燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)合理配置研究

1、燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)合理配置研究近年來，由于燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power，簡(jiǎn)稱CCHP)具有很高的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能潛力，因此，正在國(guó)內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用l1 J為了能使CCHP系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮潛力，必須合理地配置系統(tǒng)并優(yōu)化其運(yùn)行，其關(guān)健問題是合理確定系統(tǒng)的規(guī)模與組成形式 影響CCHP系統(tǒng)配置的因素很多，可行的配置方案也很多 日本學(xué)者KItO 等研究了燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐的組合情況【 J，但是即沒有考慮初投資、占地、用水、環(huán)境溫度、調(diào)峰以及蓄冷和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻的配置等因素，所用燃機(jī)線性模型存在與實(shí)際相差較大和精確度不高的問題，因此其

2、應(yīng)用范圍受到限制1 系統(tǒng)及模型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖1所示熱電廠以燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)，空氣在經(jīng)過進(jìn)氣冷卻器1降溫后被壓氣機(jī)2吸人并壓縮，壓力升高后，流人燃燒室3與天然氣混合燃燒成高溫高壓的燃?xì)?，再流人燃?xì)馔钙阶龉Γ瑹煔庥酂嵩谟酂徨仩t5中得到進(jìn)一步利用，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在供冷季驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)7制冷，或在采暖季通過熱交換器7向熱網(wǎng)提供采暖用熱，補(bǔ)燃裝置可提高CCHP系統(tǒng)的供熱(冷)能力，并能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷和熱負(fù)荷的獨(dú)立可調(diào)運(yùn)行l(wèi)4j熱(冷)不足部分由尖峰鍋爐提供，還可由蓄冷 (熱)器10供冷，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不足部分從網(wǎng)上購(gòu)電補(bǔ)充，為了更有效地冷卻進(jìn)氣，同時(shí)增加蓄冷器的蓄冷量和熱

3、網(wǎng)輸送冷量的能力，在吸收式制冷機(jī)后串接了壓縮式制冷機(jī)9，使冷凍水的供、回水有較大溫差，進(jìn)氣冷卻器的冷量可由蓄冷器或制冷機(jī)提供圖中顯示了燃機(jī)、余熱鍋爐、進(jìn)氣冷卻器和蓄冷器的組合形式，還可以派生出以下3種形式：燃機(jī)和余熱鍋爐；燃機(jī)、余熱鍋爐和進(jìn)氣冷卻器；燃機(jī)、余熱鍋爐和蓄冷器這套系統(tǒng)以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和補(bǔ)燃式余熱鍋爐為核心，設(shè)一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)補(bǔ)燃余熱鍋爐，并稱為一個(gè)子系統(tǒng)一個(gè)電廠由多個(gè)子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)的組成、容量和規(guī)?？筛鞑幌嗤鶕?jù)生產(chǎn)廠家提供的資料可得到燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐的特性，以此限制余熱鍋爐最高補(bǔ)燃溫度為927 ，不需布置輻射受熱面，只需采用對(duì)流受熱面結(jié)構(gòu)即可，成本可大大降低l4 J圖

4、1 燃?xì)廨啓C(jī)熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1進(jìn)氣冷卻器2壓氣機(jī)3燃燒室4燃?xì)馔钙?余熱鍋爐6發(fā)電機(jī)7吸收式制冷機(jī)或熱交換器8燃?xì)忮仩t9壓縮式制冷機(jī)10蓄冷器11 燃機(jī)模型系統(tǒng)中共設(shè)置 臺(tái)燃機(jī)，第i臺(tái)燃機(jī)功率E、空氣量G 與燃機(jī)在k時(shí)段的燃料耗量F,-(k)和進(jìn)氣溫度修正系數(shù)均用二次方程近似表示S (志)表示第i臺(tái)燃機(jī)運(yùn)行( (志)=1)或停機(jī)( (志)=0)的“01”整數(shù)變量(下同)；T0為進(jìn)氣溫度；燃機(jī)燃料消耗量 (志)的上、下限值分別為 和 E (k)= fe (F (k)，S (k)，T0) G (k)： 厶(F (k)， (k)，T0)m i (k) 一7 T0；S (k)：0或1； =1，2，

