關系、儲能裝置與雙效吸收式機組能量轉化規律，結合運行模式對系統進行優化。最后以經濟性最優為目標，采用混沌粒子群優化算法來得出優化結果，并指出儲能裝置對系統的運行成本和調節冷熱平衡具有積極的作用。鄭拓[3]針對分布式冷熱電聯供系統進行了研究，在考慮經濟、節能和環保的情況下，先對系統進行建模，之后確定了經濟、能耗、環境的各項指標，并建立了針對運行策略和設備安裝容量的評價體系，最后采用模式搜索算法對系統的運行策略進行了優化，從設備初始投資年值、年維護費用、年運行費用的經濟指標，一次能源利用率、一次能源節約率、火用效率的能耗指標，以及各污染物的二氧化碳當量的環境指標進行分析，得出了最優的運行策略，并確定了設備的安裝容量。同時還針對新舊運行策略進行對比，驗證了新運行策略的優越性。王開杰[4]對不同應用場景的夏季供冷、冬季供暖以及生活熱水等需求進行研究，通過對純用電的供熱、供冷方式與天然氣冷熱電聯供系統的供熱、供冷方式的比較，得出純用電的方式成本較高，而且季節性的用電會對電網產生不利的影響；天然氣冷熱電聯供系統既能為建筑提供用電，還能充分利用發電過程的余熱為建筑提供熱量、冷量以及生活熱水。吳佳桐[5]通過對含有熱網的綜合能源系統和計及可再生能源消納的綜合能源系統進行優化研究，得出了計及可再生能源的消納能使系統的光伏發電單元消耗率上升。同時還對熱網運行帶來的經濟效益、熱網運行工況以及燃氣價格對系統成本的影響進行了分析，驗證了熱網的三聯供系統的合理性。王浩[6]研究了長沙市某醫院的天然氣冷熱電聯供系統，計算了系統最優時的20年期的年度化費用值，并對系統進行綜合評價分析，得出了系統的優化方案。同時對優化后的系統進行單因素敏感性分析，發現能源價格對系統的經濟性影響較大。Rujing Yan等[7]以磷酸燃料電池為原動力以及太陽能為輔助對天然氣冷熱電聯供系統進行了優化。通過建模和仿真，計算系統的熱力學性能，對比分析系統的能源效率和火用效率，得出天然氣冷熱電聯供系統在太陽能的輔助作用下，提高重整溫度和磷酸燃料電池中氫的濃度，能使火用效率增大，但重整溫度高于1 073.15 K時，其影響將會變慢。

2 寒冷地區天然氣冷熱電聯供系統研究的必要性

圖1描述了我國2019年6月～2020年6月的天然氣產量月度變化情況[8]。從圖1可以發現，天然氣的日均產量處于增長趨勢，發展利用空間很大。天然氣與煤炭相比，污染性更小，使用范圍更為廣闊。因此，將天然氣作為冷熱電聯供系統的能源供應是比較有優勢的。我國的寒冷地區主要指北京、天津、河北、山東、陜西部分地區、遼寧部分地區等，這些地區的典型氣候特征是最冷月平均溫度在-10 ℃～0 ℃，全年日平均溫度低于5 ℃的時間長達3個月～5個月，并且采暖度日數2 000≤HDD<3 800[9]。因此，寒冷地區需要供暖時間較長，并且在夏季也有一定的供冷需求。在寒冷地區，天然氣冷熱電聯供系統的運用可以有效地解決供熱、供冷和供電問題。目前，我國在天然氣冷熱電聯系統優化、裝備容量配置、運營管理等領域的研究尚不夠深入。因此，對寒冷地區天然氣的冷熱電聯系統的優化配置，是非常必要的。

3 寒冷地區天然氣冷熱電聯供系統的優化配置

冷熱電聯供系統是解決能源問題的可靠方案，其中天然氣冷熱電聯供系統具有很大的發展潛力。天然氣冷熱電聯供系統由發電裝置、制熱裝置、制冷裝置組成。通過優化系統能使發電率、制熱率與發電機功率之間的關系達到最優，使系統的能量利用率最大化。由于系統的性能受設備配置、運行策略和其他因素的影響，為了提高系統的性能，需要考慮設備配置、運行策略、設備價格、氣候類型、建筑類型等因素。為了更加全面分析與優化天然氣冷熱電聯供系統在寒冷地區的應用，可以在系統中加入電制冷設備，由吸收式制冷機和電制冷共同承擔建筑物所需的冷負荷，建議寒冷地區的天然氣冷熱電聯供系統的優化配置可以從經濟、能源、環境的角度出發，對系統的設備配置、額定容量、運行策略進行優化，從而得到最佳設備參數來達到高效節能的目的。

系統中使用的典型優化算法通常分為線性規劃和非線性規劃。線性規劃很容易應用于系統優化。混合整數非線性規劃是另一種常見的優化方法，它考慮了非線性特征并解決了非線性問題。除此之外還有其他優化方法，例如,二次規劃，單純形算法，遺傳算法。其中，遺傳算法可以通過模仿自然的選擇和遺傳機制來找到最佳解決方案。其具有三個基本運算符：選擇、交叉和變異。解決該問題的主要手段是迭代計算。一般的迭代方法容易陷入局部極小陷阱而出現“死亡周期”現象，因此迭代無法繼續進行。遺傳算法克服了這一缺點，是一種全局最優算法，因此得到了廣泛的應用。與傳統優化相比，遺傳算法基于生物進化，具有很好的收斂性。因此可以采用遺傳優化算法把電制冷提供冷負荷占比、發電裝置、補燃鍋爐等設備的容量作為優化變量。把年度總成本、年度可再生能源消耗、年度二氧化碳排放作為目標函數，在對系統在不同運行策略(以電定熱、以熱定電、混合策略)下的配置進行優化和確定后，得到系統在經濟、能源、環境下各目標函數的最優值。

4 結語

本文提出針對寒冷地區的天然氣冷熱電聯供系統的優化配置，從經濟、能源、環境的角度出發，對系統的設備配置、最佳額定容量、運行策略進行了優化，從而得到最佳設備參數和運行策略，使得系統的綜合性能得到了提升。同時，在系統中加入了電制冷設備并把電制冷提供冷負荷占總冷負荷比、發電裝置、補燃鍋爐等設備容量作為優化變量，在運行策略上研究了系統在以電定熱、以熱定電、混合策略下的性能，通過利用遺傳算法優化得到了系統在經濟、能源、環境下獲得最大效益時的最佳設備配置和運行策略。