5、，m；k=1， 2， ，24 12 余熱鍋爐模型系統(tǒng)中共設(shè)置m 臺(tái)余熱鍋爐，第 臺(tái)余熱鍋爐在k時(shí)段蒸汽量 (k)與第i臺(tái)燃機(jī)燃料消耗量 (k)成二次方程關(guān)系，與補(bǔ)燃燃料耗量 成線性關(guān)系，補(bǔ)燃燃料消耗量 (k)的上、下限值分別為 和0D6 (k)=fb (F (k)， (k)，S6 (k) 0 (k) 其中 S6 (k)=0或1；i=1，2，m13 尖峰鍋爐模型系統(tǒng)中共設(shè)置 ，r臺(tái)尖峰鍋爐，第i臺(tái)尖峰鍋爐在k時(shí)段蒸汽量D， (k)與燃料消耗量F (k)成線性關(guān)系，燃料消耗量 (k)的上、下限值分別為 和0D， (k)= (F7f(k)，S， (k) 0 (k) 一其中 S (k)=0或1；i=1

6、，2，rnf14 溴化鋰吸收式制冷機(jī)模型設(shè)系統(tǒng)中共設(shè)置m 臺(tái)溴化鋰吸收式制冷機(jī)，第i臺(tái)溴化鋰吸收式制冷機(jī)在k時(shí)段耗汽量D (k)與制冷量Q (k)成線性關(guān)系，耗汽量 (k)的上、下限值分別為 和0Q (k)= ( ( ，S (k) 0 Dx (k) Dx 其中 S (k)=0或1；i=1，2， ，m 15 電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)模型設(shè)系統(tǒng)中共設(shè)置m 臺(tái)電動(dòng)壓縮式制冷肌，第 臺(tái)電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)在k時(shí)段耗電量E (k)與制冷量Q ，(走)成線性關(guān)系，耗電量E (k)的上、下限值分別為E 和0Q (k)： (E (k)，S (k) 0 E (k) 其中 S (k)=0或1；i=1，2，m 16 進(jìn)氣冷卻器

7、模型系統(tǒng)中共設(shè)置m 氣冷卻器，進(jìn)氣量為G ，大氣溫度為L(zhǎng) ，進(jìn)氣溫度為 ，進(jìn)汽最低溫度限制為7 ，以保證壓氣機(jī)吸氣口不結(jié)冰和進(jìn)氣冷卻器有一定傳熱溫差，吸收式制冷機(jī)的制冷量只能將進(jìn)氣冷卻至12 左右，而從12 至712必須由電動(dòng)制冷機(jī)的制冷量來完成，耗電量為E (k)丘(志)， z )=Gi(k)(ro一12)= 1 i： 1fj ( )， z )=G )(12一T0)17 蓄冷器模型k+1時(shí)段蓄冷器的蓄冷量 。 等于k時(shí)段的蓄冷量加上k+1時(shí)段冷量流人量C抽或減去k+1時(shí)段冷量流出量 同時(shí)考慮冷量損失系數(shù) (取為005)的影響，t為時(shí)段長(zhǎng)度(1 h)c (志+1)=G (志+1)+c (志)(

8、1一 ) 蓄冷c (志+1)=一C (志+1)+c (志)(1一 ) 供冷18 能量平衡電量： (志)+ E )： (志)+ (志) + (k)+Ee(k)其中 Ed(k)為k時(shí)段所需電量；E ( 為購(gòu)電量； E (k)為電廠自用電量蒸汽： Db (k)Sj + ( ：Dep(志) H +Dd(k)H其中 (k)為所需蒸汽量，用于熱網(wǎng)換熱器； D(f (k)為廢棄蒸汽量；H為焓值冷量：Q (志)+Q (志)+C口 (志)= m m mQ(f(志)+G (志)(T012)+G (志)(12一T0)+ i= 1 = 1C抽(k)其中 Qd(k)為所需冷量m m mif燃料：F(k)： (志)+ (

9、志)+ ) 2 合理配置方法21 全年總費(fèi)用法全年總費(fèi)用法是將工程方案從開始施-rN基建結(jié)束年份的投資折算到基建結(jié)束年份，然后將折算后的總投資平均分?jǐn)偟椒桨阜?wù)年限內(nèi)的每一年；再與年運(yùn)行費(fèi)用相加，得到全年總費(fèi)用進(jìn)行方案比較時(shí)，認(rèn)為全年總費(fèi)用最低的方案經(jīng)濟(jì)性最好以全年總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，以現(xiàn)有各型燃機(jī)、余熱鍋爐、尖峰鍋爐、蓄冷器、制冷機(jī)、進(jìn)氣冷卻器特性和能量平衡為約束條件，在所有配置方案中，先搜索到某一種配置方案，根據(jù)各時(shí)段能量需求得到每一時(shí)段的優(yōu)化運(yùn)行方案和全年最優(yōu)運(yùn)行費(fèi)用，并進(jìn)一步計(jì)算全年總費(fèi)用C ，最終全年總費(fèi)用最少的配置方案為優(yōu)化方案第志時(shí)段從外界輸入到系統(tǒng)的燃料費(fèi)用 (C 為燃料價(jià)格

10、)與購(gòu)電費(fèi)用(C 為購(gòu)電價(jià)格)之和為 (志)，全年設(shè)備費(fèi)為 每天分24個(gè)時(shí)段，一年按冬、春秋和夏3個(gè)典型Et計(jì)算，冬季、夏季和春秋季運(yùn)行期分別以D 、D 和D 天計(jì)，總和為365天從開始施工到基建結(jié)束年份的總投資等于某一種配置方案的燃?xì)廨啓C(jī)J 、余熱鍋爐、尖峰鍋爐；蓄冷器、制冷機(jī)、進(jìn)氣冷卻器和其它設(shè)備費(fèi) 之和，S是殘值率，i是投資年利率，R是投資貸款年分?jǐn)偮?，全年總費(fèi)用為：這樣就構(gòu)成了“01”混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，利用枚舉法和MATLAB語(yǔ)言優(yōu)化工具箱，通過模型和全年總費(fèi)用法可獲得全年總費(fèi)用最少的優(yōu)化配置22 層次分析法單純以全年總費(fèi)用來評(píng)價(jià)一個(gè)電站有時(shí)并不合理，對(duì)于調(diào)峰性能要求較高的電站有

11、時(shí)是配置蓄冷的好，而對(duì)于要求初投資和占地面積較少的是不配置蓄冷的好，因此，還必須從占地面積、調(diào)峰性能、初投資及其他方面來綜合評(píng)價(jià)CCHP系統(tǒng)的配置涉及的因素很復(fù)雜，具有龐大的搜索空間和多審目標(biāo)，有的因素難用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析層次分析法非常適用于CGHP系統(tǒng)合理方案選擇的決策，它是一種實(shí)用多目標(biāo)決策分析方法，它將定性和定量指標(biāo)統(tǒng)一在一個(gè)模型中，在獲得以全年總費(fèi)用最少為目標(biāo)的各種形式系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案后，再利用層次分析法最后確定合理配置方案系統(tǒng)配置分層結(jié)構(gòu)如圖23 算例及討論31 算例 金牛座70，指標(biāo)見表1：以索拉公司的A：土星20；13；人馬座40；C：人馬優(yōu)化中一些數(shù)據(jù)的取值昨模型來源如下

12、：1)燃機(jī)費(fèi)用占電廠總投資的50來考慮，如果配置的2臺(tái)機(jī)組型號(hào)相同，則燃機(jī)費(fèi)用之和及電廠總投資可減少5(按批發(fā)價(jià))，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)取本例中進(jìn)氣冷卻器設(shè)備總費(fèi)用為200萬(wàn)元，取水蓄冷設(shè)備總費(fèi)用為180元(kw·h)，冰蓄冷設(shè)備總費(fèi)用為240元 (kW ·h)2)天然氣價(jià)為140元Nm3，城市電網(wǎng)售電價(jià)為056元kW ·h，從21時(shí)至第二天早上8時(shí)電價(jià)為028元kW·h，此時(shí)停機(jī)，由電網(wǎng)購(gòu)電，尖峰鍋爐供熱或電制冷機(jī)供冷(如有蓄冷則白天由溴化鋰制冷機(jī)制冷并蓄冷，夜間利用低價(jià)電由電動(dòng)制冷機(jī)進(jìn)一步降低冷水溫度并供冷)熱價(jià)為30元GJ；折舊期為20年，折舊期滿資產(chǎn)剩余

13、率為0，貸款利率為621，計(jì)算中未計(jì)入電網(wǎng)容量費(fèi)、用電高峰調(diào)節(jié)費(fèi)和區(qū)域電網(wǎng)改造費(fèi)等；每個(gè)典型日的能量需求見圖3、圖4全年總費(fèi)用分4個(gè)等級(jí)，6 9299萬(wàn)元為1級(jí)，71147萬(wàn)元為4級(jí)，則7 0097萬(wàn)元和7 0127萬(wàn)元分別為2295 5級(jí)和2442級(jí)，對(duì)于初投資和回收期也采用相同方法根據(jù)上表可以構(gòu)造出各個(gè)判斷矩陣，層次總排序結(jié)果見表2層次總排序一致性指標(biāo)為1609 4×10，隨機(jī)一致性本例為1750 7×10 <01，故層次總排序矩陣滿足一致性要求可知金牛座70+金牛座70進(jìn)氣冷卻方案最合理，無蓄冷無進(jìn)氣冷卻次之，蓄冷進(jìn)氣冷卻再次之，只有蓄冷的最差從本例可以看出，層

14、次分析法得到的合理方案與全年總費(fèi)用最低的優(yōu)化方案是一致的，但從無蓄冷無進(jìn)氣冷卻和蓄冷進(jìn)氣冷卻的結(jié)果可以看出也有不一致的情況，所以采用層次分析法可得到更合理和全面的結(jié)果進(jìn)氣冷卻方案優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果見下圖51032 討論1)燃機(jī)加余熱鍋爐型熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有投資較少和系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)燃可節(jié)省尖峰鍋爐和風(fēng)機(jī)的費(fèi)用，利用燃機(jī)排氣余熱，在冬季夜間低電價(jià)時(shí)，由于需熱量較大，利用燃機(jī)發(fā)電加余熱鍋爐補(bǔ)燃供熱仍可獲得一定的經(jīng)濟(jì)利益，但在春夏秋季不需補(bǔ)燃，該系統(tǒng)多余的蒸汽量較大，雖然進(jìn)氣冷卻可使之減少，但仍有較大的多余的蒸汽量2)進(jìn)氣冷卻增加的總費(fèi)用不大，可在幾年內(nèi)收回工程投資，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益3)蓄冷一般用于分時(shí)電價(jià)且峰谷電價(jià)差較大的情況下，利用夜間的低價(jià)電進(jìn)行蓄冷，在白天高電價(jià)時(shí)進(jìn)行供冷，既可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，又起到調(diào)峰作用而對(duì)于燃機(jī)+余熱鍋爐的熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)來說，夜間低電價(jià)運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)效益低甚至虧損，因此，一般在低電價(jià)時(shí)停機(jī)，在白天高電價(jià)運(yùn)行在春夏秋季里，由于需冷(熱)量不大甚至為0，多余的蒸汽量較大，雖利用這些蒸氣進(jìn)行蓄冷和進(jìn)氣冷卻，夜間低電價(jià)進(jìn)行供冷，但多余蒸汽仍然較多，經(jīng)濟(jì)效益也不高，而且還增加了電負(fù)荷峰谷差4)對(duì)于2臺(tái)不同型號(hào)燃機(jī)組成的燃機(jī)加余熱鍋爐熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，在降低負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果是先降額定功率大的燃機(jī)發(fā)電量，對(duì)于2臺(tái)額